Influence de l’intégration d’un modèle de la musculature cervicale active sur la cinématique tête-cou

Ardisson, Aurélien (2025). Influence de l’intégration d’un modèle de la musculature cervicale active sur la cinématique tête-cou. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (5MB) | Prévisualisation

Résumé

La région cervicale constitue une zone anatomique particulièrement vulnérable lors d’accidents de la route, de chutes à grande vitesse ou de la pratique de sports de contact. Les patrons de blessures issus des mécanismes lésionnels sont dépendants d’une grande variété de paramètres. Parmi ces facteurs, la contraction musculaire permettrait la réduction de l’amplitude de mouvement de la tête et du cou et contribuerait ainsi à la rigidification de la zone cervicale. Pour élucider ces phénomènes, les modèles numériques de la tête et du cou intègrent des modèles de contraction musculaire de type Hill. Cependant ces mêmes modèles affichent des performances limitées lors de sollicitations à hautes dynamiques. La question qui se pose est donc dans quelle mesure, l’intégration des muscles cervicaux à l’aide d’un modèle de Hill affiné, améliore-t-il la prédiction de la cinématique du cou et de la tête lors d’un impact frontal ?

D’abord, le code source libre du modèle de Hill raffiné (Extended Hill Type Model, EHTM) a été traduit et adapté pour le solveur OpenRadioss. Une configuration expérimentale de chargement musculaire sur un spécimen porcin a ensuite été reproduite dans le logiciel de modélisation par éléments finis. Les résultats de vitesse de contraction pour quatre chargements différents (100g, 400g, 800g, 1600g) ont été comparés aux résultats expérimentaux et une très bonne corrélation a été établie pour les faibles chargements avec un score CORA (Correlation Analysis) de 0,89 pour le chargement faible.

Dans un second temps, treize regroupements musculaires ont été implémentés au modèle SM2S (Spine model for safety and surgery) et calibrés selon les paramètres physiologiques d’une étude anatomique. La validation du comportement cinématique du modèle s’est faite en reproduisant un essai d’impact frontal sur chariot à 2G de décélération menée sur dix sujets volontaires. Un plan d’expérience a été mis en place pour étudier l’influence du délai d’activation et le niveau d’activation de la contraction des muscles sur la cinématique de la tête et du cou. De plus, une méthode novatrice de contraction basée sur le phénomène physiologique de réflexe monosynaptique a aussi été évaluée. L’étude a démontré que les paramètres d’activation musculaire influencent significativement la cinématique de la tête, avec un effet opposé selon le niveau d’activation : une activation rapide améliore la rotation à faible amplitude (CORA = 0,82), tandis qu’elle la détériore à haute amplitude (CORA = 0,36). Toutefois, la présence de plusieurs maxima locaux du score CORA parfois en dehors de configurations physiologiquement plausibles, révèle un manque de robustesse de la méthode d’activation tabulée.

Malgré des scores CORA encore faibles, les résultats obtenus ont permis de rendre compte de l’influence des paramètres des profils de commande d’activation tabulées pour la musculature cervicale sur la cinématique du cou et de la tête. Cette étude constitue les premières données de validation d’un nouveau modèle de Hill à l’échelle d’un muscle sur le solveur OpenRadioss.

Des études subséquentes sont envisagées pour investiguer l’utilisation d’un contrôleur de type « boucle fermée » afin d’asservir la commande neuronale et mimer la contraction consciente ou inconsciente de la musculature sans avoir à implémenter des profils d’activation tabulés.

Titre traduit

Influence of the integration of an active cervical musculature model on head-neck kinematics

Résumé traduit

The cervical region is a particularly vulnerable anatomical area in road accidents, high-speed falls, and contact sports. The patterns of injury resulting from the mechanisms of injury depend on a wide variety of parameters. Among these factors, muscle contraction reduces the range of motion of the head and neck, thereby contributing to the stiffening of the cervical region. To elucidate these phenomena, numerical models of the head and neck incorporate Hill-type muscle contraction models. However, these same models have limited performance under high dynamic loads. The question that arises is therefore to what extent does the integration of cervical muscles using a refined Hill model improve the prediction of neck and head kinematics during a frontal impact?

First, the open-source code for the refined Hill model (Extended Hill Type Model, EHTM) was translated and adapted for the OpenRadioss solver. An experimental muscle loading configuration on a porcine specimen was then reproduced in the finite element modelling software. The contraction speed results for four different loads (100g, 400g, 800g, 1600g) were compared with the experimental results, and a very good correlation was established for low loads with a CORA (Correlation Analysis) score of 0.89.

In a second step, thirteen muscle groups were implemented in the SM2S (Spine model for safety and surgery) model and calibrated according to the physiological parameters of an anatomical study. The kinematic behaviour of the model was validated by reproducing a frontal impact test on a trolley with 2G deceleration conducted on ten volunteers. A sensitive study was set up to evaluate the influence of the activation delay and the level of muscle contraction activation on the kinematics of the head and neck. In addition, an innovative contraction method based on the physiological phenomenon of monosynaptic reflex was also evaluated. The study demonstrated that muscle activation parameters significantly influence head kinematics, with an opposite effect depending on the level of activation: rapid activation improves low-amplitude rotation (CORA = 0.82), while it deteriorates high-amplitude rotation (CORA = 0.36). However, the presence of several local maxima in the CORA score, sometimes outside physiologically plausible configurations, reveals a lack of robustness in the tabulated activation method.

Despite still low CORA scores, the results obtained made it possible to account for the influence of the parameters of the tabulated activation pilot profiles for the cervical musculature on neck and head kinematics. This study constitutes the first validation data for a new Hill model at the muscle level on the OpenRadioss solver.

Subsequent studies are planned to investigate the use of a closed-loop controller to pilot neural pilot and mimic conscious or unconscious muscle contraction without having to implement tabulated activation profiles.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maitrise avec mémoire en génie avec concentration personnalisée". Comprend des références bibliographiques (pages 98-105).
Mots-clés libres:	rachis cervical, modélisation, contraction musculaire, biomécanique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Beauséjour, Marie-Hélène
Codirecteur:	Codirecteur Wagnac, Éric
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	23 sept. 2025 19:32
Dernière modification:	23 sept. 2025 19:32
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3714

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt