Mécanismes de lésion de la tête humaine en situation de choc

Abstract

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.The head encloses the most vital organ: the brain. It is protected against external mechanical aggressions thanks to the scalp, the skull, the meninges and the cerebrospinal fluid. But these natural protections are obsolete against the modern life aggressions: the tolerance limits are easily exceeded by the mechanical loadings involved in road or sport accidents. In order to prevent the head from reaching these tolerance limits, head protection devices are developed. There optimization are based on criteria such as the Head Injury Criterion (HIC, 1972). But it is computed using the solely resultant linear acceleration of an un-deformable head dummy. In other words, neither the angular accelerations, nor the impact orientation, nor the intracranial mechanical behaviour are taken into account. However, the finite element technique provides the description of this intracranial mechanical behaviour. Therefore, new metrics which are specifics to each injury mechanism have been proposed in the literature: the internal deformation energy of the skull and of the elements modelling the cerebrospinal fluid is calculated for, respectively, fractures and subdural or subarachnoidal haematomas; brain elements main strain or Von Mises stress are proposed for the diffuse axonal injuries. In this thesis, the injury prediction capability of criteria such the HIC or those deriving from finite element head models has been evaluated on a set of a hundred real world accidents. The cases have been gathered in a database which provides a codification of the injuries and the kinematical needed data for the simulation of the head traumatism. Then, a statistical study has been carried out and the provided injury risk curves have shown a clearly better accuracy for the criteria calculated using finite element head models. Besides, more physical metrics and new ways to exploit them have been proposed. The aim is to avoid the hypothesis of a brain considered as homogeneous and isotropic. But here, the heterogeneity and the anisotropy have been considered with a physiological and functional point of view: the brain has been divided between functional zones; thus, a three-dimensional map of the axonal beam orientations provided by the diffusion MRI has been utilized so that axonal elongations could be computed. The first results show excellent perspectives and the resultant tolerance limits tend towards those obtained in experimental works on real nerves