Contribution à la compréhension du comportement mécanique de l'os du crâne humain sous différents moyens de conservation et de sollicitation

Abstract

Statistical studies of accidents show that the head is the most vulnerable physical segment during a collision (pedestrian impacts, motorcyclist impacts and side automobile collisions). In order to enhance virtual human model and to develop a new predictive injuries tool, this thesis deals with an experimental identification of mechanical properties of the human skull (considered as a homogeneous layer). Experimental tests on twenty skulls from fresh PMHS (Post Mortem Human Subject) have been performed. A specific protocol has been developed in order to cut 19 specimens per skull. A total of 380 specimens have been tested in three point bending test. The force/displacement curves are considered as reference for elastic modulus identification. Many relationships by zone and orientation have been obtained.Cycling tests in the elastic zone have been performed on 105 specimens cut in 7 frozen PMHS. Loading velocity effect has also been investigated. This second study compares also specimens according to their conservation's mode. A correlation has been observed and allows to extrapolate the elastic modulus of a fresh skull, tested in the frozen state. Thanks to these two studies, a relationship between the equivalent elastic modulus and the geometrical properties (thickness and density) of fresh PMHS has been observed.In order to develop a new head prototype, 7 frozen PMHS skull have been tested in quasi-static compression configurations. The elastic properties of the prototype have been identified from the previous experimental studies and they differ from skull zone to another. This prototype has been validated under static and dynamic compression tests.Les études statistiques d'accidents montrent que la tête est le segment corporel le plus vulnérable lors d'un accident (chocs piétons, chocs deux-roues et chocs latéraux). Pour enrichir les modèles virtuels d'être humain et développer de nouveaux outils de prédictions lésionnelles, ce travail propose une série d'expérimentations afin d'obtenir les propriétés mécaniques homogénéisées de l'os du crâne humain (pas de distinction entre l'os cortical et spongieux).Des essais ont été réalisés sur 20 SHPM (Sujet Humain Post Mortem) « frais ». Un protocole spécifique a été développé afin de prélever 19 éprouvettes par crâne. Au total, 380 échantillons ont été testés en flexion trois points. Les courbes effort/déplacement ont servi de référence pour l'identification du comportement élastique. De nombreuses relations par zones et orientations osseuses ont été obtenues.Des essais de cyclage dans la zone élastique ont été réalisés sur 105 échantillons prélevés sur 7 SHPM congelés. L'effet de la vitesse de sollicitation a été étudié. Cette seconde campagne permet de comparer les éprouvettes en fonction de leur mode de conservation. Une corrélation a été mise en évidence et a permis d'extrapoler le module d'élasticité à l'état « frais » d'un SHPM testé congelé.Ces deux campagnes d'essais ont permis d'aboutir à une corrélation entre le module d'élasticité équivalent et les propriétés géométriques (épaisseur et densité) d'un SHPM « frais ».Les derniers travaux ont porté sur le développement d'un nouveau prototype de tête. Pour cela, 7 calottes, provenant de SHPM congelés, ont été testées en compression. Les propriétés élastiques du prototype sont issues des campagnes expérimentales précédentes et présentent une distinction entre chaque zone. Ce prototype a été validé par des essais statiques et dynamiques en compression dans différentes zones osseuses