Ce travail de recherche, réalisé en collaboration avec l'équipe cycliste professionnelle Bouygues Telecom, a pour objectif d'étudier les facteurs aérodynamiques et biomécaniques influant sur les performances de cyclistes en course contre la montre (CLM). L'effort de traînée aérodynamique représente 90% de la puissance développée par le coureur en CLM. Les essais expérimentaux ont été réalisés dans la soufflerie S1L l'institut des Sciences du Mouvement qui a permis de mesurer l'effort de traînée subit par les coureurs en fonction de leur posture et du matériel utilisé. L'analyse par planimétrie de la surface frontale projetée des cyclistes en position de CLM a permis de définir un modèle estimant la surface frontale en fonction de différents paramètres posturaux. L’analyse approfondie des performances aérodynamiques de différents casques de CLM, à l’aide d’un système de mesure PIV-3C (Particle Image Velocimetry 3 Components), a permis de définir une géométrie optimisée de casques de CLM. L'approche biomécanique des performances des coureurs permet d'étudier l'impact de positions sur le rendement du pédalage de coureurs. Cette étude a été réalisée grâce à un modèle de dynamique inverse nécessitant la mise en œuvre de balances de mesure des efforts aux pédales et d'un système d'analyse du mouvement (VICON). Le modèle de dynamique inverse a permis de déterminer les torseurs d'efforts au niveau de chaque articulation en fonction de paramètres posturaux identiques à ceux étudiés dans l'approche aérodynamique. La synthèse des facteurs d'optimisation aérodynamique et biomécanique a permis d'obtenir une amélioration des performances en course de l'ordre de 3%. / The aim of this study is to determine the aerodynamic and biomechanical factors influencing cyclists performance during Time Trial stage (TT). The aerodynamic drag force represents over 90% of the power generated by the cyclist during TT stage. The aerodynamic optimization of the cyclist posture and equipment is thus a main objective. Experimentations were carried out in the wind tunnel S1L of the Institute of Movement sciences, in order to measure the aerodynamic drag force of cyclist according to different configurations. Measurements of the projected frontal led to a modeling of the cyclist frontal area value according to postural parameters. Aerodynamic performance of several TT helmets was characterized by measurement of the velocity fields in their downstream wake using a PIV-3C method (Particle Image Velocimetry 3 components). Results of this study have identified an optimized geometry of TT helmets. The aim of the biomechanical approach is to study the influence of the aerodynamic postural parameters studied on the performance of the cyclists. An inverse dynamics models is used to determine the torques and forces at each leg joint according to the saddle position and the power developed. The inverse dynamic calculation requires measurement of the pedal forces and the cycling motion. The motion analysis system VICON was used and two special 6 components sensors were design for this application. Results of this study have identified postural parameters increasing the performance. The synthesis of the factors influencing aerodynamic and biomechanical performances achieves a performance improvement of about 3%.

L'amputation du membre inférieur est à l'origine d'un handicap définitif. L'appareillage est alors la seule alternative permettant de restituer au patient les fonctions de l'appareil locomoteur. L'analyse quantifiée de la marche permet d'objectiver la compensation de ce handicap. Le premier objectif de ce travail est d'étendre cette analyse quantifiée à d'autres situations de la vie courante rencontrées par les personnes appareillées. Le partenariat clinique et de recherche avec le Centre d'Etudes et de Recherche sur l'Appareillage des Handicapés a notamment permis de s'intéresser à l'influence de la vitesse de marche et à la descente des escaliers. La comparaison de la marche de sujets amputés et appareillés à la marche de sujets asymptomatiques a contribué à définir des paramètres quantitatifs caractérisant la fonctionnalité des composants prothétiques tout en mettant en évidence leurs limites actuelles. Le second objectif de cette thèse CIFRE en partenariat avec la société PROTEOR, est de mettre en place des bancs d'essais expérimentaux et des modélisations numériques permettant l'évaluation de paramètres fonctionnels pour des composants prothétiques isolés en leur imposant des conditions aux limites proches de celles mesurées avec les sujets amputés. La pertinence de ces outils a été démontrée pour fournir une évaluation fonctionnelle des composants prothétiques en phase de conception. L'ensemble de ce travail de thèse contribue donc à mieux appréhender le comportement des composants prothétiques. L'analyse de composant isolé ou au contraire au sein de l'ensemble prothétique en conditions de fonctionnement apporte des informations complémentaires et offre des perspectives dans la compréhension des mécanismes d'adaptation du patient à son appareillage.

Cette étude aborde le problème de l’aggravation du risque de fractures de côtes chez les automobilistes âgés en choc frontal. L’analyse de la bibliographie fait ressortir que les moyens actuels d’évaluation du risque de fractures ne permettent pas de prendre en compte les différences anatomiques et de propriétés mécaniques du thorax observées chez les personnes âgées. Les modèles éléments finis (EF) personnalisés du corps humain offrent un grand potentiel en tant qu’outil avancé d’évaluation du risque de blessures. Toutefois, des données expérimentales sont nécessaires pour valider ces modèles dans des conditions réalistes. De plus, le choix du niveau de personnalisation et la sensibilité de la réponse du modèle à celle-ci doivent être évaluées. Des expérimentations in vivo menés sur des volontaires ceinturés en choc léger, de différents âges et anthropométries, ont été réalisées. Ces tests ont permis d’étudier l’influence de l’âge et de la corpulence sur la réponse mécanique du thorax et ont permis l’obtention de corridors nécessaires à la validation de modèles EF personnalisés. La géométrie du modèle numérique THUMS a été adaptée à celle des volontaires et les propriétés mécaniques du thorax ont été modifiées au vu du vieillissement pour effectuer une analyse similaire dans le domaine lésionnel. Les simulations numériques ont mis en évidence un risque accru de fracture de côtes pour certains modèles personnalisés. Cette étude devrait permettre de mieux estimer le risque de blessure pour les automobilistes vulnérables. Elle devrait contribuer ainsi à promouvoir les modèles personnalisés du corps humain comme outil avancé d’évaluation du risque de blessures.

Cette thèse a été réalisée dans le cadre d’une convention CIFRE, marquant la collaboration entre le LBMC (Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs) et le Centre de Médecine Physique et de Réadaptation L’ADAPT Loiret. Le LBMC résulte du rapprochement en janvier 2003 d’une équipe d’enseignants-chercheurs de l’université Claude Bernard Lyon1 et du Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs de l’INRETS (devenu l’IFSTTAR depuis sa fusion avec le LCPC). Regroupant environ 40 permanents, dont Laurence CHEZE, ma directrice de thèse, le LBMC est dirigé par Philippe VEZIN, Directeur de Recherche à l’IFSTTAR. Le CMPR L’ADAPT Loiret est un centre de rééducation situé sur le site hospitalier d’Amilly, à proximité de Montargis. Son activité est axée sur les pathologies neurologiques (paraplégies, tétraplégies, hémiplégies, maladies dégénératives du système nerveux central), la traumatologie (suites d’accident de la voie publique et traumatologie du sport) et l'appareillage des amputations du membre inférieur. Le nouveau bâtiment (fin 2007) dispose d'équipements de dernière génération et d'un plateau technique de 1990 m² avec gymnase sportif et balnéothérapie. Il dispose également d’un laboratoire d’analyse quantifiée de la marche. L’intégration d’un doctorant dans l’équipe du Docteur CARNÉ permettait, d’une part, de développer l’activité de ce laboratoire, et d’autre part de mettre en place une activité de recherche clinique. Mon activité professionnelle consiste à réaliser des examens, à visée diagnostique, d’analyse quantifiée de la marche. L’activité de recherche est en lien avec l’activité clinique et l’offre de soin liée à l’analyse du mouvement (prise en charge thérapeutique, injection de toxine, orthèse de marche, ...). Il faut également associer à ces deux structures l’équipe Motricité du GRCTH (Groupement de Recherche Clinique et Technologique sur le Handicap, EA 4497) de l’Université de Versailles Saint Quentin, associée au CIC-IT 805 et plus particulièrement Didier PRADON, mon co-directeur de thèse. La thématique de recherche émergeant de cette collaboration est la caractérisation des troubles de la marche des sujets affectés par une pathologie du système nerveux central.

Les données sur le comportement biomécanique de la paroi abdominale restent limitées. Cette méconnaissance est un facteur limitant pour le développement de modèles numériques de cette région anatomique. L’objectif de cette thèse est d’apporter des données quantitatives sur le comportement biomécanique de la paroi abdominale, en adoptant une approche expérimentale globale allant de l’ex vivo à l’in vivo. Dans un premier temps, un protocole de caractérisation ex vivo est mis au point et validé sur des spécimens porcins, puis appliqué à des échantillons humains. Ce protocole permet de tester une même paroi abdominale sous deux types de sollicitation (pression et contact) dans le domaine élastique. Il permet également d’évaluer l’influence d’une lésion et d’une réparation avec un implant chirurgical, sur la réponse mécanique de la paroi. Des mesures par corrélation d’images 3D réalisées simultanément sur les surfaces internes et externes quantifient les différences de distribution des déformations de la paroi abdominale. Dans un second temps, des examens in vivo sur volontaires permettent de prendre en compte l’activité musculaire. Une raideur locale est ainsi évaluée pour diverses activités physiologiques, raideur qui augmente en fonction du niveau de contraction jusqu’à 6 fois la valeur au repos. En résumé, cette recherche propose une méthodologie pour mieux comprendre le comportement mécanique global de la paroi abdominale. Cette méthodologie peut être déclinée, afin d’étudier l’influence des différents composants de la paroi. Au-delà de cette thèse, ces données contribueront à la construction et la validation d’un modèle numérique de la paroi abdominale.

Les données sur le comportement biomécanique de la paroi abdominale restent limitées. Cette méconnaissance est un facteur limitant pour le développement de modèles numériques de cette région anatomique. L’objectif de cette thèse est d’apporter des données quantitatives sur le comportement biomécanique de la paroi abdominale, en adoptant une approche expérimentale globale allant de l’ex vivo à l’in vivo. Dans un premier temps, un protocole de caractérisation ex vivo est mis au point et validé sur des spécimens porcins, puis appliqué à des échantillons humains. Ce protocole permet de tester une même paroi abdominale sous deux types de sollicitation (pression et contact) dans le domaine élastique. Il permet également d’évaluer l’influence d’une lésion et d’une réparation avec un implant chirurgical, sur la réponse mécanique de la paroi. Des mesures par corrélation d’images 3D réalisées simultanément sur les surfaces internes et externes quantifient les différences de distribution des déformations de la paroi abdominale. Dans un second temps, des examens in vivo sur volontaires permettent de prendre en compte l’activité musculaire. Une raideur locale est ainsi évaluée pour diverses activités physiologiques, raideur qui augmente en fonction du niveau de contraction jusqu’à 6 fois la valeur au repos. En résumé, cette recherche propose une méthodologie pour mieux comprendre le comportement mécanique global de la paroi abdominale. Cette méthodologie peut être déclinée, afin d’étudier l’influence des différents composants de la paroi. Au-delà de cette thèse, ces données contribueront à la construction et la validation d’un modèle numérique de la paroi abdominale.

En Union Européenne les accidents frontaux font 28% des accidents routiers et sont responsables de 49% de mortalité, les fractures thoraciques étant la cause principale de décès. Les modèles en éléments finis du corps humain sont un outil important pour la simulation de chocs réels et la prédiction des risques d'endommagement. Cette thèse a permis de développer un modèle simple en éléments finis de la cage thoracique suffisamment souple d'utilisation et facilement paramétrable. Ce modèle est validé expérimentalement avant d'être utilisé pour une étude paramétrique. Cette étude a permis de caractériser l'influence de différents paramètres structurels et géométriques sur le comportement de la cage thoracique sous chargement dynamique. Le travail réalisé au cours de cette thèse est divisé en trois parties : Modélisation de la cage thoracique entière avec des éléments finis de type poutre dont les propriétés mécaniques sont déterminées à partir d'essais de flexion trois points sur des segments de côtes et complétées par des éléments de la littérature, Validation du modèle dont les résultats sont suffisamment proches des résultats des essais de chargement dynamique antéro-postérieur menés par Vezin et Berthet [Vez09], Etude paramétrique sur l'influence paramètres, géométrie des sections droites et géométrie globale de la cage thoracique (inclinaison des côtes, forme et taille globale de la cage thoracique). A partir de cette étude nous trouvons que le module d'Young et l'épaisseur du cortical ont une influence identique sur la raideur globale de la cage thoracique ainsi que sur la rotation et la déformation des côtes. Avec l'augmentation de ces deux paramètres la rigidité du thorax augmente et le taux de compression maximal diminue. D'autre part les côtes tournent plus et se déforment moins. La raideur des liaisons costo-verterbales a une influence directe sur la rotation latérale qui diminue avec l'augmentation de cette raideur alors que les déformations augmentent ; tandis que la raideur globale de la cage thoracique est légèrement modifiée. L'inclinaison des côtes est le facteur ayant la plus grande influence sur la déformation des côtes et donc sur le risque d'endommagement : plus les côtes sont proches de la direction de chargement la raideur de la cage thoracique augmente et la déformation des côtes augmente.

Ce travail est issu de plusieurs constats. Premièrement, il est admis aujourd’hui que la capacité à percevoir et à retirer les informations visuelles les plus pertinentes d’une action adverse est un facteur déterminant de la performance sportive et ce d'autant plus si l'action est incertaine et faussée. Le second constat, découlant du premier, est que la tromperie est mise en jeu dans bon nombre d'interactions humaines, mais qu'elle est particulièrement déterminante et prépondérante dans lecadre des stratégies sportives. Enfin, le dernier constat est que l'exploration de la performance sportive, pour des raisons méthodologiques ou théoriques, ne permet pas dans certains cas d'expliquer pourquoi un expert est meilleur qu'un novice.L’objectif de notre travail est de comprendre ces déterminants (perceptivo-moteurs) de l'expertise lors d’un duel 1 vs. 1 en rugby présentant une tentative de feinte de l’attaquant. Nous résumons ce travail en trois questions concrètes auxquelles nous répondons: Comment réaliser une feinte de corps en rugby? Comment la détecter? Comment y faire face? La première étude s'attache à analyser les différences biomécaniques observables entre un mouvement de simple changement de direction et un mouvement de feinte de corps en rugby. La seconde étude, en immersion virtuelle, met en lien les informations prospectives émanant des mouvements de feinte et la prise de décision du défenseur de rugby (expert ou novice). Enfin, en se basant sur une méthodologie quasi similaire, la troisième étude vient immerger les participants dans une situation complète de défense, nous permettant d'explorer leur stratégie perceptivo-motrice. L'ensemble de ce processus nous permet de témoigner de l'effet de l'expertise mais surtout d'expliquer pourquoi l'expert est meilleur en dressant les différences de stratégie perceptivo-motrice le caractérisant. Si les implications concernent majoritairement le domaine du rugby (connaissances fondamentales et entrainement), elles présentent au sens plus large, un éclairage justifié et démontré des processus mis en jeu lors de toute interaction, humaine ou animal, sollicitant la tromperie. Nous en sommes persuadés; un prédateur animal, un joueur de poker, un défenseur de basket... se doivent deprésenter des stratégies quasi-similaires pour détecter l'intention de bluff chez l'opposant / This work comes from several observations. First, it is now accepted that the ability to pick up and attend to the most relevant visual information from an opponent action is a determinant of performance and even more so if the action is uncertain and deceptive. The second observation, deriving from the first, is that deception is put into play in many human interactions, and it is particularly crucial in sports strategies. Finally the last observation is that exploration of athletic performance, for methodological or theoretical reasons, can’t explain, in certain cases, why an expert is better than a novice.The aim of our work is to understand these determinants (perception and action) of expertise in a 1 vs. 1 duel in rugby, presenting an attempt of deceptive movement by the attacker. We summarize this work in three specific questions we answer: How to make a deceptive movement? How to detect a deceptive movement? How to answer to a deceptive movement? The first study aims to analyse the biomechanical differences between a movement with a simple changeof direction and a deceptive movement in rugby. The second study, using virtual reality, links the prospective information of the attacker’s movement and the decision making of the rugby defender (expert or novice). Finally, based on a quasi-similar methodology, the third study immerses the participants in a situation requiring a complete action of defence, allowing us to explore the perception and action strategies of the participants. This whole process allows us to demonstrate the effectof expertise but also to explain why experts are better by drawing up the differences characterizing them in terms of perception and action strategies. If the implications mainly concern the field of rugby (basic knowledge and training), they are also of great interest for any interaction, human or animal, involving deception. We are convinced, a predatory animal, apoker player, a defender of basketball ... must present similar strategies to detect the deceptive intention of an opponent

L'objectif de ce travail est d'élaborer un modèle d'évaluation musculaire adapté à l'étude de patients, afin de déterminer les relations existantes entre la musculature du tronc, un trouble postural et les surcharges rachidiennes. Dans cet objectif, un premier chapitre s'attache à présenter le problème (anatomie fonctionnelle et formulation mécanique), puis une revue de littérature est proposée afin d'identifier les différents modèles et protocoles d'acquisition des données proposés par différents chercheurs. Dans le chapitre III, un modèle de régulation musculaire est proposé, fondé sur l'hypothèse que le système musculaire est un système de régulation permettant de maintenir les efforts rachidiens en deçà de seuils mécaniquement admissibles. Ce modèle, par plan de coupe au niveau de la liaison intervertébrale considérée, est comparé à d'autres de la littérature et se révèle pertinent, notamment du fait de sa capacité à proposer des configurations musculaires régulant en particulier les efforts de cisaillement. Une exploitation préliminaire permet d'apprécier les potentialités de cette approche. Le chapitre IV aborde l'acquisition clinique tridimensionnelle des données d'entrée personnalisées des sujets pour ce modèle de régulation musculaire. Nous proposons un protocole adapté au contexte clinique (rapide et peu invasif), qui permet d'obtenir, sur la base d'une stéréoradiographie (couplée à une mesure des pressions plantaires et à des photos des membres inférieurs) le torseur des efforts de la partie haute sur la partie basse, les géométries musculaires volumiques personnalisées (à partir de 9 coupes IRM), ainsi que les contraintes admissibles maximum des muscle.

Ce travail est issu de plusieurs constats. Premièrement, il est admis aujourd'hui que la capacité à percevoir et à retirer les informations visuelles les plus pertinentes d'une action adverse est un facteur déterminant de la performance sportive et ce d'autant plus si l'action est incertaine et faussée. Le second constat, découlant du premier, est que la tromperie est mise en jeu dans bon nombre d'interactions humaines, mais qu'elle est particulièrement déterminante et prépondérante dans lecadre des stratégies sportives. Enfin, le dernier constat est que l'exploration de la performance sportive, pour des raisons méthodologiques ou théoriques, ne permet pas dans certains cas d'expliquer pourquoi un expert est meilleur qu'un novice.L'objectif de notre travail est de comprendre ces déterminants (perceptivo-moteurs) de l'expertise lors d'un duel 1 vs. 1 en rugby présentant une tentative de feinte de l'attaquant. Nous résumons ce travail en trois questions concrètes auxquelles nous répondons: Comment réaliser une feinte de corps en rugby? Comment la détecter? Comment y faire face? La première étude s'attache à analyser les différences biomécaniques observables entre un mouvement de simple changement de direction et un mouvement de feinte de corps en rugby. La seconde étude, en immersion virtuelle, met en lien les informations prospectives émanant des mouvements de feinte et la prise de décision du défenseur de rugby (expert ou novice). Enfin, en se basant sur une méthodologie quasi similaire, la troisième étude vient immerger les participants dans une situation complète de défense, nous permettant d'explorer leur stratégie perceptivo-motrice. L'ensemble de ce processus nous permet de témoigner de l'effet de l'expertise mais surtout d'expliquer pourquoi l'expert est meilleur en dressant les différences de stratégie perceptivo-motrice le caractérisant. Si les implications concernent majoritairement le domaine du rugby (connaissances fondamentales et entrainement), elles présentent au sens plus large, un éclairage justifié et démontré des processus mis en jeu lors de toute interaction, humaine ou animal, sollicitant la tromperie. Nous en sommes persuadés; un prédateur animal, un joueur de poker, un défenseur de basket... se doivent deprésenter des stratégies quasi-similaires pour détecter l'intention de bluff chez l'opposant