Contexte: La mammographie est une modalité d’imagerie médicale à faible dose permettant la détection du cancer mammaire à un stade précoce. Lors de l'examen, le sein est comprimé entre deux plaques afin d'uniformiser son épaisseur et d'étaler les tissus. Cette compression améliore la qualité clinique de l'examen mais elle est également source d'inconfort chez les patientes. Bien que la mammographie soit la méthode de dépistage la plus efficace du cancer du sein, l’inconfort ressenti peut dissuader les femmes de passer cet examen. Par conséquent, une technique alternative de compression du sein prenant en compte le confort de la patiente, en plus de l’amélioration de la qualité d'image, présente un grand intérêt.Méthodes: Dans ce travail, nous avons proposé un nouvel environnement de simulation permettant l'évaluation de différentes techniques de compression du sein. La qualité de la compression a été caractérisée en termes de confort de la patiente, de la qualité d'image et de la dose glandulaire moyenne délivrée. Afin d'évaluer la déformation du sein lors de la compression, un modèle biomécanique par éléments finis du sein a été développé. Ce dernier a été calibré et évalué en utilisant des volumes IRM d'une volontaire dans trois configurations différentes (sur le dos, le ventre et de côté). Par ailleurs, la qualité d'image a été évaluée en utilisant un environnement de simulation d'imagerie auparavant validé pour la simulation de l'acquisition d'images en mammographie.Résultats: La capacité de notre modèle biomécanique à reproduire les déformations réelles des tissus a été évaluée. Tout d'abord, la géométrie du sein dans les trois configurations a été estimée en utilisant des matériaux Néo-Hookeens pour la modélisation des tissus mous. Les propriétés mécaniques des différents constituants du sein ont été estimés afin que les géométries du sein dans les positions couchée sur le ventre et couchée soient le plus proches possibles des mesures. La distance de Hausdorff entre les données estimées et les données mesurées est égale à 2.17 mm en position couché sur le ventre et 1.72 mm en position couché sur le dos. Le modèle a ensuite été évalué dans une troisième configuration sur le côté, avec une distance de Hausdorff étant alors égale à 6.14 mm. Cependant, nous avons été montré que le modèle Néo-Hookeen ne peut pas décrire intégralement le comportement mécanique riche des tissus mous. Par conséquent, nous avons introduit d'autres modèles de matériaux basés sur la fonction d'énergie de Gent. Cette dernière hypothèse a permis de réduire l'erreur maximale dans la configuration couchée sur le ventre et dos incliné d’environ 10 mm.Le couplage entre la simulation de la mécanique du sein et la simulation d'aquisition d'image nous ont permis d'effectuer deux études préliminaires. Dans la première étude, les différences entre les pelotes de compression standard rigide et flex ont été évaluées. Selon les simulations effectuées, l'utilisation de la pelote flex pour la compression du sein a le potentiel d'améliorer le confort de la patiente sans affecter la qualité de l'image ou la dose glandulaire moyenne.Dans la seconde étude, l'impact du positionnement du sein sur la mécanique globale de la compression mammaire a été étudié. Nos simulations confirment que rapprocher la pelote de compression de la cage thoracique peut augmenter l'inconfort de la patiente. Selon les données estimées, pour une même épaisseur du sein sous compression, la force appliqée au sein peut être s'accroitre de 150%.Conclusion: L'estimation réaliste de la géométrie du sein pour différentes configurations sous l'effet de la gravité, ainsi que les résultats conformes aux descriptions cliniques sur la compression du sein, ont confirmé l'interêt d'un environnement de simulation dans le cadre de nos études. / Background: Mammography is a specific type of breast imaging that uses low-dose X-rays to detect breast cancer at early stage. During the exam, the women breast is compressed between two plates in order to even out the breast thickness and to spread out the soft tissues. This compression improves the exam quality but can also be a source of discomfort. Though mammography is the most effective breast cancer screening method, the discomfort perceived during the exam might deter women from getting the test. Therefore, an alternative breast compression technique considering the patient comfort in addition to an improved clinical image quality is of large interest.Methods: In this work, a simulation environment allowing the evaluation of different breast compression techniques was put forward. The compression quality was characterized in terms of patient comfort, image quality and average glandular dose. To estimate the breast deformation under compression, a subject-specific finite element biomechanical model was developed. The model was calibrated and evaluated using MR images in three different breast configurations (supine, prone and supine tilted). On the other hand, image quality was assessed by using an already validated simulation framework. This framework was largely used to mimic image acquisitions in mammography.Findings: The capability of our breast biomechanical model to reproduce the real breast deformations was evaluated. To this end, the geometry estimates of the three breast configurations were computed using Neo-Hookean material models. The subject specific mechanical properties of each breast's structures were assessed, such as the best estimates of the supine and prone configurations were obtained. The Hausdorff distances between the estimated and the measured geometries were equal to 2.17 mm and 1.72 mm respectively. Then, the model was evaluated using a supine tilted configuration; with a Hausdorff distance of 6.14 mm was obtained in that case. However, we have showed that the Neo-Hookean strain energy function cannot totally describe the rich mechanical behavior of breast soft tissues. Therefore, alternative material models based on the Gent strain energy function were proposed. The latter assumption reduced the maximal error in supine tilted breast configuration by about 10 mm.The coupling between the simulations of the breast mechanics and the X-ray simulations allowed us to run two preliminary studies. In the first study, the differences between standard rigid and flex compression paddles were assessed. According to the performed simulations, using the flex paddle for breast compression may improve the patient comfort without affecting the image quality and the delivered average glandular dose.In the second study, the impact of breast positioning on the general compression mechanics was described. Our simulations confirm that positioning the paddle closer to the chest wall is suspected to increase the patient discomfort. Indeed, based on the estimated data, for the same breast thickness under compression, the force applied to the breast may increase by 150%.Conclusion: The good results we get for the estimation of breast deformation under gravity, as well as the conforming results on breast compression quality with the already published clinical statements, have shown the feasibility of such studies by the means of a simulation framework.

L’objectif de cette thèse était d'évaluer la force d’impact dans des conditions proches de la pratique des Sports de Combat et des Arts Martiaux (SCAM) à l'aide d'un ergomètre composé d’un bloc-cible instrumenté avec un accéléromètre et un dynamomètre, et monté sur une lame flexible fixée verticalement sur le sol. La force d'impact a été calculée à partir des trois composantes mesurées par le dynamomètre, d'une part, et à partir de l'accélération du bloc-cible, grâce à un modèle mécanique original, d'autre part. Les mesures dynamiques ont été associées à des mesures cinématiques 3D à haute vitesse afin de caractériser les gestes de frappe de quatre boxeurs en situation d'entraînement, et d'en identifier les paramètres d'optimisation : gamme des énergies cinétiques pic et incidente du membre supérieur, gamme des pics de force d’impact, et forces intra articulaires au poignet, au coude et à l'épaule, calculées par dynamique inverse. Parallèlement, l’évaluation mécanique de quelques protections de boxe française (gants et bandages) et de karaté (gants, protège-pieds et protège-tibias) a montré que le test défini par la norme NF EN 13277-2 était insuffisant pour caractériser leurs propriétés amortissantes. Les résultats des mesures en situation et en laboratoire ont mis en évidence la qualité discutable de certains gants de boxe française et l'absence d’effet protecteur des bandages. La Fédération Française de Boxe Française (FFSBFDA) doit encore tirer toutes les conclusions de ces résultats. Les résultats des protections de karaté ont permis à la Fédération Française de Karaté (FFKDA) d'en définir les caractéristiques souhaitables, qui ont été approuvées par la Fédération Mondiale de Karaté (WKF). Au-delà de ces conséquences pratiques, la cible-ergomètre conçue, fabriquée et mise en oeuvre dans cette thèse, et le modèle mécanique associé présentent des avantages expérimentaux et ergonomiques qui ouvrent des perspectives d’évaluation de la force d'impact de nombreuses techniques de frappe utilisées dans les Sports de Combat et les Arts Martiaux. / The purpose of this thesis was to assess the impact force in conditions close to the practice of Fighting Sports and Martial Arts using an ergometer composed of a target-block instrumented with an accelerometer and a dynamometer, and mounted on a flexible lath vertically fixed on the floor. The impact force was computed from the three components measured by the dynamometer, and also from the acceleration of the target-block, using an original mechanical model. The dynamic measurements have been combined with those of a 3-D high speed kinematic analysis in order to characterize the striking movements of four French Boxers in training conditions, and to identify their optimization parameters : range of maximal and incident linear kinetic energies, range of impact force peaks, and joint forces at the wrist, the elbow and the shoulder, computed by inverse dynamics. Concurrently, the mechanical evaluation of some protective gears for French Boxing (gloves and handwraps) and Karate (gloves, leg-protections and shin protections) has shown that the test defined by the NF EN 13277-2 norm was not sufficient for assessing their damping properties. The results of practice and laboratory measurements exhibited the doubtful quality of some French Boxing gloves and the lack of damping effect of handwraps. The French Federation of French Boxing (FFSBFDA) should still draw all the conclusions of these results. The results of the Karate protective gears have allowed the French Karate Federation (FFKDA) to define their desirable characteristics, which have been approved by the World Karate Federation (WKF). Beyond these practical outcomes, the striking ergometer, designed, built and used in this thesis, and the associated mechanical model have / possess experimental and ergonomic advantages, which open wide perspectives for assessing the impact force of many striking techniques used in Fighting Sports and Martial Arts.

Dans le contexte de la biomécanique, les outils numériques constituent des moyens puissants et indispensables dans la compréhension des mécanismes de blessures. Ils permettent de pallier les freins que sont les expérimentations sur l'humain, liés à des raisons d'éthique qui limitent la possibilité d'essais sur des SHPM (Sujets Humain Post Mortem). Le développement de ces outils numériques a conduit à celui de plusieurs mannequins numériques permettant de stimuler diverses sollicitations (civiles ou militaires), nous donnant ainsi accès à des limites de tolérances.En vue d'explorer la réponse dynamique du corps humain soumis à des sollicitations diverses, un modèle de mannequin numérique a été développé au sein du laboratoire. Ce travail de thèse tente donc d'apporter une contribution dans la recherche sur la définition d'un critère de blessure et l'établissement de limites de tolérance du corps humain soumis aux chargements violents de la partie thoracique dans des contextes militaires. / The development of computer science has allowed an increase in the use of numerical approaches such as finite elements method in order to understand physical mechanisms. These numerical tools are often used to extend and complete experimental investigations wich are limited because of high financial cost and ethical issues. Thus, the use of simulation to avoid thes limitations becomes essential in biomechanics investigations. Many numericalmodels of the thorax/abdomen system have been developped over the last two decades. In that framework, a finite element model of the human body, dedicated to high speed loadings, has been developed in the laboratory. In this context, the objective of this Ph.D Thesis is to investigate the consequences of such loadings on the human body and to contribute to the research of injuries criteria and tolerance limit definition.

Le vent est à l'origine d'une excitation mécanique chronique des arbres. Malgré tout, ils se développent continûment, par la croissance et la ramification. Il en résulte une grande variété de géométries, fonctions à la fois de l'espèce, et du milieu dans lequel l'arbre s'est développé. Tout au long de son existence, les caractéristiques dynamiques de l'arbre sont l'élément déterminant de son interaction avec le vent. Ainsi, cette thèse porte sur l'évolution et l'organisation spatiale de la dynamique des arbres au cours de leur développement. Une expérience de suivi des caractéristiques dynamiques de plantes, pendant leur développement, associée à un modèle mécanique de leurs oscillations en flexion, met en évidence le rôle de leurs croissances primaires et secondaires sur l'évolution temporelle de leurs fréquences naturelles. Une description générique de la géométrie de l'arbre, basée sur l'architecture et la biométrie, suivie d'une analyse dimensionnelle de sa dynamique vibratoire, permet de dériver une loi d'échelle décrivant l'organisation spatiale de ses caractéristiques dynamiques. Cette loi d'échelle est validée sur plusieurs cas d'arbres dont les caractéristiques dynamiques ont été déterminées expérimentalement ou numériquement. Une analyse dimensionnelle de l'interaction dynamique entre le vent et l'arbre permet de dériver des lois d'échelle décrivant la réponse multimodale de l'arbre au vent, et donc la répartition dans l'ensemble de l'arbre de sa réponse. Le rôle de la géométrie de l'arbre, et donc de son développement continu par la croissance et la ramification de ces axes, sur son interaction dynamique avec le vent, est ainsi quantitativement mis en évidence.

Les écoulements stationnaires et pulsés sont examinés dans deux géométries bloquées. Les géométries utilisées sont des modèles d'artères sténotiques, une condition commune ou une contraction localisée grandit dans une artère. Les géométries sont des modèles simplifiés de la réalité physiologique d'une sténose, l'intention de l'étude étant d'isoler et de décrire les caractéristiques fondamentales des écoulements sténotiques. L'étude se concentre sur l'effet de la variation du taux de blocage sur l'écoulement et sa stabilité. La première partie de la thèse présente une investigation de l'écoulement stationnaire à travers une conduite bidimensionnelle, avec une contraction asymétrique semi-circulaire. Les variations de la dynamique et de la stabilité et du sillage avec le nombre de Reynolds et le taux de blocage sont présentés. Le mode primaire de l'instabilité est décrit et son mécanisme déterminé analytiquement comme étant une instabilité elliptique. La deuxième partie concerne une géométrie cylindrique avec une contraction axisymétrique. Les écoulements stationnaires et pulsés sont examinés numériquement et expérimentalement. Numériquement, les différents modes linéaires d'instabilité sont identifiés. Expérimentalement, l'influence importante d'une instabilité convective est observée. Pour l'écoulement stationnaire, des comparaisons entre le comportement périodique de l'instabilité convective et la réponse d'un forçage sur l'écoulement stable sont effectuées. Pour l'écoulement pulsé, l'instabilité convective domine pour la plupart des cas considérés. La dépendance du nombre de Reynolds et du taux de blocage des deux formes d'instabilité est étudiée.

L'objectif général de cette thèse est d'observer, d'un point de vue biomécanique, comment le vieillissement agit sur le mouvement de préhension et en particulier lorsque celui-ci est perturbé par la présence d'obstacle. Pour cela, le gant de données Cyberglove et le système optoélectronique Vicon ont été utilisés conjointement dans deux protocoles expérimentaux pour recueillir les données relatives aux mouvements du tronc, du membre supérieur et de la main lors d'un geste complexe de préhension. Dans un premier temps, l'effet des propriétés intrinsèques et extrinsèques de l'obstacle a été testé chez des sujets adultes où les modalités de taille, de distance et de position variaient afin d'observer l'influence de l'environnement sur le mouvement. Nos résultats confirment que la présence d'un obstacle modifie la cinématique des composantes de "transport" et de "saisie". Cependant, la variation des propriétés intrinsèques et extrinsèques de l'obstacle a peu d'effet sur les paramètres spatio-temporels ce qui suggère un contrôle global du mouvement. Dans un deuxième temps, une population composée d'adultes et de personnes âgées a été comparée afin de considérer l'effet de l'âge sur la fonction de préhension en présence d'obstacle. Nos résultats montrent que les propriétés intrinsèques et extrinsèques de l'obstacle affectent plus particulièrement les mouvements des personnes âgées qui se caractérisent par une augmentation de la durée de mouvement, une modification des profils angulaires et une augmentation de la variabilité comparés à ceux des adultes. L'utilisation de stratégies motrices spécifiques aux personnes âgées impliquant de manière prépondérante le tronc et l'élévation du bras semble leur permettre de compenser leur déficit de mobilité.

L'objectif de ce travail est de définir les paramètres mécaniques qui caractérisent le départ de course vitesse sur 100 m. <br />La première partie, suite à une analyse de la littérature technique, du règlement instauré par l'IAAF et des études scientifique, cerne les problèmes liés à la mesure et au choix des critères de qualification de la performance du départ de course vitesse sur 100m. <br />La seconde partie met en évidence la nécessité de déterminer avec plus de précision l'instant de mise en action du coureur notamment lors des compétitions internationales. Une analyse en composante principale est réalisée afin de tester la possibilité de créer de nouveaux critères permettant une interprétation objective et fiable de la performance du départ de course vitesse.<br />Au cours de la troisième partie, l'efficacité d'un départ est approchée en intégrant des paramètres directement accessibles par dynamométrie pour enfin les « traduire » en unités de temps. Une station dynamométrique est validée afin d'offrir à l'entraîneur des indications fines, en temps quasi réel, lors des séances d'entraînement. <br />La quatrième partie, propose une nouvelle méthode de solidification permettant une application rigoureuse des principes de la mécanique lors de la modélisation tridimensionnelle de l'athlète. Le calcul des torseurs d'action inter segmentaire est réalisé par programmation de l'algorithme de Newton-Euler, en utilisant un formalisme d'opérateurs homogènes.

Les accidents de la circulation, fléau de la société, représentent un sérieux problème de santé. En France, 105980 usagers de la route ont été blessés au cours de l'année 2006, et 4942 tués. La tête représente un des segments corporels les plus vulnérables. <br />Cette thèse est une contribution à l'amélioration de la connaissance du comportement mécanique des os crâniens, en particulier dans le contexte accidentologique. <br />Les mécanismes de fractures du crâne ont été étudiés par un grand nombre de chercheurs. De multiples techniques et approches ont été élaborées pour la modélisation du comportement mécanique des os crâniens ; ces modèles ne permettent cependant pas de pallier aux problèmes de dispersions inter et intra individuelles propres aux sujets humains.<br />Dans un premier temps, selon un protocole expérimental, 289 éprouvettes prélevées sur différentes zones osseuses de 17 calottes crâniennes humaines sont testées en essais de flexion trois points quasi-statiques. La force de rupture obtenue à partir des courbes effort/déplacement représente le paramètre mécanique à prédire dans nos modèles statistiques. A partir de mesures morphométriques obtenues par analyse d'images et tests expérimentaux, 15 paramètres morphométriques et densitométriques sont définis pour chaque éprouvette.<br /> Ensuite, une analyse de données exploratoire multidimensionnelle est réalisée sur le tableau de données préalablement fuzzifiées. Cette analyse a permis de nous orienter sur les liaisons linéaires et non linéaires existant entre les paramètres. Des régressions multiples linéaires et curvilinéaires sont réalisées par ajustement des paramètres jugés pertinents. Les modèles sont choisis par la méthode de validation croisée, et par une étude complète de diagnostic des résidus.<br />L'élaboration de modèles statistiques a permis, selon un sexe et une classe d'âge, de prédire le comportement mécanique de fragments osseux crâniens soumis à des sollicitations de flexion quasi-statique de manière personnalisée.

Avec le vieillissement de la population, l'ostéoporose et les fractures de l'extrémité supérieure du fémur sont devenues un problème de santé publique majeur. L'intervention chirurgicale, à laquelle s'ajoutent la rééducation des patients et la gestion de leur dépendance, représentent un poids socio-économique considérable qui doit être réduit, sans pour autant proposer un traitement préventif systématique, lui aussi coûteux. La mesure de densité minérale osseuse par DXA fait aujourd'hui référence dans l'évaluation du risque de fracture mais cet outil reste limité par le chevauchement des valeurs mesurées entre les sujets fracturés et non fracturés. Cette étude propose de développer des modèles par éléments finis 3D du fémur proximal permettant d'améliorer la prédiction du risque de fracture. Un modèle anatomique personnalisé tenant compte des spécificités géométriques et mécaniques complexes de chaque fémur a conduit, sur 39 spécimens, à un bon compromis entre une prédiction individuelle de l'effort à rupture (Fexp = 1,006 FMEF avec r = 0,87, IC95% = +- 2600 N) et un coût numérique adapté à une future exploitation clinique de cet outil (simulation numérique 30 mn). Afin de consolider la personnalisation, une étude expérimentale menée sur 92 éprouvettes (46 traction et 46 compression) a permis d'améliorer la prédiction des propriétés mécaniques de l'os cortical à partir de l'imagerie médicale (r = 0,42 à 0,72). Des essais in-vitro macroscopiques sur 40 paires de fémurs ont également été réalisés afin de constituer une base de données solide pour l'évaluation du modèle. Parallèlement, un modèle paramétré a été utilisé dans le cadre d'une étude par plans d'expérience afin d'éclaircir le rôle des paramètres géométriques dans la résistance mécanique de l'extrémité supérieure du fémur. Ces travaux ont souligné le potentiel de la modélisation par éléments finis personnalisée à devenir un outil complémentaire de prédiction du risque, et ont mis en évidence le rôle prépondérant de l'enveloppe corticale et de sa limite d'endommagement.

La modélisation du comportement mécanique de l'architecture musculo-squelettique sollicitée in situ constitue un enjeu tant en biomécanique, en réhabilitation, qu'en physiologie. Ceci nécessite d'évaluer des variables non directement mesurables comme les moments et les forces musculaires. Ces variables peuvent être estimées à partir de la conception de modèles biomécaniques qui nécessitent la formulation de certaines hypothèses et l'enregistrement de données expérimentales périphériques. Or, le système musculo-squelettique est redondant dans le sens où chaque degré de liberté est sous le contrôle de plusieurs actionneurs (muscles) aussi bien agonistes qu'antagonistes. L'utilisation conjointe de la modélisation biomécanique des systèmes musculaires et de l'optimisation numérique nous a permis de résoudre ce problème de redondance. Particulièrement dans ce travail, nous avons développé des techniques de modélisation et d'expérimentation permettant l'analyse des tensions des tendons mobilisant le doigt dans différentes situations de sollicitation. Ceci nous a permis de montrer que l'amplitude des moments passifs non musculaires ne devait pas être négligée dans les procédures de calcul. De plus, nous avons également utilisé de façon originale l'information EMG sous forme d'une contrainte d'inégalité dans les procédures d'optimisation. Ce travail a permis de mettre en évidence des résultats inédits concernant la distribution des tensions dans les tendons agonistes et antagonistes. Diverses adaptations du modèle sont discutées dans le document, la substitution de l'EMG invasif par de l'EMG de surface étant l'axe de recherche principal.