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

François Gabrielli

Description

Sous la direction de Christian Brunet
Thèse soutenue le 18 février 2010: Aix Marseille 2
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.
-Temps- fréquence
-Vibration en biomécanique
-Classification des signaux
-Expérimentations mécaniques
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.
-Crash test
Source: http://www.theses.fr/2010AIX22006/document

Sujets

• Essai de choc automobile

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 67
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

Université de la Méditerranée Aix-Marseille II
École Doctorale 353 – Physique, Modélisation et Sciences pour l'Ingénieur

THÈSE
pour obtenir le grade de

Docteur de l'Université de la Méditerranée

Spécialité : MECANIQUE
Option : MECANIQUE DES SOLIDES

présentée par

François GABRIELLI


APPORT DES TECHNIQUES TEMPS FREQUENCE A LA
CARACTERISATION MECANIQUE DU CORPS HUMAIN EN CHOC


Soutenue le 18 février 2010

Directeur de thèse : Christian BRUNET

JURY


Christian BRUNET Directeur de thèse

Claude DEPOLLIER Rapporteur

Benyebka BOU-SAÏD Rapporteur
Anne GUILLAUME Examinateur
Nadine MARTIN Examinateur
Catherine MASSON Invitée
Philippe GUILLEMAIN Invité
Erick OGAM Invité


Thèse financée par une allocation INRETS et menée dans une collaboration entre le
Laboratoire de Biomécanique Appliquée, UMRT 24 INRETS et le Laboratoire de Mécanique et
d’Acoustique CNRS UPR7051



1
Note personnelle
Il n'y a d'homme plus complet que celui qui a
beaucoup voyagé, qui a changé vingt fois la
forme de sa pensée et de sa vie.

[Alphonse de Lamartine]

Vous vous apprêtez à lire mon manuscrit de thèse et j’en très honoré. Ce manuscrit n’est pas
seulement le condensé scientifique de trois années de recherche, c’est aussi le fruit d’une
reconversion. Cette reconversion vers la recherche n’a pu être entamée et menée avec succès
qu’avec le concours de plusieurs personnes sans qui tout cela n’aurait pas été possible.

Je tiens donc à remercier en premier lieu Anca Mitulescu, qui a fait découvrir le monde de la
biomécanique, ses possibilités et sa richesse, à un jeune ingénieur en électronique, et m’a montré la
voie vers ce à quoi j’aspirais vraiment.

Je souhaite ensuite remercier les professeur Wafa Skalli et Francois Lavaste, du Laboratoire de
Biomécanique de l’ENSAM Paris, qui ont donné sa chance au jeune ingénieur que j’étais. Ils ont
accepté de m’intégrer dans le DEA de biomécanique, et m’ont ainsi permis d’entamer la reconversion
que clos ce manuscrit.

Enfin cette thèse proprement dite n’existerait pas sans Catherine Masson. Catherine a cru en moi et
m’a confié son bébé, l’application du temps fréquence à la biomécanique des chocs, projet qu’elle
cherchait absolument à concrétiser. Elle a su diriger cette thèse en me laissant tout l’initiative dont
j’avais besoin, tout en sachant me ramener vers les fondamentaux à chaque fois qu’il était nécessaire
et me soutenir dans les nombreux moments de doute. J’espère que je me suis rendu digne de sa
confiance.

Ensuite ces travaux thèse ont pu aboutir grâce à plusieurs personnes que je remercie sincèrement :

- Le Professeur Christian brunet, pour avoir fait du LBA l’entité qu’il est actuellement, et sans
qui tout ceci ne serait pas possible
- Philippe Guillemain, pour sa vision éclairée du travail de thèse, sa connaissance du monde la
recherche, sa compétence et sa rigueur concernant le temps fréquence.
- Erick Ogam, pour sa connaissance du monde de l’acoustique vibratoire, pour sa présence
apaisante, et sa vision unique du monde et de la recherche.
- Messieurs Claude Depollier de l’Université du Mans et Benyebka Ben-Saïd de l’INSA Lyon, qui
ont accepté de rapporter sur ce manuscrit de thèse, dans des conditions particulièrement
contraignantes, et néanmoins ont délivré leurs analyses dans les temps
- Le Colonel Anne Guillaume, directrice du LAB, pour avoir accepté dans un premier temps de
rapporter sur ma thèse, puis de participer au jury en tant qu’examinateur, apportant un
poids scientifique particulier à ces travaux.
- Mme Nadine Martin du GIPSA-LAB de Grenoble, qui a accepté d’apporter au pied levé son
expertise en traitement du signal temps fréquence au sein du jury de thèse
- Damien Subit et Richard Kent, qui m’ont donné l’occasion de rebondir dans mes travaux de
thèse, pour leur énergie et leur savoir faire
- Le Professeur Marie-Christine Ho Ba Tho, qui a joué un rôle décisif dans l’orientation
scientifique de la thèse, pour avoir partagé son expérience de l’approche vibratoire des os
longs lors du congrès de la Société de Biomécanique


2
Au sein du Laboratoire de Biomécanique Appliquée, ces trois ans de thèse se sont déroulées dans
une équipe envers laquelle j’exprime ma gratitude particulière pour avoir su me supporter et
maintenir une ambiance unique. Je remercie particulièrement :
- Christophe Reignier et Max Py, pour leur disponibilité et surtout cette bonne humeur qu’ils
arrivent à générer pendant ces longues et fastidieuses journées d’essai
- Lucie Launay, la magicienne de la gestion administrative, qui a toujours eu réponse à mes
questions et mes demandes, avec une rigueur et une efficacité parfaite
- Maxime Llari, pour son efficacité, son initiative et la rapidité avec laquelle il résout les
problèmes techniques des étudiants
- Thierry Serre pour toute ces discussions autour de la biomécanique et de la recherche en
général, pour son calme, son humour et l’optimisme qui m’a redonné confiance plusieurs fois
- L’inévitable Samuel Bidal, complice incontournable des doctorants, pour son intelligence
humaine et scientifique inégalable, pour son attention particulière vers les doctorants qui
passent par des moments de doutes, ces discussions sans queue ni tête et cet humour
ravageur qui en fait un peu le gourou des étudiants.

Dans un registre complètement différent et qu’on pourrait qualifier d’incongru dans un manuscrit de
thèse, je tiens à remercier Mike Morhaime et Frank Pearce pour avoir conçu Azeroth, qui m’ont
permis de passer des soirées incroyables avec des gens non moins incroyables tels que Gim, Lessien,
Markis, Isa, Nef, Propro, MacGraal, Froggi, Nos, Malfi, Frene, Heck, Kenu et beaucoup d’autres. Tous
ces moments d’évasion et de franche rigolade ont été très précieux pendant ces trois années.

Enfin, the last but not the least, je remercie sincèrement les étudiants, avec lesquels j’ai passé toutes
ces journées dans ce véritable four qui est le « bureau des étudiants », la salle au fond du bâtiment
qui accueille jusqu’à 11 étudiants à la fois, ces étudiants qui se soutiennent mutuellement, qui ont
accepté mes humeurs changeantes, mes questions incessantes, ma curiosité insatiable et mon
humour parfois (souvent ?) lourd :

- Les nouveaux, Omar et Fu Hao, pour leur bonne humeur
- Les un peu moins nouveaux, la vague des quatre mousquetaires, le discret Jérémie,
l’énigmatique Jing Chao, et le duo terrible formé par mon cher homonyme François et
l’incontournable Cécile, pour ces indénombrables excellents moments passés ensemble
- Les anciens, ou plutôt anciennes, qui ont soutenu leur thèse et quitté le laboratoire, la
flegmatique Alice, pour tous ces conseils sur hypermesh, la grande Sophie, pour tous ces
moments de complicité et de partage au long de ces deux années passées ensemble, et
Géraldine, notre Gégé, pour sa bonne humeur, la mauvaise humeur, son rire, et sa présence
en début de thèse
- Les anciennes qui ont débuté en même temps que moi, qui vont soutenir juste après moi et
qui ont beaucoup de mérite pour avoir bouclé leur travaux de thèse dans les conditions
qu’elles ont vécu, Virginie pour m’avoir supporté aussi longtemps, pour sa franchise et ses
discussions scientifique et moins scientifique, et enfin Anaïs, pour cette complicité qui a
rendu cette thèse bien plus supportable, et qui j’espère trouvera sa voie.

Je ne peux clore ces (houlà déjà) deux pages sans mentionner mes parents, qui m’ont soutenu
pendant ces 39 mois de thèse et bien évidement ma très chère Élodie, qui fut le support
inconditionnel, sans limite et de tous les instants, et qui a participé dans l’ombre à la réussite de ce
projet.

François Gabrielli, à Marseille le vendredi 12 février 2010



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Table des matières

A. Contexte scientifique et positionnement de la thèse ................................................................. 10
A.1. Expression du besoin ......................................................................................................... 10