Analyse numérique et expérimentale des déformations du conduit auditif humain liées à l’activité de la mâchoire

Demuynck, Michel (2024). Analyse numérique et expérimentale des déformations du conduit auditif humain liées à l’activité de la mâchoire. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les technologies intra-auriculaires (écouteurs sans fil, protecteurs auditifs numériques, appareils auditifs, etc.) appelées aussi "hearables" ou "dispauditifs" se répandent massivement et rapidement dans nos vies professionnelles et personnelles. Ainsi, l’intérêt pour l’amélioration de la conception des bouchons en vue d’un meilleur confort et d’une meilleure rétention s’est accru ces dernières années. En outre, avec l’augmentation constante de la puissance informatique et des fonctionnalités, l’autonomie de la batterie de ces technologies reste un défi. Des études ont montré que le conduit auditif (CA) est déformé par l’articulation temporomandibulaire (ATM) au cours d’activités quotidiennes telles que la mastication ou la parole. Ce mouvement dynamique du CA peut constituer une source d’énergie prometteuse pour l’alimentation des futures technologies intra-auriculaires. Cependant, la relation anatomique entre le CA et la mâchoire n’est pas encore totalement comprise, notamment car la réalisation des mesures in vivo est rendue difficile par la complexité de l’anatomie du CA et le caractère invasif des procédures associées.

Cette thèse par articles présente une étude en trois étapes principales, dont deux d’entre elles sont concentrées sur une constituante du système "mâchoire-oreille" et dont la troisième traite de la relation anatomique entre les deux. Dans un premier temps, une modélisation de la cinématique de l’ATM et plus particulièrement du condyle mandibulaire est développée. Celle-ci repose sur une synthèse de génération de mouvement en deux phases permettant la conception d’un simulateur cinématique à six barres reproduisant le mouvement du condyle mandibulaire. Ensuite, les modes de déformations du CA lors de quatre activités de la face, de la tête et de la mâchoire sont investiguées. Les mesures morphométriques d’empreintes de CA de 18 participants suggèrent que les actions telles que sourire et ouvrir la bouche causent les plus grandes déformations, en particulier proche de l’entrée et au milieu des deux courbures du CA. Enfin, un modèle de couplage biomécanique entre le CA et le condyle mandibulaire selon une approche numérique puis expérimentale est proposé et valide. Le modèle inclut une cavité anatomique du CA entourée de cartilage élastique et d’un condyle mandibulaire ellipsoïdal. La modélisation de la transition cartilage-os, la position du condyle mandibulaire et le comportement de la surface en contact avec la conque sont les trois variables de couplage considérées. La validation numérique est effectuée avec une analyse par éléments finis alors que la validation physique est possible grâce à un simulateur de mâchoire et un CA artificiel imprime en trois dimensions.

Cette thèse détaille explicitement les méthodes et les connaissances développées pour modéliser les déformations du CA en fonction du mouvement de la mâchoire. Une meilleure connaissance de la biomécanique du CA grâce à la caractérisation des déformations (localisation, type, intensité) va permettre l’évaluation plus précise du potentiel énergétique du CA dans un contexte de récupérations d’énergie intra-auriculaire. Les résultats obtenus ainsi que les modèles développés pourront aussi bénéficier à l’amélioration de la géométrie des bouchons en termes de confort et de rétention.

Titre traduit

Analysis of human earcanal deformations caused by jaw activity with numerical and experimental approaches

Résumé traduit

In-ear technologies (wireless headphones, digital hearing protectors, hearing aids, etc.) also called "hearables" are spreading massively and rapidly in our professional and personal lives. Thus, interest in improving the design of earplugs for better comfort and retention has increased in recent years. In addition, with the ever-increasing computing power and functionality, the battery life of these technologies remains a challenge. Studies have shown that the earcanal is deformed by the temporomandibular joint during daily activities such as chewing or speaking. This dynamic movement of the earcanal may be a promising source of energy for future in-the-ear technologies. However, the anatomical relationship between the earcanal and the jaw is not yet fully understood, especially as in vivo measurements are made difficult by the complexity of the earcanal anatomy and the invasiveness of the associated procedures.

This manuscript-based thesis presents a study in three main steps, two of which are focused on a constituent of the "jaw-ear" system and the third of which deals with the relationship between the two. In the first stage, a model of the kinematics of the TMJ and more particularly of the mandibular condyle is developed. This is based on a two-phase motion generation synthesis allowing the design of a six-bar kinematic simulator reproducing the motion of the mandibular condyle. Then, the deformation modes of the earcanal during 4 activities of the face, the head and the jaw are investigated. Morphological measurements of earcanal impressions from 18 participants suggest that actions such as smiling and opening the mouth cause the greatest deformations, particularly near the entrance and in the middle of the two earcanal bends. Finally, a biomechanical coupling model between the earcanal and the mandibular condyle using a numerical and experimental approach is proposed and validated. The model includes an anatomical earcanal cavity surrounded by elastic cartilage and an ellipsoidal mandibular condyle. The modeling of the cartilage-bone junction, the position of the mandibular condyle and the behavior of the surface in contact with the concha are the three coupling parameters considered. Numerical validation is performed with finite element analysis while physical validation is possible with a jaw simulator and a 3D printed artificial earcanal.

This thesis explicitly details the methods and knowledge developed to model the deformations of the earcanal under the effect of the jaw movement. A better knowledge of the biomechanics of the earcanal thanks to the characterization of the deformations (localization, type, intensity) will allow a more precise evaluation of the power capability of the earcanal in a context of in-ear energy harvesting. The results obtained as well as the models developed will also benefit the improvement of the geometry of the earplugs in terms of comfort and retention.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 169-182).
Mots-clés libres:	biomécanique humaine, articulation temporomandibulaire, simulateur de mâchoire, déformations intra-auriculaires, conduit auditif artificiel, grappillage énergétique, dispauditifs, rétro-ingénierie
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Voix, Jérémie
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	03 juin 2024 14:01
Dernière modification:	08 juill. 2024 19:47
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3458

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