Des chercheurs du Laboratoires de systèmes biomécaniques et cognitifs de l'Insitut de mécanique des fluides de Strasbourg (labo mixte CNRS) ont mis au point un mannequin qui, pour la première fois, simule de manière réaliste les structures anatomiques et leurs particularités biomécaniques. Objectif : mieux comprendre les mécanismes de lésions et les limites de tolérance au choc de la tête. Rappelons en effet que les blessures crânio-encéphaliques forment une part importante des lésions consécutives aux accident du travail ou de la circulation, ces derniers étant en constante progression. D'où la nécessité d'optimiser la protection de la tête vis-à-vis des chocs, ce qui implique notamment une bonne connaissance du comportement de la "structure" à protéger.
Pour cela, l'équipe de chercheurs dirigée par Rémy Willinger a réalisé une modélisation mathématique et physique de la tête qui, contrairement aux modèles antérieurement utilisés, conçoit la tête humaine comme une structure composée de plusieurs massses déformables.
En effet, si dans les normes en vigueur, la tête est vue comme une structure constituée d'une seule masse indéformable, tous les spécialistes s'accordent à dire qu'il s'agit d'une structure complexe, composée de plusieurs masses déformables. Les modèles courants, tous fondés sur l'hypothèse d'homogénéité et d'isotropie (propriétés physiques constantes dans toutes les directions) de la matière cérébrale ne semblent donc guère réalistes : propriétés des matériaux trop simplifées, géométries non valables et manque de validation par l'expérience.

En premier lieu, les chercheurs ont procédé à une analyse vibratoire de la tête et proposé un modèle aux éléments finis en trois dimensions (MEF 3D). Ce modèle, intégrant l'ensemble des connaissances actuelles, reproduit une géométrie très proche de l'anatomie de la tête  (modèle géométrique obtenu par digitalisation d'un crâne in vitro) et introduit des matériaux aux propriétés non linéaires, plus réalistes. Le modèle permet, en particulier, de reproduire le champ de contraintes intracérébrales et de simuler la fracture du crâne.

Prototype physique de la tête de mannequin

Modèle aux éléments finis. Insertion du cerveau dans de la tête de mannequin

Photos : © Laboratoire des systèmes biomécaniques et cognitifs de l'Insitut de mécanique des fluides de Strasbourg

L'analyse biomécanique a été réalisée sur sept éléments distincts de l'espace intercrânien : hémisphères cérébraux, tronc cérébral, cervelet, tente du cervelet, faulx cérébrale, liquide céphalorachidien et crâne. Les propriétés mécaniques de l'espace sub-arachnoïdien* sont également incluses dans le modèle.

En deuxième lieu, l'analyse biomécanique a été transposée au modèle physique pour la réalisation du MEF 3D, ce dernier étant très proche de l'anatomie humaine. Il permet d'intégrer le choc de manière réaliste et de simuler le mouvement actif cerveau-crâne. La dernière partie des travaux a été  d'une part consacrée à la compréhension des mécanismes de lésions, en fonction des caractéristiques du choc et, d'autre part, à l'évaluation des limites de tolérance crânio-cérébrale.
Le MEF 3D est aujourd'hui opérationnel pour la reconstruction numérique et expérimentale d'accidents réels. Il s'agira de déterminer les limites de la tolérance de la matière cérébrale et des critères expérimentaux de lésions, avec pour objectif final l'élaboration d'outils prédictifs de lésions, l'estimation de l'agressivité d'un choc et la détermination des limites de tolérance de la matière cérébrale. A terme, il doit permettre d'évaluer et d'optimiser les systèmes de protection de la tête sur la base de critères biomécaniques.

*L'arachnoïde est une membrane très fine qui enveloppe le cerveau et la moelle épinière des mammifères.