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Caractérisation expérimentale et modélisation par éléments finis poroélastique d'un disque intervertébral lombaire porcin en compression axiale

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Laroche, Elisabeth (2017). Caractérisation expérimentale et modélisation par éléments finis poroélastique d'un disque intervertébral lombaire porcin en compression axiale. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les instrumentations de fusion vertébrale sont utilisées pour redresser la colonne vertébrale lorsque cette dernière est déformée ou instable. Dans certains cas, suite à la pose des instrumentations, des déformations en cyphose ou des fractures au-dessus de l’instrumentation se produisent en raison de la grande rigidité de ces implants, ce qui entraine une dégénérescence prématurée des vertèbres et des disques intervertébraux. Plusieurs etudes ont investigué l’impact du choix des composants des instrumentations de fusion vertébrale pour diminuer l’apparition de ces conséquences, mais aucune ne l’a fait en considérant l’impact dans le temps. L’objectif de ce projet est de développer un modèle par éléments finis poroélastique d’un disque intervertébral porcin pour évaluer l’impact des instrumentations de fusion vertébrale. L’utilisation de lois poroélastiques permet de tenir compte de l’évolution temporelle des déformations, des contraintes et des échanges de fluide dans les disques intervertébraux. Les disques intervertébraux réagissent par fluage et relaxation de contraintes. Le comportement en relaxation de contraintes n’ayant pas été caractérisé dans la littérature, des essais en compression axiale sur 11 unites fonctionnelles porcines saines ont été menés pour caractériser ce comportement. De ces essais, la contrainte maximale, le module d’Young à l’équilibre et les paramètres rhéologique de type Maxwell généralisé ont été identifiés. Les dimensions des échantillons ont servi à déterminer les dimensions du modèle par éléments finis alors que les résultats des essais de relaxation de contraintes ont servi à calibrer le modèle. La réponse en fluage du modèle a ensuite été comparée à des données publiées par Nikkhoo et al. (2013a). L’analyse du comportement du modèle par elements finis poroélastique a permis de déterminer que les lois par défaut du logiciel ABAQUS permettent de représenter le comportement en fluage, mais elles ne sont pas adaptées pour une bonne représentation du comportement en relaxation de contraintes. Pour permettre la bonne évaluation de l’impact des instrumentations de fusion vertébrale sur les disques intervertébraux des lois plus complexes de poroélasticité devront être implémentées.

Titre traduit

Experimental characterization and poroelastic finite elements modeling of a porcine lumbar intervertebral disc submitted to axial compression

Résumé traduit

Spinal fusion instrumentations are commonly used to straighten the deformed or unstable spine. However, proximal junctional kyphosis or fractures occur after surgery due to the high stiffness of the implants leading to premature degeneration of the vertebrae and intervertebral discs. Several studies have investigated the choice of spinal fusion instrumentation components to decrease these complications, but none have done so by considering their impact over time. The objective of this project is to develop a poroelastic finite element model of a swine intervertebral disc to evaluate the impact of vertebral fusion instrumentation. The use of poroelastic allows taking into account the evolution over time of deformations, stresses and fluid exchanges in the intervertebral discs. The intervertebral discs behavior includes creep and stress relaxation. Since intervertebral discs stress relaxation behavior was not documented in the literature, axial compression tests were carried out on 11 healthy porcine functional units to characterize this behavior. From these experiments, maximum stress, Young's modulus at equilibrium and generalized Maxwell rheological parameters were identified. The samples’ dimensions were used to define the finite elements model’s geometry while the stress relaxation results were used to calibrate the model. The intervertebral dis model’s creep response was then compared with data published by Nikkhoo et al. (2013a). The results suggest that the material laws in ABAQUS software adequately represent the creep behavior, but they are not adapted to reproduce the stress relaxation behavior of intervertebral discs. Comprehensive poroelastic laws will need to be implemented to study the impact of vertebral fusion instrumentation on the intervertebral discs.

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 génie concentration technologie de la santé". Bibliographie : pages 113-122.
Mots-clés libres: Disques intervertébraux Modèles mathématiques. Colonne vertébrale Malformations. Vertèbres lombaires. Méthode des éléments finis. Disques intervertébraux Fluage. Disques intervertébraux Essais de compression. Relaxation des contraintes Essais. ABAQUS, fusion, instrumentation, poroélastique, disque intervertebral
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Petit, Yvan
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Wagnac, Eric
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 16 avr. 2018 19:32
Dernière modification: 16 avr. 2018 19:32
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2030

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