Laxité et réponse lésionnelle des ligaments du genou dans des conditions de choc latéral

Laxity and injury response of knee ligaments in lateral impact conditions

• Auteur / Autrice : Sahar Benadi
• Direction : Philippe Beillas, Yoann Lafon-Jalby
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique des chocs
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Idrissi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicola Hagemeister, Baptiste Sandoz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicola Hagemeister, Baptiste Sandoz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Choc (mécanique)

Simulation par ordinateur

Rupture

Ligaments

Genou

Mots clés libres

Genou

Laxité

Rupture

Simulation numérique

Ligaments

Knee

Ligaments

Laxity

Failure

Numerical simulation

Résumé

Le genou est l'une des régions d'intérêt pour l'évaluation de la sécurité des piétons. Les essais précédemment réalisés dans la littérature pour étudier la réponse lésionnelle du genou dans une configuration de choc piéton, ne tiennent pas compte de la flexion du genou et testent ce dernier uniquement en extension complète. L’effet du recrutement successif des fibres ligamentaires en fonction du positionnement initial du genou n’a pas été considéré non plus dans ces études. Cependant, l’existence d’un lien entre les conditions initiales dans lesquelles le genou est placé (flexion, orientation relative des insertions, direction du chargement) et la réponse mécanique de ce dernier (rigidité linéaire, force in situ…) est établi dans la littérature. Ainsi, un nouveau protocole expérimental est proposé afin (1) d’évaluer de manière non-lésionnelle la laxité et le début de chargement des ligaments en fonction de la position initiale du genou et de la direction de chargement, (2) de caractériser l’effet de la position initiale sur la réponse lésionnelle des ligaments notamment sur leur élongation à la rupture. Les résultats de la laxité sont combinés à l’élongation à la rupture pour regarder si la laxité permet d’expliquer les différences de réponse lésionnelle observées en fonction de la position initiale du genou. Une étude paramétrique par modélisation numérique a permis de définir les choix expérimentaux de l’étude : flexion 4-points (4P) comme mode de chargement pour les essais à rupture, la rotation interne-externe et le déplacement proximal-distal doivent rester libres sur le montage, et 10° et 45° de flexion pour le positionnement initial du genou. Douze genoux ont été testés selon ce protocole. La définition de la laxité des ligaments sur la base de la déformation osseuse près des insertions ligamentaires a été plus fructueuse pour les ligaments collatéraux, mais plus compliquée pour les ligaments croisés. Ainsi, il était difficile d’exploiter les valeurs de laxité obtenues pour expliquer les différences observées entre 10° et 45° au niveau des élongations à la rupture des ligaments. Les essais de flexion 4P sur genou isolé ont donné lieu à des lésions ligamentaires et à une cinématique d’essai proches de celles observées dans les essais corps entier. Ces résultats constituent une base de validation pour les modèles éléments finis du genou qui pourront, après validation, être utilisés pour mieux investiguer l’effet de la laxité et élargir la base de données sur l’élongation à la rupture des ligaments. Des propositions d’amélioration du modèle de genou actuel sont fournies à l’issue d’une comparaison entre des simulations numériques réalisées dans les conditions des essais expérimentaux et les résultats de ces essais.

The knee is one of the important regions in evaluating the pedestrian safety during lateral impacts. The knee was always fully extended when tested in pedestrian impact conditions in the literature. However, the knee response could be affected by several parameters including the knee initial position, the relative orientation of the ligament insertion points and the direction of the applied load. Those parameters are shown to modify the ligament mechanical properties and load/tension state as well. Based on that information, a new experimental protocol was proposed to (1) characterize the beginning of tension in the ligament with respect to the knee initial position and to the direction of the applied load, (2) to investigate how the knee initial position could affect the elongation at failure of the ligaments under lateral impact conditions. A series of numerical simulations was carried out to define the experimental choices associated with the protocol. Three main choices were made: the failure tests will be carried out on a 4-point bending fixture, the internal-external rotation and the distal-proximal translation should remain unconstrained in those tests, and the two knee initial positions will be 10° and 45° of knee flexion. Characterizing the knee ligaments laxity based on the bone strain near the ligament insertions sites was less complicated for the collateral ligaments compared to the cruciate ligaments. It was consequently difficult to use the laxity results to explain the differences in the elongation at failure between the two flexion angles (10° and 45°). However, the dynamic tests resulted in ligaments injuries and knee kinematics that were comparable to the ones observed in full body pedestrian impact tests. Hence, the obtained results could be used as a validation database for the current finite element knee models so that they could be used to further characterize the ligaments laxity and to generate more data on the ligaments failure response. Possible improvements of the knee ligaments representation in a finite element model are finally suggested based on the results of the knee model simulation under the experimental tests conditions.