Photomécanique & analyse Expérimentale en Mécanique des solides – PEM

Chercheurs et enseignants-chercheurs

Membres permanents

Valéry Valle
PR
(Responsable d'équipe)
Arnaud Germaneau
MCF HDR
(Responsable d'équipe)
Fabrice Brémand
PR
Laëtitia Caillé
MCF
Mario Cottron
PR
Pascal Doumalin
MCF HDR
Jean-Christophe Dupré
CR
Philippe Rigoard
PU-PH
Tanguy Vendeuvre
PH

Doctorants

Kévin Aubert

(2018 - aujourd'hui)

Analyse biomécanique de l'augmentation osseuse dans une structure cortico-spongieuse pour les réductions de fracture et leur stabilisation

Ce doctorat en contrat CIFRE avec la société Ansys France, a pour objectif de développer des outils numériques patient-spécifiques d’aide au planning chirurgical pour le traitement des fractures osseuses par méthodes mini-invasives. C’est pourquoi, en plus du fort partenariat avec la société Ansys France spécialisée dans le développement de logiciel de simulation numérique, cette thèse évolue avec l’appui de praticiens hospitaliers au travers d’une étroite collaboration avec le laboratoire PRISMATICS du CHU de Poitiers.

Jean-Philippe Deneuville

(2018 - aujourd'hui)

Caractérisation biomécanique des disques intervertébraux

Il s'agit de déterminer comment les mouvements physiologiques d'une unité fonctionnelle rachidienne (vertèbre - disque - vertèbre) influence la mécanique du nucleus pulposus. Nous étudions le disque en condition saine et pathologique (avec une fissure de l'annulus fibroses).

Endri Lacaj

(2020 - aujourd'hui)

Etude des propriétés mécaniques des structures complexes poreuses (combinaison d'une structure solide déformable à haute porosité, imbibée de fluide) par méthodes de mesure de champ sans contact

Essais in situ par tomographie à rayons X des mousses polymériques à pores ouverts imbibées de fluide ainsi que la caractérisation mécanique, morphologique et l'analyse de leur mécanisme de déformation en utilisant les méthodes de traitement d’images et de corrélation volumique. Observation sur les effets de la sollicitation dynamiques de ces matériaux dans les butées XPHD par corrélation d’images.

Fanny Leborgne

(2020 - aujourd'hui)

Développement et caractérisation mécanique de substituts osseux en céramique

Cette thèse régionale s’effectue dans le cadre du projet MimOsA (Substituts en céramiques mimant l'os) en partenariat avec l’Institut de Recherche sur les Céramiques (IRCER) à Limoges et le laboratoire XLIM à Poitiers. Elle a pour but de concevoir et fabriquer des substituts osseux en hydroxyapatite, par une approche biomimétique, appliquée aux Ostéotomies Tibiales de Valgisation (OTV).

François Zot

(2020 - aujourd'hui)

Développement et analyse biomécanique d'un dispositif optimisé implantable pour la chirurgie du rachis

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet BORDO (Biomécanique Ostéoarticulaire du Rachis et Dispositifs Optimisés) financé par la région Nouvelle-Aquitaine. Ce projet est mené en étroite collaboration avec l'institut I2M de Bordeaux et le CHU de Poitiers. L'objectif de ce projet est de développer un implant innovant pour la chirurgie du rachis lombo-sacré. Pour cela des essais sont menés pour étudier le comportement biomécanique du segment concerné.

L’action scientifique de l’équipe PEM se décline en quatre parties étroitement liées :
  • La Photomécanique qui regroupe l’ensemble des activités permettant l’émergence, l’amélioration et l’adaptation à de nouveaux champs d’investigation, des méthodes optiques de mesure et plus particulièrement les méthodes permettant l’accès à des champs de mesures.

 

  • L’Analyse expérimentale en Mécanique des solides, (vocable anglo-saxon « Experimental Mechanics ») qui regroupe les activités de compréhension des phénomènes mécaniques liés aux structures et aux matériaux, par le biais du couplage entre les outils de modélisation, d’expérimentation et d’identification.

 

  • La Biomécanique qui concerne l’adaptation à des phénomènes locaux d’une technique de corrélation d’images numériques, le développement d’un banc de tomographie optique, les premières actions vers les méthodes d’identification intégrée, l’étude des phénomènes mécaniques dans les matériaux fortement hétérogènes, et la compréhension des interactions entre l’os et l’implant.

 

  • La Médecine qui regroupe les activités de recherche de praticiens hospitaliers membres de l'équipe. Ces actions concernent la chirurgie du rachis, la neurochirurgie et la chirurgie orthopédique.
La mesure de champs cinématiques en présence de discontinuités

Il s’agit d’une nouvelle méthode enrichie de corrélation d’images numériques (H-DIC), dont les applications ne se limitent plus aux seules fractures. Cette dernière nous a permis de travailler avec des collègues de l’université de Santa Barbara (UCSB) et de l’équipe Endo du D1, sur des problèmes de plasticité dans des super alliages. Dans ce cadre spécifique, la méthode développée permet de quantifier les glissements intra et inter-granulaires dans ces matériaux.

Le logiciel développé à partir de cette méthode et qui s’appuie sur de la parallélisation sous CUDA est actuellement déployé à l’UCSB, au sein du D1 de Pprime, à l’IC2MP de Poitiers, et à l’Université de Reims.

Les principes employés pour la méthodes 2D ont été intégrés aux méthodes 3D (H-SDIC) et volumiques (H-DVC). Ces nouvelles méthodes étendues ont trouvé des applications dans le cadre d’un projet au laboratoire de Bure (ANDRA) en collaboration avec l’IC2MP, ainsi que pour nos applications en Biomécanique.

De plus, des fonctionnalités supplémentaires ont été implémentées dans la méthode 2D, qui permettent maintenant l’extraction de paramètres locaux, comme le type de discontinuités capturées (ouvertures, glissements), mais aussi l’accès aux champs locaux de rotation et de déformations, non perturbés par la présence des discontinuités de déplacements (Thèse Labex Interactifs).

La tomographie optique rapide

La tomographie optique permet de mesurer rapidement des grandeurs cinématiques dans un volume. Nous développons une technique expérimentale basée sur la rotation d’une nappe laser plane (ORST) et la diffusion de la lumière traversant le volume. Un nouveau dispositif de synchronisation à été développé à partir d’une carte de pilotage programmable permettant une souplesse de paramétrage et une amélioration de la fiabilité et de la vitesse de la synchronisation. Suite à l’acquisition d’une nouvelle caméra, plus rapide et de meilleure résolution, un nouveau protocole de synchronisation et de nouveaux tests de précision ont être réalisés, permettant d’envisager des essais encore plus rapides avec des temps d’acquisition de volume de l’ordre de 1/100s. Ces travaux sont prolongés par notre participation depuis le printemps 2019 au projet Européen HOMER. 

                Les méthodes d’identification de paramètres mécaniques

Le développement des méthodes d’identification de paramètres mécaniques locaux est complémentaire de nos méthodes de mesure de champs cinématiques. Ces méthodes d’identification trouvent un grand intérêt lors de l’étude du comportement des matériaux hétérogènes à microstructure complexe.

Dans le cadre du développement d’une identification intégrée, nos premières actions été initié dans une approche locale de comportement élastique linéaire. La "Méthode de l'Ecart à l'Equilibre" MEQ, sans gradient, a été retenue dans un formalisme en éléments finis. Plusieurs expérimentations 3D (avec DIC) et 3D (avec DVC) ont été menées sur plusieurs milieux hétérogènes : mousses polyuréthane (modules d’Young locaux), composite à base de fibre de bois (porosité locale), tissus et substituts osseux (modules d’Young locaux, facteurs d’intensité de contraintes et énergie de rupture). Sur ce me thème, nous développons des méthodes d’identification de paramètres thermophysiques et de paramètres mécaniques en relation avec le Laboratoire d’Energie Solaire de l’Université de Lomé (Togo).

Des études sur les matériaux hyper-élastiques et sur les matériaux cellulaires ont été menées avec les université de Belaja et de Constantine. Un banc de photoélasticimétrie Infa Rouge a été développé lors d’un contrat avec le CEA.

Dans cette thématique, on aussi peut noter quelques réussites remarquables ayant pour origine la mise en évidence des hétérogénéités de déformation en lien avec la nature hétérogène des matériaux. Dans ce cadre, l’étude du comportement mécanique de matériaux isolants à base de fibres de bois s’est poursuivi durant le programme de recherche ECOMATFIB (2014-2017) financé par
l’ADEME. Les paramètres d’influence du phénomène de reprise en épaisseur ainsi que les valeurs des déformations résiduelles ont été quantifiés.

Une autre étude a débuté en 2016 en collaboration avec l'équipe TRIBOLUB. Cette équipe est spécialisée dans les problèmes de tribologie et de lubrification, notamment dans les paliers et butées mécaniques. Le travail concerne la compréhension et la modélisation d’un nouveau mécanisme de lubrification d'inspiration biomimétique (eX-Poro-HydroDynamique). Son principe est basé sur l'utilisation d'un matériau solide très déformable et à porosité importante, imbibée par un fluide.

Cette combinaison engendre une haute capacité de portance et d'amortissement tout en assurant la fonction de lubrification entre 2 solides en contact présentant un mouvement relatif. Le travail consiste à étudier ce phénomène en liaison avec les propriétés mécaniques et morphologiques du matériau poreux solide. Des travaux ont été initiés en 2017 en utilisant la technique de corrélation d'images et des essais mécaniques sous microtomographie à rayons X. Ils se poursuivent depuis mars 2020 dans l’ANR SOFITT. Ces différents travaux concernant spécifiquement des études sur des matériaux fortement hétérogènes ont montré l’intérêt de nos métrologies expérimentales qui permettent d’apporter des spatialisations plus fines de données locales et de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu dans ces matériaux particuliers.

Les travaux en biomécanique portent principalement sur l’analyse du comportement mécanique des tissus osseux en interaction avec les dispositifs médicaux et la biomécanique ostéoarticulaire. Ces travaux s’inscrivent dans des activités de recherche translationnelles entre le fondamental et la clinique et sont menées avec l’équipe de recherches cliniques PRISMATICS du CHU de Poitiers.

Biomatériaux et tissus osseux

Cette thématique porte sur l'analyse mécanique du tissu spongieux et de l'interface entre l'os spongieux et les matériaux de comblement (e.g. ciment PMMA) utilisés pour stabiliser des fractures. La corrélation d'images numériques (H-DIC) et la corrélation d’images volumiques (H-DVC) ont été utilisées pour étudier le comportement de tissus spongieux associés au ciment PMMA sous différents types de chargement (compression, Wedge Splitting) et jusqu’à apparition et propagation de fissures. Les mesures expérimentales ont été couplées à des analyses numériques et modélisation par éléments finis. Les méthodologies développées ont permis de déterminer les paramètres mécaniques locaux (FEMU) ainsi que les facteurs d’intensité de contrainte et énergies de rupture dans les tissus osseux pour différentes densités et en association avec le matériau de comblement.

Biomécanique ostéoarticulaire

Cette seconde thématique concerne l’analyse du comportement mécanique de dispositifs implantables pour la réduction et stabilisation de fractures du plateau tibial et du rachis. Les résultats issus des expérimentations sur segments anatomiques (collaboration avec l’ABS Lab, laboratoire d’anatomie de l’Université de Poitiers), nous ont conduits à travailler sur l’optimisation de techniques de chirurgie mini-invasive, telles que la tubéroplastie pour traiter les fractures du plateau tibial, nécessitant le développement de modélisations par éléments finis patient-spécifique (collaboration avec l’Université des Frères Mentouri de Constantine et contrat de collaboration avec la société ANSYS). Par ailleurs, de nouvelles études ont été réalisées en biomécanique du rachis avec l’analyse du comportement mécanique des disques intervertébraux sous chargement dans le but d’évaluer le traitement des lombalgies. L’objectif est de caractériser les mouvements entre nucleus pulposus et annulus (tissus mous constituant le disque) par des mesures par corrélation sur des images IRM (collaboration avec le département Biomedical Engineering de l’Université de Bâle débutée en 2020).

Dans le cadre de leurs activités de praticiens hospitaliers, Philippe Rigoard et Tanguy Vendeuvre développent aussi des activités de recherche autres que celles présentées précédemment.

Les activités du Professeur Rigoard concernent la prise en charge des chirurgies du rachis instrumenté ou non instrumenté, la sur-spécialisation en microchirurgie, en chirurgie d’exérèse des tumeurs des nerfs périphériques, en chirurgie robotique, en chirurgie de la douleur, en particulier dans les techniques de neurostimulation implantée et en chirurgie du handicap.

Le docteur Tanguy Vendeuvre est spécialiste des chirurgies mini-invasives, assistées par ordinateur (navigation), de correction des scolioses et déformations de l’adulte de l’adolescent et de l’enfant, du rachis d’enfant ou d’adulte présentant un handicap et des pathologies rachidiennes de l’enfant traitées chirurgicalement ou par corset orthopédique.