La stabilisation de la tête est une tâche capitale : elle détermine l'équilibre corporel, la prise d'informations sensorielles et la protection des centres nerveux. Elle est déterminée en grande partie par la raideur musculo-tendineuse des muscles cervicaux qui, à notre connaissance, n'a jamais été étudiée auparavant. Par ailleurs, la méthode de détentes rapides élaborée pour évaluer la raideur musculo-tendineuse de certaines articulations n'a jamais été appliquée à des segments corporels multi-articulaires. Les objectifs de ce travail sont de développer une méthode d'évaluation de la raideur musculo-tendineuse du segment tête-cou par application de détentes rapides, de modéliser le segment tête-cou en un système mono-articulaire et d'étudier les effets de la fatigue périphérique sur la raideur musculo-tendineuse du segment tête-cou. L'analyse cinématique de la tête lors de détentes rapides par accélérométrie montre que la relation entre le déplacement angulaire et le niveau de force est positive et reproductible. Les résultats obtenus ne nous ont pas permis de mettre en évidence une relation entre la raideur musculo-tendineuse et le niveau de force. L'analyse de la cinématique du segment tête-cou à l'aide d'un procédé d'optimisation nous a permis de mettre en évidence une augmentation significative de la raideur musculo-tendineuse avec le niveau de force. Les résultats montrent que les variations d'ordre géométrique générées par les spécificités structurelles de la zone cervicale étaient en partie responsables de l'augmentation de la raideur musculo-tendineuse du segment tête-cou en fonction du niveau de force. Le procédé d'optimisation nous a permis d'émettre l'hypothèse que la fatigue périphérique ne générait pas de modifications de la raideur musculo-tendineuse des muscles cervicaux. Les résultats obtenus à l'issue de ces travaux montrent que l'application de détentes rapides, associée à une modélisation du segment tête-cou en un système mono-articulaire, semble aboutir à une estimation fiable de la raideur musculo-tendineuse du segment tête-cou.

Les données cliniques disponibles pour le diagnostic et la planification de thérapies sont de plus en plus variées et complexes, ce qui apporte des informations plus riches, mais rend la tâche du médecin difficile. Les modèles informatiques de cœur peuvent intégrer et analyser ces données en s'adaptant à chaque patient de manière à proposer au médecin une vue intégrée ainsi que des paramètres intrinsèques. Cependant, il faut pour cela mettre en place des méthodes d'ajustement automatique de ces modèles mathématiques aux données du patient. Dans cette thèse, nous proposons une méthodologie pour personnaliser un modèle électromécanique à partir de séquences temporelles d'images volumiques telles que des séquences ciné-IRM ou scanner. Cette personnalisation consiste en l'estimation de l'état (position/vitesse) et des paramètres électriques et mécaniques du modèle électromécanique. Nous nous intéressons ici à l'estimation du mouvement cardiaque et des paramètres de contractilité du modèle électromécanique. Dans un premier temps, la modélisation des différentes phases cardiaques a été améliorée et une étude de sensibilité a été effectuée. Puis, les approches de segmentation et de suivi du mouvement par modèles déformables ont été généralisées en couplant un modèle déformable proactif avec des séquences d'images 3D. Cette méthode est évaluée sur des données synthétiques et appliquée à des séquences ciné-IRM ou scanner. Enfin, une méthode d'estimation automatique des paramètres de contractilité à partir de séquences d'images 3D est proposée, la principale difficulté provenant des non-linéarités liées aux changements de phases. La méthode proposée est fondée sur l'assimilation de données variationnelle et le gradient du critère d'erreur est calculé à l'aide de la méthode de l'état adjoint. Cette méthode est évaluée sur des données synthétiques avant d'être appliquée à des ciné-IRM cliniques. Cette thèse pose des bases de la personnalisation du modèle électromécanique du cœur et ouvre des perspectives pour l'optimisation des traitements selon le patient considéré.

Les assemblages d'accéléromètres sont utilisés entre autres en biomécanique afin d'estimer le champ des accélérations d'un corps rigide et, de là, les variables cinématiques décrivant les déplacements dudit corps rigide. On remarque toutefois que le progrès de cette technologie a été limité par celui des gyroscopes micro-usinés, lesquels sont plus précis que les assemblages d'accéléromètres dans la plupart des applications. Le but des recherches décrites dans cette thèse est d'améliorer la précision des estimés de vitesse angulaire produits par les assemblages d'accéléromètres. Les développements proposés portent sur deux aspects : une classe d'architectures mécaniques d'accéléromètres est proposée ayant pour but de réduire la sensibilité des capteurs aux accélérations transverses, des algorithmes robustes étant également proposés afin d'estimer la vitesse angulaire à partir de certaines ou de toutes les composantes du champ d'accélération du corps rigide. La classe d'accéléromètres proposée est inspirée des architectures de machines à cinématique parallèle (MCP) en assimilant la masse d'épreuve et le support d'un accéléromètre à l'organe terminal et à la base d'une MCP, respectivement. Une caractéristique commune aux MCP proposées ici est que leurs organes terminaux et leurs bases sont reliées par n+1 chaînes cinématiques simples, n = 1, 2, 3 étant leurs nombres de directions sensibles respectifs. Pour cette raison, on appelle accéléromètres simpliciaux multiaxiaux les capteurs résultant de ces MCP. Une version microusinée de l'accéléromètre simplicial biaxial est conçue, fabriquée et testée. En outre, la théorie permettant l'estimation de la vitesse angulaire d'un corps rigide à partir de mesures d'accélérations est réexaminée. De cette révision, quatre algorithmes permettant l'estimation de la vitesse angulaire à partir de mesures d'accélération centripète sont proposés. Enfin, un algorithme permettant l'estimation de la vitesse angulaire d'un corps rigide à partir de mesures d'accélérations centripète et tangentielle et reposant sur le filtrage de Kalman est proposé.

L'objet de cette thèse est d'étudier, par EMG transformée en ondelettes, les coordinations musculaires des membres supérieurs lors d'un saut à la perche et d'éléments en barre fixe. Notre travail se propose (1) de comparer les coordinations musculaires inter membres au cours d'un saut et (2) d'identifier leur part relative à la performance. Les activités musculaires (3) perche/barre fixe sont comparées. Ainsi, l'activité musculaire est majeure au début du saut, lorsque la perche se fléchit. Les ultimes actions musculaires sur la perche avant de franchir la barre servent au contrôle de la posture inversée du perchiste. Les exercices en barre fixe révèlent des coordinations musculaires semblables à celles du saut à la perche par la distinction de trois groupes musculaires fonctionnels. Dans le cadre de l'optimisation de la performance, cette thèse a permis d'identifier de nouveaux indicateurs, ainsi que de valider la pratique d'éléments en barre fixe pour l'entraînement des perchistes.

Le but de ce travail était d'étudier les capacités mécaniques des membres inférieurs et leur implication dans la performance lors de mouvements explosifs par l'utilisation d'approches théoriques intégratives. La première partie de ce travail a proposé et validé une nouvelle méthode simple d'évaluation des capacités mécaniques des membres inférieurs. Cette méthode, basée sur les principes fondamentaux de la dynamique, présente trois équations donnant les valeurs moyennes de force, de vitesse et de puissance développées lors d'un saut à partir de trois paramètres simples : la masse, la hauteur de saut et la distance verticale de poussée. Cette méthode, utilisable sur le terrain, permet d'obtenir la puissance produite lors d'un saut maximal et permet de tracer les relations force-vitesse à partir de sauts chargés, ces tests nécessitant jusqu'à présent des outils de mesures spécifiques. La deuxième partie de ce travail a proposé une nouvelle approche théorique intégrative pour appréhender l'implication des capacités mécaniques des membres inférieurs dans les sauts verticaux maximaux. Tout d'abord, la prise en compte des contraintes mécaniques du générateur de force (les membres inférieurs) et de la dynamique du mouvement (un corps accéléré linéairement) sur la production de force lors de la poussée a permis d'exprimer mathématiquement la hauteur maximale de saut qu'un individu peut atteindre en fonction de trois caractéristiques de ses membres inférieurs : leur capacité maximale de production de force, leur vitesse maximale d'extension et leur amplitude de déploiement. En plus de mettre en avant les variables mécaniques qui sont impliquées dans la performance en saut, cette équation a permis de montrer et de quantifier l'influence positive de ces trois caractéristiques mécaniques sur la hauteur de saut. Cette expression mathématique peut constituer une première étape importante dans l'analyse des différences de performances en saut entre les individus, entre les espèces, et pour un même individu entre deux moments différents. Ensuite, cette approche théorique intégrative a été utilisée pour approcher la notion de profil force-vitesse d'un individu et pour en étudier l'influence sur la performance en saut indépendamment de la puissance maximale. Cette notion de profil force-vitesse, appréciée par la pente de la relation force-vitesse, fait référence aux différentes combinaisons de force et vitesse maximales des membres inférieures pouvant induire les mêmes capacités de puissance. A partir de l'approche théorique proposée précédemment, la hauteur de saut a été exprimée mathématiquement en fonction de la distance de poussée, de la puissance maximale et de la pente de la relation force-vitesse. Cette analyse a permis de montrer que la performance en saut, et donc la capacité à produire une grande impulsion, est fortement liée à la puissance maximale des membres inférieurs, mais également à leur profil force-vitesse. Un profil force-vitesse optimal maximisant la hauteur de saut a été mis en évidence. Cette notion de profil force-vitesse d'un athlète, et la comparaison au profil optimal, semble intéressante à considérer pour optimiser les performances lors de mouvements explosifs visant à accélérer sa propre masse. En conclusion, ce travail de thèse a permis, au moyen d'approches théoriques intégratives, d'éclaircir les relations entre la performance en saut vertical et les caractéristiques mécaniques de la poussée, d'une part pour proposer une nouvelle méthode d'évaluation simple des capacités mécaniques des membres inférieurs, et d'autre part pour comprendre et quantifier l'implication de ces dernières dans la performance lors de mouvements explosifs. Produire une grande impulsion lors d'une phase d'extension des membres inférieurs requière une puissance maximale élevée et un profil force-vitesse optimal.

Les pathologies du système nerveux central et périphérique, induisent des déficiences motrices ou sensorielles que les méthodes thérapeutiques classiques, chirurgie et médicaments, ne parviennent pas toujours à rééduquer ou suppléer. Depuis longtemps, la stimulation électrique fonctionnelle (FES) peut activer, moduler ou inhiber les structures nerveuses cibles, neurones ou axones. Les applications les plus spectaculaires sont le pacemaker, la stimulation du cerveau profond (pour traiter les tremblements chez les Parkinsoniens), et l'implant cochléaire.<br /><br />Pour restaurer des fonctions motrices ou sensitives plus complexes comme le mouvement ou la vision, non seulement les neuroprothèses doivent proposer des stimuli aux formes diverses non rectangulaires et commander des électrodes multipolaires, mais aussi doivent se déployer sur un nombre plus important de sites. Ce document décrit ce que je propose comme nouvelle architecture de neuroprothèses implantables pour répondre à ce besoin.<br /><br />Il est aussi indispensable de mieux comprendre le problème posé. La modélisation puis la simulation, la synthèse et la commande de mouvement, et enfin le traitement du signal, apportent des supports théoriques aussi bien pour décrire le système étudié, que pour qualifier et quantifier l'impact des neuroprothèses sur ce système. Je décris quelques résultats dans ce domaine, en particulier sur la modélisation des muscles et les développements théoriques qui en découlent, notamment pour la synthèse et la commande de mouvement chez le blessé médullaire.

Cette étude avait pour objectif premier une caractérisation biomécanique du simple pas chez le sujet " normal ". À cet effet, on a considéré l'effet de la vitesse, ce qui a notamment permis de tester l'invariance de l'égalité entre la perturbation appliquée au corps lors de son accélération et la contre-perturbation lors de son freinage (CPA) permettant le retour au repos. Ainsi , le rôle des CPA se trouve explicité. Dans une seconde série expérimentale, on a considéré l'effet du frottement à l'arrêt du mouvement. L'objet de cette série était de caractériser la modification des caractéristiques biomécaniques chez le sujet " normal ". La caractérisation n'a pas soulevé de problèmes majeurs, l'effet de la vitesse se confirmant pour les deux coefficients de frottement (COF) considérés ( Téflon et Carrelage ). En revanche, les différences entre caractéristiques biomécaniques paraissent ne pas être significatives quand le COF diffère. Néanmoins, si l'on considère les résultats individuels, on constate que la durée des CPA tend à être systématiquement supérieure pour le COF le plus faible (Téflon), alors que le pic d'amplitude est systématiquement inférieur . Ces résultats incitent à approfondir l'étude de l'effet du frottement sur le simple pas. En conclusion , le simple pas semble être un paradigme permettant d'obtenir des résultats robustes et facilement utilisables pour étudier des personnes vieillissantes ou handicapées .

Le fonctionnement des écosystèmes repose sur la diversité fonctionnelle, complément de ladiversité spécifique. En forêt tropicale humide, les jeunes arbres croissent en sous-bois denseet stratifié. Cette thèse porte sur la diversité de réalisation de la fonction biomécanique desoutien. Les hypothèses sont que la "course" vers les strates plus éclairées contraint lasécurité mécanique des jeunes arbres, avec de nécessaires économies de matière et recours àdes processus de réparation (gravitropisme) et d'acclimatation (mécanoperception et réponse),et que la diversité est donc structurée par le besoin en lumière et l'affinité pour le risque desespèces. Avec un échantillon de 16 espèces sur le dispositif de Paracou, des traits fonctionnelspertinents - risque de non-autoportance et performance gravitropique - sont définis au traversde modélisations adaptées qui combinent forme des troncs, répartition des masses etpropriétés du bois. Ces traits varient entre espèces mais aussi avec le développement etl'environnement des arbres. Ces variations sont dues aux variations des traits élémentaires(forme, masses, bois) avec de forts effets géométriques. Les espèces les moins autoportantes(faible sécurité) ont les plus fortes performances gravitropiques. Ce sont aussi les plusdemandeuses de lumière. Une espèce Tachigali melinonii se distingue par de fortsélancements et une fréquente non-autoportance laissant supposer une adaptabilité forte àl'environnement mécanique. Une expérimentation (réponse de croissance au tuteurage) n'acependant pas abouti aux résultats supposés puisque c'est au contraire l'espèce à faible risque,Dicorynia guianensis, qui s'est montrée plus réactive.

La sténose lombaire et l'arthrose facettaire représentent les indications principales du remplacement facettaire. L'objectif était d'analyser l'influence d'un nouvel Implant Facettaire Auxiliaire (IFA) sur la biomécanique du rachis lombaire. Les expérimentations cinématiques in vitro ont montré que l'IFA n'avait qu'une faible influence sur les amplitudes de mobilités en flexion-extension et en inflexion latérale du niveau L4-L5 instrumenté. La facettectomie augmentait la torsion axiale de manière importante, alors que l'IFA la réduisait grâce à la liaison transverse de l'implant. Cette limitation d'hypermobilité après facettectomie représente l'intérêt majeur de l'implant. Le disque instrumenté a été étudié in vitro par mesures de pressions intradiscales et par modélisation en éléments finis. Les pressions intradiscales étaient diminuées par l'IFA en flexion-extension. Les contraintes de von Mises de l'annulus étaient similaires entre l'IFA et la lésion par facettectomie et recalibrage. La fusion diminuait les contraintes intradiscales de manière plus importante. Au niveau des segments adjacents, l'IFA et le rachis intact se comportaient de façon similaire en flexion-extension et en inflexion latérale, alors que la fusion augmentait les contraintes de l'annulus et les forces de contact facettaires. En torsion axiale, l'IFA et la fusion augmentaient les contraintes discales et les forces de contact facettaires de manière similaire. Les expérimentations in vitro en cisaillement ont permis de simuler le spondylolisthésis dégénératif débutant. La lésion a entraîné une diminution de la raideur et une augmentation des déplacements antérieurs en cisaillement, alors que le comportement était similaire entre le segment instrumenté par IFA et le rachis intact.

Ce mémoire est consacré à l'étude de systèmes dynamiques discrets avec frottements et à des problèmes d'identification en biomécanique. La première partie concerne des résultats théoriques d'unicité, de convergence et d'analyse numérique de solutions d'équations différentielles non linéaires pour étudier des modèles dynamiques discrets contenant des non-linéarités. Ces non-linéarités sont introduites pour prendre en compte des modèles de frictions via des inclusions différentielles maximales monotones, essentiellement en dimension finie. De nombreux exemples ainsi que des applications sont fournis avec des simulations numériques. La seconde partie est consacrée à la résolution de certains problèmes d'identification en biomécanique : identification d'espaces de travail, de paramètres cinématiques lors de la modélisation de certains mouvements et de paramètres anthropométriques dans le cadre de la dynamique inverse.