modélisation biomécanique gratuite, rapide et open-source – Methods Blog
Message fourni par Narimane Chatar (Elle/Elle) Romain Boman (Il/Lui), Valentin Fallon Gaudichon (Il/Lui), Jamie A. MacLaren (Il/Lui), Valentin Fischer (Il/Lui).
Comprendre la façon dont les os et autres matériaux biologiques gèrent les contraintes et les contraintes de la vie quotidienne est fondamental pour interpréter le comportement des organismes modernes et disparus. Pour ce faire, les chercheurs utilisent fréquemment une simulation numérique qui peut prédire le comportement des matériaux en décomposant des objets complexes en éléments beaucoup plus petits – c’est ce qu’on appelle la modélisation par éléments finis. Dans cet article de blog, Narimane Chatar et ses co-auteurs discutent de leur nouveau protocole pour effectuer une modélisation par éléments finis destinée aux sciences de la vie et à la biomécanique qui est rapide, open-source et gratuite pour tous.
Bien qu’initialement développé pour les ingénieurs civils, Analyse des éléments finis (ou FEA) a été rapidement intégré aux sciences biologiques et paléontologiques pour prédire le comportement des structures dans les organismes éteints et existants. De telles structures peuvent aller des os et des dents de vertébrés et des exosquelettes d’invertébrés aux tiges de plantes. En sciences animales, prédire le comportement de structures mues par des muscles peut s’avérer délicat, car le muscle est une structure extrêmement complexe à modéliser. Il existe très peu de protocoles disponibles qui peuvent simuler de manière réaliste la façon dont les fibres musculaires s’enroulent autour des os.
Dans cet article, nous discutons de notre nouveau protocole d’éléments finis qui peut effectuer des simulations biomécaniques induites par les muscles. L’utilisation de la FEA pour étudier le comportement mécanique d’organismes modernes et éteints est particulièrement utile car elle est non destructive – toutes les contraintes et déformations sont simulées dans un environnement virtuel sans endommager les matériaux réels (tels que des fossiles uniques en leur genre ).
La première étape consistait à numériser l’objet d’intérêt en trois dimensions. La représentation 3D de la structure pourrait être obtenue par balayage de surface (par exemple à l’aide d’un laser), ou en utilisant un balayage par tomodensitométrie (CT) qui peut également fournir des détails sur la géométrie interne de l’objet. Des forces pertinentes doivent être appliquées sur la structure pour simuler l’action des muscles, et c’est là que les choses deviennent normalement beaucoup plus compliquées. Notre procédure automatisée construit la structure, définit des contraintes importantes sur le modèle 3D et distribue les forces musculaires à travers le modèle, le tout dans un logiciel de simulation unique, gratuit et open source appelé FOSSILS.
Simulation induite musculaire : une façon plus réaliste de simuler un mouvement
Le muscle est une structure complexe à modéliser. De ce fait, les biologistes et les paléontologues simulant l’action des muscles sur d’autres matériaux modéliseront souvent les forces musculaires de manière indirecte, en utilisant les forces assemblées dans des positions correspondant à la direction de la charge (vecteurs de charge), ou les points entre les éléments simplifiés composant le Modèle 3D (nœuds focaux). Cependant, même lorsque des forces indirectes sont utilisées, la modélisation de l’action musculaire sur toute la zone d’insertion reste plus précise.
Une des difficultés de la modélisation des forces musculaires sur leur zone d’insertion vient de la manière dont les fibres musculaires s’enroulent autour ou en travers d’un os. La résolution de cette énigme a été réalisée pour la première fois en 2007 avec une routine de calcul appelée BONELOAD, qui a été développée par Prof Grosse et ses collègues de l’Université du Massachusetts pour répartir les forces musculaires sur une surface définie par l’utilisateur.
Nous avons mis à jour cette routine et créé un solveur statique linéaire open source, implémentant trois « scénarios de traction » différents qui répartissent les forces sur une zone d’insertion musculaire. Le premier scénario s’appelle une traction uniforme. Dans ce scénario, les vecteurs de force traversent directement la surface de l’os. Ce n’est pas tout à fait réaliste, mais réduit le temps de calcul du modèle. Le deuxième scénario est une traction tangentielle, qui simule l’enroulement des fibres musculaires autour de l’os sans qu’aucun vecteur de force ne traverse l’os – c’est beaucoup plus réaliste que le scénario uniforme. Le dernier scénario est un scénario Tangential-Plus-Normal Traction. Ce modèle simule non seulement les forces à l’intérieur des fibres musculaires qui s’enroulent autour de l’os, mais intègre également les forces de contact entre le muscle et l’os (la force normale) qui tirent également sur l’os. Le modèle Tangential-Plus-Normal représente ainsi la simulation de modélisation muscle-muscle la plus réaliste disponible.
Un large éventail d’applications possibles
L’application de la FEA dans les sciences de la vie est très variable et peut être utilisée pour simuler un large éventail de comportements, notamment la morsure (pour se nourrir ou se battre), la locomotion, la respiration, etc. Pour démontrer la flexibilité de notre protocole, nous l’avons utilisé dans trois différentes simulations : deux scénarios de morsure différents sur les mâchoires de différents vertébrés (un reptile marin éteint et un léopard moderne) et une rotation d’épaule chez un mammifère ongulé moderne (un tapir). En plus d’exécuter des modèles rapidement et avec une grande précision, FOSSILS fournit également une refonte esthétique supplémentaire pour les analyses par éléments finis en offrant plusieurs palettes de couleurs, dont certaines sont beaucoup plus faciles à interpréter pour les personnes daltoniennes !
FOSSILS est compatible avec plusieurs formats de fichiers 3D et ne nécessite que quelques étapes de traitement pouvant être effectuées dans divers autres logiciels de traitement 3D (y compris des logiciels gratuits tels que MeshLab, Blender, etc.). FOSSILS écrit les sorties de force résultantes dans un format très simple qui peut facilement être extrait et traduit dans un autre format pour l’analyse statistique et la diffusion.
Comparaison avec les solutions existantes
Les logiciels de modélisation par éléments finis sont monnaie courante dans les institutions de physique et d’ingénierie ou les départements universitaires. Cependant, ces programmes informatiques nécessitent souvent des licences coûteuses qui doivent être renouvelées chaque année et des ordinateurs très coûteux et puissants pour exécuter les simulations.
Au cours de notre étude, nous avons comparé FOSSILS à certaines solutions d’éléments finis commerciales existantes. Nous avons effectué la même analyse sur nos trois exemples en utilisant un protocole disponible dans le commerce Métaphore, la combinaison logicielle largement utilisée MATLAB/Strand7 et notre nouveau protocole FOSSILS. Nous avons constaté que les résultats étaient cohérents dans les trois codes d’éléments finis comparés. Nous avons également pu démontrer que FOSSILS représente non seulement un solveur comparable, mais une alternative beaucoup plus rapide aux alternatives disponibles dans le commerce – jusqu’à quatre fois plus rapide ! Nous espérons que FOSSILS permettra aux analyses par éléments finis axées sur les muscles d’être bon marché, rapides et accessibles à un large éventail de chercheurs issus de divers horizons scientifiques, méthodologiques et financiers.
Un pas plus loin : simulations induites par les muscles sur un maillage multi-régions
Notre protocole dans sa forme actuelle a la possibilité de modéliser des objets individuels (c’est-à-dire des os simples avec des propriétés uniformes) dans une simulation biomécanique. Il y a quelques années, le ‘GenIso Mesher’ – une méthode de simulation de plusieurs régions au sein d’un maillage – a été implémenté dans Metafor, le logiciel parent de FOSSILS. Cela a permis la génération d’un maillage de surface 3D à partir d’un scanner (par exemple en utilisant le Trancheuse 3D logiciel.
Plus précisément, GenIso permet à l’utilisateur d’appliquer différentes propriétés mécaniques et comportementales à différentes parties du modèle 3D. En conséquence, GenIso peut être utilisé pour modéliser l’os avec différentes régions internes (trabéculaires) et externes (corticales) et les propriétés matérielles correspondantes qui simulent leur comportement sous charge dans des scénarios réels. GenIso a été initialement implémenté dans Metafor, cependant, il peut être couplé à notre protocole FOSSILS pour fournir un solveur d’éléments finis encore plus réaliste qui reste rapide et abordable.
Le code source et les fichiers d’installation de FOSSILS, ainsi que tous les fichiers d’entrée pour exécuter les mêmes simulations que celles produites dans notre récente étudesont librement disponibles dans le matériel complémentaire de l’article (mee314051-sup-0001-Supinfo.pdf), ainsi que sur le Serveur GitLab de l’Université de Liège et sur Zénodo. Les lecteurs peuvent trouver plus de détails sur GenIso à http://hdl.handle.net/2268/136159.
Vous pouvez lire notre intégralité Méthodes en écologie et évolution article en suivant le lien ci-dessous :