Micro-mechanical modeling of human vocal folds : from quasi-static to vibratory loading
Modélisation micro-mécanique des plis vocaux humains : des chargements quasi-statiques aux régimes vibratoires.
Résumé
Composed of collagen, elastin and muscular fibrous networks, human vocal folds are soft larygeal multi-layered tissues owning remarkable vibro-mechanical performances. However, the impact of these tissues’ histological specifications on their overall mechanical properties still remains elusive. Thereby, this work proposes a micro-mechanical model able to describe the 3D fibrous architecture and the surrounding matrices of the vocal-fold sublayers, and to predict their multiscale behavior accordingly. For each layer, the model parameters were identified using available histo-mechanical data, including their quasi-static responses for key physiological loading paths, ie longitudinal tension, transverse compression and shear. The evolution of microscopic descriptors such as fiber kinematics, deformation and interactions was simulated. Regardless of the loading path, it is shown how macroscale nonlinear, viscoelastic and anisotropic tissue responses are inherited from fiber scale phenomena. Original scenarios of micro-mechanisms are also predicted for a large variety of loading conditions at various rates: (i) low-frequency cyclic and multiaxial loadings upon finite strains; (ii) high-frequency small (SAOS) and large (LAOS) deformations oscillatory shear. In particular, the major role of 3D fiber orientation in tension, steric hindrance in compression, and matrix contribution in shear is highlighted. Finally, the micro-mechanical model is implemented in a finite element (FE) code, yielding to a prior 3D simulation of vocal fold transient dynamics with relevant histo-mechanical properties. This work paves the way toward future multiscale simulations of vocal fold vibrations, accounting for various 3D fibrous healthy and pathological architectures.
Composées de réseaux de fibres de collagène, d'élastine et de fibres musculaires, les plis vocaux humains sont deux structures déformables du larynx, organisées en différentes couches, et aux propriétés vibratoires remarquables. Cependant, les connaisses acquises aujourd’hui ne sont pas encore suffisantes pour comprendre la relation entre les spécificités histologiques du tissu vocal et ses propriétés vibro-mécaniques singulières aux échelles supérieures. Ainsi, ce travail propose un modèle micro-mécanique capable de décrire l'architecture fibreuse 3D des différentes couches du pli vocal, leurs matrices environnantes, et de prédire leur comportement mécanique multi-échelles en réponse à des chargements variés, quasi-statiques et vibratoires. Pour chaque couche, les paramètres du modèle ont été identifiés à l'aide des données histo-mécaniques disponibles dans la littérature, et notamment à leur réponse mécanique sous chargements physiologiques (tension, compression et cisaillement). Dans chaque cas, l'évolution de descripteurs microscopiques tels que la cinématique des fibres, leur comportement mécanique et possibles interactions a été simulée. Quel que soit le chemin de chargement, ce travail a montré comment les propriétés fortement non-linéaires, viscoélastiques et anisotropes des tissus à la macro-échelle découlent des réarrangements et mécanismes de déformation mis en œuvre à l'échelle des fibres. Plusieurs micro-mécanismes du tissu ont ainsi pu être proposés, pour des conditions de chargement quasi-statiques et vibratoires : (i) chargements cycliques et multiaxiaux à basse fréquence en déformations finies ; (ii) cisaillement à haute fréquence en petites (SAOS) et grandes (LAOS) déformations. En particulier, ce travail a montré le rôle majeur de l'orientation des fibres 3D en traction, de l'encombrement stérique en compression et de la contribution de la matrice en cisaillement. Enfin, le modèle micro-mécanique a été implémenté dans un code de calcul éléments finis (EF), afin de permettre de premières simulations 3D de la dynamique transitoire des plis vocaux, en tenant compte de leurs propriétés histo-mécaniques majeures. Ce travail ouvre la voie à de futures simulations multi-échelles de vibrations glottiques, pour mieux comprendre l’impact de la microstructure fibreuse spécifique du tissu vocal, dans les cas sain et pathologique.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|