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La vulnérabilité et la protection du rachis cervical chez les motocyclistes

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Lecoublet, Brieg (2021). La vulnérabilité et la protection du rachis cervical chez les motocyclistes. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Depuis de nombreuses années, les motocyclistes sont très exposés et vulnérables sur les routes. Les accidents dont ces usagers sont victimes provoquent des lésions importantes, notamment au niveau du rachis cervical impliquant des atteintes neurologiques non négligeables. Les lésions du rachis cervical sont liées au plus haut taux de mortalité chez les motocyclistes. Lorsqu’elles ne sont pas mortelles, elles peuvent causer une tétraplégie, atteignant ainsi d’une manière irréversible l’intégrité physique des motocyclistes et entraînant en même temps des coûts de traitements significatifs à long terme. Chez le motocycliste, les types de lésions du rachis cervical sont encore mal connus aujourd’hui. Nous savons cependant que ces lésions sont majoritairement causées par un impact direct sur le casque lors de l’accident. Des dispositifs de protection existent et permettraient de réduire la vulnérabilité du rachis chez les motocyclistes en éliminant ou en réduisant la gravité des lésions. Cependant, l’absence de normalisations spécifiques pour ces dispositifs ne permet en aucun cas de prouver leur efficacité de protection. De plus, il semble que le principe de fonctionnement ne soit pas adapté à tous les types de deux roues motorisés et par conséquent, à leurs différents modes d’utilisation. À la lumière de ces observations, la question centrale de recherche suivante s’est posée: comment renforcer la protection du rachis cervical chez les motocyclistes sans impacter leur sécurité et satisfaction de conduite ?

Pour y répondre, l’objectif général de ces travaux était d’élaborer une méthode permettant l’évaluation des dispositifs de protection du rachis cervical pour motocyclistes. Plus précisément, cette méthode utilisant la voie numérique et la voie expérimentale devait permettre d’évaluer deux aspects fondamentaux: la capacité d’un dispositif à protéger les motocyclistes contre les traumatismes du rachis cervical et la capacité d’un dispositif à maintenir une sécurité et satisfaction de conduite aux motocyclistes. Ce sont quatre grandes étapes associées à quatre objectifs spécifiques qui ont permis d’apporter des éléments de réponse à la question centrale de recherche énoncée précédemment.

La première étape consistait à élaborer un cahier des charges permettant de formaliser le besoin et les exigences pour renforcer la protection du rachis cervical chez les motocyclistes sans impacter leur sécurité et leur satisfaction de conduite (O1). Point d’entrée de ces travaux de recherche, ce cahier des charges a permis de définir sept critères d’évaluation : le critère de protection qualitatif, le critère de protection quantitatif, le critère de visibilité sécuritaire de conduite, le critère d’encombrement, le critère de masse, le critère d’ajustement et le critère de dépassement. Les scores (0 à 5) de chacun des critères sont déterminés à partir d’un barème afin d’évaluer leurs performances.

La deuxième étape de ces travaux visait à déployer une méthode pour évaluer les différents critères prioritaires liés à la capacité de protection et le niveau de sécurité/satisfaction de conduite des motocyclistes (O2). Cette méthode se distingue selon deux volets : un volet d’évaluation numérique et un volet d’évaluation expérimentale. Le volet numérique consiste à évaluer, à partir de modèles par éléments finis du corps humain, le critère de protection qualitatif et le critère de protection quantitatif. Les simulations numériques réalisées ont permis de représenter des cas de chargement représentatifs des traumatismes subis par les motocyclistes lors des accidents de 2RM. Basé sur une comparaison « avec dispositif/sans dispositif », ce volet se concentre d’une part sur le critère qualitatif qui prend en considération les types de lésions apparues au rachis cervical, d’autre part sur le critère quantitatif qui prend en considération les contraintes/déformations dans les différentes zones anatomiques. Le volet expérimental consiste quant à lui à évaluer les cinq autres critères. Le critère de visibilité sécuritaire de conduite est évalué grâce à l’analyse de la mobilité articulaire du cou « avec dispositif » et « sans dispositif » selon deux postures de conduite différentes (Scooter et moto de course). Les critères d’encombrement, de masse, d’ajustement et de dépassement sont évalués à partir de simples mesures sur les dispositifs testés. Les scores obtenus pour l’ensemble des critères sont finalement associés à des coefficients de pondération issus de l’élaboration du cahier des charges (maison de la qualité). Un niveau de performance final du dispositif peut donc être déterminé.

La troisième étape visait à évaluer deux dispositifs de protection existants du rachis cervical à partir de la méthode développée (O3). L’application de la méthode d’évaluation développée a permis de faire un bilan complet des performances des dispositifs EVS et Leatt Brace, tous deux réputés et encore vendus aujourd’hui sur le marché des équipements de protection pour motocyclistes. Bien que présentant un niveau de performance convenable quant à la sécurité et la satisfaction de conduite, ces dispositifs, conçus pour réduire le risque de blessures du rachis cervical, semblent ne pas avoir l’effet escompté. Ils semblent même augmenter la vulnérabilité du rachis cervical dans certains cas de chargement, rendant leur utilisation contestée. En plus de permettre l’évaluation complète de ces deux dispositifs, cette étape a également favorisé l’identification des avantages et inconvénients de la méthode en vue de son amélioration.

La quatrième et dernière étape de ces travaux visait à amorcer le développement de dispositifs de protection du rachis cervical pour motocyclistes (O4). Cette phase de développement préliminaire est menée en trois étapes avec une recherche de solutions, une présélection des concepts prometteurs et une concrétisation de leur design. Elle a permis d’initier la conception de deux dispositifs de protection qui ont pu être testés partiellement à partir de la méthode développée. Ce travail doit être poursuivi avec un raffinement des deux concepts permettant à terme leur évaluation complète. Ce n’est qu’à partir des résultats d’évaluation qu’un choix sera effectué pour finaliser ce travail d’innovation.

Les résultats générés par ces travaux de recherche ont tout d’abord permis d’identifier avec précision les attentes autour de la protection du rachis cervical chez les motocyclistes. Ces attentes, traduites sous forme de critères, sont les clefs de la mise en place d’une évaluation complète des dispositifs de protection du rachis cervical. Ces sept critères qui caractérisent la capacité de protection, la satisfaction et la sécurité de conduite, ont pu être évalués à partir d’une méthode novatrice couplant un volet numérique et un volet expérimental. Appliquée sur deux dispositifs de protection existants, la méthode a mis en avant certaines lacunes en ce qui concerne leur capacité de protection. En effet, bien que la sécurité et satisfaction de conduite soient globalement convenables, leur utilisation semble dans certains cas augmenter la vulnérabilité du rachis cervical et les rend donc potentiellement non viables. Enfin, ces travaux ont permis d’amorcer le développement de nouveaux dispositifs qui ont pu être partiellement évalués grâce à la méthode développée. Un travail de raffinement est encore nécessaire afin de mener une évaluation complète pour sélectionner le concept final à concrétiser.

Ces travaux de recherche permettent de faire un pas de plus vers l’amélioration de la protection du rachis cervical chez les motocyclistes. La méthode d’évaluation développée doit devenir un outil clef pour l’émergence de nouveaux dispositifs innovants et performants. Cet outil pourrait-il être un jour utilisé à des fins de normalisation ? Il semble encore être trop tôt pour le dire. La poursuite de son développement ainsi que son optimisation grâce à son application à plus grande échelle permettront de parfaire son fonctionnement. Enfin, cet outil pourrait être par ailleurs utilisé à plus grande portée avec une application dans d’autres disciplines pour lesquelles le rachis cervical est également vulnérable.

Titre traduit

Protection of the cervical spine vulnerability applied to motorcyclists

Résumé traduit

For a number of years motorcyclists have been vulnerable and over-exposed on the open road. Powered Two-Wheelers accidents can inflict serious injury, in particular, to the cervical spine, with possible damage to the neurological system. In addition, cervical trauma has been linked to the highest mortality rates for motorcyclists, in comparison with other injuries (accidentrelated issues/effects). Even non-fatal accidents can leave the victim tetraplegic, irreversibly affecting their physical well-being, culminating in long term disability which can easily become a heavy financial burden. Even today, the cause and effects of cervical injuries to motorcyclists remain somewhat unknown. We do know that the majority of these types of injuries are caused by a direct impact to the rider’s helmet. Different protection devices are currently available on the market to reduce the risk of serious cervical injury. However, the lack of governing bodies and standardization in safety regulations largely discredits the protection value publicized by retailers. On top of this, it would appear that the protection devices cannot be adapted to all types of Powered Two-Wheelers. In light of these observations, this thesis proposes to answer the following question: How does one improve cervical spine protection for motorcyclists without causing detriment to vehicle and rider safety or the riding experience?

In order to answer this question, a method of evaluation for testing neck braces was elaborated. Numerical and experimental evaluation was performed, touching on two fundamental aspects: the devices capacity to protect the motorcyclist against cervical trauma and its impact on rider safety and riding experience. Four main phases were outlined to achieve the objective announced previously.

The first phase consisted in establishing a functional design requirements specification to formalize the need for reinforcing cervical spine protection without impacting on safety or the riding experience (O1). The formulation of this document lead to seven criteria for evaluation: qualitative protection, quantitative protection, riding visual safety, device bulkiness, device weight, device range of adjustment and size. Scores (from 0 to 5) were determined for each of these criteria using a grading system to evaluate each of their performances.

The second phase aimed at establishing a method to evaluate the different protection criteria and the level of safety/riding satisfaction experienced by the motorcyclists (O2) both numerically and experimentally. The qualitative and quantitative criteria were evaluated numerically through simulation using a finite element human body with real-case loading, representative of trauma cases suffered by victims of motorcyclist accidents. Simulations were computed both with and without protection devices. This study focused on comparing the type of lesion/laceration on the cervical spine and also the stress – strain factor in different anatomical regions of the neck. The five other protection criteria were evaluated experimentally. Riding visual safety was assessed by observing the articular mobility in the neck region both with and without protection devices in two different riding positions (one on a scooter and one on a racing motorbike). Device bulkiness, weight, range of adjustment and size were simply measured on the devices themselves. Weighting coefficients, from the requirements specifications document were then applied to the scores obtained for all criteria before a final performance grade was determined.

The third phase included a full evaluation of 2 different protection devices using the method elaborated previously (O3). This led to a complete analysis of protection devices from both reputable leaders EVS and Leatt Brace, still available on the market today. Even though these devices display a satisfactory level of safety and riding experience, the results concerning the original design criteria of cervical protection, were revealed to be less than adequate. Worse still, they proved to increase cervical vulnerability to injury in specific loading scenarios, making their sale and use as a motorcycle cervical protection device contestable. The third phase gave feedback on both the pros and cons of the method established previously, promoting further improvements.

The fourth and final phase of the current work focused on the development and design of a new cervical protection device for motorcyclists (O4). Preliminary work was conducted in three steps; research into protection solutions, preselection of promising concepts and the ground work for an actual design. This phase triggered the creation of two prototypes which where both partially evaluated using the method described previously. The prototyping stage should be continued and the design refined until a complete evaluation is possible, only then, can a final decision be reached regarding the recent innovative process.

The results generated within the parameters of the current thesis have succeeded in establishing a precise identification of the expectations surrounding a cervical protection device for motorcyclists. These expectations, were translated into criteria, and played a key role in the development of a novel method of evaluation for current protection devices. The seven unique criteria, characterizing the ability to protect the spine, vehicle safety and riding experience were evaluated thanks to the newly developed method using both numerical and experimental testing. The method was applied to two existing, readily-available protection devices. Results showed design deficiencies and shortcomings in their ability to protect the motorcyclist cervical spine, making the products potentially non-viable for commercial use. In light of the results, prototypes and concept builds for a new protection device were partially tested. Their design must be refined before a complete evaluation can take place and a final decision reached on the future protection device to be developed.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à: l’École de technologie supérieure Aix Marseille Université (Cotutelle France-Québec) comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie et doctorat en sciences du mouvement humain". Comprend des références bibliographiques (pages 271-292).
Mots-clés libres: motocycliste, deux-roues motorisés, dispositifs de protection, rachis cervical, méthode d’évaluation
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Petit, Yvan
Arnoux, Pierre-Jean
Codirecteur:
Codirecteur
Wagnac, Eric
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 02 déc. 2021 16:00
Dernière modification: 02 déc. 2021 16:00
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2805

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