Comportement de l’abdomen soumis au choc

Description de la cavité abdominale

     L’abdomen, qui est la plus grande cavité du corps humain, est délimité selon l’axe vertical par deux muscles qui sont le diaphragme et le plancher pelvien. Il contient les glandes hépatiques, pancréatiques et endocrines (ex : foie, pancréas, vésicule biliaire, rate), une partie du tube digestif (estomac, jéjunum, iléon, les colons), une partie de l’appareil urinaire (vessie, reins, glandes surrénales) et une partie de la vascularisation (ex : aorte, veine cave inférieure). L’abdomen est divisé en neuf parties différentiables à l’échographie et par palpation : l’hypocondre droit et gauche, l’épigastre, le flanc droit et gauche, la région ombilicale, la région iliaque droite et gauche et la région pubienne (Figure 4). À l’exception de la paroi caudale qui est le plancher pelvien, les autres parois abdominales (crâniale, antérolatérale, dorsale) sont constituées principalement de muscles. La paroi crâniale est constituée uniquement du muscle du diaphragme. Ce muscle strié sépare la cavité abdominale de la cavité thoracique. Ses insertions sont multiples : sternales, costales et vertébrales. Il est important de noter que le diaphragme ne représente pas une barrière entièrement étanche vis-à-vis de la cavité thoracique dans la mesure où il possède plusieurs orifices, également appelés hiatus, tels que les hiatus aortiques, œsophagiens ou le foramen de la veine cave inférieure. Sa paroi antérolatérale est composée de cinq muscles symétriques (le grand droit, le grand oblique, le petit oblique et le transverse et le pyramidal). La rigidité de la paroi postérieure est assurée par le rachis lombaire, de part et d’autre de laquelle se trouvent trois groupes musculaires : le groupe postérieur regroupe les muscles spinaux, le petit dentelé postérieur inférieur et le grand dorsal ; le groupe moyen contient le carré des lombes et les muscles inter-transversaires ; le groupe antérieur contient le muscle ilio-psoas. À l’intérieur de l’abdomen, une membrane séreuse appelée péritoine tapisse une partie du contenu abdominal. Cette membrane se compose de deux feuillets : le feuillet pariétal qui tapisse les parois de l’abdomen et d’un feuillet viscéral qui recouvrent les organes abdominaux. L’espace entre ces deux feuillets, appelé cavité péritonéale contient un fluide garantissant un faible coefficient de frottement entre la paroi et les organes ainsi qu’entre les organes eux-mêmes. Le volume de ce liquide est très faible et excède rarement 5 millilitres chez l’homme contre 18 millilitres chez la femme (Balfe et al. 2009). Le péritoine permet de différentier trois zones de l’abdomen. La première est la cavité péritonéale (Figure 6) et contient le tube digestif ainsi que différents glandes annexes (ex : foie, rate). Le seconde est la cavité rétro-péritonéale et contient les glandes surrénales, les reins et les différents vaisseaux (ex : aorte, veine cave inférieure). La dernière cavité est sous-péritonéale et contient la vessie ainsi que l’utérus chez la femme.

Les organes pleins

     Le foie, qui est la plus grande glande du corps humain (environ 1.5 kilogrammes), se situe dans l’hypocondre droit et dans une partie de l’épigastre, sous la coupole diaphragmatique (Figure 9). Cet organe très vascularisé est constitué de parenchyme, entouré d’une capsule fibreuse. Ses fonctions sont multiples : le foie a en effet un rôle essentiel dans le métabolisme des nutriments issus de l’absorption intestinale ainsi que dans la production de bile, permettant d’éliminer les substances toxiques dans l’organisme. Le foie, qui est alimenté en oxygène via l’artère hépatique, a pour rôle de filtrer le sang provenant de la veine porte. Le sang filtré se jette ensuite dans la veine cave inférieure via les veines hépatiques. Deux surfaces peuvent être différenciées : la surface diaphragmatique, surface antérieure épousant la forme du diaphragme, et la surface viscérale, surface adjacente à l’estomac, au duodénum, au colon et au rein droit. Au niveau de la face diaphragmatique, le foie est relié au diaphragme par quatre ligaments. Le ligament falciforme (aussi appelé suspenseur) et le ligament rond lient l’organe à la face antérieure tandis que le ligament coronaire et les ligaments triangulaires lient l’organe à la face postérieure. Sur la face viscérale, le petit omentum relie le foie à l’estomac et les veines hépatiques solidarisent le foie à la veine cave inférieure. Une partie du foie, dépourvu de péritoine et appelé area nuda, est collé au diaphragme. La rate, pesant 200 grammes environ en moyenne, est un organe lymphatique composé de parenchyme et entouré d’une capsule fibreuse, situé sous le diaphragme au niveau de l’hypocondre gauche. Protégée par les côtes 9, 10 et 11, la rate est maintenue par ses organes voisins (diaphragme, flexure colique gauche, estomac, pancréas et le rein gauche) via le ligament spléno-phrénique, le ligament spléno-colique, le ligament gastro-splénique, le ligament pancréatico-splénique et le ligament splénorénal. Le pancréas est un organe rétro-péritonéal situé en avant des vertèbres lombaires L1 et L2 entre le duodénum et la rate, à l’arrière du colon transverse. Cet organe de 80 grammes environ est très solidaire du duodénum et est relié à la rate via le ligament pancréatico-splénique. Le pancréas intervient dans la digestion en sécrétant des enzymes digestives et dans la régulation de la glycémie Le rein est un organe rétro-péritonéal qui intervient dans l’élaboration de l’urine. Positionné de part et d’autre du rachis lombaire entre la vertèbre thoracique T12 et la vertèbre lombaire L3 et plaqué contre la paroi postérieure de la cavité abdominale, chacun des deux reins mesure environ 150 cm3 et pèse 170 grammes. Noyés dans la graisse, ces organes sont principalement maintenus via le fascia rénal qui est une membrane fibreuse qui enveloppe la structure rénale permettant de fixer les reins à la cavité abdominale, et le pédicule rénale, composé des vaisseaux rénaux et du bassinet, permettant de fixer le rein au diaphragme. Entourée d’une capsule rénale, le parenchyme rénal se compose d’un cortex périphérique et d’une région centrale, elle-même composée de la médullaire rénale et du pelvis rénal.

Traumatologie de l’abdomen

    Les traumatismes abdominaux se classent principalement en deux catégories : les traumatismes fermés et les traumatismes par pénétration. Ce travail se focalise sur les traumatismes fermés qui sont les plus fréquents en accidentologie. De manière générale, les lésions des organes sont généralement des lacérations des capsules ou des organes creux, des déchirures de parenchyme ou encore des déchirements des systèmes vasculaires ou de leurs systèmes d’attaches. Depuis 1976, les blessures sont classées sur l’échelle de gravité AIS6 , permettant de quantifier la sévérité d’une blessure (Tableau 1). Le score AIS permet de quantifier le risque mortel d’une blessure mais n’est pas directement lié aux déficits à long terme que la blessure peut engendrer. Les blessures sont classées de manière hiérarchique et par région anatomique (ex : « abdomen et contenu pelvien »). Des classifications plus détaillées, spécifiques à chaque organe ont aussi été proposées (Moore et al. 1996). Un exemple est donné dans le Tableau 2 pour les lésions hépatiques. Par convention, l’AIS maximum (MAIS7) représente le niveau d’AIS maximum le plus élevé pour un occupant présentant des lésions multiples (ex : pour une région anatomique). Le signe + est lui utilisé pour décrire le niveau minimal pour un ensemble de lésions. Par exemple, on utilisera le terme AIS2+ pour décrire  toutes les blessures avec un score AIS minimum de 2.

Discussion

    Une méthode permettant de calculer des cartes de déplacements et de déformations de tissus mous soumis à de grandes déformations à partir d’images d’échographie ultra-rapide a été développée. Cette méthode, basée sur un suivi de cibles automatique, permet de prendre en compte de manière relativement facile des connaissances a priori issues des conditions expérimentales (physiques) lors de l’étape de filtrage des marqueurs. Ces connaissances peuvent être introduites comme des conditions sur les déplacements ou vitesses des marqueurs. La méthode développée est entièrement automatique permettant ainsi de limiter les possibles biais associés au suivi expert utilisé jusqu’à présent pour posttraiter ces images d’échographie ultra-rapide. Quatre cas tests ont été développés pour évaluer la méthode et des résultats ont pu être obtenus dans chacun des cas. Dans l’ensemble, pour des images peu bruitées ou contenant des éléments facilement reconnaissables, les déplacements estimés par la méthode proposée sont relativement proches de ceux estimés par les autres méthodes utilisées. C’est notamment le cas pour le premier cas test où des cibles reconnaissables sur tout le film échographique ont été suivies manuellement. Des résultats similaires ont été observés quand un champ de déformation issu d’un modèle éléments-finis a été appliqué à une image ultrasonore (cas test 2) ou pour des images non bruitées provenant d’une caméra (cas test 4). Toutefois, des différences étaient plus marquées pour le cas test 3 où les déplacements calculés par la méthode proposée dans le plan médian de l’échantillon étaient comparés à ceux estimés sur les surfaces externes de l’échantillon par corrélation d’images. En effet, malgré une similarité de la forme des champs estimés, des différences d’amplitudes étaient visibles. Néanmoins il est important de noter que les différences entre les champs de déplacements calculés sur les deux surfaces externes de l’échantillon étaient d’amplitudes similaires. Ces écarts pourraient donc être causés par la méthode proposée ou par les limitations du protocole développé. En effet, bien que les images utilisées pour ce cas test aient été recalées dans le même repère, les groupes de fibres de l’échantillon ne semblent être à la même position dans toutes les images. Cela pourrait être dû à une orthogonalité imparfaite des fibres par rapport aux plaques de support. Ceci pourrait expliquer en particulier certains des décalages visibles sur les cartes de déformations. Des essais supplémentaires couplés éventuellement avec d’autres techniques d’imagerie (ex : scan CT) permettraient de mieux comprendre la source de ces écarts. Plus généralement, ces différences selon les sources d’observation soulignent l’importance des conditions d’essais pour évaluer non seulement une méthode de post-traitement d’images, mais également pour étudier la réponse de tissus biologiques. Des résultats similaires ont été observés pour les champs de déformation, avec toutefois des différences plus marquées pour le troisième cas test. Les champs de déformations estimés par la méthode proposée étaient similaires en termes de forme et d’amplitude à celui imposé dans le cas test 2 ou celui estimé par corrélation d’images dans le cas test 4. Toutefois, la méthode proposée semble conduire à des variations spatiales de haute fréquence qui n’étaient pas présentes dans les références. Des artéfacts sont aussi visibles près des bords pour le cas test 2. Les erreurs entre déformations estimées et références étaient les plus importantes pour le troisième cas test. Toutefois, il est important de noter que des différences étaient également visibles entre les déformations estimées par corrélation d’images sur les deux surfaces externes de l’échantillon. Pour ce cas, la moyenne des déformations 2D sur une large zone commune visible depuis les trois moyens d’observations (ultrasons, caméra 1, caméra 2) étaient similaires, suggérant que les différences de formes de champs de déformations pourraient être dues à des variations de comportement local de l’échantillon (inhomogénéités) et que les cartes de déformations ne peuvent peut être pas être comparées à un tel niveau de détail pour ce type d’échantillon. Les variations spatiales de haute fréquence observées dans les cas test 2 et 4 pourraient être dues à des artéfacts numériques provenant de la différentiation des champs de déplacements. Ces variations pourraient être supprimées en augmentant le paramètre λ (effet pépite) de manière à obtenir des champs plus lisses, ou en filtrant directement les champs calculés (moyenne spatiale). Par exemple, il a été observé qu’un filtre médian de rayon égal à 3 millimètres diminuait significativement l’erreur locale d’estimation (cas test 4). À ce propos, une étude de sensibilité sur les paramètres de lissage pourrait être utile afin de trouver un compromis entre la localité et la présence d’artéfacts. Le besoin de lissage pourrait aussi dépendre de l’application. En effet, on peut voir que pour le cas test 3, les résultats ne semblent avoir du sens qu’après une moyenne spatiale sur une grande partie de l’échantillon alors que pour le cas test 1, les déformations élevées prédites dans la région pelvienne du rein pourraient avoir du sens et ne devraient pas être supprimée a priori par lissage sans vérification additionnelle. Une autre perspective pour cette méthode est le fait que certains paramètres, comme la taille des marqueurs ou le nombre d’images consécutives sur lesquelles un marqueur est visible, pourraient donner des informations supplémentaires sur l’incertitude de sa position. Ces informations, combinées à des hypothèses de solide des matériaux, permettraient d’attribuer un score de confiance aux déplacements de chacun des marqueurs puis d’ajuster le paramètre pépite λ indépendamment pour chaque marqueur. Une limitation importante de cette méthode, en plus de sa sensibilité à des paramètres numériques, est qu’elle peut fournir un résultat même pour des grands mouvements hors du plan d’imagerie, prédisant ainsi des champs physiquement non réalistes. La possibilité de détecter ce type de comportement à l’aide de paramètres liés aux marqueurs tels que le nombre d’images sur lesquelles un marqueur est visible ou sur le nombre de voisins utilisé pendant le processus RANSAC devrait être étudiée. L’utilisation d’une sonde échographique 3D (Provost et al. 2014) permettrait être utile pour valider une telle hypothèse. Cependant, pour l’instant, la méthode développée pourrait être suffisante pour estimer des champs de déplacements et de déformations dans les tissus mous lorsque le protocole utilisé est conçu pour limiter la présence de mouvements hors du plan (Helfenstein-Didier et al. 2015; 2016). Il sera toutefois important de se rappeler que les prédictions pourraient être moins locales que les cartes affichées, et qu’un filtrage pourrait être nécessaire. La précision des résultats pourrait alors être acceptable au moins dans un contexte de biomécanique des chocs et pour la validation de modèles pour lesquelles un comportement moyen est souvent considéré à défaut de pouvoir représenter les variations interindividuelles.

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 – Contexte et état de l’art
1 Données anatomiques humaines
1.1 Description de la cavité abdominale
1.2 Les systèmes d’attaches des organes abdominaux
1.3 Les organes creux
1.4 Les organes pleins
1.5 Vascularisation
1.6 Variabilité anatomique
2 Typologie de chargement de l’abdomen
2.1 Traumatologie de l’abdomen
2.1 Revue épidémiologique
3 Caracterisation mécanique de l’abdomen et de ses organes
3.1 Essais sur organe isolé
3.2 Essais sur sujet cadavérique
3.2.1 Réponse externe et comportement lésionnel
3.2.2 Protocoles pour l’observation du comportement interne de l’abdomen lors d’un chargement rapide
4 Modèles numériques de l’être humain
5 Synthèse et objectifs spécifiques de la thèse
Chapitre 2 – Étude du comportement interne du foie in situ lors d’un choc
1 Introduction
2 Méthodes
2.1 Caractéristiques des sujets testés
2.1 Préparation du sujet
2.1.1 Préparation de la cavité abdominale
2.1.2 Perfusion
2.1.3 Gonflement des poumons
2.2 Mise en place des essais
2.2.1 Présentation générale
2.2.2 Positionnement de la sonde ultrasonore
2.2.3 Instrumentation
2.2.4 Traitement et analyse des données
2.3 Matrice d’essais
3 Résultats
3.1 Perfusion et bilan lésionnel
3.2 Chargement avec impacteur rigide
3.3 Chargement ceinture
4 Discussion
5 Conclusions
Chapitre 3 – Évaluation de la réponse interne d’un modele du GHBMC
1 Introduction
2 Méthodes
2.1 Description du modèle
2.2 Mise à l’échelle du modèle
2.3 Simulations
3 Résultats
4 Discussion
5 Conclusions
Chapitre 4 – Méthode d’estimation des déplacements et déformations internes d’un organe abdominal lors d’un impact a partir d’images d’échographie ultra-rapide
1 Introduction
2 Méthodes
2.1 Préparation des images et suivi automatique des marqueurs
2.2 Filtrage des marqueurs selon des critères expérimentaux
2.3 Calcul des champs de déplacement et de déformation
2.4 Cas test 1 – Images d’échographie ultra-rapide : comparaison des déplacements estimés par la méthode à ceux issus d’un suivi expert
2.5 Cas test 2 – Images synthétiques : comparaison des déformations estimées à celles appliquées numériquement à une image échographique
2.6 Cas test 3 – Images d’échographie ultra-rapide : comparaison avec les déplacements et les déformations calculées par corrélation d’images
2.7 Cas test 4 – Images de caméras : comparaison avec les déplacements et les déformations calculés par corrélation d’images
3 Résultats
3.1 Cas test 1 – Images d’échographie ultra-rapide : comparaison des déplacements estimés par la méthode à ceux issus d’un suivi expert
3.2 Cas test 2 – Images synthétiques : comparaison des déformations estimées à celles appliquées numériquement à une image échographique
3.3 Cas test 3 – Images d’échographie ultra-rapide : comparaison avec les déplacements et les déformations calculées par corrélation d’images
3.4 Cas test 4 – Images de caméras : comparaison avec les déplacements et les déformations calculés par corrélation d’images
4 Discussion
5 Conclusion
Chapitre 5 – Méthode de calcul de cartes de déplacements et de déformations : application aux images échographiques de reins en compression
1 Introduction
2 Méthodes
2.1 Rappel du protocole expérimental (Helfenstein-Didier et al. 2015)
2.2 Post-traitement des films échographiques
2.3 Analyse des données
3 Résultats
3.1 Reproductibilité
3.2 Essais sur reins de porc
4 Discussion
5 Conclusion
Synthèse, conclusions et perspectives
Références
Annexes

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