Communication scientifique
Session of 22 novembre 2011

Modélisation du thorax en choc automobile

MOTS-CLÉS : accidents de la circulation. analyse des elements finis. thorax
Chest modelling and automotive crash
KEY-WORDS : automotive crash. finite element model. thorax

Xavier Trosseille

Résumé

Le développement de la sécurité des automobiles passe aujourd’hui de plus en plus par la simulation numérique. Les modèles d’êtres humains arrivent à maturité et comptent maintenant parmi les outils disponibles pour mettre au point de nouveaux moyens de protection. Ces modèles qui étaient hier constitués de quelques éléments rigides articulés comptent maintenant plusieurs millions d’éléments finis et ont des capacités de prédiction de certains risques lésionnels. Pour développer ces modèles, de nombreux essais, de plus en plus sophistiqués ont été menés sur des sujets humains post mortem. L’exemple du thorax illustre la démarche adoptée, qui va de la caractérisation des matériaux à la validation du modèle complet dans un environnement automobile. Mais l’utilisation de la modélisation permettra d’aller encore bien plus loin en personnalisant les modèles et, grâce à l’imagerie médicale, d’accéder au comportement et aux tolérances de l’ensemble de la population exposée au risque d’accidents.

Summary

Automobile development is increasingly based on mathematical modeling. Accurate models of the human body are now available and serve to develop new means of protection. These models used to consist of rigid, articulated bodies but are now made of several million finite elements. They are now capable of predicting some risks of injury. To develop these models, sophisticated tests were conducted on human cadavers. For example, chest modeling started with material characterization and led to complete validation in the automobile environment. Model personalization, based on medical imaging, will permit studies of the behavior and tolerances of the entire population.

INTRODUCTION

Le développement de la sécurité automobile passe depuis ses débuts par l’utilisation de mannequins physiques permettant d’évaluer le niveau de protection des occupants. Ces mannequins ainsi que leur instrumentation ont évolué, depuis le simple lest des années 50, jusqu’aux outils très sophistiqués d’aujourd’hui permettant d’acquérir plus de deux cents voies de mesures à 20 kHz. Cependant, ces outils évoluent très lentement et font l’objet de nombreux compromis entre la biofidélité, la durabilité et la reproductibilité. Ils correspondent par ailleurs à des populations très spécifiques (homme 50e ou 95e centile, femme 5e centile) et affectent les postures normalisées d’un conducteur, d’un passager ou d’un piéton.

L’avènement de la modélisation par éléments finis et son développement chez les constructeurs automobiles ouvrent de nouvelles perspectives. Il est désormais possible d’envisager l’utilisation, dans la recherche sur la sécurité des véhicules, de modèles d’être humains prédictifs de certains risques lésionnels, s’affranchissant des contraintes liées à l’utilisation d’objets mécaniques.

Développement des modèles d’être humain

De Prakimod au GHBMC

Le LAB développe depuis quarante ans des modèles numériques d’être humain. Les premiers étaient constitués de corps rigides articulés enveloppés d’ellipsoïdes permettant de gérer les contacts avec l’environnement. Les plus récents sont constitués de centaines de milliers d’éléments finis et sont capables de prédire les lésions osseuses.

Les modèles corps rigides articulés ont été réalisés pour évaluer l’effet des systèmes de retenue sur le comportement de l’occupant ou des profils avant des véhicules sur la cinématique des piétons. L’interaction entre le sujet et son environnement est simulée par des ellipsoïdes. Le modèle PRAKIMOD 2D, développé en 1982, en donne une bonne illustration (Figure 1).

Le modèle LABMAN, développé en collaboration avec l’ENSAM a été l’un des premiers modèles 3D d’être humain utilisant le principe des éléments finis [1]. Il avait pour objectif de reproduire la cinématique de l’être humain et les déformations globales des segments, comme par exemple la déflexion thoracique. Il devait aussi reproduire les efforts d’interaction de l’occupant avec son environnement. Constitué de 50 000 éléments, il a été validé par rapport à une centaine de corridors, chacun définissant la réponse de quelques sujets humains post mortem (SHPM). Il est présenté Figure 2 en configuration de choc automobile.

Une étude réalisée en collaboration avec l’ENSAM a permis de reproduire les lésions observées sur un bassin dans des essais sous-système [2]. Ce principe a, par la

Fig. 1. — Modèle PRAKIMOD (1982) Fig. 2. — Modèle LABMAN (1990) suite été appliqué au thorax. LABMAN, de modèle cinématique, est ainsi devenu lésionnel. Mais cet aspect se limite aux lésions osseuses et ne concerne que le bassin et le thorax, avec certaines limitations dues à la finesse du modèle.

Le projet Européen HUMOS, réalisé à l’initiative du LAB, a regroupé des éditeurs de codes de calcul, des constructeurs d’automobiles, des fournisseurs et des universitaires ou instituts de recherche. Son objectif était, comme pour LABMAN, de reproduire la cinématique d’un sujet, mais avec un potentiel plus important quant à la prédiction des lésions, grâce à un maillage plus fin et une différentiation des organes principaux [3]. Il est présenté Figure 3.

En 2001, un nouveau programme Européen HUMOS2 a été entrepris, sous le pilotage de l’INRETS. L’objectif de ce programme était de finaliser le modèle

Fig. 3. — Modèle HUMOS (1998) et HUMOS2 (2001) HUMOS et de développer des outils de mise à l’échelle et de positionnement. Des premières investigations ont été menées pour prédire les risques lésionnels sur le thorax et les membres inférieurs.

Pour finir, un programme à l’échelle mondiale a été engagé. Le GHBMC regroupe neuf constructeurs automobiles et équipementiers et est financièrement soutenu par l’administration des Etats-Unis d’Amérique (NHTSA). Il a pour objectif de créer une série de modèles d’être humains de toutes tailles avec des capacités de prédiction des principales lésions observées sur la route, allant des lésions osseuses aux lésions des tissus mous. L’ambition de ces modèles est de devenir une référence pour le développement et l’évaluation des moyens de protection. Le premier de ces modèles a été créé à partir de données issues de l’imagerie médicale d’un sujet ayant des caractéristiques morphologiques proches du 50ème centile homme. Plusieurs sources ont été utilisées pour reconstituer la géométrie du sujet : une IRM, un CT-scan en position quasi-assis, une IRM debout ainsi qu’un relevé anthropométrique externe (Figure 4). Les structures ont été segmentées, conditionnées, puis assemblées pour former une CAO du sujet (Figure 5). Le squelette, les muscles, les organes et les vaisseaux principaux ont ensuite été maillés pour réaliser un modèle par éléments finis. Des caractéristiques mécaniques issues de la littérature ont été affectées aux différents éléments, puis une validation complète du comportement a été réalisée. Ce modèle, constitué de plus de 2,5 millions d’éléments finis, est présenté Figure 6.

Fig. 4. — Différents types d’images médicales utilisées pour générer le modèle GHBMC Données expérimentales de référence

La modélisation par éléments finis constitue un outil très puissant qui ne serait cependant rien sans les données biomécaniques nécessaires pour le construire puis le valider. Ces données vont de l’essai de traction simple permettant d’établir une loi de matériau à l’essai complet sur une catapulte permettant de valider le bon comportement de l’assemblage des différents éléments du modèle.

Fig. 5. — CAO du modèle GHBMC Fig. 6. — Modèle GHBMC (2011) Loi de matériau des côtes

Ce premier niveau vise à caractériser le comportement du matériau constituant la structure des côtes. Des essais de traction sur des échantillons d’os cortical de côtes humaines ont été réalisés par Kemper et al. [4]. Ces essais, réalisés en dynamique, ont permis d’établir une loi de comportement comprenant une partie élastique, puis une partie plastique, se terminant par une rupture.

Comportement d’une côte

Ce deuxième niveau permet d’ajouter l’effet de géométrie au comportement du matériau établi au premier niveau. Pour ce faire, Charpail et al. [5] ont réalisé des essais de compression dynamique de côtes (Figure 7). La géométrie précise de ces côtes a été acquise par CT-scan et un modèle personnalisé de chaque côte a été construit. Des simulations des essais ont été réalisées, qui ont permis de mettre en évidence l’importance de la prise en compte de la géométrie sur la réponse mécanique du modèle.

Comportement d’un arc costal et de la cage thoracique complète

L’assemblage pris en compte à ce troisième niveau introduit l’effet des articulations costo-vertébrales et costo-condrales, ainsi que les couplages entre les niveaux cos-

Fig. 7. — Essais de compression d’une côte et modèle personnalisé (Charpail, 2005) taux. Vezin et al. [6] et Kindig et al. [7] ont ainsi caractérisé l’effet de ces paramètres sur la réponse mécanique. D’autres études ont ajouté un niveau supplémentaire en réalisant ce même type d’essai sur des cages thoraciques non éviscérées, mettant ainsi en évidence le rôle des tissus mous.

Comportement global du thorax en sous-système

De nombreux essais d’impact d’une masse sur le thorax ont permis d’établir des lois de comportement global du thorax, achevant ainsi l’intégration de l’ensemble des éléments constitutifs du thorax et au-delà les couplages avec les autres segments du corps [8, 9]. Dans ces premières études, seuls l’effort et l’écrasement global du thorax étaient mesurés, ce qui permettait juste de décrire une loi effort/déflection. Par la suite, des capteurs fournissant la déformation externe du thorax au cours du temps ont été utilisés [10]. Pour finir, des jauges de déformation ont été collées sur les côtes elles-mêmes, fournissant un profil de déformation des côtes, directement lié au mécanisme de rupture de celles-ci [11]. Les thorax de sujets humains post mortem ont été sollicités par différents moyens représentatifs des conditions rencontrées dans des véhicules lors d’accidents (Figure 8). Les profils normalisés obtenus lors de ces essais ont été reconstruits. Ils constituent une base de données de référence que les modèles doivent reproduire impérativement pour espérer prédire les risques de fractures de côtes (Figure 9). Le modèle présenté Figure 10 donne une illustration des déformées d’un modèle de thorax répondant à ce critère.

Fig. 8. — Essai de chargement du thorax sur le thorax (de gauche à droite : impacteur ; ceinture ; sac gonflable)

Fig. 9. — Implantation des jauges de déformation et profils de déformation selon le niveau costal.

Fig. 10. — Déformations du thorax selon le type de chargement (de gauche à droite : ceinture et sac gonflable ; ceinture seule ; sac gonflable seul ; impacteur) Comportement du thorax en essais complets

Pour finir des essais sur chariot, dans des conditions équivalentes à des accidents de voiture, ont été réalisés [12, 13]. Ces essais permettent d’évaluer le comportement complet du thorax, avec des moyens de retenue réalistes, comprenant la ceinture de sécurité et les sacs gonflables. Ces essais, où sont mesurées la cinématique de la colonne vertébrale ainsi que les déformations de la cage thoracique, sont indispensables pour vérifier que l’ensemble des composants du sujet on été intégrés correctement et que le modèle reproduit fidèlement le comportement du corps humain dans son ensemble.

Personnalisation

Les données expérimentales utilisées pour valider les modèles sont généralement colligées pour former des corridors de réponse mécanique auxquels doivent se conformer les modèles. Ils correspondent donc à une population moyenne représentative de l’échantillon des sujets disponibles. Ceux-ci sont d’un âge moyen élevé et ne représentent pas la population réellement exposée aux risques d’accidents. Des correctifs sont appliqués pour tenter de pallier ce défaut, mais avec une incertitude importante, liée aux hypothèses retenues. Les modèles évalués avec ces corridors représentent ainsi un comportement moyen qui masque les différences individuelles.

La disponibilité de techniques d’imagerie médicale permet aujourd’hui d’acquérir la géométrie complète des sujets testés et d’envisager la simulation individualisée de chaque essai. Il ne s’agit plus de vérifier qu’un modèle représente la moyenne des sujets testés, mais bien de vérifier que l’ensemble des spécificités d’un sujet a bien été pris en compte dans la modélisation de ce sujet. L’intérêt de cette approche réside dans son potentiel. Une fois la démonstration faite de la faisabilité d’une modélisation individualisée (incluant la géométrie, mais aussi les caractéristiques mécaniques reliées par exemple à un niveau de gris sur un CT-scan), s’ouvre alors la possibilité d’accéder à des données médicales représentatives de la population, multipliant ainsi la puissance des modèles. Ces données permettent en effet d’accé- der aux caractéristiques de la population et, grâce aux modèles, de réaliser virtuellement de nombreux essais. Il sera alors possible de connaître plus précisément le comportement de la population selon son âge, sa corpulence ou son genre par exemple.

Mais de nombreuses marches restent encore à franchir — Validation de notre capacité à reproduire, à partir de l’imagerie médicale, le comportement de l’ensemble du squelette. En effet, la définition des machines actuelles ne permet-elle pas une acquisition suffisamment fine de la section des côtes par exemple.

— Mise au point de modèles personnalisables. Plusieurs techniques, comme le Krigeage ou la paramétrisation peuvent être envisagées. Elles doivent montrer leur capacité à réaliser des modèles mécaniques de façon efficace, les modifications des modèles d’origine pouvant induire de nombreuses difficultés numériques.

— Prise en compte des tissus mous et des organes. De nombreuses études ont été publiées ces dernières années sur l’os, mais les tissus mous présentent des difficultés supplémen taires qui sont aujourd’hui peu explorées.

— Extraction des paramètres pertinents sur les clichés médicaux. Cette étape doit être automatisée si l’on veut accéder à un grand nombre de sujets.

— Accès aux données d’imagerie médicales. Celles-ci sont disparates, non centralisées et difficilement accessibles, ce qui est une difficulté supplémentaire à l’automatisation du processus.

CONCLUSION

La modélisation numérique par éléments finis de l’être humain en choc automobile arrive aujourd’hui à maturité. Elle sera probablement bientôt utilisée de façon courante dans l’industrie automobile pour la recherche sur la sécurité des véhicules et permettra de mieux appréhender les risques lésionnels des occupants et de développer des solutions de protection encore plus efficaces. Néanmoins, de nombreux défis existent encore pour tirer tout le bénéfice de cet outil. En particulier, le développement de la personnalisation des modèles et l’intégration des données issues des bases d’imagerie médicale permettront de démultiplier son potentiel.

 

BIBLIOGRAPHIE [1] Lizée E., Robin S., Song E., Bertholon N., Le Coz J.Y., Lavaste F. — Development of a 3D finite element model of the human body. SAE paper No 983152, Proceedings of the 42nd Stapp Car Crash Conference, 1998.

[2] Besnault B., Lavaste F., Guillemot H., Robin S., Le Coz J.Y. — A parametric finite element model of the human pelvis. SAE paper No 983147, Proceedings of the 42nd Stapp Car Crash Conference, 1998.

[3] Robin S. — Humos : human model for safety — a joint effort towards the development of refined car occupant models. Proceedings of the 17th ESV Conference, 2001.

[4] Kemper A.R., McNally C., Kennedy E.A. et al. — Material Properties of Human Rib

Cortical Bone from Dynamic Tension Coupon Testing.

Stapp Car Crash Journal , November 5,

Vol. 49 , pp. 199-230.

[5] Charpail E., Trosseille X., Petit P. et al. — Characterization of PMHS Ribs : A New Test

Methodology.

Stapp Car Crash Journal , November 2005, Vol. 49 , pp. 183-198.

[6] Vezin P., Berthet F. — Structural Characterization of Human Rib Cage Behavior under Dynamic Loading. Stapp Car Crash Journal , Novembre 2009, Vol. 53, pp. 93-125.

[7] Kindig M.W., Lau A.G., Forman J.L. et al. — Structural Response of Cadaveric Ribcages under a Localized Loading: Stiffness and Kinematic Trends.

Stapp Car Crash Journal , Novembre 2010,

Vol. 54 , pp. 337-380.

[8] Kroell C.K., Schneider D.C. and Nahum M. — Impact Tolerance and response of the human thorax. SAE Paper No 710851, Proceedings of the 15th Stapp Car Crash Conference, 1971.

[9] Kroell C.K., Schneider D.C. and Nahum M. — Impact Tolerance and response of the human thorax II. SAE Paper No 741187, Proceedings of the 18th Stapp Car Crash Conference, 1974.

[10] Eppinger Eppinger, R. (1989) On the development of a deformation measurement system and its application toward developing mechanically based injury indices. SAE Paper No 892426, Proceedings of the 33rd Stapp Car Crash Conference, 1989.

[11] Trosseille X., Baudrit P., Leport T. et al. — Rib Cage Strain Pattern as a Function of Chest

Loading Configuration.

Stapp Car Crash Journal , Novembre 2008, Vol. 52 , pp. 205-231.

[12] Petitjean A., Lebarbe M., Potier P. et al. — Laboratory Reconstructions of Real World

Frontal Crash Configurations using the Hybrid III and THOR Dummies and PMHS.

Stapp Car Crash Journal , Novembre 2002, Vol. 46 , pp. 27-54.

[13] Shaw G., Parent D., Purtsezov S. et al. — Impact Response of Restrained PMHS in Frontal

Sled Tests : Skeletal Deformation Patterns Under Seat Belt Loading.

Stapp Car Crash Journal ,

Novembre 2009,

Vol. 53 , pp. 1-48.

 

DISCUSSION

M. Dominique POITOUT

Le laboratoire de biomécanique du secteur nord de l’Université d’Aix-Marseille comporte un département de traumatologie routière sous la dépendance de l’INRETS qui étudie les déformations induites par divers traumatismes sur un corps humain théorique reconstitué (du modèle HUMOS) en fonction de la direction de l’impact et de l’importance de la vitesse. Mais la contracture musculaire induite par l’accident n’est pas prise en compte. Une étude portant sur les lésions abdominales et thoraciques engendrées par des ceintures de sécurité permet d’analyser la cinématique des organes en fonction du maintien induit par la ceinture ou les ballons gonflables et des impacts des organes internes, le crâne, la cage thoracique ou en général le squelette.

 

M. Jacques-Louis BINET

Avez-vous pu étudier le suivi de vos travaux ? C’est-à-dire vérifier à partir des accidents de l’utilité de vos dessins des sièges ?

Le LAB PSA Peugeot Citroën Renault comporte un département d’accidentologie qui se charge d’évaluer l’efficacité de la protection offerte par les nouveaux véhicules. Ainsi par exemple, l’efficacité des dispositifs permettant de limiter les efforts dans la ceinture de sécurité a pu être mise en valeur.

M. Claude SUREAU

Votre exposé est tout à fait original. Qu’en est-il de l’accidentologie de la femme enceinte et ses conséquences tant sur l’utérus que surtout sur le fœtus in utero ?

La qualité d’un modèle est en grande partie liée aux données servant à définir les lois de comportement des matériaux. Des études sont en cours pour caractériser le comportement de l’utérus, mais il reste de nombreuses étapes avant de parvenir à la réalisation d’un modèle valide.

M. Yves LOGEAIS

Les lésions thoraciques traumatiques relèvent de la résorption, incontournable, de l’énergie cinétique qui se traduit par la création des lésions : les lésions de la paroi ne sont qu’un des éléments d’appréciation de la gravité qui, elle, relève le plus souvent des lésions profondes :

poumon, bronches, cœur, gros vaisseaux et en particulier l’aorte. D’ailleurs chez l’enfant, les fractures de côtes sont rares, ce qui n’empêche pas des dégâts intra-thoraciques majeurs.

Des études sont en cours pour caractériser le comportement des tissus mous, modéliser les interactions avec leur environnement et définir des critères lésionnels ainsi que des courbes de risque. En attendant, la modélisation des mécanismes lésionnels de la cage thoracique reste la première étape à franchir, d’une part car c’est en effet le premier élément d’appréciation de la sévérité de la lésion, d’autre part car seul un comportement valide de cette structure garantit un chargement réaliste des organes qu’elle entoure.

M. Michel ARSAC

Quels procédés d’exploration développe-t-on pour évaluer le comportement de l’encéphale dans la boîte crânienne ?

La mesure la plus simple à réaliser pour étudier le comportement de l’encéphale en cas de choc est la mesure de pression périphérique, et l’ensemble des modèles de la tête est validé par rapport à ce paramètre. Pour aller plus loin, des auteurs ont mesuré des accélérations intracérébrales à partir de capteurs de densité neutre qui s’avèrent néanmoins assez intrusifs. Les dernières études en date utilisent la radiographie à grande vitesse en deux dimensions. Des marqueurs sont introduits dans le cerveau et suivis grâce aux radiographies lors du choc. L’intérêt de ces mesures est qu’il permet de calculer des déformations de cisaillement qui sont associées aux lésions axonales diffuses.

Jean NATALI

Peut-on mesurer la vitesse de décélération : intra crânienne, intra thoracique, intra abdominale, en fonction de la vitesse ?

Ces mesures sont difficiles à réaliser dans les tissus mous. Certaines études ont été réalisées pour mesurer les accélérations du cerveau grâce à des capteurs de densité neutre.

 

<p>* Laboratoire d’accidentologie et de biomécanique PSA Peugeot-Citroën Renault, 132, rue des Suisses — 92000 Nanterre, e-mail : xavier.trosseille@lab-france.com Tirés à part : Monsieur Xavier Trosseille, même adresse Article reçu le 24 octobre 2011, accepté le 14 novembre 2011</p>

Bull. Acad. Natle Méd., 2011, 195, no 8, 1843-1853, séance du 22 novembre 2011