Domaine d’application émergeant de l’IFS
Interactions fluide-structure - Modélisation physique et méthodes numériques

La modélisation des interactions fluide-structure est également au cœur de recherches et d'applications en biomécanique et bio-ingénierie. Avec les expériences in vivo, la simulation numérique offre de comprendre le vivant et l’IFS est presque partout présente dans les problèmes de biomécanique.

La simulation a deux objectifs principaux : le premier de contribuer à simuler le comportement mécanique d’organes (vaisseaux sanguins, cœur, œil, cerveau, etc.) (figure 23) ; le second de permettre le développement de matériel médical (prothèses, cathéter, valves cardiaques, etc.).

La modélisation du corps humain met en jeu de nombreuses situations d’écoulement en présence de matière déformable (sang dans le système vasculaire, air dans le système respiratoire, etc.) et les modélisations d’écoulement pour des applications biomédicales peuvent couvrir une large gamme de nombre de Reynolds : des plus faibles (comme pour la micro-fluidique) aux plus élevés (comme les écoulements sanguins.

Les difficultés que pose la modélisation du corps humain sont nombreuses :

• le comportement mécanique des tissus et organes humains est hétérogène, anisotrope – et dans la plupart des cas, il est nécessaire d’utiliser des lois de comportement « complexes » (l’écoulement de sang utilise un modèle de fluide non newtonien, les déformations du foie sont décrites par un modèle visco-élastique, par exemple) ;

• la géométrie du corps humain est très variable d’un patient à un autre et elle échappe à toute standardisation : il est nécessaire de développer des algorithmes capables de produire rapidement des modèles adaptés à chaque patient, en identifiant les différentes parties anatomiques (surface de la peau, os, graisse, muscles, etc.), par exemple en agglomérant les données d’imagerie (scanner, IRM) de la partie du corps concernée ;

• les conditions aux limites à appliquer sur un modèle biomécanique (efforts sur un tissus, un muscle, un tendon ; pression ou vitesse de l’air, du sang, etc.) ne sont pas facilement accessibles. Elles ont en outre une grande influence sur le résultat du calcul et l’un des enjeux majeurs des modèles est de représenter de manière la plus réaliste possible différents...