Methodology for a global bicycle real world accidents reconstruction

The use of the bicycle on a large scale encouraged in the context to develop an eco friendly environment is facing today on a range of barriers. One of these barriers identified by researchers and governments is observed to include ‘road safety’. Hence, it is necessary to set up a protection system for bicyclists especially for the cephalic segment. Currently only few studies are available concerning the head impact loading in case of real accidents. Therefore, the objective of this work is to identify the initial condition of head impact in case of real accident. Head impact velocity and head impact area are extracted and implemented in the last generation of head injury prediction tool to simulate the head trauma by impacting directly the Strasbourg University Finite Element Head Model (SUFEHM) on the vehicle structures. The present study can be divided into three activities i.e. obtain real bicyclist accidents data issued from in depth accident investigation databases, cyclist body kinematic reconstruction to obtain the initial conditions of the head just before the impact and head impact simulation to evaluate the head loading during impact and the injury risk. A total of 26 bicyclists’ accident cases with head injuries have been collected from both a French and a German accident database. For each accident case, body kinematic has been simulated using Madymo® software. Two methodologies and human multibody models were used: 10 accident cases have been reconstructed by IFSTTAR using its owned developed human model and 16 accident cases have been reconstructed by Unistra using the human pedestrian TNO model. The results show that the head is impacted more often on top parietal zone, and the mean impact velocity is 6.8 ± 2.7 m/s with 5.5 ± 3.0 m/s and 3.4 ± 2.1 m/s for normal and tangential components respectively. Among these real accidents, 19 cases have been selected to be simulated by finite element computations by coupling the human head model and a windscreen model whose properties were extracted from literature. All reconstructed head impact gave results in accordance with the damage actually incurred to the victims. The objective of this study is to demonstrate the feasibility of numerical reconstruction as an understanding tool of the head impact conditions in bicyclist's accident cases, and hence providing knowledge for helmet optimization using biomechanical criteria

Contribution à la modélisation mécanique du crâne et de la face humaine

Résumé françaisRésumé anglaisSTRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

L' élasticité: nouveau biomarqueur du foie (analyse biomécanique et validation par élastographie impulsionnelle)

L'élastographie consiste à mesurer quantitativement l'élasticité des tissus afin de remplacer le contrôle tactile souvent exercé par les médecins. Ce contrôle tactile, connu sous le nom de palpation, a pour but d'estimer qualitativement l'élasticité des tissus. L'élastographie est motivée par la grande différence d'élasticité observée entre les tissus sains et les tumeurs dans lesquelles l'élasticité peut être jusqu'à 30 fois plus grande. L'élasticité devient alors un paramètre important dans la caractérisation des tissus mous. Dans les tissus mous, l'élasticité est pilotée par l'élasticité de cisaillement qui est mise en jeu lors de la propagation des ondes de cisaillement. Leur étude peut donc permettre de quantifier des informations tactiles.Nous proposons ici de développer des outils numériques pour l'étude théorique de la propagation d'onde de cisaillement dans un milieu élastique. Une évolution de la technique d'élastographie impulsionnelle, basée sur l'utilisation d'un nouveau type de transducteur ultrasonore associé à un système d'acquisition ultrasonore multivoie, est aussi proposée. La validation de ce dispositif et des algorithmes correspondants est ensuite réalisée sur fantômes. Nous développons un nouveau type de milieux modèles, un mélange de copolymère dans l'huile, imitant les propriétés mécaniques et acoustiques des tissus mous pour l'élastographie. Enfin, nous réalisons une comparaison de la mesure d'élasticité obtenues en élastographie impulsionnelle avec celle obtenue en élastographie par résonance magnétique afin d'étudier les différences possibles entre ces techniques de plus en plus utilisées pour le diagnostic de la fibrose hépatique.Elastography is to quantitatively measure the elasticity of tissue to replace the tactile control often exercised by physicians. This tactile control known as palpation, aims at qualitatively estimate the elasticity of tissues. Elastography is motivated by the large difference of elasticity observed between normal tissues and tumors in which elasticity can be up to 30 times greater. Elasticity becomes an important parameter in the characterization of soft tissues. In soft tissues, elasticity is driven by the shear elasticity, which is involved in the propagation of shear waves. Their study can thus help quantify the tactile information. We propose to develop computational tools for the theoretical study of shear wave propagation in elastic medium. An evolution of the transient elastography technique, based on the use of a new type of ultrasonic transducer combined with an ultrasonic multichannel acquisition system, is also proposed. The validation of this system and corresponding algorithms are then performed on phantoms. We develop a new kind of material models, a mixture of copolymer-in-oil, mimicking the mechanical and acoustic properties of soft tissues for elastography. Finally, we conduct a comparison of the measurement of elasticity obtained by transient elastography with that obtained by magnetic resonance elastography to study possible differences between these techniques increasingly used for the diagnosis of liver fibrosis.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Modélisation numérique de la tête de l'enfant par la méthode des éléments finis (Application à la biomécanique des chocs)

STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Identification et modélisation du comportement viscoélastique linéaire et non linéaire du tissu cérébral en situation d'impacts

Ce travail a pour objectif de contribuer au développement du modèle par éléments finis de la tête humaine de l'ULP. Il intègre une étude du comportement viscoélastique linéaire et non linéaire du tissu cérébral dont la connaissance reste actuellement incomplète et contrastée. Les propriétés matérielles en cisaillement du cerveau sont déterminées aux petites déformations sur une gamme de fréquences inédite (de 0.1 à plus de 6000 Hz) qui inclut les fréquences associées aux chocs automobiles et balistiques non pénétrant. La robustesse du protocole opératoire et la fiabilité des résultats expérimentaux sont confirmées par l'utilisation de deux outils de mesure différents et par l'analyse d'un certain nombre de facteurs pouvant influer sur l'objectivité des mesures. L'étude s'accompagne également d'une analyse de l'anisotropie pour une région particulière du cerveau (la couronne radiaire), et des différences inter-espèces et régionales. Le comportement du cerveau aux grandes déformations est appréhendé au travers d'essais de relaxation effectués sur une plage de déformations allant de 0.1% à 50%. Il ressort que l'augmentation du niveau de déformation influe sur l'amplitude des modules mesurés mais non sur leurs temps de relaxation. Les résultats aux petites déformations aboutissent à une modélisation phénoménologique du comportement linéaire du cerveau par un modèle de Maxwell généralisé à cinq modes. Le comportement non linéaire est modélisé par une loi hyperélastique de Ogden dans sa phase caoutchoutique puis par une extension proposée de cette loi (loi visco-hyperélastique) qui tient compte des effets dissipatifs observés sur l'intervalle de temps considéré. Une confrontation des lois de comportement linéaire et non linéaire du cerveau est enfin réalisée au cours d'une simulation numérique d'un choc de référence et d'un choc balistique. Il ressort que la mise en évidence de l'apport des différentes lois nécessite d'autres critères de validation des modèles numériques.The aim of this work is to contribute to the development of the ULP human head Finite Element model. This study concerns the linear and nonlinear viscoelastic brain tissue behaviour of which the knowledge remains currently incomplete and contrasted. The small shear strains brain properties are determined on new frequency range (from 0.1 to more than 6000 Hz) which includes frequencies associated with traffic road accidents and non penetrating ballistic impacts. The robustness of the protocol and the reliability of the experimental results are confirmed by the use of two different testing devices and by the analysis of several factors which could affect measurements objectivity. The study is also accompanied by an analysis of the anisotropy for a particular area of the brain (the corona radiate), and inter-species and regional differences. The large strain brain behaviour is characterized by shear relaxation tests between 0.1% and 50% strain. The results show the increase of the strain level affect the modulus magnitude but not their relaxation times. The brain linear behaviour is modelled by a phenomenological five-mode Maxwell model. The brain rubberlike behaviour is modelled by an Ogden hyperelastic law. This law is extended to take account of the observed dissipative effects on all time range (visco-hyperelastic law). Finally, a comparison of these brain linear and nonlinear constitutive laws is realised from numerical simulations of a reference and a ballistic impact. The conclusion is that the pertinence of the different laws contribution requires other numerical model validation criteria.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

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

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 subarachnoïdien de 5.4 J conditionne l'apparition d'hématomes sous-duraux ou subarachnoïdiens. 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 subarachnoïdiens. 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.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Biomécanique de la colonne cervicale humaine in vivo (Caractérisation modale et modélisation)

Malgré l'amélioration de la sécurité des passagers automobiles, les lésions cervicales mineures, dues à des accidents de voiture en choc arrière à vitesse modérée, restent un problème important de la sécurité routière. Dans divers domaines de la biomécanique, dont celui qui s'attache à l'amélioration de la sécurité des occupants de véhicule automobile, on utilise des modèles numérique et physique (mannequins) du corps humain permettant de reproduire le comportement d'un individu dans des situations d'accidents. Ainsi, lors d'essais de type crash test, on mesure, sur le modèle physique, les grandeurs mécaniques liées au chargement qu'il subit. On calcule alors un certain nombre de critères qui sont censés prédire un niveau de risque lésionnel pour le futur occupant. La plupart des stratégies de sécurité sont basées sur les résultats obtenus à travers des tests utilisant ces mannequins mais aussi sur la simulation numérique du corps humain, nettement moins onéreux que les essais expérimentaux. Néanmoins, afin de parvenir à des simulations réalistes, les mannequins physiques ou numériques doivent être agencés de manière à avoir un comportement cinématique et dynamique proche de celui de l'être humain. Le mannequin ou le modèle est alors qualifié de "bio-fidèle". Les méthodes actuelles de validation des modèles sont basées sur une analyse cinématique du comportement du corps humain en situation de choc et dans diverses conditions d'essais. Dans le cadre de chocs violents, on ne peut pas soumettre des volontaires à des tests qui pourraient engendrer des lésions. Les résultats de tests in vitro, qui se révèlent souvent peu représentatifs du vivant, sont alors utilisés dans le processus de validation des modèles. C'est dans ce contexte que le Centre d'Etude et de Recherche pour l'Automobile (C.E.R.A.) du groupe TREVES, équipementier automobile fabricant de composants de siège, en collaboration avec l'Institut de Mécanique des Fluides et des Solides (I.M.F.S.) de l'Université Louis Pasteur (U.L.P.) décident de se préoccuper de la sécurité des occupants en choc arrière, en initialisant le projet BIOSCAR destiné à optimiser les appuis-tête. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse s'intéressent à une caractérisation originale du système tête-cou in vivo, suivie d'une modélisation mathématique de l'ensemble tête-cou-tronc. Les résultats sont employés à l'évaluation expérimentale des mannequins disponibles et le couplage du modèle humain avec celui du siège apporte les premiers éléments de réponses sur l'optimisation de l'ensemble siège-appui-tête.[...]STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Mécanismes de lésion de la tête humaine en situation de choc

La tête constitue le segment anatomique renfermant l organe le plus important du corps humain : le cerveau. Ce dernier est protégé des agressions extérieures, notamment mécaniques, par la peau, le crâne, les méninges et le liquide céphalorachidien. Mais ces protections sont impuissantes face aux agressions de la vie moderne car les chargements mécaniques de la tête dépassent aisément ses limites de tolérance. L accidentologie indique que beaucoup reste à faire et cela passe par une meilleure optimisation des systèmes de protection. Pour l instant, ceux-ci sont élaborés sur la base d un critère de lésion utilisé depuis plus de trente ans : le Head Injury Cirterion (HIC). Il est calculé à partir de l accélération linéaire résultante d une tête de mannequin rigide, sur laquelle le système de protection est testé. Le critère ne tient donc compte, ni des accélérations angulaires, ni de l orientation du choc, ni de la déformation intracrânienne. Pourtant, l état de l art montre que la technique des éléments finis rend possible l accès à des variables spécifiques à chacun des mécanismes de lésion de la tête : l énergie interne de déformation des éléments modélisant le crâne et ceux modélisant le liquide céphalo-rachidien pour, respectivement, les fractures et les hématomes sous-duraux ou sous arachnoïdiens ; la déformation principale ou la contrainte de Von Mises des éléments modélisant le cerveau pour les lésions axonales diffuses. Ainsi, dans cette thèse, la capacité prédictive des critères de lésion tels le HIC ou ceux issus des variables intracrâniennes a été évaluée sur une centaine d accidents réels. Ces derniers ont été rassemblés dans une base de données qui rassemble les bilans lésionnels codifiés et les données cinématique permettant la simulation du traumatisme crânien. Une étude statistique a alors permis d élaborer des courbes de risque qui montrent la meilleure précision des critères basés sur des modèles éléments finis de tête. Par la suite, de nouvelles variables plus physiques et de nouvelles façons de les exploiter ont été proposées. Elles tentent de corriger l hypothèse posée dans les modèles actuels selon laquelle le cerveau est homogène et isotrope. L originalité tient dans le fait que l hétérogénéité et l anisotropie sont appréhendées sous l angle, non pas mécanique, mais physiologique : le cerveau a été divisé en zones fonctionnelles et une carte tridimensionnelle issue de l IRM par diffusion donnant les orientations privilégiées des faisceaux d axones dans le cerveau a été exploitée afin de calculer des élongations axonales. Les premiers résultats sont prometteurs et les limites de tolérance obtenues rejoignent celles issues des observations faites à l échelle d un seul nerf.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Modélisation par la méthode des éléments finis du cou humain en situation de choc multidirectionnel (validation cinématique,validation modale)

Malgré un grand nombre de projets de recherche dans le domaine de la biomécanique des chocs, les systèmes de protection courants ne sont toujours pas capables de réduire de manière significative les lésions de faible AIS, lésions induisant des coûts considérables à la société. Cette thèse propose un modèle éléments finis détaillé du cou d'un volontaire humain. Afin d'évaluer le modèle par rapport aux données existantes une validation temporelle a été obtenue en choc frontal, latéral, oblique et arrière. Une validation originale fondée sur l'analyse modale impulsionnel en terme de masse apparente a été réalisé permettant d'extraire les caractéristiques modales du système tête cou du modèle et du volontaire modélisé. L'optimisation du modèle dans le domaine fréquentiel a été obtenu après modification significative des propriétés mécaniques afin de reproduire la flexion-extension à 1.4 Hz et la rétraction de la tête ou "S-Shape" à 8.8 Hz. Cette étude propose un modèle du cou possédant une géométrie précise avec une attention particulière prêtée au mode de rétraction, un phénomène souvent masqué dans le domaine temporel.In spite of a large number of research projects in the field of cervical spine biomechanics, current protection systems are still not capable of significantly reducing low-AIS lesions, lesions that generate considerable costs to society. This thesis proposes a detailed FEM of a human volunteer's neck and proceeds to an original model validation against experimental data recorded with this human volunteer. In order to evaluate the new model against existing data a successful temporal validation of the model was obtained under frontal, lateral, oblique and rear impact. New validation parameters are based on an experimental test proceeded in the frequency domain in order to extract the volunteer's Head-Neck system's modal characteristics. In depth validation of the head neck FEM is then performed by superposing the numerical and experimental frequency response function. Model optimisation in the frequency domain permitted after significant properties modification to reproduced accurately both, the neck extension mode at 1.4 Hz and the head retraction mode at 8.8 Hz. This study proposes a neck model with improved geometry description and biofidelity with special attention paid to the retraction mode, a phenomenon which is often masked in the temporal domain.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Contribution à la compréhension des mécanismes de lésion cérébrale en situation de choc (Inclusion de l'anisotropie et de l'hétérogénéité par techniques d'imagerie médicale)

Le cerveau constitue le segment vital le plus fréquemment lésé en situation de choc traumatique. De par la complexité de cet organe, les lésions intracérébrales restent encore aujourd hui difficiles tant à prédire qu à décrire et à diagnostiquer. L analyse biomécanique permet notamment de faire le lien entre les chargements mécaniques et les lésions subies par l encéphale. De récentes études expérimentales ont mis en avant l importance de l hétérogénéité et de l anisotropie du tissu mécanique sur sa réponse en cas de chargement mécanique, tout en en imputant l origine aux réseaux d axones structurant le segment céphalique. Après la mise en place d un état de l art relativement exhaustif, l objectif de cette thèse est d améliorer le réalisme des lois de comportements des modèles par éléments finis (MEF) en s appuyant sur des techniques d imagerie médicale récemment développées. L influence de l hétérogénéité du tissu cérébral sur sa réponse aux chocs traumatiques est analysée en développant des MEF hétérogènes de cerveau à partir de données expérimentales in vivo d Elastographie par Résonance Magnétique (ERM). Parallèlement, l anisotropie cérébrale est mise en évidence par l étude de la déformation des axones lors de chocs traumatiques, en s appuyant sur des données in vivo d Imagerie du Tenseur de Diffusion (DTI). L ensemble des résultats obtenus est synthétisé pour la mise en place d un MEF visco-hyperélastique anisotrope et hétérogène de cerveau humain basé sur des données in vivo d ERM et de DTI. Ce nouveau modèle permet une meilleure prédictibilité des lésions axonales diffuses en situation de choc traumatique.Brain is the most commonly injured vital segment in case of road accident. Due to its complexity, intra-cerebral injuries remain still difficult to describe and diagnose. The link between mechanical head loadings and brain injuries is proposed by biomechanical analysis. Recent experimental studies have highlighted the importance of heterogeneity and anisotropy of the tissue mechanical response in case of head trauma. Main origin is imputed to axonal network. After a detailed state of the art about brain mechanical properties investigations, aim of this thesis is to improve the realism of behavior laws of Finite Element Models (FEM) by including information from recent medical imaging techniques. The influence of heterogeneity of brain tissue on its response to head impact is analyzed by developing heterogeneous brain FEM based on experimental in vivo Magnetic Resonance Elastography (MRE) data. Meanwhile, the anisotropy brain is highlighted by studying the deformation of axons in case of traumatic injury. The developed method is based on in vivo data from Diffusion Tensor Imaging (DTI) that inform on axons distribution into the brain. The overall results are summarized for the development of a viscohyperelastic anisotropic and heterogeneous human brain FEM based on in vivo MRE and DTI data. This new model provides a better predictability of diffuse axonal injury in case of head trauma.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF