Innovation

  — Laboratoire d’essais


Le laboratoire d’essais des casques MIPS, situé à 15 kilomètres au nord de Stockholm, est le produit de 20 ans de développement continu. Ce complexe hypermoderne de 300 mètres carrés comprend quatre appareils d’essais expérimentaux conçus pour imiter les scénarios d’impacts réels, ainsi que des outils de pointe visant à garantir que nous maîtrisons complètement ce que nous mesurons : des outils tels que caméras haute vitesse sophistiquées qui enregistrent automatiquement les séquences vidéo du test de chaque casque.

Que mesurons-nous ?

MIPS mesures les accélérations à 6DDL (six degrés de liberté) dans le temps. Pour s’assurer que le BPS MIPS renforce la protection, nous testons le même modèle de casque, avec et sans BPS MIPS, dans toutes les tailles disponibles.

 

Pour chaque casque, nous orientons nos essais sur trois zones différentes : devant, sur le côté et en oblique. Et, étant donné que les statistiques nous disent que la vaste majorité des accidents comportent des chocs obliques, nous effectuons tous les essais à un angle de 45 degrés.

 

Mais surtout, le point le plus important est d’avoir le contrôle sur la position initiale de la tête et du casque durant la chute verticale vers l’enclume.

 

Défis

Il a fallu 15 ans pour développer l’environnement d’essai complet de MIPS. Notre premier appareil de test a été mis en œuvre dès 1997 et a évolué depuis lors jusqu’à l’appareil d’essai contrôlé que nous utilisons aujourd’hui.

Comment procédons-nous aux essais ?

Nous avons développé nos méthodes d’essai de manière à reproduire les situations d’accident réelles. Par exemple, l’analyse des statistiques d’accidents impliquant des vélos montre que les chocs surviennent le plus fréquemment à 6,0-6,5 mètres/seconde à un angle de 45 degrés (Richter et al. 2007, Verschueren 2009, Bourdet et al. 2013). Par conséquent, nous testons les casques à une vitesse de 6,2 mètres/seconde avec un angle d’impact similaire.

 

En guise de substitut de tête humaine, nous utilisons un système expérimental appelé « Hybrid III ». À l’intérieur de la forme de la tête, un ensemble d’accéléromètres mesurent les accélérations 6DDL dans le temps. Tous les casques subissent des chocs en trois points différents afin de contrôler la fonction du BPS MIPS autour des trois axes anatomiques (X, Y et Z).

 

Après le test, les données de l’impact sont recueillies et analysées. Ces tests complets sont effectués pour garantir que la version BPS MIPS d’un casque renforce la protection et que le casque peut être validé selon la norme MIPS.

 

Banc d’essai

Nous avons procédé à un notre premier essai en 1996 à l’aide d’un pendule qui venait heurter la représentation sphérique d’un casque (figure A). Naturellement, il s’agissait d’une conception très rudimentaire, mais elle nous fournissait les informations montrant que le BPS MIPS pouvait atténuer les forces ou le couple transmis à la tête.

Figure A : Banc d’essai au pendule mesurant le couple. B et C : Plaque mobile, où la plaque est accélérée par un vérin pneumatique. D : Tête munie d’un casque lâchée sur une surface à 45 degrés. Dans les tests B à D, la forme de tête est munie d’un système à neuf accéléromètres [1,2].

Le concept illustré aux figures B et C est utilisé par Halldin et al. 2001 et Aare et al. 2003. La méthode d’essai illustrée à la figure D a été utilisée par Halldin et al. 2015, ainsi que par la méthode proposée dans la norme CEN TC158 comme méthode d’essai future.

Surface mobile

Plusieurs publications détaillent comment concevoir une méthode de mesure de l’absorption d’énergie dans un choc oblique avec une force tangentielle importante agissant sur le casque. Aldman et al. 1968 ont présenté une méthode qui utilise une roue en béton en rotation sur laquelle les casques sont lâchés. Halldin et al. (2001) et Mills et Gilchrist (2008) ont présenté des méthodes où la tête était lâchée sur une plaque d’acier coulissante afin de créer un impact oblique. Pang et al. (2008) ont présenté une méthode similaire à celle employée par Halldin, mais avec l’ajout d’un cou HIII et l’option de mesure de la force sur la plaque.

Chute sur une surface oblique

Une autre façon de tester les casques pour les chocs obliques est de les lâcher sur une surface oblique. Deck et al. ont proposé de heurter le casque à 6,5 mètres/seconde à un angle de 60 degrés (90 degrés définissant une chute purement verticale telle qu’utilisée dans les méthodes d’essai de casques actuelles). Il a aussi été proposé d’utiliser la tête HIII car elle possède des propriétés d’inertie plus similaires aux propriétés humaines que la forme de tête utilisée aujourd’hui (EN 960). En outre, Willinger et al. (2014) ont suggéré de faire évoluer la méthode d’essai des casques en introduisant la forme de tête Hybrid III, des tests tangentiels et des critères de lésion cérébrale modélisés.

 

La principale différence entre l’impact sur la plaque mobile et la chute du casque sur une surface oblique est la différence du vecteur de gravitation par rapport au vecteur de force normal contre le casque, ce qui pourrait conduire à des résultats différents pour les deux méthodes, même lors de tests de casques identiques avec une vitesse et un angle d’impact identiques. La plaque mobile pourrait donc être plus réaliste dans la simulation d’une chute de vélo ou de cheval. La méthode de la plaque mobile a pourtant des inconvénients par rapport à la technique de surface oblique, puisqu’elle est plus complexe et qu’il peut être difficile de maintenir une vitesse constante de la plaque durant l’impact.

Impact linéaire

Une troisième méthode d’essai potentielle est l’impacteur linéaire pneumatique du NOCSAE (2006), initialement développé par Biokinetics au Canada. L’impacteur linéaire est équipé d’une surface en plastique incurvée fixée sur un disque en mousse de vinyle et nitrile, visant à reproduire un choc entre deux casques (conçu pour les casques de football américain ou de hockey sur glace). Pour ce test, la forme de la tête est fixée sur un cou HIII et un chariot se déplaçant horizontalement. La méthode d’essai spécifie les différents points d’impact sur le casque, tous résultant en des impacts par rapport au centre de gravité dans la tête de mannequin (NOCSAE, 2006). Rousseau et al. (2011) ont proposé une modification de la méthode d’essai en heurtant le casque dans des directions décalées par rapport au centre de gravité de la tête afin de simuler des chocs réels tels que ceux observés dans les matchs de football et de hockey sur glace. Cependant, ce test n’est pas pris en compte car les impacts résultent en une force tangentielle moindre et ne sont pas réalistes pour les accidents de vélo.

Quelle méthode d’essai utiliser ?

MIPS utilise la méthode de la chute verticale par rapport à une surface de choc oblique, en raison de sa simplicité et de sa robustesse.

Pourquoi n’incluez-vous pas un cou dans vos essais ?

Dans les méthodes d’essai actuelles, soit la tête tombe sans contraintes sur la surface d’impact (normes d’essai européennes), soit elle est maintenue sur un monorail via un bras rigide fixé sur la tête (normes d’essai américaines). L’on peut dire de ces deux méthodes qu’elles représentent les extrêmes de l’échelle. La situation normale se trouve quelque part entre les deux, où le cou exerce une contrainte sur la tête.

 

Une option, au lieu de concevoir un test sans cou, serait de fixer un cou expérimental (comme le cou HIII) au chariot vertical d’un banc d’essai de casque monorail. Mais pour concevoir une méthode d’essai oblique, reste à savoir si le cou affectera les accélérations translationnelles et angulaires mesurées dans la tête de mannequin. Il est clair que le cou retient la tête et qu’à un moment donné, une rotation se produira autour d’un point dans le cou ou même plus bas dans la région thoracique.

 

Des études antérieures comme l’étude COST 327 ont montré que l’amplitude de l’accélération angulaire était affectée par le cou. Des corps entiers de mannequins Hybrid III munis d’un casque ont été lâchés sur une surface oblique et comparés à des formes de tête porteuses d’un casque et chutant librement. Les résultats ont montré que l’amplitude de l’accélération linéaire divergeait d’environ 20 %.

Études avec et sans cou

Beusenberg et al. (2001) ont présenté une étude numérique sur les impacts entre casques simulant les accidents observés dans le football américain. En comparant les impacts avec et sans cou, ils ont conclu que le cou changeait effectivement les caractéristiques de l’accélération angulaire. Dans l’étude menée par Beusenberg, cependant, les impacts étaient proches d’un impact radial sur le casque, le cou étant la seule cause de rotation de la tête, c’est-à-dire que l’aspect tangentiel était faible ou inexistant dans l’impact.

 

Ghajari et al. (2012) ont montré que les aspects d’accélération angulaire pouvaient diverger de 40 % lorsqu’on comparait l’impact sur un casque avec le corps entier et uniquement la tête. Dans cette étude, Ghajari a utilisé le modèle d’éléments finis THUMS et simulé un impact oblique sur la partie latérale (temporale) du casque. Ghajari a proposé de modifier les propriétés inertielles de la tête à titre de compensation pour le cou et la tête en cas d’utilisation de la tête seule dans un test d’impact oblique.

 

Forero (2009) a reconstitué 12 accidents de jockeys à l’aide de MADYMO. Deux ont été étudiés en détail dans des simulations avec et sans le corps dans un impact entre un casque et l’herbe du champ de course. L’accélération angulaire a été augmentée de 6 462 à 10 104 radians/seconde carrée dans un cas et de 5 141 à 6 444 radians/seconde carrée dans l’autre, comparant la simulation avec un corps complet et avec uniquement la tête. Forero a également mentionné que l’absence de cou et de corps pouvait provoquer l’altération de la direction de l’accélération. Cette étude a indiqué que le modèle de corps humain MADYMO fournissait une représentation non réaliste de la flexibilité vertébrale qui aurait pu conduire à cette divergence importante.

Reconstitutions avec MADYMO

Verschueren et al. 2009 ont procédé à la reconstitution de 22 accidents de vélo à l’aide de MADYMO. Neuf des accidents étaient simulés avec la tête uniquement et avec tout le corps. Les résultats de cette étude ont montré que la corrélation de l’accélération angulaire entre la simulation tête uniquement et la simulation corps entier était bonne pour quatre reconstitutions sur neuf. La corrélation a été définie comme moyenne pour trois, tandis qu’elle était mauvaise pour deux sur neuf, avec une différence d’environ 30 % pour l’un des exemples définis comme mauvais.

 

Forero 2009 a abordé la durée de l’impulsion d’impact, soulignant qu’elle était différente dans un accident sur un champ de course (8-20 millisecondes) et les accidents de vélo contre la surface rigide de la route (5-10 millisecondes). Par conséquent, lors de la conception d’un test avec une surface reproduisant l’herbe du champ de course pour les casques de jockey, un cou peut s’avérer nécessaire.

 

De même, Fahlstedt et al. (2015) et Klug et al. (2015) ont étudié l’effet du cou dans les chocs avec casque. La conclusion des deux études est que le cou n’est pas nécessaire, en particulier lorsque le changement de vitesse angulaire est comparé.

Conclusion

La conclusion qui peut être tirée ici est qu’en général, le cou affecte le mouvement de la tête. L’on pourrait aussi argumenter qu’une méthode d’essai pourrait être définie avec des angles d’impact pour lesquels l’effet du cou est faible durant le temps court (5 à 10 millisecondes) du contact entre casque et surface d’impact.

 

Les essais expérimentaux sur des cadavres humains montrent que la partie supérieure du cou humain est flexible et pourrait être considérée comme découplée de la tête pour une certaine partie du déplacement ou de la rotation. Le mouvement d’une articulation humaine ne résultant pas en une force ou un moment est défini comme la zone neutre. La zone neutre dans laquelle la partie supérieure du cou permet à la tête de pivoter sans charge importante est dans la plage des 10 degrés, selon l’axe de rotation.

 

Par conséquent, lorsque nous ne prenons pas l’activité musculaire en compte, la tête peut pivoter d’environ 10 degrés sans avoir aucun effet cinématique sur la charge horizontale de la tête. Dans un impact type entre casque et asphalte, la tête en chute libre pivote d’environ 10 degrés durant les 10 premières millisecondes de l’impact. Sur cette base, l’on pourrait argumenter qu’il n’y aurait pas suffisamment de temps pour que le cou affecte significativement la tête dans cette direction d’impact spécifique. Cependant, ni Ivancic ni Camacho et al. n’ont analysé une situation d’impact d’un casque avec une force de compression verticale sur le cou.

 

Afin de définir l’importance du cou dans une situation d’impact type entre casque et sol, les partenaires de cette étude COST ont réalisé des études par éléments finis sur la manière dont le cou pourrait affecter la tête dans une situation d’impact avec casque. La conclusion était que le cou affectait la cinématique de la tête, mais que cela dépendait du point et de la direction de l’impact.

 

L’on pourrait aussi soulever la question de savoir à quel point le cou HIII ressemble au cou humain dans les situations d’impact avec un casque. Le cou HIII est conçu et validé uniquement pour les collisions frontales de véhicules à des vitesses d’environ 11 mètres/seconde résultant en un mouvement de flexion du cou. Par conséquent, le cou HIII n’est pas validé pour la charge de compression, la flexion latérale ou la rotation autour de l’axe vertical, ce qui a aussi été montré par Myers et al. (1989) et DiSantis (1991).

 

D’autres aspects des problématiques avec ou sans cou à prendre en considération lors de la conception d’une nouvelle méthode d’essai sont notamment :

  • En supposant que le cou humain n’affecte pas la tête durant les 10 premières millisecondes de la plupart des situations d’impact, le résultat est-il le même lorsque la musculature est tendue à une contraction maximum théorique ?
  • Il existe des inconvénients à l’utilisation d’un cou, comme le coût impliqué et la nécessité d’un étalonnage.
  • Il y a des avantages à utiliser un cou expérimental dans le test d’un casque car il permet de mieux positionner le casque, puisque le cou maintient la tête en position.

 

La conclusion est que le cou humain comme condition aux limites de la tête humaine affectera la cinématique de la tête. Cependant, pour les accidents de vélo où, le plus souvent, l’impact avec le sol résulte en des impacts courts (5 à 10 millisecondes), le cou n’affectera pas la cinématique de la tête d’une ampleur telle que le cou serait fondamental. En prenant tous les aspects connus en compte, il est proposé de concevoir la nouvelle méthode d’essai sans le cou.