Micro-indentation et couplage essais-calculs pour l’identification par méthode inverse du comportement mécanique non linéaire du cartilage fémoral humain

Micro-indentation and coupling test-calculations for identification by inverse method of non linear mechanical behaviour of human femoral head cartilage

¹ Département de Mécanique Appliquée (DMA), FEMTO-ST, UMR CNRS 6174, Université de Franche-Comté, 24 rue de l’épitaphe, 25000 Besançon, France
e-mail : mvillars@univ-fcomte.fr; setha.mith@ens2m.fr; luc.carpentier@ens2m.fr; fabrice.richard@univ-fcomte.fr
² Institut Supérieur d’Ingénieurs de Franche-Comté (ISIFC), Université de Franche-Comté, France
e-mail : philippe.clement@insa-lyon.fr
³ Service de chirurgie orthopédique, Centre Hospitalier Universitaire de Besançon, Hôpital Jean Minjoz, 3 bd Alexandre Fleming, 25030 Besançon Cedex, France
e-mail : cme@chu-besancon.fr

Reçu : 10 Novembre 2010
Accepté : 23 Mars 2011

Résumé

L’objectif principal de cette étude consiste à identifier différents modèles de comportement mécanique et les paramètres associés du cartilage coxo-fémoral dans le but de les utiliser dans des calculs prédictifs de type éléments finis. Les données expérimentales ont été obtenues à l’aide d’essais de micro-indentation instrumentés sur du cartilage fémoral non congelé prélevé et étudié dans la journée suite aux interventions chirurgicales de pose de prothèse de hanche totale ou intermédiaire. Un modèle éléments finis de ces essais a été couplé à une méthode inverse permettant d’identifier les paramètres matériau de trois modèles de comportement : élastique, hyperélastique et viscoélastique. Les résultats obtenus se corrèlent avec les résultats expérimentaux et sont en accord avec ceux de la littérature (cartilage congelé animal et humain). Les propriétés mécaniques du cartilage ont pu être correctement identifiées. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec le modèle viscoélastique, néanmoins, il serait intéressant d’étendre notre étude en prenant en compte l’anisotropie et la structure multicouche du matériau.

Abstract

The main objective of this study was to identify different models of mechanical behavior and associated parameters of hip femoral cartilage in order to use them in predictive calculations of finite element type. Experimental data were obtained using micro-indentation instrumentalized tests on unfrozen femoral cartilage collected and studied in the day following total or intermediary prosthetic hip surgery pose. A finite element model of these tests was coupled with an inverse method used to identify material parameters of three models of behavior: elastic, hyperelastic and viscoelastic. The results correlate with experimental results and are in agreement with the literature (animal and human frozen cartilage). The mechanical properties of cartilage have been correctly identified.The best results were obtained with the viscoelastic model. However, it would be interesting to extend our study taking into account the anisotropy and multilayered structure of the material.