Caractérisation mécanique multidirectionnelle de la colonne cervicale humaine

Multidirectional mechanical characterisation of the human cervical spine

• Auteur / Autrice : Klaus Günzel
• Direction : Rémy Willinger, Hans Müller-Storz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Strasbourg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Propriétés mécaniques

Vertèbres cervicales

Biomécanique

Résumé

En dépit des progrès réalisés dans le domaine de la sécurité passive des véhicules, les lésions du cou de faible AIS dues aux accidents de la route demeurent un problème important de la société. Les modèles mathématiques et physiques du système tête-cou humain ne sont actuellement pas biofidèles, et rendent l'optimisation des systèmes de sécurité passive difficile. Jusqu'à présent, les modèles du rachis étaient validés par rapport à des corridors dans le domaine temporel. Il n'est pas possible de caractériser un système à plusieurs degrés de liberté en ne considérant que sa réponse en temporel. Ainsi, dans le cadre de la présente thèse, nous avons analysé le système tête-cou de l'adulte et de l'enfant dans le domaine fréquentiel avec des méthodes originales basées sur des techniques d'analyse modale. Une première partie est consacrée à une analyse modale expérimentale type entrée-sortie du système tête-cou humain, effectuée sur dix adultes dans le plan sagittal, frontal et transverse. Pour la première fois, cinq modes propres de l'ensemble tête-cou ont pu être id entifiés à partir des fonction s de transfert. Ce sont le mode de flexion-extension, le mode d'inclinaison, le mode de rotation qui est couplé au mode d'inclinaison, le mode de rétraction frontale et le mode de rétraction latérale. Un modèle à paramètres localisés à 5 ddl du système tête-cou présentant deux joints a été proposé et validé vis-à-vis des données expérimentales. De plus, une analyse modale en fonctionnement du système tête-cou de l'enfant a été réalisée. Des données de vibrations ont été acquises au cours de tours de manège dans un parc d'attractions. Cette analyse a permis d'identifier cinq modes propres dans les trois plans anatomiques. Ils sont similaires aux modes qui ont été identifiés pour les adultes. A notre connaissance, c'est la première analyse modale en fonctionnement qui a été effectuée sur des humains. Et c'est la première fois que des paramètres modaux du système tête-cou de l'enfant ont pu été identifiés. Ainsi, cette thèse contribue à une meilleure compréhension du comportement dynamique 3D de la colonne cervicale de l'homme. De nouveaux paramètres de validation appropriés pour des modèles mathématiques et expérimentaux ont été établis.

In spite of the advances in the domain of passive vehicle safety the low AIS neck injuries due to car accidents related to rear, lateral and oblique impacts remain an important problem of vehicle safety. Mathematical and physical models of the human head-neck system that are validated inadequately relating to human kinematics make it difficult to optimize passive safety systems. Up to now dummies are validated against corridors in the cime domain. It is not possible to characterise a multi-degree of freedom model by only regarding its cime response. So in the frame of the present the sis we analysed the head-neck system of adult and child in the frequency domain with original methods based on modal analysis techniques. A fust part is a multidirectional in-vivo experimental input-output modal analysis of the head-neck system of ten adults carried out in the sagittal, the frontal and the transverse plane. For the fust cime five natural modes have been identified outgoing from frequency response functions. These are the flexion-extension mode, the inclination mode, the rotation mode coupled the inclination mode, the frontal retraction mode and the lateral retraction mode. A 5-DOF lumped model of the head-neck system featuring two univers al joints has been proposed and validated against experimental data. Mechanical parameters for joint stiffness and damping have been identified. An output only modal analysis has been performed on the child's head-neck system. Vibration data has been acquired during rides on a rollercoaster in an amusement park. This analysis permitted to extract five modes. These are similar to the modes that have been identified for adults. To our knowledge this is the fust output only modal analysis that has been performed on humans. And it is the first time that modal parameters of the child's head-neck ~ystem have been identified. As a general conclusion it can be stated that this thesis contributes to a better understanding of the 3D dynamic behaviour of the human cervical spine. New validation parameters appropriated for mathematical and experimental models have been established.