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Conception et caractérisation d'un substitut physique de moelle épinière instrumenté

Peyrache, Louis-Marie (2017). Conception et caractérisation d'un substitut physique de moelle épinière instrumenté. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les mécanismes de blessures médullaires impliquent une interaction complexe entre la colonne vertébrale et la moelle épinière. L’étude de cette interaction passe souvent par la reproduction de fractures in vitro, le principal enjeu étant de relier les déformations de la moelle épinière aux efforts subis par la colonne vertébrale. Cependant, la mesure directe des déformations de la moelle épinière est complexe et souvent négligée. En effet, les techniques de mesure de l’occlusion du canal ne donnent qu’une mesure indirecte des déformations. De plus, elles ne prennent pas en compte le comportement biomécanique de la moelle épinière.

L’objectif principal de ce projet est de concevoir et caractériser un substitut de moelle épinière instrumenté biofidèle qui permet de mesurer la compression qu’il subit en temps réel.

Une analyse de la revue de la littérature a permis d’identifier certaines lacunes des substituts de moelle épinière existants. Un cahier des charges a été établi pour tenter d’apporter une réponse à cette problématique. Un processus de conception a été mené dans le but de trouver un matériau respectant certaines propriétés mécaniques de la moelle épinière, ainsi qu’unetechnique de mesure adaptable à ce matériau. Une caractérisation mécanique du substitut de moelle épinière a été effectuée afin de comparer ses propriétés à celles de moelles porcines fraiches. Le substitut a également été soumis à des compressions transverses importantes (jusqu’à 90%), à de grandes vitesses (jusqu’à 500 mm/s), afin de simuler la compression associée aux fractures vertébrales comminutives. Le but était d’étudier et de determiner certaines caractéristiques métrologiques de cet outil de mesure.

La moelle épinière synthétique développée est constituée d’une mousse de silicone integrant un filament de polymère piézorésistif. Lorsque la moelle est comprimée, le filament s’étire et sa résistance électrique interne varie en lien avec la sévérité de la compression.

Les résultats montrent que le substitut de moelle épinière développé possède des proprieties viscoélastiques (dépendance au taux de chargement) similaires à la moelle épinière porcine (ICC > 0,95). La résistance interne du filament de polymère augmente de 37% entre 0 et 75% de compression, pour une sensibilité moyenne de 9,4kΩ/%. L’évolution de la résistance du filament durant la compression varie au maximum de 4,7% entre le 1er et le 10ème étalonnage. Le substitut permet la mesure du taux de compression avec une erreur maximale inférieure à 4%. Le temps de réponse du filament est inférieur à 5ms. Globalement, le prototype construit a respecté 74% des cibles fixées dans le cahier des charges.

En conclusion, ce substitut prend en compte le comportement biomécanique de la moelle épinière biologique et permet une mesure in situ fiable, répétable et en temps réel du taux de compression de la moelle épinière. Il s’agit d’un moyen novateur d’étudier le lien entre les lésions osseuses et la compression médullaire pour les fractures associées aux lesions médullaires.

Résumé traduit

The interaction between the spinal column and the spinal cord when an injury occurs is complex. The biomechanics of spinal cord injuries is poorly understood. In vitro replication of the injury is often used to better understand the fracture biomechanics. The aim is to link the spinal compression to the loading of the spine. However, recording the spinal cord compression is difficult and often neglected. Indeed, current techniques to assess the spinal canal occlusion are indirect, too slow or incomplete. They do not measure the spinal cord strain, nor mimic the mechanical properties of the spinal cord.

In this study, a physical spinal cord surrogate was designed, fabricated, and validated under different testing scenarios.

A literature analysis allowed identifying weaknesses of the existing spinal cord surrogates. The required specifications for the spinal cord surrogate were established based on this this literature analysis. A design process has been followed to identify a material matching the mechanical properties of the porcine spinal cord and a measuring technique. The mechanical characterization of the instrumented surrogate was performed to compare the results to those obtained with fresh porcine spinal cords. The spinal cord surrogate was also submitted to various transverse compression magnitudes (up to 90 %) and speeds (up to 500 mm/s) to reproduce typical contusions associated to vertebral burst fractures. The aim was to assess its compression sensing capability by identifying its metrological characteristics.

The spinal cord surrogate was made of silicone foam. Spinal cord compression magnitude was evaluated using a resistive polymer filament embedded within the silicone foam. Sensing was based on the longitudinal strain experienced by the resistive filament during the spinal cord compression.

The results shows that the spinal cord surrogate has similar viscoelastic properties to the porcine spinal cord (ICC > 0,95) under transverse compression. The polymer filament resistivity increases by 37% when the surrogate is compressed from 0 to 75%. The filament resistivity varies by 4,7% between the 1st and the 10th calibration test. The spinal cord surrogate measures the transverse compression with a maximum deviation of less than 4%. The filament response time is less than 5 ms.

To conclude, this surrogate replicates the spinal cord biomechanics and allows accurate, precise and dynamic in situ recording of the spinal cord compression. These results demonstrate the feasibility of using this new tool to improve our understanding of spinal cord injury mechanisms.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en technologie de la santé". Bibliographie : pages 149-157.
Mots-clés libres: Moelle épinière artificielle. Organes artificiels Conception et fabrication. Moelle épinière Propriétés mécaniques. Organes artificiels Propriétés mécaniques. Biomécanique. Moelle épinière Compression Mesure. Silicones en médecine. Mousses (Matériaux) Moelle épinière Lésions et blessures. instrumenté, piézorésistif, polymère, substitut, compression médullaire, capteur piézorésistif
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Wagnac, Éric
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Petit, Yvan
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 05 déc. 2017 21:52
Dernière modification: 05 déc. 2017 21:52
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1977

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