Publication : Un modèle numérique pour prédire les lésions dans un choc frontal

Mieux prévoir les lésions du cou engendrées par un choc permettrait d'optimiser les systèmes de protection. Grâce à leur modèle numérique, des chercheurs du laboratoire ICube, en collaboration avec le département de neurochirurgie du Medical College of Wisconsin (Etats-Unis), ont pu calculer les efforts exercés à tous les niveaux de la colonne cervicale, lors d'une série de chocs frontaux.

Les mécanismes qui conduisent à des lésions graves du cou lors de chocs frontaux sont encore mal compris. Mieux connaître les forces et moments qui s'exercent au sein de la colonne cervicale permettrait de définir des critères de lésions, et d'améliorer les dispositifs de protection. Une première étape a été franchie par des chercheurs du laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (ICube, CNRS/université de Strasbourg), en collaboration avec le département de Neurochirurgie du Medical College of Wisconsin (Etats-Unis). Le laboratoire français a mis en œuvre son modèle éléments finis de la tête et du cou, élaboré depuis des années. Ce modèle prend en compte les propriétés mécaniques des 7 vertèbres cervicales et de la première vertèbre thoracique (T1), mais aussi les muscles, les ligaments et les disques intervertébraux. De son côté le laboratoire américain apportait des résultats d'une campagne de mesures sur des sujets post mortem en situation de choc frontal. Ces essais ont permis d'enregistrer la cinématique de la tête et de calculer les efforts mis en jeu au niveau de la tête et de la première vertèbre thoracique, pour des chocs représentant une accélération au niveau de T1 de 8g, 20g et 30g.

Une simulation numérique réalisée par les chercheurs d'ICube a d'abord confirmé que les résultats donnés par le modèle éléments finis étaient conformes à ceux obtenus par les essais. Une série de simulations a alors été lancée, avec des accélérations de 10g à 50g au niveau de la vertèbre T1. Les calculs réalisés pour chaque niveau de la colonne cervicale ont montré que la force tranchante n'évolue pas le long du rachis, que la force axiale (verticale) reste constante le long du cou, mais que le moment de flexion augmente quand on descend vers le rachis inférieur. Les simulations ont aussi révélé que les efforts se déroulent toujours suivant la même chronologie : le rachis subit d'abord un effort axial, puis tranchant, puis un moment de flexion. Ces résultats vont faciliter la corrélation entre des grandeurs physiques (force, pression, moment, etc.) et des lésions occasionnées par des chocs. Ils devraient se prolonger par de nouveaux projets avec le laboratoire américain, tout en ouvrant des perspectives de collaborations industrielles visant l'amélioration de la sécurité.

© ICube
Illustration du modèle éléments finis du système Tête-Cou développé à l’Université de Strasbourg.

Références :

Forces and moments in cervical spinal column segments in frontal impacts using finite element modeling and human cadaver tests Frank Meyer,
J. Humm, Y. Purushothaman, R. Willinger, F. A. Pintar, N. Yoganandan
Journal of The Mechanical Behavior of Biomedical Materials (octobre 2018)
DOI: 10.1016/j.jmbbm.2018.09.043

Contacts chercheurs : Franck Meyer - ICube / Rémy Willinger - ICube
Contact communication INSIS : insis.communication@cnrs.fr

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