Étude de la cinématique de la tête, de l’activité électrique cérébrale et des réponses biomécaniques du cerveau lors de la pratique du soccer

Lecours, Caroline (2020). Étude de la cinématique de la tête, de l’activité électrique cérébrale et des réponses biomécaniques du cerveau lors de la pratique du soccer. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le diagnostic d’une blessure à la tête et particulièrement d’un traumatisme crânio-cérébral léger (TCCL) est problématique en raison de l’absence de tests médicaux permettant aux professionnels de la santé de confirmer le diagnostic (McCrory et al., 2017). La littérature sportive actuelle présente différents types d’analyses employées comme indicateur de risque de TCCL dans le but d’améliorer la compréhension du risque de blessure à la tête. Cependant, la complexité des mécanismes lésionnels des TCCL ne permet pas d’observer un consensus envers un indicateur spécifique pour l’évaluation du risque de blessure. L’objectif principal de ce projet de recherche a donc été d’étudier simultanément différents indicateurs de risque de TCCL, dont la cinématique de la tête, l’activité électrique cérébrale et les réponses biomécaniques du cerveau des joueuses et joueurs de soccer de niveau semi-professionnel.

La cinématique de la tête des participants a été mesurée à l’aide d’un bandeau instrumenté du SIM-G (Triax Technologies, Norwalk, Ct). Les données cinématiques ont ensuite été confrontées aux critères de blessure du football établis par Pellman et al. (2003), Zhang et al. (2004), Rowson et Duma (2011) et Rowson et al. (2012). Ces données cinématiques ont aussi été utilisées pour développer un premier critère de blessure spécifiquement pour le soccer. La cinématique de la tête des participants a permis d’identifier les facteurs qui peuvent engendrer un risque élevé de TCCL, dont les matchs de compétition, les techniques de tête, les paramètres physiques des ballons de soccer, la température, le temps de jeu et les accélérations angulaires. Les paramètres anthropométriques du segment tête-cou ont aussi semblé entraîner un plus grand risque de TCCL chez les joueuses que les joueurs de soccer. L’activité électrique cérébrale a été mesurée au repos à la fin des matchs de compétition à l’aide du Muse (Interaxon inc., Toronto, ON) composé de quatre électrodes sèches. Ces acquisitions ont permis de relever un lien entre les changements d’activité électrique cérébrale et le nombre d’impacts à la tête ainsi que l’état psychologique des participants. La pertinence de la méthodologie développée pour les mesures réalisées sur le terrain a aussi été confirmée. Les réponses biomécaniques du cerveau ont été calculées à l’aide d’un modèle par éléments finis détaillé de la tête, librement accessible au public. L’analyse numérique a permis de constater que l’accélération angulaire est suffisante pour étudier les réponses biomécaniques du cerveau. Les réponses biomécaniques ont aussi permis d’observer que les critères numériques des blessures à la tête de la littérature ne sont pas adaptés pour le soccer en raison des définitions qui varient largement en fonction des études. Les analyses des indicateurs de risque de TCCL ont semblé montrer que l’évaluation du risque de blessure lors de la pratique du soccer ne peut pas être réalisée à l’aide d’un seul indicateur. La combinaison d’au moins deux indicateurs de risque de TCCL, soit l’indicateur principal étant la cinématique de la tête combinée à l’activité électrique cérébrale ou aux réponses biomécaniques, a toutefois semblé appropriée pour cette évaluation au soccer. Les travaux de recherche ont suscité une réflexion sur les technologies actuelles mettant de l’avant le manque d’instruments et d’outils qui permettent de mesurer, d’analyser et d’interpréter les données générées par les indicateurs de risque de TCCL. De nouvelles technologies adaptées aux mesures réalisées sur le terrain sont donc primordiales dans la démarche de compréhension des mécanismes lésionnels, des indicateurs de risque et du diagnostic des TCCL.

Titre traduit

Analysis of the head kinematics, brain electrical activity and biomechanical responses of the brain during soccer play

Résumé traduit

The diagnosis of traumatic brain injury and especially mild traumatic brain injury (mTBI) is problematic due to the lack of medical tests that allow medical professionals to confirm the injury (McCrory et al., 2017). Currently, sports literature presents different types of analyses used as a mTBI risk indicator to improve the understanding of the risk of head injuries. However, the complexity of mTBI mechanisms makes it difficult to identify a clear agreement upon indicator for the assessment of the risk of head injury. Therefore, the main objective of this research project was to study simultaneously different risk indicators of mTBI, including head kinematics, brain electrical activity and biomechanical responses of the brain tissue in semi professional level female and male soccer players.

The head kinematics data were measured using a headband instrumented with the SIM-G (Triax Technologies, Norwalk, Ct). The kinematic data were then compared to the football mTBI criteria established by Pellman et al. (2003), Zhang et al. (2004), Rowson et Duma (2011) et Rowson et al. (2012). The kinematics data were also used to develop the first soccer mTBI risk criterion. Head kinematics helped identify factors which could contribute to cause a risk of mTBI, which are competitive games, heading techniques, physical parameters of soccer balls, temperature, time of play and rotational accelerations. Anthropometric parameters of the head-neck segment also appeared to lead to a greater risk of mTBI in female players than in male soccer players. Brain electrical activity was measured at rest at the end of games using the Muse (Interaxon Inc., Toronto, ON) which has four dry electrodes. These measurements led to notice a relationship between changes in brain electrical activity and the number of head impacts as well as the psychological state of the participants. The relevance of the methodology proposed for on-field brain electrical activity measurements was also confirmed. The biomechanical responses of the brain tissue were calculated using an open-access detailed finite element model of the head. Numerical analysis showed that rotational acceleration is sufficient to study the biomechanical responses of the brain tissue. The analysis of the biomechanical responses of the brain tissue also made it possible to note that the numerical criteria for mTBI in the current literature are not suitable for soccer because of the large variety of definitions between studies. The conclusion of this research seemed to show that the assessment of the risk of head injury while playing soccer cannot be performed using a single mTBI risk indicator. However, the combination of at least two mTBI risk indicators, with the main indicator being head kinematics and either brain electrical activity or biomechanical responses of the brain tissue seemed appropriate for assessing the risk of mTBI in soccer. This research has prompted a reflection on current technologies, highlighting the lack of instruments and tools to measure, analyse and interpreta the data generated by the mTBI risk indicators. New technologies adapted to measurements carried out on the field are therefore essential in the process of understanding mTBI mechanisms, risk indicators and diagnosis.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 181-192).
Mots-clés libres:	traumatisme crânio-cérébral, commotion cérébrale, accélération de la tête, modèle par éléments finis, activité électrique cérébrale, soccer
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Wagnac, Éric
Codirecteur:	Codirecteur Petit, Yvan
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	22 mars 2021 18:02
Dernière modification:	22 mars 2021 18:02
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2649

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