Soutenance mémoire
Il est difficile d’évaluer précisément le nombre réel de personnes qui, chaque année, meurent ou sont blessées sur les routes. On estime néanmoins que, annuellement, le nombre de tués dans le monde pourrait s’élever à 1,2 millions et celui de blessés ou handicapés à 50 millions. Parmi ces (trop) nombreuses victimes se trouve une catégorie dite « des usagers vulnérables » fortement impliquée. Il s’agit de tous les utilisateurs de la route qui ne sont pas protégés par un habitacle (piétons, cyclistes et conducteurs de deux-roues motorisés). Les seules collisions entre un véhicule et un piéton causent un tiers des décès et des traumatismes mondiaux sur les routes. Un rapport récent de l’Organisation Mondiale de la Santé sur les accidents de la circulation insistait sur la situation inquiétante de ces usagers vulnérables : ils présentent « un risque de mourir bien plus grand que les occupants de voitures » et supportent « une part disproportionnée des traumatismes » liés aux accidents de la route (OMS 2004).
Partant de cette constatation, nous avons choisi de nous intéresser aux configurations d’impact des usagers vulnérables. Au vu des études accidentologiques et épidémiologiques, le membre pelvien apparaît comme la partie corporelle la plus fréquemment touchée. Si les blessures au membre pelvien sont rarement mortelles, elles peuvent conduire à des traitements longs, coûteux voire à des incapacités permanentes. Comprendre les mécanismes conduisant à ces blessures pourrait permettre de minimiser la gravité des accidents subis par les usagers vulnérables. Pour cela, deux méthodes sont usuellement employées pour l’étude des mécanismes lésionnels. Des essais expérimentaux, suivant des configurations d’impact précises, permettent de mettre en évidence ces mécanismes et de définir des critères de blessure. La modélisation, de plus en plus utilisée en accidentologie, offre une analyse localisée et fine des structures anatomiques sollicitées.
Éléments d’anatomie du membre pelvien
Afin de discerner les différentes parties évoquées tout au long de ce travail, nous débutons par un bref rappel de l’anatomie du membre pelvien. Nommé membre pelvien dans la nouvelle nomenclature en remplacement de la dénomination « membre inférieur », il s’étend de la ceinture pelvienne jusqu’au pied. Il est essentiellement échu à la locomotion et doit tout à la fois supporter le poids du corps tout en gardant une souplesse nécessaire à la mobilité (Chevallier 1998).
Structures osseuses
Le système squelettique du membre pelvien est constitué :
● de trois os longs, l’un formant la cuisse (le fémur) et les deux autres (le tibia et la fibula) la jambe. La jonction entre d’une part le fémur et d’autre part le tibia et la fibula est l’articulation du genou.
● du pelvis qui s’articule avec le fémur au niveau de la hanche
● des os du pied dont le talus s’articule avec le tibia et la fibula au niveau de la cheville.
L’extrémité proximale du fémur est constituée, dans le prolongement du col du fémur, par la tête fémorale, inclinée de 130° par rapport à l’axe de l’os. Elle s’articule avec le cotyle, cavité hémisphérique de l’os coxal, au niveau de la hanche. Cette articulation est destinée à transmettre le poids du corps au membre pelvien dans la marche et la station debout. L’extrémité distale du fémur se termine par deux condyles. Entre ceux-ci s’étend une échancrure, la fosse intercondylienne, composée d’une face interne longue, haute et excavée et d’une face externe, plus large. La partie proximale du tibia est constituée par le plateau tibial qui s’articule avec les condyles fémoraux au niveau des cavités glénoïdes. Celles-ci sont séparées par les surfaces interglénoïdales composées de la surface pré-spinale en avant, des épines du tibia au centre (qui forment l’éminence intercondylienne) et de la surface rétro-spinale en arrière. Une proéminence est visible sur la face antérieure, elle porte le nom de tubérosité tibiale. La partie distale du tibia se termine par la malléole médiale. Au niveau de l’articulation du genou se trouve la patella située face à la partie antérieure des condyles fémoraux. La patella (appelée rotule dans l’ancienne nomenclature) est un os court et triangulaire. Sa base présente l’aspect d’un triangle très aplati tandis que le sommet, nommé apex, est plus pointu. En ce qui concerne la fibula – péroné dans l’ancienne nomenclature –, la partie proximale comprend la tête de la fibula de forme pyramidale et le col de la fibula, partie qui réunit la tête au corps de l’os. Deux portions sont présentes à ce niveau : la facette articulaire, plane et arrondie, qui s’articule avec la facette identique située sur la face externe du tibia et l’apophyse styloïde, partie non articulaire. La partie distale de la fibula s’achève sur la malléole latérale.
Le pied osseux peut être divisé en trois parties : le tarse, le métatarse et les phalanges. Le premier, à son tour partagé en tarse antérieur et tarse postérieur, comprend l’os naviculaire, l’os cuboïde et les trois os cunéiformes. Les articulations présentes entre ces différents os portent le nom d’arthrodies. Les métatarsiens, quant à eux, sont au nombre de cinq et se présentent comme des os longs. La base du cinquième métatarsien comporte un relief latéral saillant sous la peau, donnant insertion à un tendon. Enfin, les phalanges composent les orteils. Chacun des orteils comporte trois phalanges, à l’exception de l’orteil médial (appelé hallux) qui n’en comprend que deux. Sur la partie postérieure se situent le calcanéus (appelé calcanéum dans l’ancienne nomenclature) et le talus. Le premier, de forme irrégulière, sert à transmettre le poids du corps et forme un levier pour les muscles du mollet. Pour ce qui est du talus, il supporte le tibia au-dessus et repose sur le calcanéus audessous. Il s’articule avec la malléole médiale d’un côté et avec l’os naviculaire sur le devant. Les os du membre pelvien sont reliés entre eux par des ligaments que l’on retrouve principalement au niveau des articulations. Ces ligaments ont une grande incidence sur la mobilité du membre pelvien et la tenue des articulations.
Anatomie ligamentaire
Les ligaments sont des tissus fibreux, résistants et flexibles, qui relient soit deux pièces osseuses, soit d’autres parties du corps. Ils font généralement partie d’une articulation. En ce qui concerne l’articulation du genou .
Les ligaments croisés ont tous deux un point d’ancrage dans la fosse intercondylienne du fémur. Le ligament croisé antérieur, ou LCA, s’insère dans la surface pré-spinale du tibia tandis que le ligament croisé postérieur, ou LCP, a son insertion dans la surface rétro-spinale de l’os. Les ligaments collatéraux sont ancrés sur les tubercules du fémur. Le tibia donne insertion au ligament collatéral médial, ou LCM, et la fibula donne insertion au ligament collatéral latéral ou LCL. Enfin, le ligament patellaire s’insère sur l’apex de la patella et sur la tubérosité antérieure du tibia. Les ligaments jouent un rôle mécanique complexe lors des mouvements du genou. Au cours des rotations – et tout particulièrement de la rotation interne –, les ligaments collatéraux sont davantage sollicités que les ligaments croisés. Dans la flexion, le LCL se relâche plus que le LCM. Les ligaments croisés se relâchent dans la demi-flexion et se tendent dans la flexion complète. Lors de l’extension, les ligaments croisés et collatéraux se tendent. De façon plus précise, ce sont, suivant les ligaments, des faisceaux différents qui peuvent être mis à contribution lors des mouvements de flexion et d’extension. Le LCA est constitué d’un faisceau antéromédial (AM), d’un faisceau postéro-latéral (PL) et d’un faisceau intermédiaire. En extension, les faisceaux PL et intermédiaire sont en tension. Le faisceau AM est davantage tendu pour des angles de flexion importants (à partir de 60° ). À mi flexion, les faisceaux sont assez peu contractés (Woo 1998, Bellier 2003). Le LCP est constitué de deux faisceaux. Le faisceau AM est tendu en flexion. Il se détend à partir d’une flexion de 30° et est totalement relâché en extension. Le faisceau PL est en tension lors de l’extension et relâché en flexion (Bellier 2005). Pour un angle de flexion de 90° , la stabilité postérieure du genou est assurée quasi exclusivement par le LCP (Mannor 2000). Le LCL, via ses faisceaux antérieur et postérieur, est tendu en extension et relâché en flexion (Hinterwimmer 2002). De même, les faisceaux du LCM (superficiel et profond) sont en tension lors de l’extension et se détendent avec la flexion (Park 2005).
Des ligaments s’insèrent également sur la patella (elle n’est pas représentée sur la figure 3). Outre le ligament patellaire situé sur l’apex, nous trouvons, sur la base de l’os, le tendon quadricipital. Il y a aussi les rétinaculums patellaires latéral et médial (ailerons rotuliens dans l’ancienne nomenclature) qui sont des lames fibreuses, minces et triangulaires. Ils servent de stabilisateurs latéraux pour la patella. L’os est également relié aux ménisques par les ligaments ménisco-patellaires. Notons que l’articulation du genou comprend également des ménisques dont les faces inférieures sont fixées sur les cavités glénoïdes du tibia et augmentent la surface de celles-ci tout en les rendant concaves. Les faces supérieures sont articulées avec le fémur. Solidaires du plateau tibial, les ménisques ne sont cependant pas fixes, ils se déplacent en arrière dans la flexion et en avant dans l’extension.
Les ligaments jouent un rôle important pour la cheville. Cette articulation se présente comme une pince bi-malléolaire dans laquelle le talus ne bouge que dans le plan sagittal. Ainsi, la cheville autorise les mouvements de flexion dorsale ou plantaire et sa stabilité latérale ne dépend que de deux ligaments : le ligament collatéral latéral et le ligament collatéral médial (par analogie avec ceux du genou). Ces ligaments sont fortement sollicités, ce qui explique la fréquence des entorses de la cheville. L’ensemble talus-calcanéus est uni à l’os naviculaire et au cuboïde par un groupe ligamentaire qui lui permet d’orienter le pied selon les deux autres plans de l’espace. Les ligaments participent aussi au maintien et à l’adaptation du pied aux inégalités du terrain. Ce travail de stabilité est réalisé conjointement avec les muscles dont le rôle va être précisé.
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE 1 : ASPECTS ANATOMIQUES ET BIBLIOGRAPHIQUES
Chapitre I – Éléments d’anatomie du membre pelvien
1. Structures osseuses
2. Anatomie ligamentaire
3. Anatomie musculaire
Chapitre II : Étude bibliographique
1. Accidentologie des usagers vulnérables
1.1. L’accident piéton
1.1.1. Épidémiologie
1.1.2. Biomécanique de l’accident
1.2. L’accident cycliste
1.3. Aspects économiques
2. Mécanismes de blessure
2.1. Biomécanique de la cheville
2.2. Biomécanique du genou
2.2.1. Mécanismes articulaires
2.2.2. Cas de l’impact latéral
2.3. Essais expérimentaux
2.3.1. Impact latéral sur la jambe
2.3.2. Analyse des essais
2.3.3. Généralisation à l’impact réel
2.4. Critères de blessure
2.5. Essais réglementaires de protection pour les usagers vulnérables
3. Modélisation du membre pelvien de l’usager vulnérable
3.1. Modèles multicorps
3.1.1. Étude paramétrique
3.1.2. Étude lésionnelle
3.2. Modèles Éléments Finis
3.2.1. Constitution des modèles
3.2.2. Paramètres des matériaux biologiques
3.2.3. Variabilité biologique
3.2.4. Modélisation de l’impact sur le membre pelvien
3.2.5. Influence des paramètres de l’impact
PARTIE 2 : IMPACT DU MEMBRE PELVIEN, MODELISATION – EXPERIMENTATION
Chapitre III : Modèle Éléments Finis du membre pelvien
1. Présentation du modèle LLMS
1.1. Caractéristiques géométriques et matériaux
1.2. Études antérieures avec le modèle LLMS
1.2.1. Résultats de validation
1.2.2. Utilisation en impact latéral
1.3. Remaillage de certains éléments
Chapitre IV : Impact latéral sur le membre pelvien
1. Essais expérimentaux
1.1. Caractéristiques des essais
1.2. Résultats
2. Reproduction des essais avec le modèle Éléments Finis
2.1. Flexion du genou
2.2. Modélisation de l’impact
2.3. Résultats comparés l’impact
2.3.1. Cinématique du membre pelvien
2.3.2. Niveaux d’accélération
2.3.3. Bilan lésionnel
2.3.4. Mesure de la flexion latérale
2.3.5. Bilan des essais
PARTIE 3 : IMPACT DU MEMBRE PELVIEN DE L’USAGER VULNERABLE
Chapitre V : Étude de l’impact cycliste
1. Modélisation de l’impact cycliste
1.1. Modèles de voiture et de bicyclette
1.2. Modèle de cycliste
1.3. Conditions de simulation
1.4. Méthode d’analyse
2. Résultats de la simulation comparés à l’expérimentation
2.1. Cinématique globale du modèle
2.2. Accélérations du tibia et du fémur
2.3. Cinématiques articulaires
2.4. Contraintes sur les os longs
2.5. Déformation des ligaments du genou
2.6. Bilan de l’impact cycliste
3. Études paramétriques
3.1. Influence de la vitesse du cycliste
3.1.1. Influence sur la cinématique
3.1.2. Analyse des accélérations et des contraintes
3.1.3. Élongation des ligaments
3.1.4. Bilan
3.2. Influence de la position du cycliste
3.2.1. Cinématique du membre pelvien
3.2.2. Mesure des accélérations
3.2.3. Sollicitations des ligaments
3.2.4. Bilan
3.3. Influence de la vitesse du véhicule
3.3.1. Forces d’impact et accélérations
3.3.2. Déformations des ligaments
3.3.3. Fractures osseuses
3.3.4. Bilan
3.4. Influence de la géométrie du véhicule
3.4.1. Impact cycliste avec une voiture au pare-choc saillant
3.4.2. Impact cycliste avec une voiture à l’avant haut
3.4.3. Impact cycliste avec un utilitaire
3.4.4. Bilan
4. Bilan : Mécanismes de blessure lors d’un impact cycliste
4.1. Mécanismes de blessure prépondérants
4.2. Seuils lésionnels en flexion latérale et en cisaillement
Chapitre VI : Étude de l’impact piéton
1. Modélisation de l’impact piéton
1.1. Modèle Éléments Finis piéton
1.2. Conditions de simulation et méthode d’analyse
2. Résultats de la simulation
2.1. Cinématique globale du piéton
2.2. Force d’impact
2.3. Niveaux d’accélération du tibia et du fémur
2.4. Cinématique des articulations
2.5. Contraintes sur les structures osseuses
2.6. Déformations des ligaments
2.7. Critères lésionnels en cisaillement et en flexion latérale
2.8. Bilan
3. Étude paramétrique
3.1. Influence de la vitesse d’impact
3.1.1. Force d’impact
3.1.2. Cinématique du membre pelvien
3.1.3. Niveaux d’accélération
3.1.4. Étude des lésions
3.1.5. Seuils lésionnels
3.1.6. Bilan
3.2. Influence de la géométrie du véhicule
3.2.1. Impact piéton avec un véhicule au pare-choc proéminent
3.2.2. Impact piéton avec un véhicule à l’avant haut
3.2.3. Impact piéton avec un véhicule de type utilitaire
4. Bilan : Mécanismes de blessure lors d’un impact piéton
4.1. Dépendance à la configuration d’impact
4.2. Critères lésionnels en flexion et en cisaillement
Chapitre VII : Discussion
1. Discussion sur l’impact cycliste
2. Discussion sur l’impact piéton
3. Modélisation des articulations
4. Propriétés des matériaux
CONCLUSION
