Ce travail de thèse vise à mieux décrire les mécanismes de lésions de la tête humaine en situation de choc en optimisant le modèle par éléments finis de la tête humaine de Strasbourg (SUFEHM) en termes de modélisation mécanique du crâne et du cerveau grâce à de nouvelles données expérimentales et de techniques récentes d’imagerie médicales. Une première étape a consisté à améliorer la loi de comportement de la boîte crânienne, valider son comportement en regards d’éléments expérimentaux sur cadavres et proposer un MEF capable de reproduire fidèlement la fracture crânienne. La deuxième partie consiste en la prise en compte pour la première fois de l’anisotropie dans les simulations par EF d’accidents réels en utilisant l’Imagerie du Tenseur de Diffusion. Après implémentation, une phase de validation a été entreprise afin de démontrer l’apport de l’anisotropie de la matière cérébrale dans un MEF. Enfin 125 accidents réels ont été reproduits avec le SUFEHM ainsi amélioré. Une étude statistique sur les paramètres mécaniques calculés a permis de proposer des limites de tolérances en termes de fracture crânienne et de lésions neurologiques en s’intéressant tout particulièrement à l’élongation axonale maximale admissible, nouvelle métrique proposée. / The principal objective of this study is to enhance the existing finite element head model. A composite material model for skull, taking into account damage is implemented in the Strasbourg University Finite Element Head Model in order to enhance the existing skull mechanical constitutive law. The skull behavior is validated in terms of fracture patterns and contact forces by reconstructing 15 experimental cases in collaboration with Medical College of Wisconsin. The new skull model is capable of reproducing skull fracture precisely. The composite skull model is validated not only for maximum forces, but also for lateral impact against actual force time curves from PMHS for the first time. This study also proposes the implementation of fractional anisotropy and axonal fiber orientation from Diffusion Tensor Imaging of 12 healthy patients into an existing human FE head model to develop a more realistic brain model with advanced constitutive laws. Further, the brain behavior was validated in terms of brain strain against experimental data. A reasonable agreement was observed between the simulation and experimental data. Results showed the feasibility of integrating axonal direction information into FE analysis and established the context of computation of axonal elongation in case of head trauma. A total 125 reconstructions were done by using the new advanced FEHM and the axonal strain was found to be the pertinent parameter to predict DAI.

La biomécanique des chocs vise à étudier les lésions, établir des limites de tolérance et de proposer des mesures de protections adéquates. La méthode des éléments-finis permet l’étude approfondie des mécanismes de lésions, évitant des problèmes liés à l’expérimentation et d’éthique. La biomécanique de la tête humaine chez l’adulte a pris ce virage très tôt, et des modèles de la tête de l’adulte existent, dont celui développé à l’Université de Strasbourg : le SUFEHM (Strasbourg University Finite Element Head Model). Le présent projet a pour but d’ouvrir cette thématique à la modélisation des traumatismes crâniens du nourrisson. Deux axes de travail ont été conduits successivement pour étudier des situations d’accidents et de maltraitances. Le premier axe consiste à développer un modèle de l’œil du nourrisson pour l’étude des hémorragies rétiniennes. Le deuxième consiste à améliorer le modèle de tête en intégrant d’une part les données de l’imagerie médicale comme l’orientation et la densité des fibres axonales, et d’autre part en validant la formulation du crâne pour prédire les fractures crâniennes. / Impact biomechanics aim at studying injuries, establishing tolerance limit and propose efficient protective systems. The finite-element method permits to study precisely injury mechanisms by avoiding questions linked to experimentation and ethics. For the human adult head biomechanics, this methodology was taken earlier and several stable and validated models exist worldwide, among which one can find the Strasbourg University Finite Element Head Model (SUFEHM). This thesis aims at widening the human head biomechanics by studying infant head trauma. The research work has been conducted in two steps. In the first one, an infant eye numerical model was developed in order to study retinal hemorrhages. The second one consisted in improving the infant head model by integrating medical images data such as axonal fiber density and orientations into the infant brain and by validating the mechanical formulation of the infant skull in order to predict skull fractures.