Apport des techniques temps fréquence à la caractérisation mécanique du corps humain en choc

Reaching injury chronology in impact biomechanics using time frequency signal processing

• Auteur / Autrice : François Gabrielli
• Direction : Christian Brunet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides
• Date : Soutenance le 18/02/2010
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biomécanique Appliquée, UMR T24 INRETS (Aix-Marseille Université) - LMA, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique (UMR 7031 ; CNRS, Ecole Centrale de Marseille, Aix-en-Provence)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Anne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Brunet, Guillaume Anne, Claude Depollier, Benyebka Bou-Saïd, Anne Guillaume, Nadine Martin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claude Depollier, Benyebka Bou-Saïd

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondelettes

Analyse temps-fréquence

Traitement du signal

Biomécanique

Mots clés libres

Temps- fréquence

Vibration en biomécanique

Classification des signaux

Expérimentations mécaniques

Crash test

Résumé

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du développement d’un nouvel outil d’analyse et d’exploitation des expérimentations biomécaniques sur corps donnés à la science. Ces expérimentations pleine échelle, comme la reconstitution complète d’un accident réel, ou dit ‘fractionné’, comme l’investigation du comportement mécanique d’une articulation ou la validation d’un modèle éléments finis, utilisent des corps entier ou des segments anatomiques. L’exploitation de ces essais englobe l’analyse des résultantes accélérométriques et des vidéos rapides. Dans tous les cas l’objectif est de saisir les mécanismes lésionnels mis en jeu : si l’autopsie finale donne le bilan complet des lésions provoquées par l’essai expérimental, il est souvent complexe de retrouver la séquence chronologique d’apparition des lésions, voire de localiser anatomiquement cette lésion. Les méthodes actuelles souffrent d’un manque dans l’identification des lésions sur le traitement du signal : l’identification et la localisation temporelle d’une lésions sur un signal permettrait d’affiner la compréhension des mécanismes de destructions du corps humain et de compléter la validation des modèles éléments finis du corps humain. Les signaux accélérométriques issus de la biomécanique de chocs étant non stationnaires et fortement transitoires c’est vers le traitement du signal temps-fréquence que nous somme allé chercher de quoi localiser et discriminer l’apparition d’une lésion sur un signal. C’est plus précisément à partir de la transformée en ondelette continue que nous avons définit un critère de force de transitoire : un scalaire dépendant du temps reflète l’aspect transitoire du signal sur la bande fréquentielle supérieur du spectre temps-fréquence. Cette utilisation simple de la transformée temps échelle va être appliquée à deux structures critiques en biomécanique : le thorax, en tant que structure supportant les organes vitaux et faisant l’objet de moyen de protection spécifique, et le membre inférieur, en tant que premier segment anatomique touché en choc piéton. Dans le cas du thorax, le critère d’estimation de la force d’un transitoire a permis de cartographier de trajet d’un signal transitoire généré par la fracture d’une côte : ce résultat critique permettra de réduire l’instrumentation en biomécanique du thorax tout en en améliorant l’efficacité en terme de détection et localisation de fracture. Dans le cas du membre inférieur, le critère en transitoire a permis de discriminer les signaux transitoires provoqués par une fracture osseuse de ceux provoqué par une avulsion ligamentaire. L’accès à la distinction os/ligament est une avancée majeure dans l’exploitation des expérimentations biomécaniques sur le membre inférieur : les lésions pourront être associées plus facilement à une source lésionnelle et l’accès potentiel à l’état lésionnel de l’articulation du genou permettra de compléter la validation d’un modèle éléments finis. En conclusion cette thèse pose les bases de l’application de méthodes temps échelle à la biomécanique des chocs et permet d’analyser les signaux transitoires générés par les lésions pour améliorer leur localisation anatomique et temporelle. Ce travail très investigatoire devrait permettre de mettre au point un véritable outil d’exploitation expérimental à l’avenir.

This work introduces a new tool to be used in biomechanical experiment based on human surrogates. Those xperiments need human bodies or anatomic segments. They can be ‘full scale’when dealing with crash reconstruction or ‘sub system’ when dealing with any investigation that focuses on mechanical behavior of biological structure. Actual means of post processing of these experiments include accelerometers signal processing, necropsy and fast video recording. The objectives are usually to understand all injury mechanisms. The final necropsy indicates a listing of all injuries sustained by a human surrogate and an important issue is to recover the chronology of these injuries. Current signal post processing methods lack any injury identification system. Accelerometric signals recorded during impact biomechanical tests are definitely non stationary. We propose to use an approach based on time frequency visualization in order to detect and characterize any injury occurrence within those signals. More precisely we applied continuous wavelet transform and introduced a new criterion that quantifies any transient, or singularity, of the signal: we made the hypothesis that singularities are images of injury occurrence. The quantification of the singularity is calculated from the amount of high frequency contained in the signal. The criterion is applied to two anatomical structures of the human body. Firstly on the thorax, as it supports all vital organs and it is the object of intense safety system development. Secondly the criterion is applied on the lower limb, as it s the primary impacted structure during car/pedestrian collision. The application of the transient criterion to the thorax showed that transient signal caused by rib fractures can be tracked down. The knowledge of the path of the transient signal through the thorax lead to a better understanding of the injury mechanism of the rib. Detection and localization of the fracture rib is then improved and further instrumentation for similar biomechanical test could be tremendously reduced in the future. In the case of the lower limb, the transient criterion was used to localize in time any injury occurrence. Moreover the criterion enabled to discriminate ligament failure from bone fracture. This differentiation gives access to the chronology of injury occurrence during sub system impact test or full scale car crash reconstruction. The knowledge of such an internal chronology can lead to car improvement and further validation tool for finite element modes. In conclusion this work introduces a new application of time scale representation to impact biomechanics. Transient signals coming from injury can be localized in time and the origin of the injury can be determined. This preliminary study can be further completed to build an actual tool for the post processing and exploitation of impact biomechanical experiments.