” Tant qu'un problème n'est pas entièrement résolu, le chercheur qui s'y attache a le droit de
s'en exagérer la beauté „ [Jean Rostand, écrivain et biologiste français, 1894-1977]
J’ai donné, dans l’introduction, pour justifier l’intérêt de la sécurité passive, et d’une approche biomécanique de celle-ci pour l’améliorer, quelques données d’accidentologie montrant son efficacité. Je vais reprendre ici plus en détails certains éléments afin d’éclairer sur la problématique qui m’a amené à travailler sur ce segment corporel avec comme originalité, entre autres, le fait que ces recherches ont eu lieu principalement à travers deux collaborations industrielles, l’une avec le LAB PSA-Renault, l’autre avec Toyota Motor Europe. Une autre originalité, également utilisée sur le thorax, est l’utilisation couplée de l’expérimentation et de la simulation, voire uniquement de la simulation comme outil d’expérimentation.
Et pourquoi l’abdomen à présent ?
Comme je le disais, les fortes diminutions de blessés et tués sur la route sont dues en partie à l’amélioration constante des systèmes de sécurité passive. Une étude sur la base de 11 000 véhicules accidentées impliquant 19 000 occupants et résultant en 48 000 lésions répertoriées et codées selon l’AIS, a été réalisée (Forêt-Bruno et coll., 2001) au LAB PSA-Renault. Cette étude corrobore les chiffres présentés dans mon introduction sur l’efficacité des systèmes de protections. Elle montre que le taux de mortalité en choc frontal des occupants avant portant une ceinture et ce, pour une même vitesse de choc, sont divisés par près de quatre entre les voitures construites entre 1985 et 1990 et celles après 1998. Cette forte réduction de la gravité s’explique par une rigidification des structures de l’habitacle permettant de préserver l’espace vital, associée aux développements de nouveaux systèmes de protection tels que les coussins gonflables, ou airbags, prétensionneurs et autres limiteurs d’effort dans la ceinture. Ces améliorations ont permis de réduire de 80 à 90 % les lésions graves de la tête et du thorax qui étaient les lésions les plus fréquentes.
Evaluer le risque lésionnel de l’abdomen
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L’étude comparative de la répartition des lésions sévères, codées AIS 4+ (AAAM,1990), c’est-à-dire les blessures codées AIS 4, 5 et 6, notée parfois de manière équivalente AIS ≥ 4, sur trois segments corporels, pour des voitures datant de 1980 à 1990 et pour celles de 1996 et plus, illustre également cette tendance pour la tête et le thorax, mais montre un phénomène intéressant pour l’abdomen.
Répartition des lésions AIS ≥ 4 par segments corporels pour des véhicules avant 1990 et après 1996
Véhicules Tête Thorax Abdomen
entre 1980-1990 39 % 41 % 20 %
après 1996 13 % 25 % 62 %
La mise en place et surtout, l’usage de dispositifs de sécurité passive ont donc eu pour conséquence une diminution des lésions sur les organes vitaux de la tête et du thorax, engendrant une forte diminution générale des accidents mortels. Mais l’effet indirect de ces améliorations est la mise en relief de l’importance des lésions au niveau de l’abdomen dont la part dans les lésions totales a augmenté d’un facteur 3,2. Ceci ne veut pas dire qu’il y a plus de blessures de l’abdomen maintenant qu’avant. Elles ont également baissé, mais de manière moins significative et donc en proportion deviennent plus visibles.
Ceci étant, [et c’est toute la difficulté des développements technologiques pour protéger les
occupants, et l’intérêt de mener nos recherches en biomécanique des chocs pour les évaluer], le
développement de solution de protection conduit à l’utilisation de dispositifs pyrotechniques comportant un risque lorsque les occupants ne sont pas dans la position nominale de conduite. C’est le cas de l’usage des prétensionneurs. Un autre phénomène induisant des lésions de l’abdomen souvent relié à un mauvais usage de la ceinture est le sous-marinage notamment pour les passagers arrière des véhicules.
Toutes ces considérations font, désormais, de l’abdomen un segment prioritaire de la sécurité passive et une préoccupation des constructeurs. C’est la raison pour laquelle le LAB et l’Inrets, à l’époque, avaient décidé de proposer deux thèses en quasi parallèle sur l’étude des lésions de l’abdomen, au travers d’expérimentations et de modélisations. A l’initiative de cette collaboration, j’ai eu la charge d’encadrer la première, celle de Sophie Lamielle (LAMIELLE,2008) laissant la seconde à un collègue fraichement recruté. C’est également à cause de l’importance de cette question de recherche que j’ai collaboré de 2009 à 2016 avec Toyota Motor Europe, dans le cadre d’un projet de recherche puis de la thèse de Romain Desbats (DESBATS,2016). Ces recherches étaient plutôt orientées sur le mannequin THOR alors que celles avec le LAB plutôt autour de la modélisation humaine, mais nous y reviendrons. Le but de ces études était cependant les mêmes, à savoir d’une part contribuer à la compréhension du comportement mécanique de l’abdomen et des mécanismes lésionnels par des expérimentations biomécaniques (LAMIELLE,2008 ; LAMIELLE et
coll., 2008). Puis utiliser ces expérimentations, et celles de la littérature, afin
d’améliorer les modèles existant d’abdomen, que ce soient des modèles numériques humains (LAMIELLE, 2008 ; DESBATS 2016) ou de mannequin d’essais de chocs (COMPIGNEet coll., 2015 ; DESBATS,2016).
Quelles lésions et mécanismes de blessures ?
Le comportement au choc de ces modèles doit, in fine, être aussi proche que possible de celui de l’être humain et ainsi valider les comportements que l’on cherche à reproduire. Ces améliorations doivent permettre de prédire les lésions abdominales et ainsi d’aider à la conception de nouvelles solutions pour réduire celles-ci. C’est pour cela que nous avons développé un prototype d’abdomen instrumenté de mannequin avec Toyota (COMPIGNE et coll., 2015). Ce prototype est en cours d’amélioration et d’intégration dans le mannequin THOR petite femme (5e
percentile) dans le cadre du projet ABISUP25 qui regroupe, entre autres, Toyota et le LAB [la boucle étant ainsi bouclée, l’évolution de ma carrière m’a incité à me retirer de ce projet
laissant mes collègues du LBMC s’en charger étant appelé à d’autres fonctions ailleurs]. Quelles lésions et mécanismes de blessures ?
Identifier les causes des lésions et les mécanismes associés n’est pas une chose facile. La cause principale de blessure varie en fonction de l’organe lésé et des conditions d’impact ainsi que du système de protection utilisé. Soit la géométrie, voire même la topologie dans le cas de nos organes, et les conditions limites et initiales de notre fameux problème de mécanique. Une étude (ELHAGEDIAB et
ROUHANA,1998) identifie le volant comme source principale de blessures du foie et de la rate. La ceinture de sécurité est, elle, la principale source de lésions du système digestif. Globalement, d’après ces auteurs, 69 % des blessures abdominales sont liées à un impact avec le volant et 19 % par un chargement mécanique avec la ceinture.
Toutefois, ces données d’accidentologie reposent sur des accidents entre 1988 et 1994 et ne prennent pas en compte les évolutions des systèmes de retenue. C’est souvent le problème de ces études rétrospectives d’accidentologie, qui font que j’ai parfois, [… Oui d’accord souvent] quelques réserves. Une étude plus récente (KLINICH et coll., 2010) montre une tendance plus équilibrée avec 50 % de blessures AIS 3+ causées par un choc sur le volant et 30 % par le chargement avec la ceinture, ceci sur une base d’accidents entre 1998 et 2008. L’étude la plus récente (SHIN et coll.,2015)
confirme cette montée des lésions liées à la ceinture qui représenteraient 64 % des blessures contre plus que 22 % pour le volant (accidents ente 2009 et 2012).
On a donc à présent, une petite idée du coupable, du mode de chargement qui va entraîner des lésions abdominales. La question suivante est d’identifier quels organes sont les plus touchés, et si possible, pourquoi. Nous avons mené notre propre enquête à partir de la base d’accidents du LAB (LAMIELLE et coll., 2006). Ceci afin de comprendre les mécanismes lésionnels de l’abdomen lors d’un choc frontal. Pour ce faire, les influences de plusieurs paramètres tels que la sévérité du choc, la position de l’occupant dans la voiture, son âge et les différents systèmes de retenue, ont été analysés sur les lésions modérées à sévères (AIS 3+) observées. La base de données contenait près de 14 000 véhicules accidentés de 1970 à 2005. Ce qui représente environ 25 000 occupants et 65 000 lésions répertoriées. La sévérité du choc est évaluée par la mesure d’une vitesse équivalente, l’EES (Energie Equivalente Speed) qui permet la comparaison des accidents entre eux. Elle représente la vitesse à laquelle la voiture devrait heurter un mur rigide pour obtenir la même déformation que celle observée.
Evaluer le risque lésionnel de l’abdomen
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La sévérité est aussi évaluée en fonction du recul de la planche de bord. Différentes configurations de retenue ont été étudiées : les occupants non ceinturés et ceux ceinturés. Pour ceux-ci, quatre catégories sont définies : ceinture statique 3 points de fixation (SB), 3 points plus un rétracteur, autrement dit un enrouleur (RB), la même plus un prétensionneur (RB+P), et enfin, la cerise sur le gâteau, avec un airbag en plus (RB+P+AB). Il n’est pas aisé de manipuler ces données, car de nombreux biais sont contenus dans ces bases de données. Par exemple, les occupants non ceinturés sont plutôt dans des véhicules d’anciennes générations qui intrinsèquement protègent moins. Les nouveaux dispositifs sont dans des véhicules plus récents, une même gravité de blessure sera ainsi observée pour des sévérités de choc plus élevées pour les véhicules récents. Plus d’explications et la méthode de correction de ces biais sont données dans l’article LAMIELLEet coll. (2006).
Ceci étant et pour synthétiser les résultats, une nette distinction dans la typologie des lésions est observée entre les occupants non ceinturés et les ceinturés quel que soit le système de retenue. Les lésions des organes pleins sont prédominantes pour les occupants non ceinturés alors que ce sont les lésions des organes creux qui le sont pour les occupants ceinturés. Les occupants les plus vulnérables sont les passagers arrières ceinturés et les conducteurs non ceinturés. On constate également que le risque abdominal augmente avec l’âge. Le tableau suivant donne la fréquence des blessures abdominales, c’est à dire le rapport entre le nombre de lésions AIS 3+ de l’abdomen et la totalité des lésions observées dans l’accident.
Fréquence des lésions abdominales, AIS ≥ 3, en fonction du système de retenue
Type de retenue Organes Creux Organes Pleins
Non ceinturé 23 % 41 % Ceinturé Dont 58 % 42 % SB 63 % 25 % RB 55 % 45 % RB+P 50 % 50 % RB+P+AB 62 % 38 %
L’étude, présentée succinctement ici, a donc montré que le risque abdominal augmente avec la sévérité du choc et a décru considérablement avec l’apparition des systèmes de retenue de plus en plus élaborés. D’un point de vue mécanique, ces ceintures apportent un meilleur couplage entre l’occupant et le siège, ce qui confère une meilleure retenue en cas de choc. Les occupants non ceinturés les plus vulnérables sont les conducteurs. En effet, lors d’un choc, ils entrent en contact avec le volant. Les passagers quant à eux, rencontrent des structures plus molles. Jusque-là, ces résultats d’accidentologie sont relativement sans surprises. Ce qui est vraiment intéressant, c’est la typologie des lésions observées. Les organes pleins comme le foie et la rate sont les plus touchés pour les occupants non ceinturés (impact sur volant ou autres parties dures de l’habitacle). Les lésions des organes creux comme l’intestin et celles du mésentère sont les plus fréquentes pour les occupants ceinturés.
Quelles lésions et mécanismes de blessures ?
Parmi ces derniers, les passagers arrières ont le plus grand risque d’avoir des lésions abdominales. Nous ne serions donc pas tous égaux devant l’accident ! Plus sérieusement, la ceinture est prévue pour être positionnée, lors d’un chargement dynamique, sur les crêtes iliaques, parties osseuses du bassin, qui sont plus résistantes que les parties molles de l’abdomen. Une posture non-adéquate, et c’est souvent le cas des passagers arrières [dont on se demande ce qu’il font d’ailleurs au lieu d’être sagement
positionné sur leur siège… Voilà une question que l’on pourra se reposer avec les véhicules autonomes dont un des arguments de vente est que l’on pourra faire autre chose… oui, mais c’est dangereux, on vous dit !].
Mais ce n’est pas tout, dans certains cas, la ceinture est correctement placée sur les crêtes iliaques, mais, lors du choc, le bassin s’enfonce dans le siège en avançant. La ceinture glisse vers le haut en passant des crêtes iliaques vers l’abdomen, ce qui provoque le chargement de l’abdomen par la ceinture. Ce chargement est localisé sur les organes creux. C’est le phénomène de sous-marinage. Les conducteurs sont moins touchés, car leur mouvement est limité par la colonne de direction et parce que la localisation des boucles de ceinture par les sièges séparés garantit un meilleur positionnement. Par contre, les passagers arrières sont les plus vulnérables.
Ceci peut s’expliquer par une position plus variable [pourtant, on vient de vous dire
que c’est dangereux !] comparée à celle des conducteurs. Les passagers ont un espace
disponible plus important que les conducteurs qui sont contraints dans leur position de conduite. Cette liberté de déplacement favorise le sous-marinage. C’est à la fois pour répondre à ce problème que le LAB a financé ces travaux, bien que la réglementation ne demande pas, enfin pas à l’époque, de vérifier la qualité des véhicules sur ce point. Pourquoi ? Complot ? Lobby des équipementiers ? Que nenni… Seulement parce que le mannequin règlementaire (Hybrid III) ne sous-marine pas et que son abdomen n’est pas instrumenté pour mesurer correctement un risque lésionnel. Cette deuxième question a interrogé fortement Toyota et a été le cadre de ma collaboration avec eux. Mais nous reviendrons là-dessus plus loin avec mon vieil ami THOR.
Revenons à plus de mécanique. Outre les conditions de chargement, pardon les conditions initiales et limites de mon problème de mécanique, la géométrie, la topologie et évidemment les propriétés mécaniques des organes expliquent ces différences entre organes pleins et creux. La composition des organes varie selon que ceux-ci soient pleins ou creux. Cette spécificité permet de supposer des comportements mécaniques différents selon leur type. Les organes creux présentent approximativement la même structure en couches de membranes superposées avec des orientations différentes, leur conférant ainsi une bonne résistance mécanique. Cependant, les différences de localisation, de taille et de moyen de fixation engendrent des réponses mécaniques différentes pour une même sollicitation. Chaque organe plein a son propre comportement. Certains organes comme le foie et la rate sont des organes remplis de sang, d’autres sont granuleux comme le pancréas. La rate et le pancréas sont des organes très friables, le foie et la rate ont des cohésions faibles ce qui diminue leur résistance. Par contre, la capsule rénale qui protège le rein est très résistante. Bref, il y a autant de comportements que d’organes (Fig. 3-1 et Fig. 3-2). Ce qui fait le charme et la difficulté de la biomécanique humaine. A cette analyse de comportement mécanique propre à chaque organe, s’ajoute une diversité des moyens de fixation et de leurs résistances qui impliquent une très grande variabilité dans le comportement global.
Evaluer le risque lésionnel de l’abdomen
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Fig. 3-1 : Vue générale de l’abdomen.
Dans mes travaux sur l’abdomen, contrairement au thorax avec l’aorte, je n’ai pas réalisé de caractérisation mécanique des tissus et organes de l’abdomen, laissant ce soin à des collègues plus experts du LBMC, [certains que j’ai spécialement recrutés pour
cela et aussi parce que j’ai eu l’initiative de développer ce champ dans le laboratoire pour en faire aujourd’hui une équipe internationalement reconnue]. J’ai eu une approche plus globale, plus
de mécanique des structures que de mécanique des matériaux, à l’échelle de l’abdomen en entier. Il s’agissait, en outre, ici, de développer des outils de prédiction du risque lésionnel, alors que pour le thorax l’objectif était plus de comprendre les mécanismes générant ce risque.
Une approche couplée numérique/expérimentale
L’étude d’accidentologie précédente a mis en évidence la réponse biomécanique différente des organes de l’abdomen en fonction de leur type et du mode de chargement. Comprendre et modéliser ces mécanismes de rupture d’un point de vue mécanique est fondamental pour développer des outils de prédiction du risque lésionnel. Pour cela, l’expérimentation est d’une grande importance.
Contrairement à l’os, par exemple, la littérature ne foisonne pas de données expérimentales sur les organes mous, qu’ils soient pleins ou creux, encore moins en dynamique, qui est le cas de notre problème de mécanique à résoudre. De plus, généralement, il s’agit de données sur matériaux. C’est-à-dire sur des échantillons de tissus testés mécaniquement de manière classique en mécanique des matériaux. Dans ces essais, on recherche des relations locales entre contraintes et déformations. Ou encore, il s’agit de données sur organes entiers isolés ex vivo. C’est-à-dire, sortis de leur contexte (le corps) ce qui implique des conditions limites présentant des hypothèses sévères par rapport à une personne vivante. Leur environnement immédiat étant fortement différent (Fig. 3-2). Il s’agit de reproduire leurs attaches de manière simplifiée, ce qui entraîne un biais par rapport à la réalité. Mais surtout les interactions avec les autres organes ne sont pas reproduites. Les relations recherchées ici sont globales, de type Force-Déflexion qui contiennent implicitement les effets de la géométrie, des conditions aux limites et de chargement. Sans parler des conditions physiologiques réelles qui ne sont pas représentées ou partiellement, cette tache étant à elle seule une recherche en soi.
Une approche couplée numérique/expérimentale
Fig. 3-2 : Représentation des organes à l’intérieur de l’abdomen d’après SOBOTTA (1997).
Ceci étant, ces deux types d’expérimentations fournissent des données précieuses. En revanche, il existe peu de données expérimentales sur les organes, en interactions, dans un corps humain. De telles expérimentations auraient l’avantage de ne pas contenir, ou peu, de biais expérimentaux. La difficulté réside, entre autres, dans la nécessité impérieuse d’utiliser une instrumentation ou des méthodes de détermination des grandeurs physiques qui soient non invasives. Lorsque j’ai lancé ces recherches, peu de dispositifs existaient. C’est pourquoi, j’ai, en tant que directeur du LBMC, obtenu un financement de la Région Rhône-Alpes pour de l’équipement. Nous avons acheté un échographe–élastrographe rapide qui a permis à des chercheurs de l’équipe de développer des méthodes ultrasonores qui ont donné récemment des résultats majeurs (LE RUYET et coll., 2016). En attendant, il a fallu faire autrement. C’est dans cette optique, que dans le cadre de la thèse de Sophie Lamielle, un protocole expérimental original sur corps entier a été imaginé et mis en œuvre.
Toute expérimentation commence par une revue de la littérature pour, déjà, vérifier si on a vraiment besoin de se lancer dans cette galère ou aventure. Qui plus est en biomécanique humaine où nous travaillons avec des corps donnés à la Science. Pour des raisons évidentes d’éthique, il est en effet inutile de réaliser des expérimentations si les résultats peuvent être obtenus autrement. Enfin la revue bibliographique permet de se positionner et de s’enrichir d’idées pour définir notre protocole. C’est donc la première étape de toute expérimentation et cette étape est continue, les autres travaillent aussi…, et doit s’ouvrir vers d’autres disciplines, les excellentes idées étant toujours bonnes à (re)prendre. C’est ce message que j’ai toujours essayé de faire passer lors de mes cours de biomécanique expérimentale.
Revenons à notre problème, de nombreuses études relevées dans la littérature ont pour but de comprendre la réponse de l’abdomen, de déterminer les mécanismes lésionnels et la tolérance abdominale face à un chargement ceinture. Dans l’objectif de capitaliser les essais précieux sur sujet humain post mortem notre protocole se devait de compléter et améliorer la base existante d’essais biomécaniques. L’intérêt de se