Mécanismes de lésion et limites de tolérance au choc de la tête humaine : Simulations numériques et expérimentales de traumatismes crâniens

Human head tolerance limits against impact for specific injury mechanisms. Numerical and experimental head injuries simulations

• Auteur / Autrice : Daniel Baumgartner
• Direction : Rémy Willinger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Crâne -- Lésions et blessures

Biomécanique

Résumé

L'étude propose de nouvelles limites de tolérance mécaniques du segment crânio-encéphalique humain à des mécanismes de lésions, consécutives à un choc, spécifiques. La méthode employée consiste en une reconstruction numérique, par éléments finis, et expérimentale, par modèle physique, de 66 accidents réels de motocyclistes, de piétons et de footballeurs américains, et d'impacts de projectiles balistiques. Dans un premier temps, une extension du domaine de validité aux chocs longs, à forte composante rotatoire, ainsi qu'une étude paramétrique et de sensibilité, du modèle par éléments finis ULP de la tête humaine utilisé, sont proposées. Par suite, le modèle ULP est asservi par la cinématique réelle de la tête de chaque accidenté durant l'impact. Une étude de corrélation entre les champs de sollicitations mécaniques du segment crânio-encéphalique, prédits par le modèle durant le choc, et les lésions effectivement observées chez les accidentés, aboutit à l'identification de critères mécaniques de lésion. Une énergie totale de déformation de l'espace subarachnoi͏̈dien de 5. 4 J conditionne l'apparition d'hématomes sous-duraux ou subarachnoi͏̈diens. Une contrainte de Von Mises intra-cérébrale s'élevant à 18 kPa génère des lésions neurologiques modérées, pouvant devenir sévères à partir de 38 kPa. Une énergie totale de déformation du crâne de 2. 2 J est responsable de l'émergence de fractures osseuses. Deux échelles de sévérité de l'état lésionnel d'un individu sont par ailleurs développées. Les critères expérimentaux de lésions sont quant à eux obtenus à l'aide du prototype Bimass 150 de la tête humaine, utilisé lors d'une reconstruction expérimentale de 13 accidents réels de motocyclistes casqués. Une accélération linéaire du cerveau de 273 g provoque des hématomes sous-duraux ou subarachnoi͏̈diens. Une accélération angulaire du cerveau de 25970 rad/sø, ainsi qu'une accélération linéaire relative entre le cerveau et le crâne de 78 g, résultent en lésions neurologiques modérées.

This study proposes new head tissues mechanical tolerance limits belonging to specific injury mechanisms consecutively to an impact. The employed methodology consists in both a finite element modelling (FEM) and a physical modelling of 66 real world accidents of helmeted motorcyclists and American footballers, pedestrians and ballistic projectiles impacts. Initially, an extension of the field of validity of the ULP FEM of the human head to strong dampened long duration impacts with high rotational component, as well as a parametric and a sensitivity analysis are proposed. Moreover, the ULP FEM of the human head is controlled with the real kinematics sustained by each accident victim. A correlation study between the calculated head mechanical field parameters on the one hand, and the observed injuries on the other hand, leads to the identification of injury mechanical criteria. A global strain energy of the subarachnoidal space of 5. 4 J leads to subdural or subarachnoidal haematoma. A brain Von Mises stress of 18 kPa generates moderate neurological lesions which can become severe from 38 kPa. A global strain energy of the skull of 2. 2 J leads to bone rupture. Two severity scale for global injury statement of a victim are equally developed. The experimental injury mechanical criteria are obtained thanks to the physical prototype Bimass 150 of the human head used in the framework of an experimental reconstruction of 13 helmeted motorcyclists accidents. A brain linear acceleration of 273 g causes subdural or subarachnoidal haematoma. A brain angular acceleration of 25970 rad/sø, as well as a relative acceleration between the brain and the skull of 78 g, generates neurological lesions.