Les études statistiques d'accidents montrent que la tête est le segment corporel le plus vulnérable lors d'un accident (chocs piétons, chocs deux-roues et chocs latéraux). Pour enrichir les modèles virtuels d'être humain et développer de nouveaux outils de prédictions lésionnelles, ce travail propose une série d'expérimentations afin d'obtenir les propriétés mécaniques homogénéisées de l'os du crâne humain (pas de distinction entre l'os cortical et spongieux).<br />Des essais ont été réalisés sur 20 SHPM (Sujet Humain Post Mortem) « frais ». Un protocole spécifique a été développé afin de prélever 19 éprouvettes par crâne. Au total, 380 échantillons ont été testés en flexion trois points. Les courbes effort/déplacement ont servi de référence pour l'identification du comportement élastique. De nombreuses relations par zones et orientations osseuses ont été obtenues.<br />Des essais de cyclage dans la zone élastique ont été réalisés sur 105 échantillons prélevés sur 7 SHPM congelés. L'effet de la vitesse de sollicitation a été étudié. Cette seconde campagne permet de comparer les éprouvettes en fonction de leur mode de conservation. Une corrélation a été mise en évidence et a permis d'extrapoler le module d'élasticité à l'état « frais » d'un SHPM testé congelé.<br />Ces deux campagnes d'essais ont permis d'aboutir à une corrélation entre le module d'élasticité équivalent et les propriétés géométriques (épaisseur et densité) d'un SHPM « frais ».<br />Les derniers travaux ont porté sur le développement d'un nouveau prototype de tête. Pour cela, 7 calottes, provenant de SHPM congelés, ont été testées en compression. Les propriétés élastiques du prototype sont issues des campagnes expérimentales précédentes et présentent une distinction entre chaque zone. Ce prototype a été validé par des essais statiques et dynamiques en compression dans différentes zones osseuses.

Le développement et la médiatisation du sport de haut niveau, notamment en fauteuil roulant, ont changé l 'image du handicap et favorisé le développement d'infrastructures permettant la pratique handisport, reconnue comme bénéfique pour la santé physique et psychique des personnes handicapées...Dans ce contexte, en partenariat avec un joueur de tennis fauteuil de haut niveau, l'objet de ces travaux a été d'étudier l'influence des réglages du fauteuil roulant sur son comportement en match, afin de l'optimiser pour le sport concerné. Ces travaux se concentrent d'abord sur les résistances au mouvement, en particulier dans les paliers des roues, lors du roulement en ligne droite et en rotation. La méthode consiste à créer d'abord un modèle mécanique représentatif du mouvement pour ensuite le valider avec une série d'expérimentations et l'exploiter. L'étude du sportif en mouvement sur son fauteuil a nécessité l'adaptation d'un modèle volumique à une personne assise, avec estimation des paramètres inertiels par mesures rapides. Ce modèle a été appliqué à l'étude de la propulsion à vitesse maximale, pour vérifier l'influence de la position du siège sur ce mouvement. Enfin une étude expérimentale des paramètres influant sur la rotation du fauteuil a mis en avant la forte influence de la position du centre de gravité du sujet sur la rotation, corroborée par un modèle mécanique.Les résultats issus de ces travaux ont permis de mieux comprendre les influences des réglages sur le comportement du fauteuil, de modifier certains réglages pour le sportif et d'orienter la conception d'un nouveau fauteuil. Ces études ont par ailleurs eu des retombées sur les fauteuils conventionnels et entre temps, notre sportif est devenu N°1 mondial...

Le remodelage osseux est un processus qui permet le renouvellement du tissu osseux tout au long de la vie des individus (Toppets et al. 2004). Il est bien connu que le remodelage est influencé à la fois par l’environnement mécanique (charges, activités) et par les besoins métaboliques (Pearson et Lieberman 2004; Rosas et Martinez-Maza 2010). Cependant, les effets des charges mécaniques sur le remodelage osseux restent encore peu compris (Lad and al. 2016; Pfeiffer and al 2006). Cette étude a pour but d’évaluer les réponses microscopiques des os aux charges mécaniques. L’échantillon étudié correspond à des paires de seconds métacarpes, issues de deux populations d’origine géographique distinctes (n=103, 55 Euro-Canadiens et 48 Inuits). À partir de section en coupe provenant de la mi-diaphyse, les lames minces ont été analysées selon quatre quadrants anatomiques : antérieur, médial, postérieur et latéral. Afin de contrôler les facteurs non mécaniques qui influencent le remodelage (tels l’âge) l’asymétrie entre les paires des métacarpes est calculée pour toutes les variables étudiées. Les charges sont estimées par les valeurs d’asymétrie de trois variables biomécaniques macroscopiques : Imax, Imin et J. Les asymétries de la densité de population des ostéons (OPD), de l’aire moyenne des ostéons et des canaux de Havers furent calculées pour estimer la réponse osseuse microscopique. De plus, il fut testé l’effet de la densité de population des ostéons sur leur aire moyenne. Les résultats démontrent que la densité d’ostéons diminue pour certains groupes (chez les hommes de St Thomas, r = - 0,412 et les femmes Inuits r = -0,547), et que les aires moyennes des ostéons et des canaux de Havers augmentent dans le quadrant antérieur du métacarpe le plus chargé (chez St-Thomas r = 0,297). De plus, il existe une relation négative entre l’augmentation de la densité d’ostéons et leur aire moyenne, dans le quadrant postérieur des femmes de St Thomas (r = -0,496). En conclusion, les charges mécaniques ont un impact sur la microstructure de l’os, rendant possible l’étude des charges à travers l’analyse histomorphologique du tissu osseux. / Bone remodeling is the process by which the skeleton can be renewed throughout the life of individuals (Toppets and al. 2004). It is well known that bone remodeling is a function of both mechanical (loads, activities) and non-mechanical factors such as metabolic needs of the bone (Pierson and Lieberman 2004; Rosas and Martinez-Maza 2010). However, the effects of mechanical environment on bone remodeling still remain poorly understood (Lad and al. 2016; Pfeiffer and al. 2006). This study aims to evaluate the microscopic bone responses to mechanical loading. The sample analyzed represents pairs of second metacarpal from two genetically separated populations (n=103, 55 Euro-Canadiens and 48 Inuits). From mid-shaft sections, thin sections were analyzed using four anatomical quadrants: anterior, medial, posterior and lateral. In order to control the influence of non-mechanical factors on bone remodeling, the asymmetry between pairs of metacarpals is calculated for each variable studied. Mechanical loading is estimated from the asymmetry values of three macroscopic biomechanical variables: Imax, Imin and J. Besides, asymmetries of osteon population density (OPD), mean areas of osteons and Havers canals were measured to estimate the microscopic bone response. Furthermore, it was tested the effect of osteon population density on osteon area. Results show that osteon population density decreases in some groups (in St-Thomas men r = - 0,412 and Inuit women r = -0,547), and the mean area of osteon and Havers canals increase in the more loaded side (in St-Thomas r = 0,297). In addition, there is a negative relationship between increased density of osteons and their mean areas in the posterior quadrant in St-Thomas women (r = -0,496). In conclusion, mechanical loading seems to have an impact on bone microstructure, making possible the inference of mechanical loadings through the study of bone histomorphology.

La masse corporelle et la direction des charges sont des facteurs qui peuvent modifier la morphologie des surfaces articulaires qui sont généralement orientées et de taille suffisante pour résister aux charges chroniques. Chez les hominoïdes, les forces de tension et compression, générées par la locomotion, sont transmises à travers l’articulation du coude. Ces espèces ont une morphologie similaire de l’extrémité distale de l’humérus, mais qui présente certaines différences selon la taille des individus et leurs modes de locomotion. Ce projet tente de caractériser plus exhaustivement cette variation en analysant la largeur des surfaces articulaires ainsi que leur position et orientation par rapport à l’axe long de la diaphyse. La prémisse de ce mémoire est que, chez les espèces plus arboricoles, la morphologie de l’articulation distale de l’humérus répond aux stress transverses générés par les puissants muscles fléchisseurs du poignet et des doigts qui traversent le coude obliquement. En revanche, les espèces plus terrestres présentent une morphologie permettant de résister aux forces axiales provenant du contact avec le sol. Des coordonnées tridimensionnelles et des mesures linéaires ont été recueillies sur un échantillon squelettique d’individus des genres Homo, Pan, Gorilla et Pongo. Les résultats obtenus révèlent que l’orientation et la position des surfaces articulaires de la trochlée correspondent aux types de locomotion, or leur taille et celle et du capitulum semblent être influencées par la taille des individus. L’hypothèse suggérant que les stress reliés aux divers modes de locomotion des hominoïdes influencent la morphologie de l’articulation distale de l’humérus est donc supportée. / In hominoids, tensile and compressive forces generated by locomotion and upper-limb use are transmitted through the elbow joint. It has been noticed that the distal humerus of hominoid is morphologically very similar across species. However, some studies have suggested that articular shape varies in relation to size and locomotor modes. This project is an attempt to characterize more thoroughly distal humeral variation in hominoids. It considers the humeral trochlea not only as a structure by itself, as it has been done before, but as an articulation that varies in orientation relative to the diaphysis. Indeed, there is evidence that articulations have a minimum size and are generally oriented to better resist habitual loads. This project tested the hypothesis that predominantly arboreal species are expected to present joints that have a size, position and orientation of articular surfaces to better resist shear loads generated by the strong finger and wrist flexor muscles crossing the elbow obliquely. Consequently, predominantly terrestrial species should present articulations shape and orientation that are better to resist axial load generated by ground reaction forces. Ten landmarks and two linear measurements were taken from a skeletal sample including specimens from the Homo, Pan, Gorilla and Pongo genus. Results show that orientation and position of humeral trochlea joint surfaces correlate with locomotor modes and that length of the articular surfaces seems to be better correlated with size. The main hypothesis suggesting that stress related to locomotion in hominoids should influence the morphology of distal humeral joints is therefore supported.

Cette étude a pour but de tester si l’ajout de variables biomécaniques, telles que celles associées à la morphologie, la posture et l’équilibre, permet d’améliorer l’efficacité à dissocier 29 sujets ayant une scoliose progressive de 45 sujets ayant une scoliose non progressive. Dans une étude rétrospective, un groupe d’apprentissage (Cobb: 27,1±10,6°) a été utilisé avec cinq modèles faisant intervenir des variables cliniques, morphologiques, posturales et d’équilibre et la progression de la scoliose. Un groupe test (Cobb: 14,2±8,3°) a ensuite servit à évaluer les modèles dans une étude prospective. Afin d’établir l’efficacité de l’ajout de variables biomécaniques, le modèle de Lonstein et Carlson (1984) a été utilisé à titre d’étalon de mesures. Le groupe d’apprentissage a été utilisé pour développer quatre modèles de classification. Le modèle sans réduction fut composé de 35 variables tirées de la littérature. Dans le modèle avec réduction, une ANCOVA a servit de méthode de réduction pour passer de 35 à 8 variables et l’analyse par composantes principales a été utilisée pour passer de 35 à 7 variables. Le modèle expert fut composé de huit variables sélectionnées d’après l’expérience clinque. L’analyse discriminante, la régression logistique et l’analyse par composantes principales ont été appliquées afin de classer les sujets comme progressifs ou non progressifs. La régression logistique utilisée avec le modèle sans réduction a présenté l’efficience la plus élevée (0,94), tandis que l’analyse discriminante utilisée avec le modèle expert a montré l’efficience la plus faible (0,87). Ces résultats montrent un lien direct entre un ensemble de paramètres cliniques et biomécaniques et la progression de la scoliose idiopathique. Le groupe test a été utilisé pour appliquer les modèles développés à partir du groupe d’apprentissage. L’efficience la plus élevée (0,89) fut obtenue en utilisant l’analyse discriminante et la régression logistique avec le modèle sans réduction, alors que la plus faible (0,78) fut obtenue en utilisant le modèle de Lonstein et Carlson (1984). Ces valeurs permettent d’avancer que l’ajout de variables biomécaniques aux données cliniques améliore l’efficacité de la dissociation entre des sujets scoliotiques progressifs et non progressifs. Afin de vérifier la précision des modèles, les aires sous les courbes ROC ont été calculées. L’aire sous la courbe ROC la plus importante (0,93) fut obtenue avec l’analyse discriminante utilisée avec le modèle sans réduction, tandis que la plus faible (0,63) fut obtenue avec le modèle de Lonstein et Carlson (1984). Le modèle de Lonstein et Carlson (1984) n’a pu séparer les cas positifs des cas négatifs avec autant de précision que les modèles biomécaniques. L’ajout de variables biomécaniques aux données cliniques a permit d’améliorer l’efficacité de la dissociation entre des sujets scoliotiques progressifs et non progressifs. Ces résultats permettent d’avancer qu’il existe d’autres facteurs que les paramètres cliniques pour identifier les patients à risque de progresser. Une approche basée sur plusieurs types de paramètres tient compte de la nature multifactorielle de la scoliose idiopathique et s’avère probablement mieux adaptée pour en prédire la progression. / The purpose of this study is to examine whether the addition of biomechanical variables, such as variables associated with morphology, posture and balance, produce an increase in dissociation efficiency of 29 subjects with progressive scoliosis from 45 subjects with non progressive scoliosis. In a retrospective study, a learning group (Cobb: 27,1±10,6°) was used with five models comprising clinical, morphological, postural and balance variables and scoliosis progression. A testing group (Cobb: 14,2±8,3°) was then used to evaluate the models in a prospective study. In order to establish the efficiency of the addition of biomechanical variables, Lonstein and Carlson’s (1984) model was used as a reference. The learning group was used to develop four classification models. The model without reduction was composed of 35 variables taken from the literature. In the model with reduction, an ANCOVA served as a reduction method to go from 35 to 8 variables and principal component analysis was used to go from 35 to 7 variables. The expert model was composed of eight variables selected according to clinical experience. Discriminant analysis, logistic regression and principal component analysis were applied in order to classify the subjects as progressive or non progressive. Logistic regression used with the model without reduction presented the highest efficiency (0,94), whereas discriminant analysis used with the expert model showed the lowest efficiency (0,87). These results show a direct relation between a group of clinical and biomechanical parameters and idiopathic scoliosis progression. The testing group was used to apply the models developed from the learning group. The highest efficiency (0,89) was obtained with the use of discriminant analysis and logistic regression and the model without reduction, as the lowest (0,78) was obtained with the use of Lonstein and Carlson’s (1984) model. These values suggest that the addition of biomechanical variables to clinical data increases dissociation efficiency between progressive and non progressive scoliotic subjects. In order to verify the precision of the models, the area under the ROC curve was calculated. The largest area under the ROC curve (0,93) was obtained with the discriminant analysis used with the model without reduction, whereas the lowest (0,63) was obtained with Lonstein and Carlson’s (1984) model. Lonstein and Carlson’s (1984) model could not separate the positive cases from the negative cases with the same amount of precision compared with the biomechanical models. The addition of biomechanical variables to clinical data allowed increasing dissociation efficiency between progressive and non progressive scoliotic subjects. These results suggest that factors other than clinical parameters can identify patients at risk of progression. An approach based on many types of parameters takes into account the multi-factorial nature of idiopathic scoliosis and appears to be better adapted to predict it’s progression.

L'objectif de ce travail est d'identifier les paramètres inertiels segmentaires humains, c’est-à-dire la masse, la position du centre de masse et la matrice d’inertie de ces segments. Ces paramètres, au nombre de dix par segment, constituent une donnée d'entrée indispensable aux calculs de dynamique inverse utilisés dans les études de biomécanique. Bien qu'il existe des méthodes pour avoir accès à ces paramètres par le biais de tables anthropométriques ou le calcul des volumes segmentaires, l'identification apparaît nécessaire dès lors que les sujets étudiés sont atypiques (handicapés physiques, femmes enceintes, sportifs présentant des hypertrophies musculaires). L'originalité de ce travail est de proposer une approche mixte dans l'écriture du problème d'identification combinant une formulation vectorielle et matricielle des équations du mouvement d’un système poly-articulé supposé rigide, qui ont déjà été établies au sein de l'équipe dans les travaux de thèse de Tony Monnet. La première permet d’identifier les masses et les centres de masse segmentaires. La deuxième permet d’identifier, elle, les matrices d’inertie segmentaires. Les paramètres d’entrée de cette méthode d’identification sont les matrices rotations segmentaires, leurs dérivées secondes, les accélérations segmentaires, ainsi que le torseur externe. Si ce dernier est directement mesuré par une plateforme de force, les autres grandeurs sont obtenues après des opérations sur la mesure de la cinématique segmentaire du sujet obtenue par un système opto-électronique. Ce système mesurant la cinématique du sujet grâce à des marqueurs cutanés, cette cinématique diffère de la cinématique théorique obtenue si les segments sont rigides, du fait des mouvements des masses molles. Ce travail a donc porté sur le calcul d’une matrice rotation optimale, basée sur une transformation matérielle décrivant le mouvement segmentaire.De plus les mouvements des masses molles ainsi que les instruments de mesure induisent un bruit dans les signaux cinématiques. Du fait de la double dérivation de ces signaux pour le calcul des accélérations segmentaires et des dérivées secondes des matrices rotations, ce bruit devient prépondérant sur le signal porteur. Ce travail a donc également porté sur le filtrage à effectuer pour atténuer ces bruits. Cinq filtres utilisés dans la littérature (filtre de Butterworth, lissage de Savitsky-Golay, moyenne glissante, lissage par spline et analyse spectrale) ont été implémentés et leurs effets sur les paramètres inertiels identifiés ont été comparés. Les résultats montrent que les paramètres identifiés avec la méthode vectorielle ne nécessitent pas de traitement. L’identification des matrices d’inertie nécessite, elle, un traitement et le lissage optimal est obtenu avec le moyenne glissante.Enfin, une modélisation du membre supérieur par une chaîne cinématique a également été implémentée afin de rigidifier la cinématique acquise. Les premiers résultats ne sont pas satisfaisants mais le modèle retenu peut être affiné avant de conclure sur l’intérêt de cette modélisation pour l’identification des paramètres inertiels. Finalement, l’approche mixte développée permet l'identification des dix paramètres inertiels des segments du corps humain. La méthode a été validée en identifiant les paramètres inertiels des segments constituant le membre supérieur de dix huit sujets. Les paramètres obtenus ont ensuite été comparés à ceux issus d’une table anthropométrique. Les résultats montrent que les paramètres identifiés sont très proches de ceux estimés. Cela montre donc que l’identification des paramètres inertiels est fiable et permet d’avoir accès aux paramètres inertiels de sujets atypiques, pour qui les tables anthropométriques ne sont pas disponibles. / The aim of this thesis is the identification of body segment inertial parameters (BSIP), i.e. the segment mass, center of mass location and inertia tensor. Those ten parameters per segment are a mandatory input for inverse kinetics methods which are widely used in biomechanics studies. Despite the fact that methods exist to estimate them from anthropometric tables or segment volumes measurements, identification is useful when subjects are atypical (such as disabled people, pregnant women or athletes with muscular hypertrophies). The originality of this work is to use a mixed approach to write the identification problem, combining a vectorial and a matrix formulations of rigid multi-body motion equations, based on previous work did in the RoBioSS axis by Tony Monnet during his PhD. The first one permit to identify segmental masses and center of mass locations. The second one identifies segmental inertia tensors.Inputs of identification algorithm are rotation matrices, their second derivatives, segmental accelerations, and external torsor. Even though this external torsor is directly measured with a force plate, the others inputs are derived from kinematics measurements performed by an optoelectronical device. This device measures kinematics with skin mounted markers tracked by cameras, and the obtained kinematics deviate from the theoretical kinematics of rigid bodies, because of the soft tissues artefacts. In order to deal with these artefacts an optimal rotation matrix computation, based on material transformation, has been performed.Also, noise appears during measurement because of the soft tissues artefacts and the measure device. When double numerical derivatives are applied, this noise becomes greater than the carrier signal. In order to deal with it, five filters, i.e. Butterworth filter, Savitsky-Golay smoothing, sliding average window, spline smoothing and singular spectrum analysis, taken from literature have been implemented and compared. Results show that BSIP identify from vectorial formulation didn’t need any filtering. On the other hand, inertia tensors identification needed smoothed inputs and the best way to smooth them was the sliding average window.Finally, a kinematic chain model of the upper limb has been implemented to rigidify the kinematics. Preliminary results aren’t satisfying but the chain model can be improved before assuming kinematic chain aren’t well suited to enhance BSIP identification. Ultimately, the developed mixed approach has been validated by upper limb inertial parameters identification of eighteen subjects. Identified inertial parameters have also been compared with ones estimated with an anthropometric table. The conclusion is that the identified parameters were very close to the estimated ones, which shows that identification will be reliable to estimate inertial parameters of atypical subjects for whom anthropometric tables aren’t available.

Un modèle tridimensionnel du visage a été élaboré, dans la perspective de contribuer à l'étude de questions importantes sur le contrôle moteur de la production de la parole. Ce modèle est construit sur un maillage constitué d'éléments hexahédraux et de clavettes, qui comporte 3 couches distinctes et est symétrique par rapport au plan medio-sagittal. Les muscles faciaux sont représentés dans le maillage par un sous-ensemble d'éléments contigus. Les propriétés élastiques des éléments du maillage sont décrites par une loi de comportement de type isotrope quasi incompressible et hyperélastique. Dans une première phase de ce travail, pour étudier les conséquences globales de l'activation des muscles oro-faciaux sur les mimiques faciales et les gestes labiaux, et plus particulièrement sur les gestes labiaux en parole, un modèle linéaire de muscle a été élaboré. L'influence des variations de la raideur des tissus mous sur les gestes faciaux a été étudiée. En effet, l'activation des muscles entraîne un raidissement des tissus mous musculaires concernés. Cet effet est pris en compte dans le modèle de muscle par un changement de la loi de comportement hyperélastique avec l'activation musculaire. Une attention particulière a été portée dans cette étude à la production du geste de protrusion/arrondissement des lèvres qui est un geste fondamental dans la production des voyelles arrondies, en particulier en Français. Nous montrons que le raidissement des tissus mous musculaires facilite la production précise de ce geste grâce à l'existence d'un effet de saturation dans la relation entre les activations musculaires et les paramètres géométriques des lèvres qui sont pertinents acoustiquement. Ce résultat souligne l'importance des propriétés dynamiques des articulateurs dans la production des gestes de la parole, et il nous a incités à améliorer encore la modélisation de la source principale de force en production de la parole, c'est-à-dire les muscles. C'est pourquoi, un modèle de muscles plus réaliste a été élaboré qui se fonde sur une loi de comportement transversalement isotrope quasi incompressible et hyperélastique et sur un modèle de muscle de type Hill. Ce modèle a été implémenté dans le logiciel éléments finis ANSYS® grâce à sa fonction de programmation USERMAT. La prise en compte supplémentaire d'une loi caractéristique force-vitesse a permis la modélisation complète d'un modèle de muscle de type Hill. Ceci a été fait sous ANSYS® grâce à sa fonction de programmation USERELEM. Cette loi caractéristique force-vitesse introduit un effet d'amortissement dans le mouvement du muscle du fait d'une atténuation croissante de la force musculaire lorsque la vitesse de compression du muscle augmente. Ce nouvel élément de type muscle a été conçu de manière telle qu'il est possible d'implémenter d'autres modèles de muscles que le modèle de type Hill. C'est pourquoi nous avons aussi implémenté le modèle de Feldman, qui a été utilisé de manière importante à Gipsa-lab dans les dernières années. L'intégration du modèle de Feldman dans une structure à éléments finis a nécessité une reformulation de façon à le rendre compatible avec une modélisation distribuée. Les modèles de Hill et de Feldman ont ensuite été incorporés dans le modèle de visage pour remplacer le modèle linéaire initial. Dans ces conditions les premières simulations du geste de protrusion/arrondissement labial ont donné des résultats réalistes. Finalement une comparaison des résultats obtenus avec le modèle de Hill avec ceux qui génère le modèle de Feldman montrent que les formes labiales finales sont très similaires pour les deux modèles. / Un modèle tridimensionnel du visage a été élaboré, dans la perspective de contribuer à l'étude de questions importantes sur le contrôle moteur de la production de la parole. Ce modèle est construit sur un maillage constitué d'éléments hexahédraux et de clavettes, qui comporte 3 couches distinctes et est symétrique par rapport au plan medio-sagittal. Les muscles faciaux sont représentés dans le maillage par un sous-ensemble d'éléments contigus. Les propriétés élastiques des éléments du maillage sont décrites par une loi de comportement de type isotrope quasi incompressible et hyperélastique. Dans une première phase de ce travail, pour étudier les conséquences globales de l'activation des muscles oro-faciaux sur les mimiques faciales et les gestes labiaux, et plus particulièrement sur les gestes labiaux en parole, un modèle linéaire de muscle a été élaboré. L'influence des variations de la raideur des tissus mous sur les gestes faciaux a été étudiée. En effet, l'activation des muscles entraîne un raidissement des tissus mous musculaires concernés. Cet effet est pris en compte dans le modèle de muscle par un changement de la loi de comportement hyperélastique avec l'activation musculaire. Une attention particulière a été portée dans cette étude à la production du geste de protrusion/arrondissement des lèvres qui est un geste fondamental dans la production des voyelles arrondies, en particulier en Français. Nous montrons que le raidissement des tissus mous musculaires facilite la production précise de ce geste grâce à l'existence d'un effet de saturation dans la relation entre les activations musculaires et les paramètres géométriques des lèvres qui sont pertinents acoustiquement. Ce résultat souligne l'importance des propriétés dynamiques des articulateurs dans la production des gestes de la parole, et il nous a incités à améliorer encore la modélisation de la source principale de force en production de la parole, c'est-à-dire les muscles. C'est pourquoi, un modèle de muscles plus réaliste a été élaboré qui se fonde sur une loi de comportement transversalement isotrope quasi incompressible et hyperélastique et sur un modèle de muscle de type Hill. Ce modèle a été implémenté dans le logiciel éléments finis ANSYS® grâce à sa fonction de programmation USERMAT. La prise en compte supplémentaire d'une loi caractéristique force-vitesse a permis la modélisation complète d'un modèle de muscle de type Hill. Ceci a été fait sous ANSYS® grâce à sa fonction de programmation USERELEM. Cette loi caractéristique force-vitesse introduit un effet d'amortissement dans le mouvement du muscle du fait d'une atténuation croissante de la force musculaire lorsque la vitesse de compression du muscle augmente. Ce nouvel élément de type muscle a été conçu de manière telle qu'il est possible d'implémenter d'autres modèles de muscles que le modèle de type Hill. C'est pourquoi nous avons aussi implémenté le modèle de Feldman, qui a été utilisé de manière importante à Gipsa-lab dans les dernières années. L'intégration du modèle de Feldman dans une structure à éléments finis a nécessité une reformulation de façon à le rendre compatible avec une modélisation distribuée. Les modèles de Hill et de Feldman ont ensuite été incorporés dans le modèle de visage pour remplacer le modèle linéaire initial. Dans ces conditions les premières simulations du geste de protrusion/arrondissement labial ont donné des résultats réalistes. Finalement une comparaison des résultats obtenus avec le modèle de Hill avec ceux qui génère le modèle de Feldman montrent que les formes labiales finales sont très similaires pour les deux modèles.

L'émergence Troubles Musculo-Squelettiques (TMS) en industrie constitue un véritable fléau ayant de lourdes conséquences socio-économique en France. Afin de réduire la pénibilité au travail et les risques TMS, les industriels s'engagent dans une politique de réaménagement des postes de travail par la mise en œuvre de moyens robotisés d'assistance aux opérateurs. Dans cette politique de prévention, le groupe PSA Peugeot Citroën aspire à utiliser des cobots et des exosquelettes comme dispositifs d'assistance pour améliorer les conditions de travail des opérateurs. Mais pour mettre en œuvre ces types de robot en usine, il est nécessaire de quantifier leurs apports ergonomiques. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse, dont l'objectif est de proposer une méthode d'évaluation de robots collaboratifs visant à être mis en œuvre dans les usines PSA Peugeot Citroën. Dans le cadre de ces travaux, nous avons utilisé l'exosquelette mono-bras droit ABLE, conçu par le CEA-LIST. A partir d'une analyse biomécanique d'une tâche de manipulation humaine, nous avons pu évaluer l'apport de l'exosquelette en termes de réduction de charge physique de l'utilisateur. Aussi avons-nous proposé dans ces travaux d'analyser les mécanismes neuromusculaires résultants du mouvement effectué en interaction avec l'exosquelette. Sur la base de la théorie du contrôle moteur humain et en utilisant une méthode d'optimisation inverse, les fonctions objectifs telles que jerk, le couple articulaire, ou l'énergie, caractérisant la tâche de manipulation humaine en termes d'efforts, de cinématique et de temps d'exécution, ont été identifiées. Cette meilleure compréhension du mouvement du membre supérieur humain a permis ensuite de revenir sur la conception de l'exosquelette afin de proposer une stratégie de commande optimisée à l'exécution de tâches de travail en environnement industriel. / The emergence of Musculo-Squelettal Disorders (MSD) in the industry is a real blight, having major socioeconomic consequences in France. In order to reduce work painfulness and MSD risks, some industries are committing to modifying workstations by assisting operators with robotic devices. Following this MSD prevention policy, PSA Peugeot Citroen aims to use cobots or exoskeletons as assistive devices to improve workers conditions. However, implementing this type of robot in factories requires quantifying their ergonomic benefit. In this context, the objective of this thesis is to develop a method to assess collaborative robot that are intended to be used in PSA Peugeot Citroen factories. In this framework, the right mono-arm ABLE exoskeleton, designed by the CEA-LIST has been used. With a biomechanical analysis of an industrial manipulation task, we have been able to assess the benefit of the exoskeleton in terms of physical load reduction. We also proposed in this work to assess neuromuscular mechanisms underlying the industrial task performed in interaction with the exoskeleton. On the basis of the human motor control theory and using an inverse optimisation method, objectives functions such as jerk, joint torque or energy that characterize the human manipulation task in terms of efforts, kinematics and execution time, have been identified. This improved understanding of human upper limb movements then allowed reviewing the exoskeleton design in order to propose an optimal command strategy adapted to the execution of industrial tasks.

La paralysie obstétricale du plexus brachial (POPB) est une parésie d’un ou des membres supérieurs causée le plus souvent par un étirement excessif des racines nerveuses à la naissance. Les enfants sans récupération complète garderont des séquelles à vie, comprenant une diminution de force et des mouvements, des déformations osseuses, impactant leurs activités quotidiennes. L'atteinte de l’épaule est la principale cause de morbidité. Les muscles gléno-huméraux sont au coeur de la pathologie de l’épaule. L’IRM permet l’évaluation de l’atteinte des muscles de l’épaule. Les volumes musculaires, intéressants du fait de leur corrélation avec la force, peuvent être obtenus par différentes techniques de segmentation dont les propriétés métrologiques sont inégales. Chez l’enfant avec POPB, l’utilisation d’une technique de segmentation sur un grand nombre de coupes a montré une atrophie variable des muscles glénohuméraux menant à des déséquilibres musculaires dans les trois plans de l’espace. Des corrélations entre les volumes musculaires et la force, significatives mais plus faibles que chez les enfants à développement typique étaient retrouvées. Du fait de l’atteinte osseuse et musculaire, la mobilité de l’articulation gléno-humérale est limitée. Dans une étude utilisant l’analyse quantifiée du mouvement, cette limitation, majeure en rotation externe d’épaule ainsi que des compensations au niveau de l’ensemble du membre supérieur ont été objectivées. La performance du mouvement était bonne. A partir des résultats obtenus différents objectifs et cibles thérapeutiques sont discutés. La lutte contre le déséquilibre musculaire rotateurs internes-externes apparaît comme une priorité. / Obstetric Brachial Plexus Palsy (OBPP) is the paralysis of one or both upper limbs. It is most often caused by excessive traction on cervical nerve roots during a difficult birth. The children without incomplete recovery will have long-term impairment, including loss of active and passive mobility, loss of strength, bony deformities, activity limitation and participation restriction. The loss of shoulder function is the main cause of morbidity in this population.Glenohumeral muscles involvement is a key element of the pathology of the shoulder. MRI allows evaluation of the shoulder muscle involvement. Muscle volumes in particular, well correlated with muscle strength, can be modified by different segmentation techniques whose metrological properties are unequal.In children with OBPP, the use of a segmentation technique on a large number of slices has shown a variable atrophy of the gleno-humeral muscles leading to three-dimensional muscular imbalances.Correlations between muscle volumes and strength were significant but lower than in children with typical development.Because of the bone deformity and muscle involvement, the mobility of the glenohumeral joint is limited. In a study using 3D motion analysis of the movement, this limitation, which is large in external shoulder rotation, as well as compensations on the whole upper limb, were shown. The performance of the movement was good.From these results, different objectives and therapeutic targets are discussed. Internal-external rotator muscular imbalance correction appears as a priority.

Le travail présenté dans ce manuscrit est l'aboutissement de trois différents projets sur le couplage entre la mécanique et la croissance. Le premier chapitre est une revue concernant la mécanique et l'élongation des cellules à parois, où l'accent est placé sur les travaux numériques. Le deuxième chapitre présente quelques modèles de la mécanique du développement avec plus de détails techniques. Le troisième chapitre est une étude de l'établissement et de la stabilisation de la polarité chez les spores de la levure à fission, un phénomène qui repose sur un couplage entre mécanique, polarité, et croissance. Le quatrième chapitre est une étude numérique d'un modèle chimio-mécanique de phyllotaxie chez les plantes. Les motifs d'hormone de croissance sont créés par l'intermédiaire d'une rétro-action entre la mécanique des cellules et le transport polaire de cette hormone. Nous nous sommes demandé si le champ à l'origine de la rétro-action est la déformation ou la contrainte, une question ignorée dans la plupart des travaux sur le couplage entre mécanique et biochimie. Le cinquième chapitre concerne aussi un couplage entre polarité et mécanique. Nous étudions la manière dont la contrainte générée par la croissance ou la courbure des tissus peut se substituer aux indications géométriques qui orientent les divisions cellulaires à l'apex de la tige. / The work presented here is the result of three different projects about the coupling of mechanics and growth. The first chapter is a review about mechanics and elongation of walled cells, focused on the computational studies. The second chapter presents some models of the mechanics of development with more technical details. The third chapter is a study of the establishment and stabilization of polarity in fission yeast spores, a phenomenon that relies on a coupling between mechanics, polarity, and growth. The fourth chapter is the computational study of a chemomechanical model of plant phyllotaxis. Patterns of growth hormone are achieved thanks to a feedback with cell mechanics and polar transport. We focused our attention on the question of stress- or strain-sensing, ignored in most other studies of the interaction between biochemistry and mechanics. The fifth chapter is also about a coupling between polarity and mechanics. We investigate how the mechanical stress generated by growth or curvature of the tissues can override the geometrical cues to orient the cell divisions in the shoot apical meristem.