Le travail de thèse exposé dans ce manuscrit s'intéresse à la simulation d'un mouvement de manipulation d'objet, plus particulièrement à la saisie suivie de la rotation d'une sphère selon un axe fixe. Le but ici est, à partir d'une analyse de mouvements réels, d'être capable de proposer un algorithme de simulation reproduisant des mouvements comparables aux données expérimentales, en fournissant en entrée le moins d'informations possibles et en essayant d'introduire de la variabilité dans le mouvement simulé. 12 sujets volontaires ont participé à l'expérimentation. Nous leur avons demandé de saisir et de tourner une sphère de 60mm de diamètre avec des amplitudes allant de 45° à 360°, dans les deux sens. L'analyse de ces données expérimentales, complétée par des simulations de l'effet des limites articulaires sur le mouvement nous ont permis d'étudier plusieurs hypothèses sur le contrôle de mouvement telles que l'hypothèse de confort final (" end-state comfort ") et le principe de travail minimum. Une des conclusions majeures est que l'anticipation posturale au moment de saisie semble être expliquée davantage par le confort en fin de mouvement qu'au moment de saisie. Basé sur ces observations, nous proposons un algorithme de simulation avec pour nouveautés la prise en compte de l'espace de mouvements admissibles par les limites articulaires ainsi que l'introduction de la variabilité au choix de la posture de saisie. Les premiers résultats semblent être en accord en grande partie avec les observations expérimentales donnant une base de travail pour aller vers des outils de simulation se rapprochant de plus en plus vers un comportement " humain ".

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du développement des mannequins numériques pour l’évaluation ergonomique de la conception de véhicule, plus particulièrement des commandes automobiles. Il vise à développer des modèles biomécaniques permettant la prise en compte de la dynamique du mouvement et de la force exercée lors d’une tâche pour prédire le mouvement et l’inconfort associé. Ce travail s’est focalisé sur la pédale d’embrayage. Concernant le développement des critères d’inconfort, le concept du mouvement neutre est exploré. Une méthode, basée sur la comparaison entre des mouvements avec des configurations imposées et ceux moins contraintes, est proposée. Elle a permis l’identification de paramètres biomécaniques pertinents et de proposer des indicateurs d’inconfort pour la conception de la pédale d’embrayage. Les relations entre la posture et la force d’appui ont été étudiées expérimentalement en faisant varier le niveau d’effort exercé sur une pédale statique. Nos résultats montrent que la direction d’effort et l’ajustement postural suivent le principe de minimisation des couples articulaires. Par ailleurs l’utilisation d’un critère de minimisation de l’activité musculaire a montré une amélioration de la prédiction de la direction d’effort pour les efforts peu élevés. Les indicateurs d’inconfort proposés dans cette étude fournissent des informations objectives permettant aux ingénieurs de conception de comparer des solutions alternatives de design. Le travail sur les mécanismes de contrôle de l’effort et de la posture constitue, quant à lui, une première étape dans l’optique de prendre en compte la force exercée dans la simulation de posture.

La luxation du coude, seconde luxation en termes de fréquence (luxations à la main exclues), est souvent compliquée d’une fracture de la tête radiale, parfois comminutive et inaccessible à une ostéosynthèse. Dans le contexte de lésions ligamentaires importantes associées, la simple résection de la tête radiale se solde habituellement par une instabilité articulaire grave. Le recours à l’hémi-arthroplastie est dans ces circonstances actuellement systématique.Plusieurs types de prothèses sont disponibles mais aucune d’entre elles ne reproduit exactement l’anatomie. Les prothèses en silicone étant abandonnées, l’engouement actuel est en faveur de prothèses métalliques qui, par leur rigidité, permettent un meilleur transfert des contraintes axiales tout en restaurant la stabilité en valgus. Trois types de prothèses sont disponibles, les prothèses monobloc (un seul composant articulé avec le capitulum), les prothèses modulaires (deux composants, cupule et tige de tailles variables pour s’adapter au mieux à l’anatomie du patient), et les prothèses bi-articulées offrant également une certaine modularité et comportant une articulation entre tige et cupule permettant une meilleure adaptabilité de cette dernière au capitulum et à l’incisure radiale de l’ulna dans les différents mouvements du coude et de l’avant-bras. Appartenant à cette dernière catégorie, la prothèse de Judet présente la particularité de posséder un col angulé de 15° pour s’adapter au mieux à l’anatomie variable des patients. Les résultats à court et moyen terme de ces implants sont généralement bons mais les résultats à long terme sont encore peu documentés.Dans une hémi-arthroplastie, une bonne adaptabilité de la prothèse implique une meilleure congruence articulaire et donc un transfert des forces sur une surface plus grande, avec moins de contraintes. L’arthroplastie la plus congruente est donc celle qui, potentiellement, induit le moins d’usure du capitulum. Les prothèses monopolaires sont décrites comme plus stable mais moins congruentes que les prothèses bipolaires.Les buts de la présente étude sont d’une part d’évaluer les modifications des surfaces de contact radio-capitulaire en fonction de différentes positions de flexion du coude et de rotation de l’avant-bras sur coude intact et de les comparer à celles obtenues avec trois différents types de prothèses de tête radiale (prothèse monopolaire, prothèse bipolaire simple et prothèse bipolaire de Judet). D’autre part, le travail évalue la stabilité du coude au cours de différents mouvements de flexion du coude et de rotation de l’avant-bras avant et après ces trois différents modes d’arthroplastie de la tête radiale.Les hypothèses de départ sont que les surfaces de contact diminuent après toute arthroplastie de tête radiale, la prothèse de Judet offrant de meilleures surfaces de contact pour une stabilité moindre, la prothèse monopolaire offrant une plus grande stabilité latérale pour des surfaces de contact moindres et la prothèse bipolaire droite conférant une stabilité et des surfaces articulaires de contact intermédiaires.Pour tester ces hypothèses, 12 membres supérieurs de cadavres frais ont été utilisés. Les surfaces de contact radio-capitulaire ont été évaluées par la réalisation de moulage de l’articulation avant et après arthroplastie de la tête radiale et la stabilité du coude a été évaluée par le biais d’une analyse du mouvement rendue possible par l’utilisation d’un système optoélectronique. Cinq variables ont ainsi pu être évaluées dans les états intact, après capsulectomie antérieure (nécessaire à la réalisation des moulages), après résection de la tête radiale et après la pose de chacune des trois prothèses de tête radiale.Il a été observé que les surfaces de contact radio-capitulaire chutaient après les arthroplasties de tête radiale sans pour autant qu’il n’y ait de distinction entre ces dernières. La position de supination offrait de meilleures surfaces de contact articulaires notamment par le biais d’un contact radio-conoïdien complémentaire au contact radio-capitulaire. Les prothèses bi-articulées présentaient une subluxation latérale de leur tête radiale en position neutre et cela s’accompagnait d’une diminution des surfaces articulaires de contact. L’analyse cinématique a permis de mettre en évidence que la réalisation d’une capsulectomie antérieure augmentait la laxité du coude en varus tout comme les arthroplasties de tête radiale et que la laxité du coude en valgus était augmentée après résection de la tête radiale.La laxité rotatoire du coude, dépendante de la rotation de l’avant-bras, était également augmentée par la capsulectomie antérieure et cet effet était majoré après les prothèses bi-articulées.Les stabilités latérale et rotatoire du coude en regard de la prothèse monopolaire se rapprochaient de celles observées en regard de la tête radiale native tandis que la stabilité du coude en regard des prothèses bi-articulées était un intermédiaire entre la stabilité observée dans la situation native et celle observée en l’absence de tête radiale.Les résultats de la présente étude plaident en faveur de l’utilisation de prothèses monopolaires qui semblent offrir une meilleure stabilité du coude ainsi qu’un meilleur contact articulaire en position neutre. Les mécanismes qui sous-tendent l’instabilité des prothèses bi-articulées ne sont pas clairs et l’exploitation d’autres paramètres issus de l’analyse cinématique pourrait permettre de mieux définir ces phénomènes d’instabilité. / Doctorat en Sciences médicales (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les données biomécaniques sur les enfants sont rares et difficiles à obtenir lors d'expérimentations. Cette recherche s'intéresse à l'évaluation in vivo du comportement mécanique du tronc et des propriétés mécaniques de l'os cortical des côtes. Le comportement mécanique in vivo du tronc de l'enfant et de l'adulte sous charge pendant des manipulations de kinésithérapie respiratoire ont été étudiées. Trois formes typiques de courbes de force en fonction du déplacement ont été observées. Un plus grand décalage en temps entre les courbes de force en fonction du temps et les courbes de déplacement en fonction du temps ont été observés plus fréquemment chez les enfants que chez les adultes, ce qui conduit à différentes formes de courbes de force en fonction du déplacement entre les enfants et les adultes. Parmi les paramètres qui peuvent affecter le comportement mécanique du tronc, les propriétés mécaniques de l'os cortical des côtes ont été étudiées. Dans un premier temps, il a été constaté ex vivo que les propriétés mécaniques de l'os cortical des côtes des adultes sont liées de façon linéaire à la Densité Minérale Osseuse (DMO) mesurée par la tomodensitométrie quantitative (Quantitative Computed Tomography, QCT) et la tomographie périphérique quantitative à haute résolution (High Resolution Peripheral Quantitative Computed Tomography, HR-pQCT). La DMO peut être mesurée par QCT in vivo. Ensuite, les relations entre la DMO et les propriétés mécaniques pour l'adulte ont été appliquées aux enfants, et les propriétés mécaniques de l'os cortical de l'enfant ont pu être estimées. Les propriétés mécaniques ont été trouvées plus élevées dans la partie latérale des côtes que dans les régions antérieures et postérieures. Il a également été constaté que les propriétés mécaniques augmentent au cours de la croissance. Il s'agite la première étude qui a évalué les propriétés des matériaux de l'os cortical des côtes de l'enfant in vivo. Cette étude peut aider à mieux comprendre la réponse mécanique du tronc de l'enfant et les propriétés mécaniques de l'os cortical costal. À court terme, ces résultats mesurés in vivo seront considérés dans des modèles éléments finis du tronc de l'enfant

Contrairement aux animaux, qui peuvent fuir face à un environnement hostile, les plantes doivent s'adapter au milieu dans lequel elles se trouvent. En particulier, elles percoivent les déformations induites par une perturbation mécanique et modifient leur croissance par un phénomène appelé thigmomorphogénèse. Ce phénomène a été étudié dans le cas de sollicitations statiques, mais peu d'éléments sont connus dans le cas plus réaliste d'une sollicitation dynamique comme le vent. Ainsi, cette thèse porte sur les effets de la dynamique sur la croissance de plantes, où nous avons choisi comme plante modèle le peuplier non ramifié. Nous nous attachons dans un premier temps à caractériser la dynamique modale du peuplier. Des expériences et des calculs numériques par éléments finis ont mis en évidence une organisation spatiale et fréquentielle des modes de vibrations induites par les gradients de propriétés mécaniques de la plante. Ces résultats sont utilisés dans une seconde expérience au cours de laquelle le suivi au cours du temps des propriétés géométriques de jeunes peupliers soumis à diverses perturbations statiques et dynamiques est réalisé. On montre alors que l'effet dominant de la stimulation mécanique sur la réponse de croissance est celui de la composante statique. Nos résultats suggèrent de plus une délocalisation de la réponse de la plante par rapport aux déformations induites par la perturbation, indiquant un transport du signal. Ces différents éléments sont finalement rassemblés afin de modifier et compléter le modèle de perception des déformations chez les végétaux.

Le risque individuel de rupture des anévrismes cérébraux est un enjeu majeur dans la prise en charge clinique des anévrismes asymptomatiques. La rupture anévrismale se produit lorsque la contrainte intra-pariétale dépasse la contrainte à rupture du matériau composant la paroi. Notre étude a pour objectif d'être un pas vers une nouvelle mesure biomécanique du risque individuel de rupture des anévrismes cérébraux. Dans un premier temps, une étude expérimentale fût menée pour caractériser le comportement biomécanique de la paroi anévrismale sur 16 échantillons d'anévrismes prélevés chirurgicalement. L'expérimentation sur les échantillons de poche anévrismale a permis de dégager trois grandes classes de tissus pour chaque sexe (homme et femme) : souple, rigide et intermédiaire. Il apparaît que tous les anévrismes non rompus appartiennent à la catégorie rigide ou intermédiaire et que tous les anévrismes rompus correspondent à la catégorie souple. Ceci permet de mettre en évidence une corrélation entre le risque de rupture et les propriétés du matériau composant la paroi anévrismale. Dans un deuxième temps, des simulations d'interaction fluide/structure (FSI) ont été réalisées pour comparer les déformations d'un anévrisme " patient spécifique " constitué d'un matériau dégradé et non dégradé. Les résultats montrent que les propriétés du matériaux ont un impact majeur sur l'ampleur de la variation de volume anévrismale diastolo-systolique. Les changements en terme de variations de volume en fonction des caractéristiques du tissu sont potentiellement visualisable à l'aide de l'imagerie médicale. Une analyse des incertitudes des paramètres est aussi présentée et montre la robustesse des résultats aux incertitudes des données d'entrée. Il a ensuite été démontré sur 12 cas " patient-spécifique " d'anévrismes différents (forme, taille, localisation et conditions aux limites différentes) qu'il existe toujours une différence significative en terme de variation de volume au cours du cycle cardiaque entre un anévrisme dont la paroi est composé d'un matériau rigide et d'un matériau souple. Cette étude suggère donc que la variation de volume anévrismale pourrait être utilisée comme une base pour une évaluation individuelle du risque de rupture des anévrismes cérébraux.

La recherche en biomécanique des chocs est une nécessité pour améliorer la sécurité dans les transports. Pour une meilleure évaluation des critères lésionnels lors des simulations de crash, le manque de représentativité des modèles EF du thorax humain pourrait être comblé par une démarche de personnalisation aussi bien au niveau géométrique que mécanique. Cette thèse se base sur l'étude de 18 sujets humains post-mortem. A partir des données d'imagerie, les différentes dimensions des côtes sont analysées. La corrélation de ces paramètres aboutit à la prédiction de 192 dimensions à partir d'un unique paramètre d'entrée. A une échelle inférieure, un protocole innovant a permis de coupler des informations microstructurales issues d'un μCT avec la forme extérieure des côtes. 2 hémi-thorax ont été micro-scannés afin de générer une cartographie complète des épaisseurs d'os cortical. Une stratégie a été mise en place pour proposer un algorithme prédisant l'intégralité de cette géométrie locale d'après un seul tronçon de côte. La pertinence de cette personnalisation a été évaluée par une étude de sensibilité sur des modèles EF. Les résultats d'essais de traction sur os cortical montrent un comportement différent entre les éprouvettes prélevées sur la table interne ou externe des côtes. Une caractérisation précise de la structure interne de l'os cortical, couplé à des essais de micro-traction in-situ, a pu apporter des éléments de réponse sur cette différence. Unalgorithme de personnalisation a été aussi proposé pour les propriétés mécaniques, complétant ainsi la démarche d'adapter les modèles EF du thorax à chaque individu afin d'améliorer leur biofidélité.

L’objectif principal de ce projet de recherche était de démontrer qu’il est possible d’améliorer le temps de course des athlètes paralympiques en fauteuil roulant d’athlétisme de 4% en variant leur configuration. Une revue de littérature a permis d’établir qu’il est clair que la configuration de l’athlète dans son fauteuil roulant d’athlétisme est l’un des points majeurs dans l’optimisation de la performance, et que peu d’auteurs ont réussi à démontrer l’influence de la variation de la position d’un athlète sur l’amélioration de ses performances. En partant de l’hypothèse selon laquelle il existerait une position optimale de l’athlète dans son fauteuil roulant d’athlétisme lui permettant d’augmenter ses performances, les opportunités pouvant influencer la performance des athlètes ont été listées et quantifiées. Les limitations relatives à ces avenues d’amélioration ont été énoncées afin de déterminer dans quelle mesure elles permettent d’augmenter les performances d’un athlète. Par la suite, une étude expérimentale comprenant quatre participants, conjointement avec une étude théorique, ont permis de démontrer que la variation de la configuration de l’athlète influence la vitesse maximale atteinte lors d’un essai lancé sur ergomètre, en plus de permettre à l’athlète de maximiser l’énergie produite de manière « passive » entre le moment du contact et du relâchement, c’est-à-dire en n’utilisant que l’énergie cinétique et potentielle gravitationnelle du membre supérieur, l’énergie potentielle élastique provenant de la contraction musculaire étant négligée. Les résultats découlant de cette étude permettent de positionner de façon préliminaire de nouveaux athlètes ou des athlètes voulant améliorer leur configuration, en leur proposant une première configuration qui leur permet de sauver plusieurs mois, voire plusieurs années, d’itérations d’optimisation de leur configuration.

Cette étude est hébergée par un programme hospitalier de recherche clinique. L'objectif était de développer un outil d'évaluation de la motricité de la main pour caractériser la réorganisation motrice associée à la restauration d'une paralysie radiale (technique de Tsugé). Nous avons montré que la minimisation des moments secondaires était un principe biomécanique robuste pour expliquer les interactions biomécaniques entre les doigts. Ce principe reste toutefois à mieux explorer en extension. L'utilisation du modèle biomécanique a montré la nécessité d'inclure l'équilibre du poignet dans la procédure. L'analyse de la réorganisation motrice montre la redistribution dynamique des tensions des tendons et la mise en place de co-contraction. L'ensemble de cette démarche ouvre des perspectives d'analyse de la motricité de la main intéressantes.

Le passage de la position assise à la position debout est une action qui se détériore rapidement avec l'avancée en âge à cause de divers troubles moteurs ou sensitifs. Les travaux de la thèse avaient pour but de déterminer les paramètres biomécaniques les plus pertinents pour caractériser les transferts assis-debout (STS) et assis-marche (STW). A l'aide d'un système d'analyse vidéo du mouvement, nous avons enregistré les paramètres cinématiques, cinétiques et électromyographiques de ces transferts réalisés par des sujets sains jeunes ou âgés. Ces paramètres ont été analysés et utilisés pour calculer par dynamique inverse les moments appliqués à chaque articulation pendant la réalisation de l'action. Les résultats indiquent qu'il existe deux stratégies dans la réalisation du STS l'une privilégiant la stabilité, l'autre favorisant la vitesse d'exécution. Pour le STW, il existe trois stratégies, la première privilégie la stabilité posturale alors que les deux autres autorisent un léger déséquilibre temporaire soit latéral soit vers l'avant. Les personnes âgées n'utiliseraient que la stratégie stable pour effectuer un STW. Ces travaux indiquent que le STS est un outil satisfaisant pour détecter des troubles de l'équilibre statique ou dynamique mais que le STW serait un outil intéressant pour mesurer des troubles de l'équilibre et des fonctions musculaires ou sensorielles plus spécifiques