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Les progrès de la mécatronique ont permis d’améliorer les prothèses du membre supérieur en augmentant le catalogue des mouvements prothétiques. Cependant, un fossé se creuse entre les capacités technologiques de la prothèse et leur méthode de contrôle. La commande myoélectrique, qui est la méthode la plus répandue, reste complexe, notamment pour les personnes amputées au niveau trans-huméral qui peuvent avoir un coude actif en plus de la main et du poignet motorisés. Une approche intéressante consiste à utiliser la mobilité du membre résiduel, présente chez la plupart des amputés trans-huméraux, pour contrôler des articulations prothétiques distales comme le coude. Les mouvements du coude sont couplés aux mouvements du membre résiduel selon un modèle de coordination épaule/coude saine. Cette thèse étudie une stratégie de commande d’un coude prothétique utilisant les mouvements du membre résiduel, mesuré par des centrales inertielles, et nos connaissances du contrôle moteur humain. Pour cela, un modèle de la coordination épaule/coude a été construit à partir d’enregistrements de gestes sains de préhension. Ce modèle, implémenté sur un prototype de prothèse, a été testé par 10 individus sains équipés du prototype afin de valider le concept, puis par 6 personnes amputées. Ces dernières ont aussi réalisé la tâche avec une commande myoélectrique conventionnelle afin de comparer les résultats. La commande couplant automatiquement les mouvements de l’épaule et du coude s’est montrée satisfaisante en termes de facilité d’utilisation et de réduction des stratégies de compensation. / Progress in mechatronics has enabled the improvement of upper limb prosthetics increasing the grasps catalog. However, a gap has been growing between the prosthesis technological possibilities and the methods to control it. Indeed, common myoelectric control strategy remains complex, especially for transhumeral amputees who can have an active elbow in addition to a prosthetic wrist and hand. Since most transhumeral amputees have a mobile residual limb, an interesting approach aims at utilizing this mobility to control intermediate prosthetic joints, like the elbow, based on the shoulder/elbow coordination observed in healthy movements. This thesis investigates the possibility of controlling an active prosthetic elbow using the residual limb motion, measured with inertial measurement units, and knowledge of the human motor control. A primary focus has been targeting the reaching movement for which a model has been built using regression tools and kinematic data from several healthy individuals. The model, implemented on a prosthesis prototype, has been tested with 10 healthy participants wearing the prototype to validate the concept, and with 6 amputated individuals. These participants also performed the task with a conventional myoelectric control strategy for comparison purpose. The results show that the inter-joint coordination-based control strategy is satisfying in terms of intuitiveness and reduction of the compensatory strategies.

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L’utilisation d’une méthode d’assimilation de données, associée à un modèle de convection anélastique, nous permet la reconstruction des structures physiques d’une partie de la zone convective située en dessous d’une région solaire active. Les résultats obtenus nous informent sur les processus d’émergence des tubes de champ magnétique au travers de la zone convective ainsi que sur les mécanismes de formation des régions actives. Les données solaires utilisées proviennent de l’instrument MDI à bord de l’observatoire spatial SOHO et concernent principalement la région active AR9077 lors de l’ ́évènement du “jour de la Bastille”, le 14 juillet 2000. Cet évènement a conduit à l’avènement d’une éruption solaire, suivie par une importante éjection de masse coronale. Les données assimilées (magnétogrammes, cartes de températures et de vitesses verticales) couvrent une surface de 175 méga-mètres de coté acquises au niveau photosphérique. La méthode d’assimilation de données employée est le “coup de coude direct et rétrograde”, une méthode de relaxation Newtonienne similaire à la méthode “quasi-linéaire inverse 3D”. Elle présente l’originalité de ne pas nécessiter le calcul des équations adjointes au modèle physique. Aussi, la simplicité de la méthode est un avantage numérique conséquent. Notre étude montre au travers d’un test simple l’applicabilité de cette méthode à un modèle de convection utilisé dans le cadre de l’approximation anélastique. Nous montrons ainsi l’efficacité de cette méthode et révélons son potentiel pour l’assimilation de données solaires. Afin d’assurer l’unicité mathématique de la solution obtenue nous imposons une régularisation dans tout le domaine simulé. Nous montrons enfin que l’intérêt de la méthode employée ne se limite pas à la reconstruction des structures convectives, mais qu’elle permet également l’interpolation optimale des magnétogrammes photosphériques, voir même la prédiction de leur évolution temporelle. / We use a data assimilation technique, together with an anelastic convection model, in order to reconstruct the convective patterns below a solar active region. Our results yield information about the magnetic field emergence through the convective zone and the mechanisms of active region formation. The solar data we used are taken from the instrument MDI on board the spatial observatory SOHO on July 2000 the 14th for the event called ”bastille day event”. This specific event leads to a solar flare followed by a coronal mass ejection. Assimilated data (magnetograms, temperature maps and vertical velocity maps) cover an area of 175 Mm × 175 Mm at photospheric level. The data assimilation technique we used, the ”Nudging Back and Forth”, is a Newtonian re- laxation technique similar to the ”quasi linear inverse 3D”. Such a technique does not require computation of the adjoint equations. Thus, simplicity of this method is a numerical advantage. Our study shows with a simple test case the applicability of this method to a convection model treated with the anelastic approximation. We show the efficiency of the NBF technique and we detail its potential for solar data assimi- lation. In addition, to ensure mathematical unicity of the obtained solution, a regularization has been imposed in the whole simulation domain. This is a new approach. Finally, we show that the interest of such a technique is not limited to the reconstruction of convective patterns but that it also allows optimal interpolation of photospheric magnetograms and predictions.

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Le cubitus proximal détient une courbe sagittale unique pour chaque individu, nommée « Proximal Ulna Dorsal Angulation (PUDA) ». Une reconstruction non-anatomique du cubitus proximal, suite à une fracture complexe peut engendrer une malunion, de l’arthrose et de l’instabilité. L’objectif de cette étude était d’évaluer la magnitude de malalignement au niveau de l’angulation proximale dorsale du cubitus qui causerait un malalignement radio-capitellaire, avec et sans un ligament annulaire intact. Afin d’atteindre cet objectif, une étude biomécanique fut conduite sur six spécimens frais congelés avec un simulateur de mouvement du coude. Des fractures simulées au niveau du PUDA, furent stabilisées avec une fixation interne dans cinq configurations différentes. Des images fluoroscopiques furent prises dans différentes positions du coude et de l’avant-bras, avec le ligament annulaire intact, puis relâché. Le déplacement de la tête radiale fut quantifié avec le ratio radio-capitellaire. Une interaction significative fut découverte entre les positions du coude, les angles de malalignement et l’intégrité du ligament annulaire. La subluxation de la tête radiale fut accentuée lors de la déchirure du ligament annulaire. Une augmentation de la subluxation antérieure de la tête radiale fut observée lorsque le malalignement était fixé en extension et lors de mouvements de flexion progressive du coude. D’autre part, un malalignement en flexion et une extension graduelle du coude occasionnait une subluxation postérieure. En conclusion, les résultats ont démontré l’importance d’une reconstruction anatomique du cubitus proximal, car un malalignement de 5 degrés engendre une subluxation de la tête radiale, surtout lors d’une déchirure du ligament annulaire. / It has been shown that the proximal ulna has a sagittal bow, named the Proximal Ulna Dorsal Angulation (PUDA), unique for each individual. Non-anatomic reconstruction of the proximal ulna following a complex injury may lead to malunion, arthrosis and instability, hence the importance of understanding its initial anatomy. The purpose of this study was to evaluate the magnitude of angular malalignement at the proximal ulna dorsal angulation that would lead to radiocapitellar malalignement, with and without an intact annular ligament. In order to achieve our goal, a biomechanical study was conducted on six fresh frozen specimens, with an elbow movement simulator. Simulated fractures at the PUDA were stabilized with internal fixation at five different angles. Then, fluoroscopic images were taken in different elbow and forearm positions, first with the annular ligament intact and then released. Radial head displacement was quantified with the Radio-Capitellar-Ratio (RCR). Overall, a significant interaction was found between elbow positions, angles of malalignement and annular ligament integrity. Radial head subluxation was emphasized when the annular ligament was ruptured. Moreover, anterior subluxation of the radial head increased as malalignement was fixed into extension and with progressive elbow flexion. Furthermore, posterior subluxation increased with malalignement into flexion and with elbow extension. In conclusion, our results demonstrate the importance of obtaining an anatomic reconstruction, specific for each individual’s unique proximal ulna dorsal angulation, following a proximal ulna fracture. Indeed, malalignment of 5 degrees can lead to abnormal tracking of the radial head, especially when associated with annular ligament tear.

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1. / In this thesis, we addressed motor control by two experimental approaches: psychophysical studies in human subjects and neurophysiological recordings in non-human primates. We identified unresolved issues concerning interference in motor learning during adaptation of subjects to two or more anti-correlated force fields. We designed paradigms in which arbitrary color stimuli provided contextual cues that allowed subjects to predict the nature of impending external force fields before encountering them physically during arm movements. This contextual knowledge helped to facilitate adaptation to the force fields by reducing this interference. According to one computational model of motor learning (MOdular Selection And Identification model for Control; MOSAIC), the color context cues made it easier for subjects to build “internal models” of each force field, to recall them and to switch between them with minimal interference. In our first experiment, four groups of human subjects performed elbow flexion/extension movements against two anti-correlated viscous force fields. We combined two different colors for the computer monitor background with two forces: resistive (Vr) and assistive (Va). The first two groups were control subjects. In those subjects, the color of the computer monitor changed at regular intervals but the force field remained constant; Vr was presented to the first group while the second group only experienced Va. As a result, the color cues were irrelevant in the two control groups. All control subjects adapted well to the single experienced force field (Vr or Va). In the two experimental groups, in contrast, the anti-correlated force fields and the monitor colors changed repeatedly between short blocks of trials. In the first experimental group (Reliable-cue subjects), there was a consistent relationship between the force and the stimulus (color of the monitor) - the red colour always signalled the resistive force while the green colour always signalled the assistive force. Adaptation to the two anti-correlated forces for the Reliable-cue group was significant during 10 days of training and almost as good as in the Irrelevant-cue groups who only experienced one of the two force fields. Furthermore, the Reliable-cue subjects quickly demonstrated predictive adaptive changes in their motor output whenever the monitor color changed, even during their first day of training, showing that they could use the reliable color context cues to recall the appropriate motor skills. In contrast, the monitor color also changed regularly between red and green in the second experimental group, but the force fields were not consistently associated with the color cue (Unreliable-cue group). These subjects took longer to adapt to the two force fields than the other three groups, and could not use the unreliable color cue change to make predictive changes to their motor output. Nevertheless, all Unreliable-cue subjects developed an ingenious strategy of making a specific “default” arm movement to probe the type of force field they would encounter in the first trial after the monitor color changed and used the proprioceptive feedback about the nature of the field to make appropriate predictive changes to their motor output for the next few trials, until the monitor color changed again, signifying the possibility of a change in force fields. This strategy was effective since the force remained constant in each short block of trials while the monitor color remained unchanged. This showed that the Unreliable-cue subjects were able to extract implicit and explicit information about the structure of the task from the color stimuli and use that knowledge to reduce interference when adapting to anti-correlated forces. The results of this first study encouraged us to advance our understanding of how subjects can recall multiple motor skills coupled to color context stimuli can be recalled, and how this phenomenon can be reflected by the neuronal activity in monkeys. Our aim was to elucidate how neurons of primary motor cortex (M1) can contribute to adaptive compensation for a wide range of different external forces during single-joint elbow flexion/extension movements. At the same time, we aimed to test the hypothesis evoked in the MOSAIC model, whereby multiple controller modules located in the cerebellum may predict each context and produce appropriate adaptive output signals for a small range of task conditions. Also, according to this hypothesis, M1 neurons may receive inputs from many specialized cerebellar controllers and show appropriate response modulations for a wide range of task conditions. We trained two monkeys to adapt their flexion/extension elbow movements against 5 different force-field conditions: null field without any external force disturbance, two anti-correlated viscous forces (assistive and resistive), which depended on movement speed and resembled that used in the human psychophysical study, a resistive elastic force which depended on elbow-joint position and finally, a visco-elastic field that was the linear sum of the elastic and viscous forces field. Each force field was reliably coupled to 5 different computer monitor background colors. The monkeys properly adapted to the 5 different force-field conditions and used the color context cues to recall the corresponding motor skill for the force field associated with each color, so that they could make predictive changes to their motor output before they physically encountered the force fields. EMG recordings eliminated the possibility that a co-contraction strategy was used by the monkeys to adapt to the force fields, since the EMG patterns were appropriate to compensate for each force-field condition. In parallel, M1 neurons showed systematic changes in their activity at the single-neuron and population level in each force-field condition that could signal the required changes in the direction, magnitude and time course of muscle force output required to compensate for the 5 force-field conditions. The patterns of response changes in each force field were consistent enough across M1 neurons to suggest that most M1 neurons contributed to the compensation for all force field conditions, in line with the predictions of the MOSAIC model. Also, these response changes do not support a strongly modular organization for M1.

Celui-ci a pour objectif de valider l'ensemble des modèles physiques utilisés dans un code de simulation numérique pour simuler un écoulement de type annulaire dispersé en conduite rencontré lors d'une procédure de lavage à eau utilisé dans les raffineries. Pour ce faire une banque de données expérimentale est mise en place sur des configurations représentatives de celles utilisées en condition industrielle. La géométrie retenue comporte une zone horizontale d'injection rectiligne avec un injecteur central, suivi d'un coude à 90° situé dans un plan vertical. Différentes conditions expérimentales permettent d'étudier l'influence de la vitesse du gaz, de la condition d'injection du brouillard et de la pression sur les différents processus physiques. Ces résultats comprenant des visualisations du brouillard et du film pariétale, des mesures de taille et de distribution de gouttes,des mesures de débit et d'épaisseur de film, sont analysés pour faire ressortir les principaux mécanismes d'interaction entre le gaz et la phase dispersée, le gaz et le film liquide pariétal et la phase dispersée et le film pariétal. En parallèle, des premières simulations, avec une approche RANS, sont réalisées avec le code CEDRE de l'ONERA et les résultats sont confrontés aux mesures. / This work has been realised within a CIFRE contract with TOTAL. Its aim was to validate all the physical models used in a computation, which simulates an annular dispersed flow through a pipe used in a water washing process in refinery plants. That is why, a whole set of data has been gathered using experimental boundary conditions which are representative to those used in industrial configurations. The geometry is made of a horizontal pipe with a centred nozzle followed by a 90º elbow in the vertical plane. Several experimental boundary conditions enable one to study the influence of the gas velocity, the type of the spray injection and the pressure on the different physical phenomena. These results including spray and liquid film visualisations, droplets distribution and size measurements as well as liquid film thickness and mass flow measurements were analysed in order to extract the main interaction mechanism between the gas and the dispersed phase, the gas and the liquid film, and the dispersed phase and the annular liquid film. Meanwhile, simulations using a RANS approach were realized with the ONERA code named CEDRE and its results were compared to the gathered measurements.