3.5.1 Morphologie de la cage thoracique
Pour quantifier la morphologie de la cage thoracique, deux types de données ont été acquises : des données anthropométriques conventionnelles (circonférences, longueurs, largeurs et profondeur) et des coordonnées de points palpables mesurées par stéréovision (Figure 23 ).
a) b) c)
Figure 23 Quantification de la morphologie de la cage thoracique pour la personnalisation géométrique du modèle THUMS (femme, 38 ans, 1.62m, 52kgs, IMC20), a) acquisition de points palpables, b) cage thoracique THUMS initiale, c) cage thoracique THUMS après personnalisation
L’acquisition des coordonnées de points palpables présente des inconvénients, dont les plus critiques sont le manque de reproductibilité et de répétitivité de la palpation d’une part, et les distances entre les points anatomiques palpables et les points osseux qui leur correspondent, d’autre part.
Mais cette méthode présente l’avantage de nécessiter les mêmes moyens techniques de l’analyse de la mobilité physiologique de la cage (dispositif de stéréovision VICON), et ainsi d’être mise en œuvre simplement dans le protocole complet, et d’être non irradiante. Par ailleurs, cette méthode permet d’obtenir directement les données nécessaires à la personnalisation géométrique de la cage thoracique par la méthode du krigeage (Poulard et coll., 2012).
3.5.2 Réponse du thorax à un choc léger avec ceinture
Pour l’observation de la réponse du thorax à un choc léger avec ceinture sur sujet volontaire, un essai sur chariot a été défini. Pour ce type d’expérimentation, les difficultés
résidaient d’une part dans la définition de la vitesse d’impact et de la décélération qui serait subie par les sujets et d’autre part dans la mesure de la déflection thoracique au cours de la décélération. L’ensemble de ce protocole est détaillé dans (Poulard et coll., 2011).
Définition de la sévérité du choc léger in vivo
Pour la définition de la vitesse d’impact et de la décélération, nous nous sommes inspirés de dispositifs grand public de prévention de sécurité routière (Autochoc de la Macif® et Testochoc de la Police Nationale) et des décélérations définies pour les tests de réparabilité de véhicules (Poulard et coll., 2011). Dans le même temps, aux Etats unis, des équipes de recherche publiaient des essais de choc in vivo sur enfants basés sur des décélérations d’auto tamponneuses (Arbogast et coll., 2009a). Une synthèse des caractéristiques (valeur maximum et durée) des différentes décélérations étudiées, est donnée en Figure 24 . Notre choix s’est porté sur une décélération proche de celle d’Arbogast et coll. (Arbogast et coll., 2009a).
Mesure de la déflection thoracique in vivo
Deux options se présentaient pour la mesure de la déflection thoracique des sujets volontaires au cours de l’essai de choc léger : l’utilisation d’une « chest band » ou bien le suivi de points thoraciques par stéréovision.
Des « chest bands » ont été largement utilisées sur corps légués à la science. Il s’agit de tôles minces équipées de nombreuses jauges résistives (Eppinger, 1989). L’utilisation de ce type de capteur reste cependant difficile sur corps, essentiellement dû au fait qu’il épouse difficilement le contour thoracique pendant tout le chargement et que l’on observe un décollement latéral. Il paraissait d’autant plus difficile d’assurer un bon contact entre la « chest band » et un sujet volontaire vivant de façon absolument non invasive. Par ailleurs, un modèle de bande très souple équipée de fibres optiques a été testé, il s’agit de la Shape Tape®. Ce capteur est essentiellement commercialisé pour des acquisitions de mouvements relativement lents (fréquence d’acquisition maximale de 60Hz). Son utilisation pour la mesure de mouvements rapides (fréquence d’acquisition de plusieurs kHz) n’est pas rapportée et les tests que nous avons réalisés n’ont pas été convaincants: manque de robustesse dans la connectique, manque de fiabilité de la mesure, manque de précision de la mesure. Par ailleurs, les « chest bands » nécessitent de nombreuses voies d’acquisition (24 voies pour une Shape Tape® de longueur active 600 mm).
a) b)
Figure 24 Synthèse des accélérations potentiellement applicables in vivo, a) Courbes Décélération – Temps, b) Représentation Décélération maximale – Durée de la décélération maximale
Le suivi de points thoraciques par stéréovision a été évalué sur mannequin de choc frontal Hybrid III . Des essais de choc frontal avec ceinture sur le mannequin ont été filmés à l’aide de 5 caméras numériques rapides : pour les plans serrés sur le thorax, 4 caméras Speedcam® Visario (caméras couleur, résolution 1400x1600 obtenue par interpolation) et une caméra SA3® Photron pour la vue latérale (caméra couleur, résolution 1024 x 1024) (Figure 25 ).
Les 4 plans serrés sur le thorax (2 vues frontales et 2 vues arrières) permettent de suivre au cours du choc des mires sur la ceinture, le thorax et la colonne vertébrale. La trajectographie 3D de ces mires est reconstruite à partir des 4 trajectographies 2D par la méthode de DLT (Direct Linear Transformation) (Abdel-Aziz et Karara, 1971). Cette méthode nécessite une calibration préalable de l’espace.
La vue latérale du sujet permet de quantifier sa posture initiale et de réaliser un suivi de la cinématique 2D globale.
Figure 25 Vue des 5 cameras pour la trajectographie 3D in vivo lors d’un choc léger -2.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 0 60 120 180 240 300 Temps (ms) De cc élér ation (g )
Auto tamponneuses, d'après Arbogast et al. 2009a Arbogast et al., 2009a
Elderly
Testochoc, Police Nationale Autochoc, MACIF 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 0 50 100 150 200 250 300
Durée de la décélération maximale (ms)
D e c é lé ra ti o n m a x im a le ( g )
Milou, 2002 (essais INRETS-PIA) Auto tamponneuses, d'après Arbogast et al., 2009a Arbogast et al., 2009a
Projet Elderly Testochoc, Police Nationale Autochoc, MACIF
Tests de réparabilité en choc arrière, Toyota Tests de réparabilité en choc avant, Toyota
Pour l’évaluation de la mesure de la déflection thoracique par stéréovision, une comparaison de la mesure par stéréovision et de la mesure par un capteur à fil a été réalisée sur les mannequins Hybrid III femme 5ème percentile, et Hybrid III homme 50ème
percentile (Figure 26 ).
Par ailleurs, le suivi des mires du thorax sur les sujets volontaires est traité a posteriori pour compléter l’information, en particulier lorsque des mires sont cachées. Pour cela, l’utilisation d’une interpolation géométrique par krigeage c’est avérée assez robuste (Figure 27 ).
a) b)
Figure 26 Validation de la mesure de déflection thoracique par stéréovision : comparaison des mesures de déflection thoracique de l’Hybrid III obtenues par stéréovision et directement par le capteur à fil interne, a) évolution au cours du choc léger, b) distribution des écarts de mesures de déflection thoracique (HIII AF05 : mannequin Hybrid III, femme 5ème percentile; HIII AF05 : mannequin Hybrid III, homme 50ème
percentile)
Résultats préliminaires
Les expérimentations réalisées sur les 13 premiers sujets ont été analysées. Différentes déflections thoraciques (distance T7-milieu du sternum ; distance T1-haut du sternum ; distance minimale milieu du sternum-rachis) et différentes raideurs apparentes sur les courbes force/déflection (raideur dynamique, raideur apparente) ont été définies.
D’un point de vue qualitatif, il est intéressant de voir les différences de mobilité des mires du sternum au cours du chargement par la ceinture (Figure 28 ).
0 1 2 3 4 5 6 0 50 100 150 200 250 300 Temps (ms) D é fl e cti o n s te rn al e (m m )
HIII AF05 -Capteur interne HIII AF05 - Stereovision HIII AM50 - Capteur interne HIII AM50 - Stéréovision
1.22 mm 0.38 mm 0.55 mm
HIII AF05 HIII AM50 0.31 mm Moy. 0.27 mm Sd. 1.00 mm Max. 1.22 mm 0.38 mm 0.55 mm
HIII AF05 HIII AM50 0.31 mm Moy. 0.27 mm Sd. 1.00 mm Max.
Figure 27 Comparaison des interpolations géométrique (krigging interpolation) et temporelle (cubic interpolation) des mires du sternum, pour le calcul de la déflection thoracique entre la vertèbre thoracique 7 et le milieu du sternum, lorsque la mire placée au milieu du sternum est masquée.
a) b)
c) d)
Figure 28 Comparaison de la réponse du thorax à un chargement par la ceinture pour 2 sujets masculins jeunes, a)b) homme, 34ans, IMC =23, c)d) homme, 35 ans, IMC=27
Une première analyse statistique des paramètres quantitatifs montre que l’IMC peut discriminer deux groupes de sujets (Figure 29 ). En particulier, il semble que la raideur initiale - c’est-à-dire la raideur en début de chargement par la ceinture - est plus faible pour les sujets corpulents tandis que la raideur apparente de ces sujets – c’est à dire la raideur globale de la courbe force-déflexion- est supérieure. Dans cette première analyse, aucun regroupement lié à l’âge ou au genre des sujets ne présente de différence significative.
Figure 29 Comparaison des raideurs thoraciques sous chargement par la ceinture pour 2 groupes d’IMC, a) cas de la raideur initiale, b) cas de la raideur apparente