Comprendre le mouvement humain mobilise des chercheurs de nombreuses disciplines scientifiques : physiologie, biomécanique, neurosciences comportementales, anatomie fonctionnelle, les sciences du sport... Mes travaux s'inscrivent donc dans une démarche pluridisciplinaire d'analyse/synthèse du mouvement humain. Pour mener à bien cette démarche, une première tâche consiste à modéliser et à simuler le système moteur ainsi qu'un ensemble d'hypothèses. L'objectif est de disposer d'une représentation numérique du problème. Les mouvements simulés doivent ensuite être confrontés à des données expérimentales pour valider à la fois les hypothèses, le modèle et la méthode de simulation. Mon travail s'organise en trois principales contributions qui entrent dans cette approche d'analyse/synthèse. La première contribution concerne le développement de nouvelles méthodes de modélisation et de simulation de mouvements permettant de tester des connaissances issues des sciences expérimentales. La méthode doit aussi être capable de calculer très rapidement des mouvements afin d'intégrer les personnages simulés dans des environnements interactifs, comme en réalité virtuelle, par exemple. Pour modéliser et simuler un mouvement naturel, il faut être capable de gérer des contraintes cinématiques (pour tenir compte de la géométrie de son environnement), cinétiques (pour gérer la répartition de ses masses dans l'espace), dynamiques (les lois de la mécanique s'appliquent évidemment aussi) et d'autres que nous regrouperons sous le terme de " style " (lié à des aspects psychologiques, sociologiques...). Nous avons proposé une nouvelle représentation du mouvement humain qui simplifie grandement la résolution de contraintes cinématiques et cinétiques à partir d'un mouvement initial (issu d'un système de mesures ou conçu manuellement). L'hypothèse est que les mouvements mesurés vérifient intrinsèquement la plupart des contraintes citées précédemment. Il est ensuite possible d'ajouter ou de modifier certaines de ces contraintes pour simuler l'adaptation du système moteur à de nouvelles situations. La deuxième contribution concerne la définition d'un protocole de validation des mouvements simulés. C'est un problème difficile car le mouvement humain implique un grand nombre de degrés de liberté et de pas de temps, ce qui conduit à un espace de dimension énorme. Comment ramener cela à une valeur unique de distance ? Les méthodes classiques utilisent des erreurs moyennes, des corrélations ou des correspondances temporelles entre courbes. Cependant, ces valeurs quantifiables ne reflètent pas toujours le réalisme des mouvements simulés si on demande à des sujets d'en juger la qualité. En réalité virtuelle, plusieurs travaux cherchent à évaluer la sensation d'être présent dans un environnement simulé. Nous avons donc proposé de juger du réalisme du mouvement en faisant interagir des sujets réels avec des entités simulées. Ces travaux ont été menés dans le cadre particulier du duel gardien-tireur mais pourraient être étendus à un cas plus général. La troisième contribution concerne une étude transversale de la locomotion bipède via une approche de type analyse/synthèse. L'objectif de ce travail est de déduire complètement un mouvement de locomotion à partir d'un ensemble de données anatomiques et d'hypothèses générales issues de la biomécanique et des neurosciences. Une application évidente concerne la cherche de locomotions possibles pour des espèces fossiles. Fondamentalement, le problème revient à gérer un espace très important de postures possibles à chaque pas de temps et à en extraire une séquence qui soit comparable à ce qu'une créature réelle aurait naturellement produit. Nos travaux ont donc abouti à un une plate-forme de tests d'hypothèses locomotrices (minimisation d'énergie, de la dérivée de l'accélération, de la distance à une posture de référence...). L'entrée principale de cette plate-forme est la description de l'anatomie de la créature et une série d'empreintes à suivre.

La localisation précise de la cible chirurgicale est essentielle pour réduire la morbidité au cours de l'exérèse chirurgicale d'une tumeur cérébrale. Lorsque les dimensions de la craniotomie sont importantes, une déformation des tissus mous du cerveau peut survenir au cours de l'intervention. Du fait de ce `brain-shift', les données pré-opératoires ne correspondent plus à la réalité et la neuronavigation s'en trouve fortement compromise. Afin de prendre en compte ces effets, nous proposons un système de navigation passive permettant de localiser les ancillaires par rapport à la position rectifiée des structures anatomiques. Avant l'intervention une angiographie par résonance magnétique (ARM) du cerveau du patient est acquise. Après installation au bloc opératoire, le volume ARM définissant la configuration initiale de l'arbre vasculaire cérébral est rigidement recalé par rapport à la tête du patient. Au cours de l'intervention, suite à une déformation importante du cerveau, le chirurgien effectue un balayage échographique Doppler de la région d'intérêt. L'arbre vasculaire initial est recalé élastiquement vers sa configuration déformée, segmentée dans les images US localisées, et le champ de déplacements résultant est ensuite étendu à l'ensemble du volume de l'organe par le biais d'un modèle biomécanique spécifique au patient. La déformation globale ainsi calculée permet de mettre à jour les données pré-opératoires et rectifier le planning chirurgical initial. Notre système fournit une réponse rapide, robuste et précise au chirurgien et lui offre la possibilité de valider la pertinence de la déformation calculée avant toute modification du planning.

Le présent travail s'inscrit dans le projet Européen SCOOP (Seat Comfort Optimisation Procedure), dont l'objectif principal est la mise en place d'outils et de procédures permettant l'amélioration du confort vibratoire des sièges automobiles.<br />L'imposition de vibrations à l'ensemble du corps peut être source d'inconfort ou de dommage pour la santé, suivant l'amplitude, la fréquence et la durée d'exposition. L'amélioration du confort et de la protection contre des environnements vibratoires sévères passe par la compréhension du comportement du corps humain. En position assise, le corps humain soumis à des vibrations verticales est marqué par deux phénomènes de résonance principaux. Les déformations associées à ces résonances sont imparfaitement connues, mais elles concernent le bassin, le rachis, la tête ainsi que les masses abdominales. De nombreux modèles du corps humain ont été développés, mais ils atteignent rapidement leurs limites, et ils ne permettent pas une prédiction complète de la réponse du corps humain.<br />Nous proposons dans ce travail un modèle par éléments finis, volumique, adaptable en terme de posture et d'anthropométrie. Ce modèle a été développé sur la base d'un travail antérieur sur la modélisation du corps humain en configuration de choc automobile. Le maillage du modèle reprend le squelette du tronc, les viscères ainsi que les muscles des cuisses, des épaules de l'abdomen et du thorax. Les membres et la tête sont modélisés par des corps rigides articulés. Le paramétrage anthropométrique du modèle est réalisé par krigeage des nœuds du maillage. Le modèle est validé pour deux postures distinctes, l'une avec dossier, l'autre sans. De nombreuses réponses ont été simulées, et comparées à des résultats expérimentaux. Une étude de l'influence des paramètres posturaux et des paramètres mécaniques a été réalisée pour tenter de comprendre les phénomènes, et d'expliquer les disparités interindividuelles observées expérimentalement.<br />Ce modèle, dont la validation doit être éprouvée, peut d'ores et déjà être utilisé comme un outil prédictif d'une partie de la réponse du corps humain soumis à des vibrations verticales en position assise.

L'ostéoporose est une maladie du squelette caractérisée par une dégradation de la qualité osseuse conduisant à une majoration du risque fracturaire. Le seul examen permettant actuellement de prédire ce risque est l'ostéodensitométrie à double rayonnement X (DXA) par la mesure de la densité minérale osseuse (DMO). Cependant, la DMO seule ne rend compte que de 40 à 70% de la variation de la résistance mécanique osseuse. Les 3 buts ce travail étaient : 1/ d'évaluer les rôles respectifs de la microarchitecture corticale et trabéculaire dans le comportement mécanique vertébral, 2/ d'évaluer le rôle propre de l'hétérogénéité de la microarchitecture trabéculaire et 3/ de décrire le comportement mécanique vertébral post-fracturaire et d'en identifier les déterminants. Nous montrons que la mesure de l'épaisseur de la corticale antérieure et de son rayon de courbure ainsi que la détermination de la variation régionale de la microarchitecture trabéculaire améliorent significativement la prédiction du risque fracturaire. Il existe une variation marquée du comportement mécanique vertébral après une fracture de grade 1 de Genant. La microarchitecture osseuse, et non la masse osseuse, explique les propriétés mécaniques vertébrales plastiques et élastiques post-fracturaires.

La texture des surfaces est tactilement perçue principalement par les vibrations générées lors du glissement de nos doigts sur celles-ci. Malgré sa prévalence quotidienne, l'étude de l'interaction du doigt avec une texture, dans le cadre de la réalité virtuelle, n'a pas été approfondie en détail. Cette thèse explore une partie des facteurs qui contribuent à la mécanique de l'interaction entre un doigt et une surface avec pour objectif sa reproduction artificielle. L'enregistrement et la reproduction des textures tactiles sont premièrement discutés, accompagnés de la conception d'un appareil capable de précisément mesurer la force d'interaction émanant de la friction d'un doigt qui glisse. Le même dispositif piézoélectrique fut employé pour déformer à haute vitesse le bout du doigt, dans le but de reproduire la présence d'une texture. Ce travail est une nouvelle approche pour simuler la rugosité et la texture d'une surface virtuelle. La question de l'enregistrement et de la reproduction des surfaces texturées a motivé l'étude du comportement mécanique du bout du doigt. Cette étude révèle que le bout des doigts se comporte comme un ressort élastique dans les basses fréquences, et qu'après une fréquence de coupure d'environ 100 Hz, la réponse est dominée par l'amortissement visqueux, un fait qui n'a jamais été directement observé auparavant. Ensuite, les spécificités des signaux vibratoires créés par le frottement d'un doigt sur plusieurs textures furent analysées. L'expression des fluctuations de la force de friction en fonction de l'espace plutôt que du temps, indique que plusieurs caractéristiques du signal peuvent jouer un rôle majeur dans la perception tactile des textures. Cette thèse met en lumière l'importance de la mécanique et de la biomécanique pendant l'exploration haptique des surfaces et leur potentielle contribution à la perception. Collectivement, les résultats présentés dans cette thèse sont utiles pour la conception de meilleurs systèmes de réalité virtuelle et à d'autres applications.

Dans cette thèse, nous avons analysé le comportement biomécanique In Vitro et In Vivo d'une prothèse discale cervicale à articulation sphérique. Les expérimentations In Vitro nous ont permis d'étudier la cinématique segmentaire dans les trois plans de l'espace au niveau instrumenté et aux niveaux adjacents. La mesure de la pression intradiscale a apporté des informations sur les variations de contraintes après arthroplastie au niveau des disques adjacents. Différentes configurations ont ainsi été évaluées : arthroplastie et arthrodèse à 1 et 2 niveaux, montage hybride. L'influence de la précharge sur le comportement biomécanique du rachis cervical a fait l'objet d'un travail spécifique en se basant sur les essais In Vitro et sur la simulation numérique. Les analyses In Vivo 2D ont été effectuées sur des clichés dynamiques en flexion-extension et ont permis le calcul des amplitudes de mobilité et de la position des centres moyens de rotation dans une population de patients opérés (n=32). Celles-ci ont intéressé le niveau opéré mais également les niveaux adjacents à court et moyen terme. Grâce au système stéréo-radiographique EOSTM, nous avons pu compléter l'analyse cinématique In Vivo par la mesure des amplitudes de mobilité des segments instrumentés dans les trois plans de l'espace.

Les études d'accidents montrent que l'abdomen est devenu le segment prioritaire à protéger pour un occupant ceinturé lors d'un choc automobile frontal, les lésions étant imputables au phénomène de sous marinage. Par ailleurs, un mauvais positionnement de la ceinture de sécurité peut également être à l'origine de lésions lors du déclenchement des prétensionneurs. Ces deux phénomènes entrainent un chargement dynamique de l'abdomen par la ceinture, les vitesses pouvant aller de 4m/s à 8m/s. Le but de cette étude est d'accroitre notre compréhension du comportement de l'abdomen et des mécanismes lésionnels afin d'élaborer un modèle prédictif du risque lésionnel utilisable pour le développement et l'amélioration des systèmes de protection de l'occupant. Pour étudier la réponse de l'abdomen face à un chargement dynamique par une ceinture huit essais sur huit Sujets Humains Post Mortem (SHPM) ont été réalisés. Quatre essais simulaient le phénomène de sous marinage et quatre celui de la prétension de la ceinture. Des bilans d'efforts complets, des mesures de déplacement, de déformées externes de la paroi abdominale, des radiographies et des mesures de pressions ont été réalisés. Les essais disponibles dans la littérature et les résultats expérimentaux ont conduit à développer un modèle masse-ressort-amortisseur reproduisant les principes pilotant le comportement de l'abdomen. Ce modèle souligne le caractère viscoélastique, non linéaire et inertiel de l'abdomen. L'exploitation des mesures réalisées associées aux bilans lésionnels a permis d'apporter des méthodes de validation des modèles numériques par éléments finis et d'améliorer la formulation du modèle être humain HUMOS2

La croissance biologique est un ensemble de processus complexes pouvant notamment générer des contraintes mécaniques. Ces dernières contribuent, en étroite association avec les déterminants biologiques, à façonner les objets vivants. On s'est attaché dans ce travail à éclairer le couplage entre élasticité et croissance avec un accent particulier sur les objets minces, libres ou confinés. On commence par écrire une théorie permettant de décrire les déformations d'une plaque mince soumise à un champ de croissance arbitraire. Dans cette limite géométrique, on montre que la croissance possède une interprétation simple et élégante : c'est une source de courbure moyenne et de courbure de Gauss. A titre d'illustration, on étudie à travers deux exemples d'inspiration végétale le rôle des hétérogénéités et de l'anisotropie de la croissance comme sources de déformations spontanées. Dans un second temps, on s'intéresse à l'importance du confinement sur la croissance des corps minces et notamment le cas où ceux-ci possèdent une face libre et une face liée à un substrat. Cette situation où les conditions aux bords de l'objet sont maintenant antagonistes restreint fortement les structures atteignables et est explorée à travers un modèle mécanique de développement des mélanomes. On montre que ce type de confinement, fréquemment observé dans les tissus animaux, peut être à l'origine d'une importante focalisation des contraintes lors d'un processus de croissance. Finalement, on réalise expérimentalement une tumeur artificielle à l'aide d'hydrogels, capables de gonfler quand on les immerge dans un solvant. A travers cette expérience, on souligne le rôle des contraintes mécaniques dans le développement tumoral et on met en exergue la distinction entre croissance biologique et gonflage. Plus généralement, cela nous permet d'aborder l'inhibition de la croissance par les contraintes et de préciser le rôle des hydrogels comme substitut des tissus biologiques.

La caractérisation du micro-endommagement et la compréhension de son rôle dans le métabolisme ou dans la fragilisation osseuse restent des challenges, tout particulièrement en raison de l'absence de techniques de mesures bien adaptées à son étude. Il apparaît donc nécessaire de développer de nouvelles techniques non-invasives pour détecter et suivre l'accumulation de micro-endommagement osseux, en particulier celui qui se manifeste par la présence de microfissures. L'objectif de la thèse est d'évaluer la sensibilité de la spectroscopie ultrasonore non-linéaire (NRUS) à l'accumulation du micro-endommagement osseux. La sensibilité et la reproductibilité de la technique NRUS ont tout d'abord été optimisées. Puis, deux groupes d'échantillons d'os cortical ont été prélevés sur des diaphyses fémorales humaines. Les spécimens du premier groupe ont été endommagés progressivement par fatigue en flexion 4-points. Le second groupe a subi un test de ténacité pour initier et propager de manière contrôlée une fissure unique. Nos résultats montrent que la non-linéarité mesurée des échantillons fatigués et fissurés augmente de manière significative après les étapes de fatigue ou le test de ténacité. De plus, nous observons une corrélation significative entre la variation relative du paramètre non-linéaire et l'augmentation de la densité de petites fissures (évaluée par microtomographie par rayonnement synchrotron). Enfin, le niveau de non-linéarité des spécimens fissurés est significativement corrélé à la longueur totale de la fissure. Ces résultats suggèrent que la technique NRUS optimisée est sensible à l'accumulation du micro-endommagement osseux.

Selon le National Research Counsil (2001), 30% des blessures professionnelles seraient situées au niveau du dos. Au Québec, les travailleurs les plus touchés par ces affectations sont les manutentionnaires (Allaire et al. 2007). De nombreuses études ont permis d'observer difrerentes techniques de manutention utilisées. La comparaison entre des travailleurs expérimentés et des débutants permettrait d'établir des principes de manutention sécuritaires basés sur les techniques des travailleurs. L'hypothèse de cette recherche est que les modes opératoires utilisés par les experts seront plus sécuritaires et plus performants que ceux des novices lors d'une tâche de palettisation. Quinze sujets experts et 15 novices ont participé à cette expérimentation. Des tests de capacité physique ont été fait lors de la première séance. Lors d'une deuxième séance, les sujets devaient faire cinq allers-retours de 24 caisses de 15 kg, deux à cadence libre et trois à cadence imposée de 9 caisses/min. Avant et immédiatement après chacune des cadences, ils devaient faire un test de contraction musculaire sous maximal des muscles du dos pour documenter l'état de fatigue de ces muscles. Il n'y a pas eu de différences au niveau des tests de capacité physique à l'exception du VO2max. Les moments résultants maximaux et asymétriques sont semblables pour les deux groupes. La différence majeure se situe au niveau de la posture, plus particulièrement du tronc et de la région lombaire. Les experts sont généralement plus droits que les novices, à la prise comme au dépôt. Les experts tiennent aussi la caisse plus près de L5/S1 que les novices. Les temps de manutention pré et post transport sont réduits avec une augmentation de la fréquence. L'analyse des déplacements des caisses est aussi intéressante. En effet, les experts soulèvent celle-ci en moyenne 3 cm de moins que les novices. Cet effort supplémentaire chez les novices pourrait à long terme amené à des blessures d'usure. Les résultats laissent planer des hypothèses sur la manière dont les caisses sont déposées. Les experts semblent incliner les caisses lors du dépôt ou encore les lâcher plus haut que les novices. Ces hypothèses restent par contre à être confirmées. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Manutention, Palettisation, Expert / Novice, Fatigue, Technique.