Modélisation avancée par éléments finis de la tête humaine pour le suivi des expositions sous-commotionnelles répétées aux souffles, aux chocs et aux charges d’inertie

Possibilité de financement

Cette possibilité de financement comprend l’étude de l’utilisation potentielle d’un modèle avancé par éléments finis de la tête et du cerveau pour surveiller les expositions sous-commotionnelles répétées aux explosions, aux chocs et aux charges d’inertie.

Échéancier et budget prévus

Contexte

Les expositions sous-commotionnelles répétées renvoient à des charges mécaniques de faible amplitude transmises au cerveau qui, bien qu’elles soient insuffisantes pour causer des symptômes cliniques immédiats ou une blessure diagnostiquée, peuvent s’accumuler avec le temps et contribuer à des résultats neurologiques indésirables. Ces expositions sont fréquentes dans les contextes civils et militaires, notamment les activités professionnelles impliquant des outils puissants ou les travaux de démolition, ainsi que dans les sports de contact comme le football et le soccer. Dans les environnements d’entraînement militaire, les expositions sous-commotionnelles répétées peuvent découler de l’exposition à des ondes d’explosion, au recul du système d’armes ou à des manœuvres à haute intensité. Malgré des préoccupations croissantes, la relation précise entre la fréquence, l’intensité et les effets cognitifs à long terme des expositions sous-commotionnelles répétées demeurent mal caractérisés, ce qui nécessite une enquête et un suivi systématiques.

Pour comprendre les répercussions possibles des expositions sous-commotionnelles répétées sur la santé, il faut une quantification précise de la dose d’exposition et un suivi longitudinal des résultats neurologiques connexes. Le contexte militaire présente un défi particulièrement complexe en raison de la diversité des sources des expositions sous-commotionnelles répétées, chacune présentant des caractéristiques biomécaniques distinctes et des modes d’interaction particuliers avec les tissus neuronaux. Par exemple, la surpression provoquée par les souffles d’explosions et les forces inertielles provenant des atterrissages en parachute touchent différentes voies physiologiques. Les modèles par éléments finis (MEF) ont été largement utilisés pour simuler les réponses du cerveau à de telles charges mécaniques; cependant, les MEF actuellement disponibles n’ont pas la polyvalence et l’efficacité d’informatique nécessaires pour modéliser des scénarios d’impact et de souffle d’exposition en temps opportun, ce qui limite leur utilité pour l’évaluation en temps réel ou à long terme de l’exposition.

Les progrès récents de la modélisation informatique offrent des pistes prometteuses pour surmonter ces limites. Les approches émergentes comportent la formation d’algorithmes d’apprentissage automatique, tels que des réseaux neuronaux à convolution, sur des simulations MEF de haute fidélité afin de permettre une estimation rapide de la répartition de la déformation cérébrale. Ces modèles de substitution, lorsqu’ils sont intégrés aux données des capteurs portables, pourraient faciliter la surveillance en temps quasi réel des expositions sous-commotionnelles répétées chez des sujets individuels. De plus, les progrès réalisés dans la transformation des MEF génériques en anatomies propres au sujet suggèrent la faisabilité de modèles cérébraux évolutifs et personnalisés. Un MEF flexible et à haute résolution capable de simuler divers scénarios d’expositions sous-commotionnelles répétées constituerait un outil essentiel pour élucider les relations dose-réponse et éclairer des stratégies de surveillance avancées, ce qui permettrait d’améliorer la sécurité et la santé cognitive du personnel militaire et des athlètes.

Portée et objectifs de la recherche

Le but principal de cette possibilité de financement est d’étudier l’utilisation de modèles détaillés par éléments finis de la tête et du cerveau pour la surveillance longitudinale des expositions sous-commotionnelles répétées chez les militaires. Cela comprend notamment :

1. Étudier la faisabilité de créer un modèle 3D détaillé par éléments finis de la tête capable de supporter les conditions de souffle d’explosion, de chocs et de charges d’inertie.
2. Étudier le potentiel des algorithmes d’apprentissage automatique formés du MEF pour prédire la tension et les contraintes cérébrales en raison de conditions de souffle d’explosion, de chocs et de charges d’inertie.
3. Étudier des approches évolutives pour transformer les MEF génériques de la tête en anatomie individuelle spécifique de la tête ou du cerveau, obtenues par imagerie médicale.   

Phases de progrès

Phase	Description et calendrier provisoire des résultats souhaités
MEF en 3D pour les charges de souffle d’explosion, de chocs et de charges d’inertie	Évaluation et, si possible, démonstration de la faisabilité d’un MEF tridimensionnel de la tête et du cerveau capable de supporter des charges de souffle d’explosion, de chocs et de charges d’inertie dans les 18 mois suivant le début du projet.
Algorithmes d’apprentissage automatique du MEF	Évaluation et identification, si possible, des algorithmes d’apprentissage automatique adaptés à la formation en utilisant les entrées et les sorties du MEF pour la tête ou le cerveau, dans les 30 mois suivant le lancement du projet.
Approches de transformation évolutives	Évaluation et identification, si possible, d’approches évolutives pour transformer un MEF en 3D détaillé de la tête et du cerveau en une anatomie tête-cerveau spécifique, dans les 36 mois suivant le début du projet.

MEF en 3D pour les charges de souffle d’explosion, de chocs et de charges d’inertie

• Identification des exigences concurrentes pour un MEF de la tête et du cerveau afin d’être en mesure de prédire les tensions et les stress cérébraux locaux provenant de multiples conditions de charge pertinentes pour l’armée, notamment les charges de souffle, les impacts à faible énergie et la cinématique à haute vitesse de la tête.
• Évaluation du niveau de détail réalisable d’un tel MEF.
• Évaluation du coût de calcul potentiel pour l’exécution d’un tel MEF avec divers types d’intrants.
• Évaluation du rendement potentiel de ces MEF par rapport aux ensembles de données de validation publiés.

Algorithmes d’apprentissage automatique du MEF

• Étudier les exigences relatives aux ensembles de données pour l’utilisation des résultats de simulation afin d’entraîner l’algorithme d’apprentissage machine à prédire la sortie du modèle directement à partir de diverses charges pertinentes pour l’armée.
• Évaluation des besoins informatiques potentiels pour la formation et l’exécution de ces algorithmes.
• Évaluation de la généralisation possible et du niveau d’exactitude de ces algorithmes.
• Évaluation de la mise en oeuvre potentielle de ces algorithmes

Approches de transformation évolutives

• Étudier le besoin de données d’imagerie pour transformer un modèle détaillé de la tête en une anatomie tête-cerveau extraite des données d’imagerie médicale ou d’un atlas générique du cerveau.
• Évaluation de la généralisation possible et du niveau d’exactitude des approches de transformation sélectionnées.
• Évaluation de l’évolutivité potentielle des approches de transformation sélectionnées.

Résultats souhaités

Les résultats souhaités du projet sont les suivants :

• Évaluation de la faisabilité/des données sur l’utilisation d’un MEF de la tête et du cerveau dans diverses conditions de charge militaire, notamment des scénarios de souffle d’explosions, de chocs et de charges d’inertie sous forme de rapport sommaire.
• Évaluation du potentiel de différents algorithmes d’apprentissage automatique pour la formation à l’aide d’ensembles de données MEF tête-cerveau et pour la prédiction des résultats MEF tête-cerveau, sous la forme d’un rapport sommaire ou de publications scientifiques examinées par les pairs. 
• Évaluation de la faisabilité d’une approche évolutive/généralisable de la transformation pour le MEF tête-cerveau sous forme d’un rapport sommaire ou de publications scientifiques examinées par des pairs.
• Tout ensemble de données découlant des études de faisabilité susmentionnées doit être mis à la disposition du promoteur.

Qualifications et exigences du candidat pour la sélection

• Les propositions doivent être dirigées par un chercheur principal titulaire d’un doctorat en génie mécanique ou dans un domaine pertinent, spécialisé en biomécanique/blessures biomécaniques et en modélisation du corps humain.
• Publication abondante dans des publications ouvertes de recherches originales sur l’élaboration d’un modèle du corps humain pour la prévision des blessures, notamment au moins une publication sur la prédiction des lésions cérébrales et une publication sur les lésions causées par les souffles d’explosion.
• Expérience antérieure et connaissance approfondie de l’élaboration de modèles corporels humains, en particulier de modèles de tête utilisant des méthodes par éléments finis, notamment l’élaboration de modèles constitutifs pour les tissus biologiques.
• Expérience antérieure de la recherche sur la réaction des tissus biologiques à des taux élevés de charge, notamment les lésions par souffle au cerveau.
• Expérience préalable de la modélisation des ondes de souffle et d’autres conditions de charge militaire à haut débit.
• Expérience préalable du traitement de données anatomiques d’imagerie médicale.
• Accès à des ressources informatiques de pointe en matière de code MEF/logiciel/résolveur.

Date limite de présentation des demandes

Veuillez télécharger et soumettre le formulaire de demande de fonds de recherche.

Demandes de renseignements

Les questions concernant cette possibilité de financement peuvent être envoyées au bureau de la recherche d’ACC.