UPThèses

L'objectif de ce travail est d'identifier les paramètres inertiels segmentaires humains, c’est-à-dire la masse, la position du centre de masse et la matrice d’inertie de ces segments. Ces paramètres, au nombre de dix par segment, constituent une donnée d'entrée indispensable aux calculs de dynamique inverse utilisés dans les études de biomécanique. Bien qu'il existe des méthodes pour avoir accès à ces paramètres par le biais de tables anthropométriques ou le calcul des volumes segmentaires, l'identification apparaît nécessaire dès lors que les sujets étudiés sont atypiques (handicapés physiques, femmes enceintes, sportifs présentant des hypertrophies musculaires). L'originalité de ce travail est de proposer une approche mixte dans l'écriture du problème d'identification combinant une formulation vectorielle et matricielle des équations du mouvement d’un système poly-articulé supposé rigide, qui ont déjà été établies au sein de l'équipe dans les travaux de thèse de Tony Monnet. La première permet d’identifier les masses et les centres de masse segmentaires. La deuxième permet d’identifier, elle, les matrices d’inertie segmentaires. Les paramètres d’entrée de cette méthode d’identification sont les matrices rotations segmentaires, leurs dérivées secondes, les accélérations segmentaires, ainsi que le torseur externe. Si ce dernier est directement mesuré par une plateforme de force, les autres grandeurs sont obtenues après des opérations sur la mesure de la cinématique segmentaire du sujet obtenue par un système opto-électronique. Ce système mesurant la cinématique du sujet grâce à des marqueurs cutanés, cette cinématique diffère de la cinématique théorique obtenue si les segments sont rigides, du fait des mouvements des masses molles. Ce travail a donc porté sur le calcul d’une matrice rotation optimale, basée sur une transformation matérielle décrivant le mouvement segmentaire. De plus les mouvements des masses molles ainsi que les instruments de mesure induisent un bruit dans les signaux cinématiques. Du fait de la double dérivation de ces signaux pour le calcul des accélérations segmentaires et des dérivées secondes des matrices rotations, ce bruit devient prépondérant sur le signal porteur. Ce travail a donc également porté sur le filtrage à effectuer pour atténuer ces bruits. Cinq filtres utilisés dans la littérature (filtre de Butterworth, lissage de Savitsky-Golay, moyenne glissante, lissage par spline et analyse spectrale) ont été implémentés et leurs effets sur les paramètres inertiels identifiés ont été comparés. Les résultats montrent que les paramètres identifiés avec la méthode vectorielle ne nécessitent pas de traitement. L’identification des matrices d’inertie nécessite, elle, un traitement et le lissage optimal est obtenu avec le moyenne glissante. Enfin, une modélisation du membre supérieur par une chaîne cinématique a également été implémentée afin de rigidifier la cinématique acquise. Les premiers résultats ne sont pas satisfaisants mais le modèle retenu peut être affiné avant de conclure sur l’intérêt de cette modélisation pour l’identification des paramètres inertiels. Finalement, l’approche mixte développée permet l'identification des dix paramètres inertiels des segments du corps humain. La méthode a été validée en identifiant les paramètres inertiels des segments constituant le membre supérieur de dix huit sujets. Les paramètres obtenus ont ensuite été comparés à ceux issus d’une table anthropométrique. Les résultats montrent que les paramètres identifiés sont très proches de ceux estimés. Cela montre donc que l’identification des paramètres inertiels est fiable et permet d’avoir accès aux paramètres inertiels de sujets atypiques, pour qui les tables anthropométriques ne sont pas disponibles.

Lorsque l'on s'intéresse aux positions d'accouchement, les avis sont très partagés. D'après la littérature, les positions dites verticales parmi lesquelles figure la position accroupie semblent aboutir à des issues materno-fœtales plus favorables que les positions horizontales qui comprennent la position gynécologique. Seulement, l'origine de ces bénéfices notamment du point de vue de la mécanique obstétricale reste incertaine. Il apparait que ce manque de clarté provient avant tout d'un manque de définition des postures segmentaires retrouvées lors de ces positions d'accouchement. L'objectif premier de ce travail était donc de définir les postures segmentaires au cours de différentes positions d'accouchement et de préciser en particulier le rôle de la posture des cuisses sur des éléments jugés importants en mécanique obstétricale à savoir l'orientation du plan du détroit supérieur et la courbure lombaire. En premier lieu, une enquête épidémiologique régionale a été effectuée afin d'attester les positions d'accouchement les plus fréquemment adoptées et d'identifier les facteurs associés à leur adoption. Par une méthode dérivée entre autres des méthodes d'analyse du mouvement par système optoélectronique, l'influence de la posture des cuisses (flexion et abduction) sur la posture du plan du détroit supérieur et du rachis lombaire a été analysée tout d'abord en position gynécologique puis en position accroupie. Enfin, l'importance de la posture initiale des cuisses sur les mouvements segmentaires a été évaluée au cours d'une manœuvre obstétricale (Mac Roberts), manœuvre couramment utilisée en cas de dystocie des épaules. Ce travail a permis de mettre en évidence l'importance de la caractérisation des postures segmentaires pour la compréhension des bénéfices d'une position d'accouchement sur une autre.

Face aux limites auxquelles doivent faire face les systèmes optoélectroniques (matériel lourd, champ de mesure limité), les capteurs inertiels constituent une alternative prometteuse pour la mesure du mouvement humain. Grâce aux dernières avancées techniques, notamment en termes de miniaturisation des capteurs, leur utilisation en ambulatoire c’est-à-dire de façon autonome et embarquée est devenue possible. Mais ces opérations de miniaturisation ne sont pas sans effet sur les performances de ces capteurs. En effet, une telle mesure est dégradée par différents types de perturbations (stochastiques et déterministes) qui sont alors propagées au cours du processus dit de fusion des données visant à estimer l'orientation des segments humains. Classiquement, cette opération est réalisée à l'aide d'un filtre de Kalman dont le rôle est justement d'estimer une grandeur à partir d'une mesure bruitée en la confrontant à un modèle d'évolution. Dans ce contexte, nous proposons diverses méthodologies dans le but d'accéder à une mesure suffisamment précise pour être exploitée dans le cadre de l'analyse du mouvement humain. La première partie de cette thèse se focalise sur les capteurs. Tout d'abord, nous étudions les bruits de mesure issus des capteurs inertiels, puis nous leur attribuons un modèle afin de les prendre en compte au sein du filtre de Kalman. Ensuite, nous analysons les procédures de calibrage et évaluons leurs effets réels sur la mesure afin d'émettre quelques propositions en termes de compromis performance/facilité de réalisation. Dans une seconde partie, nous nous consacrons à l'algorithme de fusion des données. Après avoir proposé un filtre de Kalman adapté à la mesure du mouvement humain, nous nous focalisons sur un problème récurrent à ce stade : l'identification des matrices de covariance dont le rôle est d'attribuer une caractérisation globale aux erreurs de mesure. Cette méthode, basée sur une confrontation de la mesure avec une référence issue d'un système optoélectronique, met en évidence la nécessité de traiter ce problème rigoureusement. Dans une troisième partie, nous commençons à aborder les problèmes liés à l'utilisation des capteurs inertiels pour la mesure du mouvement humain, notamment le calibrage anatomique et le positionnement des capteurs. En conclusion, les gains apportés par les diverses propositions avancées dans cette thèse sont évalués et discutés.

La performance sportive et la prévention des blessures en cyclisme sont étroitement liées à l'amélioration des capacités physiques, de la technique gestuelle ainsi qu'à l'optimisation du matériel utilisé. Dans ce contexte, nous avons étudié l'influence du recul de selle sur l'efficacité du mouvement de pédalage ainsi que sur les efforts internes au niveau du genou. Une approche de modélisation musculo-squelettique a été développée afin de quantifier indirectement les forces musculaires et articulaires exercées à partir de mesures externes cinématiques et dynamiques. Un intérêt tout particulier a été porté sur l'adéquation entre les mesures des efforts extérieurs, le modèle anthropométrique et les mesures cinématiques afin de diminuer les incohérences dynamiques associées à un système surdéterminé. A partir de ces mesures, les effets du recul de la selle sur la performance ont été évalués à travers l'indice d'efficacité de la force produite à la pédale et un nouvel indice, basé sur le travail mécanique externe. Les résultats ont montré qu'un positionnement de la selle plus reculé augmente l'efficacité du mouvement de pédalage. Concernant la prévention des blessures, notre analyse s'est portée sur l'effet du recul de selle sur deux troubles musculo-squelettiques (TMS) fréquents en cyclisme : le syndrome fémoro-patellaire et le syndrome de la bandelette ilio-tibiale. Nos résultats ont montré que le recul de selle ne modifie pas les forces fémoro-patellaires communément incriminées dans la survenue de ce syndrome. Par ailleurs, une position plus reculée augmente les forces fémoro-tibiales de compression par le biais notamment de la contraction excentrique des muscles ischio-jambiers. Bien que le syndrome de la bandelette ilia-tibiale soit classiquement décrit comme un syndrome de friction (syndrome de l'essuie-glace), le calcul de la force d'interaction entre la bandelette iliotibiale et l'épicondyle fémoral a montré que la compression est le facteur discriminant dans le pathoméchanisme. L'approche méthodologique de simulation développée dans ce cadre possède par ailleurs un fort potentiel afin de corriger les défauts techniques, d'optimiser les réglages matériels et améliorer la prise en charge thérapeutique des TMS. Plus généralement, les développements méthodologiques et implications cliniques issus de ces travaux trouvent des applications directes dans le milieu du cyclisme mais aussi dans l'étude de nombreuses activités sportives (notamment sur ergomètre) du point de vue de la performance, de la prévention des blessures et de la rééducation.

Le crawl est actuellement la nage utilisée lors des épreuves de nage libre durant les compétitions de natation aux différentes allures de nage (sprint, demi-fond et fond). Les bras sont les segments corporels qui participent le plus à la propulsion. Les accélérations de ces segments, dans le milieu fluide au repos, génèrent un écoulement complexe qui est à l'origine des forces hydrodynamiques propulsives. L'analyse de cet écoulement est nécessaire pour en comprendre les principaux mécanismes. Dans ce cadre, des « paramètres cinématiques d'écoulement » (vitesse, accélération et orientation de la main, angles d'attaque et de sweepback) ont été définis afin d'analyser et comparer les différentes organisations gestuelles des nageurs et de leurs effets sur la propulsion. Deux des principaux axes d'investigation étaient de vérifier si ces paramètres variaient en fonction de l'allure, et aussi de déterminer quels paramètres cinématiques étaient les plus prépondérants dans la génération des mécanismes propulsifs. Pour cela, un système opto-électronique d'analyse cinématique, a permis de mesurer ces paramètres sur 17 nageurs experts. Par ailleurs, l'écoulement généré par le trajet des bras aux différentes allures a été simulé par résolution numérique instationnaire des équations de Navier-Stokes. Enfin, des mesures expérimentales d'effort ont été faites en nage attachée afin de connaître les forces propulsives. Il apparaît que l'augmentation de l'allure de nage peut davantage s'expliquer par la diminution des durées des phases non propulsives (entrée et allongement) plutôt que par l'augmentation des forces durant les phases les plus propulsives (balayages interne et externe).

Les problématiques scientifiques étudiant la biomécanique du mouvement de pédalage en cyclisme ont fait et font toujours l'objet de nombreux travaux. Ces travaux touchent de divers domaines, technologique par exemple pour l'amélioration du matériel qui a considérablement évolué, physiologique pour l'amélioration des capacités physiques et des rendements énergétiques en fonction des styles de pédalage, et biomécanique pour l'expertise, en particulier, de l'efficacité de mouvement de pédalage. Le travail présenté s'inscrit dans ce dernier champ scientifique : la biomécanique du mouvement.
Le travail réalisé a bénéficié d'un appel à projet de l'Agence Française de la Lutte contre le Dopage avec pour objectif : « [SIC] se réarmer vis-à-vis du dopage en adoptant des démarches qui se veulent originales et concrètes, notamment en se plaçant du point de vue de l'entourage scientifique de sportifs dopés » en se focalisant sur les thèmes « [SIC] Travail, puissance et rendement énergétique».
Dans ce contexte, l'objectif général des travaux est l'évaluation du profil biomécanique du coureur cycliste par mesures en laboratoire. Pour cela, une plateforme expérimentale a été validée et nous a permis d'aborder deux questions centrales i) qu'est ce qui crée la force produite à la pédale ? ii) que peut-on attendre d'une évaluation énergétique mécanique du mouvement de pédalage? Ces deux points sont abordés à partir d'un protocole de tests de type incrémentiel tel que l'exige la Fédération Française de Cyclisme. Les résultats ont été obtenus sur une cohorte de coureurs Elite.

Les méthodes modernes d'entraînement utilisent des appareillages spécifiques appelés ergomètres sur lesquels, en particulier, des programmes d'entraînement et d'évaluation sont proposés par les entraîneurs. De tels dispositifs favorisent la continuité d'un entraînement pendant les périodes peu favorables à une pratique sportive. De même, lorsque ces outils sont instrumentés, ils apportent à l'entraîneur des informations difficilement accessibles en situation réelle de pratique. Ce travail s'inscrit dans cette problématique scientifique dont l'objet est la conception d'un ergomètre pour la pratique du kayak en ligne. Les travaux réalisés ont conduit à la conception d'un ergomètre kayak capable de reproduire les conditions d'une pratique écologique aussi précisément que possible tant d'un point de vue de la gestuelle (cinématique) que des efforts générés (dynamique) d'une part, de proposer et de valider une instrumentation afin de recueillir l'ensemble des efforts d'interaction kayakiste/ergomètre, d'autre part. De plus, cette instrumentation doit être suffisamment exigeante en termes de poids et d'encombrement pour être installée dans un kayak K1 pour réaliser des mesures in situ. Les moyens mis en œuvre donnent accès aux variables biomécaniques permettant de quantifier les éléments de base de la technique de pagayage qui constituent l'ensemble des facteurs déterminants de la performance (force, endurance, technique, etc.). Scientifiques et entraineurs ont ainsi à leur disposition un outil pour une évaluation objective des performances du kayakiste. Ce travail a été réalisé dans le cadre d'une collaboration entre l'axe RoBioss, le CAIPS et la société SENSIX.

Le mouvement des masses molles est à la fois une source d'erreur en analyse cinématique et une source d'information en analyse de la dynamique articulaire. Leur effet sur la cinématique peut être numériquement minimisé et leur dynamique estimée seulement par la simulation car aucune méthode numérique ne permet de distinguer la cinématique des masses molles de celle de l'os. Le travail présenté dans ce mémoire propose de développer une méthode numérique pour distinguer ces deux cinématiques. Une méthode d'optimisation locale a d'abord été utilisée pour évaluer le mouvement des masses molles et comparée à l'os pour valider celle-ci. Les résultats ont montré une inadaptation de la méthode locale à évaluer quantitativement et analyser le mouvement des masses molles. L'incapacité de cette méthode vient du fait qu'elle ne prend pas en compte l'ensemble des composantes du mouvement des masses molles. Un modèle numérique du membre inférieur a été développé dans la seconde étude pour considérer l'ensemble de ces composantes. Ce modèle assure le calcul de la cinématique articulaire du membre inférieur et estime un plus grand mouvement des masses molles à partir du déplacement total des marqueurs. Ce déplacement de marqueur est plus le fait d'une composante à l'unisson que d'une composante propre du mouvement des masses molles. Cette composante à l'unisson induit un mouvement commun des marqueurs par rapport à l'os. Ce mouvement commun permet ainsi de déduire la cinématique des masses molles autour des axes anatomiques des os modélisés. Cette méthode numérique permet ainsi de distinguer la cinématique de l'os de celle des masses molles offre une perspective d'étudier leur dynamique.

La démocratisation des MEMS a permis l'essor des centrales d'attitude : groupement de capteurs permettant d'évaluer son orientation par rapport au repère terrestre. Il existe plusieurs types de capteurs utilisés dans de telles centrales : les accéléromètres, les magnétomètres et les gyromètres. Seule la combinaison accéléromètres - magnétomètres - gyromètres permet l'estimation de l'orientation cinématique de façon satisfaisante, sans connaître d'à priori sur le mouvement, c'est-à-dire l'estimation de l'orientation en présence d'accélération inconnue. Le sujet de la thèse est justement, dans le cadre de la captation de mouvement corps entier, d'ajouter des connaissances à priori afin de limiter le nombre de gyromètres, voire de les supprimer totalement. Ces connaissances sont l'information que les capteurs sont fixés sur un squelette et que leurs mouvements relatifs ne peuvent être que des compositions de rotations. Pour tester l'efficience de cette méthode, on l'applique d'abord sur un pendule simple à un degré de liberté, puis sur un pendule à trois degrés de liberté, ensuite sur des groupes de segments (épaule - bras - avant-bras par exemple) et sur le corps entier. Ce rapport de thèse développera les aspects théoriques ainsi que les résultats obtenus sur les différentes méthodologies de résolution.

Les modèles mécaniques simplifiés de la marche visent à étudier le comportement du marcheur en s'appuyant sur la trajectoire de son centre de masse. L'objet de cette thèse est d'analyser la précision de ces modèles en se référant à la modélisation plurisegmentaire de l'individu, et de proposer un modèle mécanique simplifié plus réaliste de la marche dans l'espace tridimensionnel. Une étude préliminaire de la théorie des déterminants de la marche est réalisée. L'influence de ces déterminants est évaluée d'une part sur la trajectoire du centre de masse et, d'autre part, sur la force d'appui au sol. Tenant compte des résultats issus de cette étude, une méthode originale de simulation de la trajectoire 3D du centre de masse est proposée. L'analyse énergétique-mécanique des différents modèles mécaniques simplifiés prolonge ces travaux. Cette analyse est dans un premier temps basée sur la trajectoire du centre de masse, abordant la formulation mathématique du travail des forces externes. L'étude des forces internes appliquées au système plurisegmentaire poursuit ensuite l'analyse énergétique-mécanique de la marche. Différentes formulations du calcul du travail des forces internes, toutes basées sur le Théorème de l'Energie Cinétique, sont développées. Ce chapitre souligne l'importance de dissocier le travail mécanique moteur du travail freinateur afin d'approcher le coût energetique-mechanique réel de la marche.