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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
N° d'ordre attribué par la bibliothèque Ecole Doctorale Des Sciences Pour l'Ingénieur de Strasbourg ULP – INSA – ENGEES Titre de la Thèse THESE Modélisation par la méthode des éléments finis du cou humain en situation de choc multidirectionnel – Validation cinématique, Validation modale - Soutenue le 14 décembre 2004 Pour l'obtention du grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur – Strasbourg I Discipline : Sciences Pour l'Ingénieur (Spécialité : Mécanique-Biomécanique) Par Com I Frank MEYER position du jury Directeur de thèse : Rémy WILLINGER - Professeur des universités - ULP Rapporteur interne : Yves REMOND - Professeur des universités - ULP Rapporteur externe : Jean-Pierre VERRIEST - Directeur de recherche - INRETS Rapporteur externe : Koshiro ONO - Professeur à l'université de Tokyo Examinateur : André GENTINE - Professeur des universités - ULP Examinateur : Jean-Michel BART - Responsable de la recherche et de l'Innovation - CERA - TREVES nstitut de Mécanique des Fluides et des Solides - UMR 7507 ULP - CNRS

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Publié le : mercredi 1 décembre 2004
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Source : scd-theses.u-strasbg.fr
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N° d’ordre attribué par la bibliothèque Ecole Doctorale Des Sciences Pour l’Ingénieur de Strasbourg ULP – INSA – ENGEES Titre de la Thèse Modélisation par la méthode des éléments finis du cou humain en situation de choc multidirectionnel – Validation cinématique, Validation modale -THESE Soutenue le 14 décembre 2004 Pour l’obtention du grade de Docteur de l’Université Louis Pasteur – Strasbourg I Discipline : Sciences Pour l’Ingénieur (Spécialité : Mécanique-Biomécanique) Par Frank MEYER Composition du jury Directeur de thèse :WILLINGER - Professeur des universités - ULP Rémy Rapporteur interne :REMOND - Yves Professeur des universités - ULP Rapporteur externe :Jean-Pierre VERRIEST - Directeur de recherche - INRETS Rapporteur externe :Koshiro ONO - Professeur à l’université de Tokyo Examinateur : André GENTINE - Professeur des universités - ULP Examinateur : Jean-Michel BART - Responsable de la recherche et de l’Innovation - CERA - TREVES Institut de Mécanique des Fluides et des Solides - UMR 7507 ULP - CNRS
Table des matières
SOMMAIRE CHAPITRE 1 : Introduction générale1CHAPITRE 2 : Rappels sur la biomécanique du cou 1. Introduction...........................................................................................................................5 2.Lerachisdanssonensemble................................................................................................5 3. Le rachis cervical ..................................................................................................................8 3.1.Lapartieosseuse............................................................................................................10 3.2. Les disques intervertébraux ...........................................................................................13 3.3. Les ligaments .................................................................................................................14 3.4. Les muscles ....................................................................................................................19 4. Mécanismes de lésion du cou .............................................................................................27 4.1. Les lésions en compression (33% des cas). ...................................................................28 4.2. Les lésions en flexion extension (28% des cas).............................................................30 4.3.Leslésionsenrotation(39%descas)............................................................................36 5. Limites de tolérances ..........................................................................................................39 5.1.Encompression..............................................................................................................39 5.2. En flexion-Extension .....................................................................................................42 5.3.Entorsion.......................................................................................................................44 6 Les critères de lésions ..........................................................................................................45 7. Conclusion. ..........................................................................................................................47 CHAPITRE 3 : Bibliographie sur les modèles éléments finis du cou1. Introduction.........................................................................................................................49 2. Description des essais du N.B.D.L. ....................................................................................50 3. Les modèles éléments finis du cou .....................................................................................53 3.1. Modèle de Kleinberger (1993).......................................................................................53 3.2.ModèledeDauvilliers(1994)........................................................................................56 3.3. Modèle de De Jager (1996)............................................................................................63 3.4. Modèle de Nitsche (1996)..............................................................................................75 3.5. Modèle de Camacho (1997)...........................................................................................77 3.6. Modèle de Yang (1998) .................................................................................................81 3.7. Modèle d’Astori (1998) .................................................................................................87 3.8. Modèle de Golinski (2000) ............................................................................................92 3.9.ModèledeHalldin(2000)..............................................................................................96 3.10. Modèle d’Ejima (2003)..............................................................................................102 3.11. Modèle de Kobayashi (2003).....................................................................................105 4. Conclusions et récapitulatif..............................................................................................108
CHAPITRE 4 : Analyse modale numérique tridimensionnelle du rachis cervical1. Introduction.......................................................................................................................118 2. Description du modèle éléments finis 3D ........................................................................118 3. Validation du modèle dans le domaine temporel. ..........................................................124 3.1 Validation du modèle en choc frontal (N.B.D.L.) ........................................................124 3.2.Validationenchocarrière............................................................................................127 4. Analyse modale expérimentale du système tête cou. .....................................................130 5. Analyse modale numérique tridimensionnelle du rachis cervical ................................136 5.1. Etude paramétrique et validation fréquentielle ............................................................139 5.2 Influence de la validation fréquentielle sur la réponse temporelle ...............................143 4. Conclusion .........................................................................................................................145 CHAPITRE 5 : Développement d’un MEF du cou-Validation temporelle et fréquentielle 1 Introduction........................................................................................................................148 2 Développement du MEF....................................................................................................149 2.1 Aspects géométriques ...................................................................................................149 2.2 Propriétés mécaniques ..................................................................................................156 3. Validation temporelle .......................................................................................................160 3.1 Choc Frontal..................................................................................................................162 3.2 Choc arrière...................................................................................................................164 3.3 Choc oblique .................................................................................................................166 3.4 Choc Latéral ..................................................................................................................168 4 Validation Fréquentielle....................................................................................................170 4.1 Modèle initial ................................................................................................................170 4.2 Modèle Optimisé...........................................................................................................172 5 Retour dans le domaine temporel.....................................................................................174 5.1 Choc Frontal..................................................................................................................174 5.2 Choc Arrière..................................................................................................................175 5.3 Choc Oblique ................................................................................................................176 5.4 Choc Latéral ..................................................................................................................177 5.5 Evaluation du MEF par rapport à la littérature .............................................................179 6. Conclusion et discussion ...................................................................................................181 CHAPITRE 6 : Conclusion générale183REFERENCES BIBLIOGAPHIQUES187
Chapitre I Introduction Générale
I – Introduction générale
Malgré l’évolution récente des systèmes de protection dans les automobiles, les traumatismes du rachis cervical restent encore un problème d’actualité. En effet très souvent des traumatismes du rachis cervical sont occasionnés par des chocs arrières de faible intensité. Ces lésions sont le plus souvent bénignes mais engendrent cependant des dépenses importantes pour la société car le patient souffre de vertiges, de maux de tête ou de douleurs musculaires ou ligamentaires s’exprimant pendant une durée variant de quelques jours à plusieurs années. La raison principale de cette longue période de convalescence est due à la difficulté qu’à le corps médical à établir un diagnostic fiable malgré l’emploi de radiographie, de scanner ou d’I.R.M. Ces périodes d’invalidités ainsi que les moyens mis en oeuvre induisent des dépenses considérables liées à l’incapacité de travail du traumatisé ou à son état psychologique qui s’en suit.
D’après Yoganandan (2001), 4 milliards de dollars aux Etats-Unis et 9 milliards d’euros en Europe sont versés annuellement à des patients souffrant de traumatismes cervicaux bénins. Afin de réduire ces coûts et de mieux protéger les occupants d’un véhicule, il est indispensable de bien comprendre le comportement mécanique du système tête-cou en situation de choc arrière de faible intensité. C’est dans ce contexte qu’un industriel, le C.E.R.A. (Centre d’Etude et de Recherche pour l’Automobile), et l’U.L.P. (Université Louis Pasteur) ont mis en place un projet de recherche destiné à l’optimisation des appuis-tête. Ce projet s’inscrit dans le cadre d’un projet du P.R.E.D.I.T. (Programme National de Recherche et d’Innovation dans les Transports Terrestres) intitulé « Protection de la zone encéphalo-rachidienne des occupants d’un véhicule automobile lors de chocs arrières ». L’évaluation des systèmes de protection, le siège et l’appuie tête dans notre cas, se fait typiquement aux moyen de substituts du corps humain que sont les mannequins au plan expérimental et des modèles numériques au plan théorique. Par ailleurs l’avancée des moyens techniques et informatiques en termes de moyens de calcul et de codes ont permis de faire des modèles éléments finis (M.E.F.) un outils efficace et à faible coût. La présente thèse se situe dans le cadre de la biomécanique des traumatismes de la colonne cervicale. Dans un premier temps le chapitre 2 fera un rappel sur divers aspects de la biomécanique du cou.
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I – Introduction générale
Tout d’abord un point sur l’anatomie sera présenté, puis nous étudierons les risques lésionnels encourus par le rachis sous un mode de sollicitation donné. Ce chapitre se conclura par une revue bibliographique des limites et des critères de tolérances de ce segment . Le deuxième volet de cette thèse est consacré a une revue bibliographique sur les modèles éléments finis existants. Le chapitre 3 propose une revue exhaustive de leurs modes de validation, leurs propriétés mécaniques et leurs géométries, permettant ainsi de déterminer les limites atteintes à ce jour par ces modèles éléments finis et de proposer des éléments d’amélioration. La troisième partie de ce travail (chapitre 4) a consisté en l’évaluation d’un modèle éléments finis existant du rachis cervical (Golinski (2000)). Nous avons tout d’abord procédé à une validation cinématique classique de ce modèle en chocs arrière et frontal. Les courbes d’accélération et de déplacement ont été comparées aux résultats obtenus lors des tests expérimentaux disponibles dans la littérature. Parallèlement à cette étude théorique des expériences dynamiques impulsionnelles in vivo dans le plan sagittal ont permis de mettre en évidence deux modes de vibration de la colonne cervicale. Le premier mode correspond à une flexion-extension à 1.4 Hz et le second correspond à une rétraction antéro-postérieure de la tête se manifestant à 8 Hz. Ces résultats obtenus dans le cadre de la thèse de doctorat de Nicolas Bourdet nous serviront de données de validation. Ainsi une analyse modale du MEF sera présentée au chapitre 4 afin d’extraire pour la première fois les caractéristiques modales théoriques du système tête-cou, à savoir ses fréquences naturelles et ses déformées modales. Le dernier chapitre de ce travail de doctorat consiste en l’élaboration d’un nouveau M.E.F. plus biofidèle du rachis cervical (chapitre 5). L’originalité de ce modèle repose sur sa construction puisqu’il s’appuie sur une géométrie obtenue à partir de coupes scanner d’un sujet vivant. Les principaux constituants de la colonne cervicale seront pris en compte dans cette modélisation.
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I – Introduction générale
Ce M.E.F. sera validé de manière classique dans le domaine temporel à partir des essais du N.B.D.L en choc frontal, oblique et latéral, puis en choc arrière à partir des essais de Prasad (1997). La crédibilité établie ainsi du M.E.F., il sera possible de démontrer les limites de ce mode de validation en effectuant une analyse modale respectant les mêmes conditions aux limites que celle effectuée lors des expériences sur le volontaire. Finalement un retour dans le domaine temporel, par la simulation des quatre chocs (arrière, frontal, oblique et latéral), sera exposé afin de vérifier la compatibilité des deux modes de validations (temporel et fréquenciel).
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Chapitre 2 Rappels sur la Biomécanique du Cou
Sommaire
II – Rappels sur la Biomécanique du Cou
1. Introduction .......................................................................................................................... 52. Le rachis dans son ensemble ............................................................................................... 53. Le rachis cervical.................................................................................................................. 83.1. La partie osseuse ........................................................................................................... 10 3.2. Les disques intervertébraux........................................................................................... 13 3.3. Les ligaments................................................................................................................. 14 3.4. Les muscles ................................................................................................................... 19 4. Mécanismes de lésion du cou............................................................................................. 274.1. Les lésions en compression (33% des cas).................................................................... 28 4.2. Les lésions en flexion extension (28% des cas). ........................................................... 30 4.3. Les lésions en rotation (39% des cas). .......................................................................... 36 5. Limites de tolérances.......................................................................................................... 395.1. En compression ............................................................................................................. 39 5.2. En flexion-Extension..................................................................................................... 42 5.3. En torsion ...................................................................................................................... 44 6 Les critères de lésions.......................................................................................................... 457. Conclusion........................................................................................................................... 47
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1. Introduction
II – Rappels sur la Biomécanique du Cou
La biomécanique des chocs s’intéresse au comportement de l’être humain en situation extrême. Cependant avant toute recherche fondamentale il est indispensable et même obligatoire d’aborder le sujet d’un point de vue anatomique. C’est pourquoi dans les paragraphes suivants nous exposerons quelles sont les caractéristiques qui composent le rachis cervical. Etant donné que lors de la modélisation tous les détails anatomiques ne peuvent-être pris en compte nous nous limiterons à une description de la partie osseuse, ligamentaire et musculaire, constituants responsables du mouvement de la colonne. La deuxième partie de ce chapitre se portera sur les mécanismes de lésions du rachis cervical. Nous les classerons suivant le type de sollicitation. Enfin une revue bibliographique des limites et critères de tolérances sera exposée.
2. Le rachis dans son ensemble
La colonne vertébrale joue trois rôles primordiaux, le premier est de protéger l’axe nerveux partant de la base du crâne et allant jusqu'à sa partie dorsale (moelle épinière). Deuxièmement elle transmet et supporte les charges situées au dessus du bassin et troisièmement, elle assure la mobilité entre la tête, le tronc et le bassin grâce à un empilement d’éléments quasi indéformables (les vertèbres) et d’éléments déformables (les disques intervertébraux, les ligaments et les muscles). Mais avant de faire une description biomécanique de cette structure il est nécessaire de définir les trois plans de référence couramment utilisées(figure 2.1) : Le plan sagittal (OXZ) représentant le plan de symétrie global de l’homme Le plan horizontale (OXY) ou transversal dans lequel s’inscrit la colonne Le plan frontal (OYZ) perpendiculaire aux deux précédents
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