Une nouvelle étude révèle que des commotions cérébrales causées par des balles de tennis peuvent survenir à des vitesses élevées, en particulier en cas d’impacts latéraux sur la tête, en utilisant des techniques de modélisation avancées validées par des recherches antérieures sur les lésions cérébrales.
Jouer au football et au soccer est largement reconnu pour son potentiel à entraîner des commotions cérébrales et d’autres blessures à la tête. Cependant, une question se pose concernant le tennis : à quelle vitesse une balle de tennis devrait-elle se déplacer pour potentiellement provoquer un traumatisme crânien ?
Des chercheurs de
, une université privée de Dallas classée au niveau national, a découvert que les blessures à la tête causées par une balle de tennis sont possibles, mais rares. Leur étude informatique détaillée – utilisant la même technique largement utilisée pour prédire les blessures à la tête susceptibles de survenir lors d’un accident de voiture – a été publiée dans le Journal ASME de mécanique appliquée.
Xin-Lin Gao, professeur de génie mécanique à SMU, et Yongqiang Li, ancien doctorant de SMU qui a travaillé avec Gao, ont utilisé une modélisation informatique de la forme humaine et une balle de tennis pour déterminer ce qui arriverait à la tête d’un homme si elle était touchée. par une balle de tennis à différentes vitesses, emplacements et angles.
Ils ont trouvé:
- Les traumatismes crâniens légers, ou commotions cérébrales, sont rares, mais peuvent survenir lorsque la vitesse de la balle de tennis est supérieure à 40 mètres par seconde. Pour mettre cela en perspective, c’est plus rapide qu’un guépard ne peut courir.
- Une balle frappant le côté de la tête était plus susceptible de causer un traumatisme crânien qu’une balle frappée au front ou au sommet de la tête.
- Les blessures à la tête étaient également plus fréquentes lorsque le ballon frappait quelqu’un à un angle de 90 degrés, plutôt qu’à un angle de 30 ou 60 degrés.
- Mais la rotation du ballon ne s’est pas avérée avoir d’impact significatif sur le traumatisme crânien.
« Comprendre et se protéger contre les blessures à la tête provoquées par les impacts de balles de tennis est très important, étant donné que le tennis est un sport mondial avec des dizaines de millions de participants chaque année », a déclaré Gao.
Gao et Li, qui est maintenant professeur agrégé à l’Université d’aéronautique et d’astronautique de Nanjing, se sont spécifiquement concentrés sur la détermination si une balle de tennis pouvait provoquer un traumatisme crânien suffisamment grave pour être classé comme un traumatisme crânien – lorsqu’un choc violent , un coup ou une secousse à la tête ou au corps provoque une perturbation du fonctionnement normal du cerveau.
Cartographie de l’impact : une étude informatique montre les effets d’une frappe par une balle de tennis à trois endroits différents : frontal (à gauche), latéral (au milieu) et sur la couronne (à droite). Crédit : SMU
Les commotions cérébrales sont classées comme des traumatismes crâniens « légers » car elles ne mettent pas la vie en danger. Mais ils peuvent causer des problèmes durables pendant des semaines ou des mois, comme des maux de tête, des étourdissements et des difficultés de concentration.
Des recherches supplémentaires sont nécessaires sur les femmes et les enfants, même si le chercheur principal Gao a déclaré que les résultats seraient probablement similaires pour les deux groupes.
Comment l’étude a été réalisée
Pour cette étude, les chercheurs ont utilisé deux modèles dits d’éléments finis (EF) : l’un représentant une balle de tennis et l’autre une tête d’homme.
Ce modèle de tête a été fourni par le Global Human Body Models Consortium, qui crée des modèles 3D réalistes d’hommes, de femmes et d’enfants pouvant être utilisés pour des simulations d’accidents. Les chercheurs utilisent régulièrement ces modèles (FE) de la tête pour étudier les lésions cérébrales potentielles dues à des impacts à la tête.
Gao et Li ont créé une balle de tennis générée par ordinateur à partir d’expériences avec des balles réelles.
Une façon simple de comprendre la modélisation par éléments finis consiste à la considérer comme séparant un grand problème mathématique en une série de problèmes plus petits, ou éléments finis. Cela rend le problème global plus facile à étudier.
Très populaire auprès des ingénieurs, la modélisation par éléments finis peut, par exemple, être utilisée par les constructeurs automobiles pour évaluer le potentiel de blessures humaines lors d’une collision avec l’un de leurs véhicules.
L’étude SMU a utilisé des modèles FE pour prédire comment le cerveau se comporterait lorsqu’il serait soumis à des forces externes. Pour ce faire, les chercheurs ont fourni à un système informatique appelé LS-DYNA plusieurs algorithmes mathématiques représentant les caractéristiques du ballon ou de la tête de l’homme. Par exemple, un algorithme conçu pour tester l’élasticité du caoutchouc – connu sous le nom de modèle hyperélastique d’Ogden – a été utilisé pour représenter le comportement des tissus cérébraux.
Sur la base de ces types d’équations, LS-DYNA a créé des simulations 3D de ce qui se passerait dans la vie réelle.
Les mesures prises à partir de ces simulations ont permis aux chercheurs de déterminer si la force d’une balle de tennis – allant à différentes vitesses ou frappant une autre partie de la tête – était suffisante pour provoquer le choc du tissu cérébral d’un homme contre son crâne, conduisant à une commotion cérébrale ou pire.
Pour s’assurer que leurs résultats étaient exacts, Gao et Li les ont validés avec des recherches antérieures sur le TBI, comme des expériences sur des cadavres humains et des observations de personnes souffrant de commotions cérébrales connues.
Gao et son équipe de recherche ont également publié des études sur les traumatismes crâniens induits par les frappes de balles de golf et les impacts balistiques.
