Les semelles instrumentées sont des dispositifs pouvant être utilisées pour la quantification de pas et la reconnaissance des activités. Il existe plusieurs modèles de semelles instrumentées, avec des niveaux de validité variables. Ce mémoire comprend trois objectifs : 1) faire une revue systématique de la littérature sur la validité de critère des semelles instrumentées existantes pour identifier les postures, les types d’activités et compter les pas, 2) développer une semelle instrumentée et 3) étudier sa validité pour le comptage de pas. Pour l’objectif 1, cinq bases de données ont permis de sélectionner 33 articles sur la validité de critère de seize modèles de semelles instrumentées pour la détection de posture, de type d’activités et de pas. Selon les indicateurs utilisés, les validités de critère varient de 65,8% à 100% pour la reconnaissance des activités et des postures et de 96% à 100% pour la détection de pas. En somme, peu d’études ont utilisé les semelles instrumentées pour le comptage de pas bien qu’elles démontrent une très bonne validité. Pour les objectifs 2 et 3, nous avons équipé une semelle commercialisée de cinq capteurs de pression et testé trois méthodes de traitement des signaux de pression pour la quantification de pas. Ces trois méthodes sont basées sur le signal de chaque capteur de pression, la moyenne ou la somme cumulée des cinq signaux de pression. Les résultats ont montré que notre semelle instrumentée détectait le pas avec un taux de succès de 94,8 ± 9,4% à 99,5 ± 0,4% à des vitesses de marche confortable et de 97,0 ± 6,2% à 99,6 ± 0,4% à des vitesses de marche rapide à l’intérieur et à l’extérieur d’un bâtiment avec les trois méthodes. Toutefois, la méthode basée sur la somme cumulée avait les niveaux de précision plus élevés pour le comptage de pas / Instrumented insoles are devices which can be used for quantifying steps and recognizing activities. Validity of many instrumented insoles varies from medium to high. This thesis has three objectives: 1) to systematically review the literature on the validity of existing instrumented insoles for posture, type of activities recognition, and step counting, 2) to develop an instrumented insole and 3) to study its criterion validity for step counting. For objective 1, five databases were used to select 33 articles on criterion validity of sixteen insole models for posture and type of activities recognition, and step detection. According to indicators used, validity values vary from 65.8% to 100% for activities and postures recognition and from 96% to 100% for detection of steps. In summary, few studies have used instrumented insoles for steps counting even though they demonstrated a very good validity. For objectives 2 and 3, we equipped a commercialized insole with five pressure sensors and tested three pressure signal processing methods for step quantification. These three methods are based on signal of each pressure sensor, average or cumulative sum of five pressure signals. Results showed that our instrumented insole detected steps with a success rate varying from 94.8 ± 9.4% to 99.5 ± 0.4% at self-selected walking speeds and from 97.0 ± 6.2% to 99.6 ± 0.4% at maximal walking speeds in indoor and outdoor settings with all three processing methods. However, cumulative sum method had the highest levels of accuracy for step counting.

La prévention des chutes chez les personnes âgées constitue aujourd'hui un objectif prioritaire en matière de santé publique. Bien que les mécanismes associés au vieillissement soient complexes et variables selon les individus, la détérioration des fonctions sensorielles semble être un des facteurs majeurs de la dégradation du contrôle postural. Cette diminution des performances posturales augmente la probabilité de chute. L'altération de la sensibilité cutanée qui apparaît avec l'âge est, en particulier, à l'origine de problèmes d'équilibre. Compte tenu de leur localisation à l'interface du corps et du support podal, les capteurs tactiles plantaires fournissent des informations très pertinentes sur les oscillations du corps par rapport à la verticale. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous nous sommes particulièrement intéressés aux effets d'une stimulation mécanique de la sole plantaire par le port de semelles à picots. Nos travaux ont mis en évidence que ce type de stimulation améliore dans certaines conditions la stabilité posturale chez les jeunes, chez les personnes âgées saines ou atteintes d'une neuropathie diabétique. Les bénéfices observés ne sont ni corrélés à la sensibilité cutanée plantaire, ni aux performances posturales initiales du sujet et varient selon les individus. L'enrichissement du contexte sensoriel apporté par les picots pourrait constituer une méthode de stimulation originale et particulièrement appropriée pour les personnes qui présentent des problèmes d'équilibre. Elle permettrait de reproduire dans une certaine mesure les effets bénéfiques d'un massage de la sole plantaire, ce qui éviterait ainsi l'intervention systématique d'un thérapeute. Les perspectives de ce travail sont nombreuses et nous permettront de déterminer le meilleur compromis en termes de durée, d'intensité, de fréquence de stimulation et de confort afin de pouvoir quantifier plus précisément la stimulation optimale.

Les problèmes liés à l'équilibre sont diagnostiqués à l'aide de systèmes de cartographies des pressions plantaires ou de plateformes de force mesurant le déplacement du centre de pressions. Ces systèmes professionnels sont restreints à une utilisation en milieu médical, et on constate qu'aucun dispositif de surveillance de l'équilibre ne donne entière satisfaction en termes de mobilité et d'acceptabilité. Dans le contexte de la télémédecine et de l'e-santé, notre objectif a consisté à développer des outils pour la surveillance ambulatoire de l'équilibre postural, et contribuer à la compréhension du contrôle de l'équilibre. Nous avons d'abord entrepris une étude théorique de la faisabilité de la mesure des pressions plantaires et du déplacement dynamique du centre de pression, à partir d'un nombre très réduit de capteurs. Nous avons proposé pour cela un modèle mécanique simplifié du pied, ainsi que les hypothèses spécifiques à ces applications. Le modèle décrit la relation physique entre la posture du pied et la répartition des pressions plantaires suivant ses caractéristiques biomécaniques. Sur la base d'un prototype de semelle instrumentée à 3 capteurs uniquement, nous avons vérifié expérimentalement la capacité du système et des méthodes à générer le stabilogramme et les cartographies de pressions plantaires. Ceux-ci ont été comparés à un système matriciel de référence, et caractérisés en termes d'incertitude dans le cas du pied normal en position debout et durant la marche. Les stabilogrammes ainsi mesurés peuvent être analysés pour caractériser la signature de l'équilibre. Nous proposons un modèle spécifique à trois dimensions, décrivant la dynamique de l'équilibre et permettant d'identifier, par simulation, les principaux paramètres physiologiques qui assurent le maintien de l'équilibre postural. / Problems of balance are often diagnosed thanks to plantar pressure cartography systems or forces platform that measure the center of pressure displacement. These professional systems are restricted in use to medical environments, and until now, the balance monitoring systems do not offer complete satisfaction in terms of mobility and acceptability. In order to overcome these limitation and in the context of telemedicine and e-health, we aimed to develop tools for ambulatory monitoring of postural equilibrium and to understand the balance control. We have first undertaken a theoretical study on the feasibility of measuring plantar pressure and dynamic displacement of the center of pressure, from a very small number of sensors. For these applications, we have proposed a simplified mechanical foot model, as well as related assumptions. The model describes the physical relationship between foot posture and distribution of plantar pressures following its biomechanical characteristics. Based on a prototype of an instrumented insole with only 3 sensors, we have verified experimentally the ability of the system and the methods to generate both the stabilogram and the plantar pressure maps. Comparison is made with a matrix reference system, and characterization in terms of uncertainty in the case of normal foot in standing position and during walking is detailed. The measured stabilogram can be analyzed to characterize the signature of balance. We have also proposed a specific three-dimensional model describing the dynamics of balance. Based on simulation, it leads to identify the main physiological parameters related to balance control.

Tandis que les bénéfices physiologiques de chaussures de référence dans le milieu de la course à pied d’endurance sont montrés dans la littérature scientifique, les effets spécifiques et contrôlés de certaines propriétés mécaniques des chaussures demeurent peu connus. L’objectif général de ce travail de thèse était d’étudier les effets du retour d’énergie des semelles intermédiaire des chaussures et de la raideur en flexion des chaussures sur la performance physiologique et biomécanique en course à pied d'endurance. Que ce soit à court-terme ou lors d’une course à pied prolongée, le coût énergétique métabolique (critère utilisé pour évaluer la performance en course à pied) n’était pas significativement modifié par les propriétés mécaniques testées en moyenne parmi le groupe complet de participants. En revanche, les réponses spécifiques aux participants, à la fois à court-terme et lors d’une course à pied prolongée, ont permis de mettre en évidence des combinaisons de réponses biomécaniques et de caractéristiques intrinsèques aux participants expliquant les variations du coût énergétique métabolique en fonction des propriétés mécaniques chaussantes. Une nouvelle stratégie a notamment été mise en évidence chez les participants bénéficiant de la raideur en flexion des chaussures qui se traduisait par une redistribution descendante des activations musculaires des articulations de la hanche et du genou vers l’articulation de la cheville avec la durée de course. Ce travail de thèse soulignait l’importance de considérer une offre de conception de chaussures adaptées à des groupes de coureurs aux réponses biomécaniques et/ou aux caractéristiques intrinsèques similaires. / While physiological benefits of baseline running racing shoes are shown in the scientific literature, the specific and controlled effects of some shoe mechanical features remain not well known. The main purpose of this work was to study the effects of the midsole energy return and the shoe longitudinal bending stiffness on the physiological and biomechanical performance during endurance running. In both short-term and prolonged running duration, the metabolic energetic cost (criteria used to evaluate the endurance running performance) was not significantly altered by the tested mechanical features in average over the group of participants. The main finding was that the shoe mechanical features induced different effects on the metabolic energetic cost depending on the participants. Taking into account the participant-specific responses (in both short-term and during a prolonged running duration) enabled to highlight combinations of biomechanical responses and intrinsic participant characteristics explaining the variations of the metabolic energetic cost as a function of shoe mechanical features. A novel strategy has been highlighted in participants benefiting from the shoe longitudinal bending stiffness resulting in descendant redistribution of the muscular coordination from the hip and knee joints to the ankle joint with the running duration. This work showed the importance of considering a footwear design offer suitable to groups of runners with similar biomechanical responses and/or intrinsic characteristics.

La prédiction du bruit de roulement ferroviaire est en enjeu majeur pour la maitrise des nuisances sonores. Au point de contact roue/rail, la roue et la voie sont excités de manière dynamique, ce qui enclenche le rayonnement du bruit de roulement. Les réponses vibratoires au point de contact ainsi que les taux de décroissance des ondes sont des données primordiales pour simuler de manière précise le bruit de roulement. Or, la dimension infinie de la voie ferrée conduit bien souvent à des modèles éléments finis coûteux et non adaptés à la recherche de solutions innovantes. La thèse a pour objectifs de proposer un modèle vibratoire de voie en éléments finis qui prenne en compte la dimension infinie périodique de la voie, mais aussi d’inclure une portion de voie non-périodique sur laquelle des solutions anti-vibratiles peuvent être testées. La propagation des vibrations est exprimée sous la forme d’une décomposition en ondes par la méthode WFE (Wave Finite Element). Le calcul de la réponse vibratoire de la voie périodique infinie est obtenu à partir du déplacement d’une cellule physique longue d’environ 0.6 m. Pour réduire les temps de calcul nécessaires à sa condensation dynamique, une méthode de bi-périodisation est proposée. Le couplage entre les méthodes éléments finis et WFE est développé pour prendre en considération les supports élastiques dans cette cellule. Les comparaisons avec des mobilités expérimentales ainsi que des taux de décroissance montrent un très bon accord calculs-mesures. Enfin, le modèle développé dans cette thèse a permis de tester l’efficacité d’une solution anti-vibratile innovante développée au sein du projet CERVIFER. Celle-ci offre un comportement bi-mode, elle assouplit les supports autour de la roue préservant ainsi l’infrastructure, mais elle rigidifie les supports loin de la roue pour augmenter les taux de décroissance. Les résultats numériques se révèlent prometteurs en termes d’efficacité du dispositif et entrevoient une poursuite du développement de cette solution anti-vibratile. / Railway noise is a critical issue concerning environmental noise. At the wheel/rail contact point, both the wheel and the track are dynamically excited and vibrate together to emit the well known rolling noise. The point receptance of the rail and the track decay rates are important quantities to accurately predict wheel-rail noise emission. However, the infinite dimension of the track leads to cumbersome numerical finite-element (FE) models and not adapted to assist the research of innovative solutions. The goals of this thesis are to build an efficient numerical model for calculating the vibration from an infinite railway track, but also to include a central non-periodic part with the aim of testing anti-vibration solutions. The vibration propagation along the track is expressed as a sum of different waves using the WFEM (Wave Finite Element Method). The displacements of a 0.6 m unit cell lead to the computation of the whole track. To reduce the dynamic condensation of this cell, a bi-periodic method is proposed in this thesis. The FEM - WFEM coupling is proposed to easily include elastic supports inside the unit cell. Results show a good correlation between test and calculation. Finally, the model proposed in this thesis was used to test the efficiency of an innovative anti-vibration solution developed within the CERVIFER project. It is a dual mode device which makes the supports softer around the wheel to protect the infrastructure, and stiffer away from the wheel to increase the track decay rates. The numerical results revealed to be really promising, and they will permit to pursue the development of this anti-vibration solution.

L’étude des dépôts de tsunamis est une science relativement jeune, et si de nombreux progrès ont été faits, en particulier au cours des trois dernières décennies, les techniques disponibles à l’heure actuelle ne permettent pas l’étude exhaustive des dépôts, que ce soit à cause de problèmes de conservation, fréquemment rencontrés, ou de limites liées aux techniques analytiques elles-mêmes. En effet, leur résolution spatiale s’avère insuffisante pour les dépôts fins (fractions sableuses et inférieures), soit par leur principe même (absence de visualisation en trois dimensions sur des lames minces, par exemple), soit à cause des techniques d’échantillonnage dont elles dépendent. Ce travail a permis d’explorer les applications d’une technique analytique jusqu’à présent inutilisée dans ce domaine, la microtomographie par rayons X, appliquée à trois dépôts de tsunamis : les dépôts du tsunami de Lisbonne en 1755 sur les côtes Andalouses, ceux d’un tsunami causé en 1996 dans le Lac Karymskoye au Kamchatka, et un potentiel dépôt de tsunami datant de l’Holocène à Ninety Mile Beach, sur le littoral ouest de l’Australie. Les problématiques liées aux techniques d’échantillonnage et au traitement des données brutes et à leur exploitation sont passées en revue et les solutions retenues sont exposées. Les résultats obtenus sont comparés à ceux obtenus par l’utilisation de techniques analytiques dont la pertinence et l’utilité ont été démontrées lors de précédentes études. Cette technique se révèle extrêmement utile pour les analyses structurales (organisation interne des dépôts), texturales (distributions de tailles de grains, fabrique sédimentaire et dynamiques d’écoulements), ainsi que les analyses de composition (abondances en bioclastes et en minéraux lourds par exemple). Le croisement des études structurales et texturales du dépôt du tsunami de 1755 mettent en avant des dynamiques de mise en place allant parfois à l’encontre des scenarii généralement admis et offre un nouveau point de vue sur les dépôts de tsunami. / The study of tsunami deposits is a relatively young science, and even if substantial progress has been made (especially during the last three decades) the techniques available at present day do not allow exhaustive studies of the deposits, weither poor conservation of the deposits, which is a common problem, is to blame, or because of limitations of the techniques themselves. Their spatial resolution often appears to be insufficient for fine deposits (sand size fractions and finer) because of their working principle (lack of three dimensional visualisation of structures on thin sections for instance) or because of the sampling techniques they depend on. This work allowed exploring the applications of an analytic technique, X-ray computed microtomography, which had to this day never used before for the study of tsunami deposits. Three distinct case studies have been made: deposits from the 1755 Lisbon tsunami on the western coast of Spain (Andalusia), deposits from the 1996 tsunami triggered in Karymskoye Lake, and a potential mid-Holocene tsunami deposit at Ninety Mile Beach, western Australia. Problematic linked to sampling techniques and raw data processing and exploitation are addressed. Chosen solutions are exposed. The results are compared to those obtained using techniques whose relevance and usefulness have been proven in previous studies. This technique proves to be extremely useful for structural (deposits inner organisation), textural (grain size distribution, sedimentary fabrics and flow dynamics), and composition (bioclasts and heavy minerals abundances) analyses. Crossing structural and textural analysis of the 1755 Lisbon tsunami deposit unravels deposition modes which go against the usually admitted scenario and offers a new point of view on tsunami deposits.

Ce travail de thèse vise à évaluer le rôle des afférences cutanées plantaires dans le contrôle postural et oculomoteur en manipulant l’extéroception plantaire à l’aide de stimulations mécaniques plantaires fines. La 1ère étude a montré que des éléments médio-plantaires fins externes (EME) et surtout internes (EMI) améliorent la stabilité orthostatique et postériorisent le CPP de sujets jeunes et sains lors de mouvements des yeux. Ils ont aussi une action spécifique sur la vergence (pas sur les saccades) : les EMI augmentent l’amplitude phasique de divergence et diminuent la partie tonique, autrement dit agissent surtout sur la composante pré-programmée du mouvement ; alors que les EME agissent sur la convergence en augmentant son amplitude tonique, composante contrôlée sous influence de la rétroaction visuelle. Les inserts influent de manière directe sur le contrôle postural et oculomoteur par des voies spécifiques et indépendantes. La 2ème étude explique la variabilité des réponses des sujets de la 1ère. Nous avons mesuré leur degré d’utilisation des afférences extéroceptives plantaires par la méthode du Quotient Plantaire (QP = Surface CPP mousse / Surface CPP sol dur X 100). Un QP<100 suggère une Inefficience des Afférences Plantaires (IAP) : les sujets IAP ne présentent plus d’amélioration de leur stabilité ni aucune modification de la vergence avec les inserts plantaires. Nous proposons que cette situation soit non physiologique et relève d’un dysfonctionnement non douloureux latent des récepteurs plantaires, opposant les sujets IAP aux sujets ayant un QP normal. La 3ème étude a investigué les rapports entre l’utilisation des afférences plantaires et visuelles chez de jeunes adultes sains avec la méthode du QP et du Quotient du Romberg (QR). Elle mis en évidence l’existence d’une utilisation synergique des afférences visuelles et plantaires en vision de près, uniquement chez les sujets au QP normal. Les sujets IAP ont un QR plus bas que les sujets au QP normal, en vision de près et sur sol dur uniquement. Sur mousse, leur QR des sujets IAP augmente ; les yeux fermés, leur QP augmente, ce qui objective une asynergie visuo-podale. La 4ème étude, sur la même population, a montré qu’un EME bilatéral augmente l’esophorie, uniquement de loin et chez les sujets IAP. La 5ème étude a révélé l’influence de l’extéroception plantaire sur la perception de la Verticale Visuelle Subjective (VVS) sur la même population. Elle a montré une diminution de l’erreur vers la gauche de près chez les sujets au QP normal avec un EME droit, ainsi qu’une diminution de l’erreur absolue de loin chez les sujets IAP avec un EMI bilatéral. L’ensemble de ces travaux consolide au plan théorique l’importance des afférences plantaires aussi bien pour le contrôle orthostatique, le contrôle de la vergence, la perception de la VVS et l’alignement des yeux (phories). Ils démontrent que l’utilisation de ces afférences est variable selon les sujets et ont des implications cliniques pluridisciplinaires. / This thesis aims at assessing the role of plantar cutaneous afferents in postural and oculomotor control by manipulating plantar exteroception with thin mechanical plantar stimulations. The 1st study showed that lateral, and even more medial mid-foot plantar inserts (LAS / MAS) improve stability in quiet stance and induce a backward shift of the CoP of young healthy subjects during eye movements. They also have a specific action upon vergence (not saccades): MAS increase the phasic amplitude of divergence and decrease its tonic part, in other words they mainly act on the pre-programmed component of the movement; whereas LAS act upon convergence, increasing its tonic amplitude, which is under the influence of visual retroaction. The inserts have a direct influence upon postural and oculomotor control through specific and independent paths. The 2nd study explained the variability of the subjects’ answers of the former. We measured their degree of reliance upon plantar cutaneous afferents with the Plantar Quotient method (PQ = Surface CoP foam / Surface CoP firm gorund X 100). A PQ<100 suggest a Plantar Extercoeptive Inefficency (PEI): PEI subjects do not show any improvement of their stability or any modification of vergence with the inserts. We propose that this situation is non-physiological and results from a non-noxious latent dysfunction of the sole receptors, opposing the PEI subjects to those who have a normal PQ. The 3rd study investigated the relationship between the use of plantar and visual afferents in young healthy subjects with the method of the PQ and Romberg Quotient (RQ). It has evidenced the existence of a synergic use of visual and plantar afferents in close-distance vision, only among normal PQ subjects. The PEI subjects have a significantly lower RQ than the others only at close distance on firm ground. On foam, their RQ increases; eyes closed, their PQ increases, which objectifies a visual-podal asynergy. The 4th study, on the same population, showed that a bilateral LAS increase esophoria only at far distance and among the PEI subjects. The 5th study revealed the influence of plantar exteroception upon the perception of verticality on the same population. It has brought out a decrease of the leftward error at near distance among the normal PQ subjects with a right LAS, and a decrease of the absolute error at far distance among the PEI subjects with a bilateral MAS. Taken together, these studies support, from a theoretical point of view, the importance of plantar afferents for postural control as well as vergence control, SVV estimation and eyes alignment (phorias). They demonstrate that the use of these afferents depends on the subjects and have multidisciplinary clinical implications.