UPThèses

Le tir à l’arc olympique est une discipline où la performance dépend d’une multitude de paramètres comprenant le matériel, l’archer et l’environnement. Outre l’influence des conditions extérieures qu’un archer peut juste minimiser, la maîtrise de l’équipement et du geste lui permet d’être précis et répétable, deux qualités indispensables à haut niveau. Le travail réalisé s’articule donc autour du matériel composé d’un arc et de flèches, qui une fois caractérisés, sera suivi par une étude biomécanique sur des archers entraînés. Pour commencer, les propriétés mécaniques des branches d’arc utilisées par des archers membres du Pôle France de tir à l’arc sont mesurées à l’aide d’un banc d’essai afin d’identifier celles qui sont les plus efficientes et permettent d’emmagasiner le plus d’énergie potentielle. Ensuite, un deuxième banc de mesure permet la caractérisation des tubes de flèches, qui une fois montées sont tirées à l’aide d’une machine de tir, s’affranchissant ainsi de la variabilité liée à l’humain. L’influence de chacune de propriétés mécaniques des futs sur leur position finale en cible à la distance olympique de 70 mètres a pu alors être étudiée, conduisant à l’amélioration du processus de sélection des futs pour le compte des archers de l’équipe de France. Enfin, sachant que le lâcher de la corde est une perturbation volontaire de l’équilibre postural établi par les archers pendant la phase de visée, une étude a porté sur le lien entre la performance et les ajustements posturaux anticipés au tir à l’arc. L’existence de tels ajustements a pu être observé aussi bien chez des archers experts membres de l’équipe de France olympique, que chez des archers plus jeunes pensionnaires du Pôle France Relève de Bordeaux, avec des différences néanmoins sur leur instant de déclenchement, témoins de deux stratégies temporelles distinctes. Cette thèse CIFRE réalisée en lien étroit avec la Fédération Française de tir à l’arc vise alors l’amélioration de la performance des archers élites, en optimisant la sélection de leur matériel, puis à mettre en exergue un mécanisme de contrôle postural précédant le lâcher de corde qui pourrait y contribuer.

L’analyse du mouvement humain est un paramètre clé pour comprendre les différentes problématiques de la locomotion humaine. Qui plus est, il est nécessaire que ces analyses soient effectuées au plus proche de la locomotion réelle. L’essor de la miniaturisation des capteurs et des technologies sans fil a permis d’offrir la possibilité d’utiliser les centrales inertielles sur le terrain. Mais différentes problématiques existent encore pour obtenir la cinématique des membres inférieurs avec les centrales inertielles. La première étude de ce manuscrit aborde une comparaison des différents calibrages centrale-à-segment pour définir le passage entre l’orientation de la centrale inertielle et le segment sous-jacent. Nous avons mis en avant une méthode qui valide ces critères au mieux et ne demande que deux postures et un dispositif simple. Mais la cinématique obtenue reste entachée d’erreurs qui pourraient être dues à la présence d’artefacts de tissu mou. C’est pourquoi dans une seconde partie nous étudions la possibilité de diminuer ces effets par l’intermédiaire de l’optimisation multisegmentaire. Ainsi nous avons pu mettre en avant la nécessité de bien paramétrer le modèle derrière l’optimisation sans pour autant présenter un apport significatif. Enfin, en dernière partie, nous proposons d’appliquer la méthodologie de traitement de la cinématique articulaire sur une population pathologique, en collaboration avec le laboratoire de cinésiologie Willy Taillard des HUG et de l’Université de Genève. En conclusion cette thèse propose un processus méthodologique et des recommandations pour développer des analyses de la cinématique en milieu écologique avec des centrales inertielles.

La performance sportive de haut niveau est le résultat de multiples intéractions au sein d’un système complexe dans lequel intéragissent un grand nombre de variables : techniques, materiels, stratégies… Bien que la recherche des déterminants de la performance en cyclisme soit un sujet largement étudié, certaines disciplines spécifiques – tel le BMX – sont encore peu abordées. L’objectif de cette thèse a été d’étudier les déterminants (bio)mécaniques de la performance lors d’un départ en BMX race. Bien que le mouvement de pédalage soit largement étudié, la majorité des expérimentations est réalisée en laboratoire, dans des conditions parfois éloignées de la réalité de la pratique. Une méthodologie d’analyse in-situ a été développée afin de tenir compte des spécificités de cette discipline, notamment le départ arrêté contre une grille s’effectuant sur un plan incliné. Deux études, conduites sur une cohorte de 8 pilotes élite, ont permis de caractériser la technique de pédalage, elles ont notamment mis en avant la plus-value d’une analyse tridimensionnelle. En effet, l’indice d’efficacité, lorsqu’il tient compte de la composante médio-latérale, permet de mieux rendre compte du lien entre technique individuelle de pédalage et performance (Etude 1). Les résultats axés sur la technique gestuelle des pilotes ont mis en avant d’importants moments d’abduction aux articulations du genou et de la hanche (Etude 2). Une analyse des séries temporelles combinant cartographie statistique paramétrique (SPM) et algorithme de classification automatique (clustering) a permis de révéler deux sous-groupes de pilotes et là encore d’éclairer les liens entre technique et performance. Le point d’orgue de ces deux études réside dans la mise au point d’une fiche de suivi des pilotes à destination des entraineurs, laquelle fait état de la fertilisation croisée de la collaboration entre l’expertise accrue des entraineurs et les connaissances scientifiques issues de ces deux études. Enfin, le dernier chapitre initie une approche de simulation directe par contrôle optimal. Il comprend notamment le développement d’un modèle de roue spécifique.

Chez les patients atteints de pathologies pulmonaires obstructives, le rétrécissement du calibre des bronches peut induire des perturbations fonctionnelles ventilatoires comme la limitation de débit expiratoire (LDE) et/ou l’hyperinflation pulmonaire (HP). Dans un tel contexte, l’équilibre métabolique pourrait être perturbé au sein du tissu musculaire intercostal, notamment à l’exercice, ce qui pourrait favoriser la survenue ou l’aggravation de la dyspnée. Pour simuler les perturbations ventilatoires que peuvent rencontrer les patients atteints de pathologies pulmonaires obstructives (e.g. résistance anormalement élevée des voies aériennes à l’expiration, LDE et HP), une pression expiratoire positive (PEP) de 20 cmH2O a été imposée au repos et à l’exercice chez des sujets sains. L’oxygénation des muscles intercostaux a été mesurée par spectroscopie dans le proche infrarouge au niveau du 7ème espace intercostal. Au repos, une diminution de la concentration en oxyhémoglobine ([O2Hb]) probablement liée à une baisse de la concentration en hémoglobine totale ([tHb], i.e. volume sanguin local) a été observée en réponse à la PEP (Étude 1). Toutefois, aucune diminution de l’indice de saturation tissulaire en oxygène (TSI) n’a été constatée (Études 1 à 3), y compris lorsque la PEP était à l’origine d’une HP (Étude 2). A l’exercice, une moindre augmentation de [O2Hb] et de [tHb] a été rapportée lorsque la PEP était imposée (vs. contrôle). Une diminution du TSI et de la capacité inspiratoire a aussi été observée entre le repos et l’exercice dans cette condition (Étude 3). D’après les résultats de nos études, lorsqu’une PEP de 20 cmH2O est imposée au repos chez de jeunes sujets sains, aucun déséquilibre métabolique ne semble se produire au niveau des muscles intercostaux. En revanche, lorsque cette PEP est imposée à l’exercice, une perturbation de l’équilibre métabolique semble avoir lieu. Cette dernière pourrait être en partie expliquée par des altérations hémodynamiques locales induites par l’HP. Toutefois, des études complémentaires sont nécessaires pour éclaircir cet aspect. Enfin, aucune relation entre la dyspnée et la condition métabolique des muscles intercostaux n’a été observée lors de nos études. En revanche, des corrélations entre l’inconfort respiratoire et les débits ventilatoires instantanés ont été mises en évidence au repos et à l’exercice lorsque la PEP était imposée (Études 1 et 3). Une relation entre la dyspnée et l’HP a aussi été observée au repos (Étude 2). Les travaux de recherche futurs auront pour objectif de vérifier, au repos et à l’exercice, si l’oxygénation des muscles intercostaux est influencée par l’HP chez des patients atteints de pathologies pulmonaires obstructives.

De nombreuses études ont montré que l’activité physique régulière et le niveau de condition physique étaient associés à la performance cognitive et plus particulièrement aux fonctions exécutives. Parmi les nombreux mécanismes physiologiques qui sous-tendent cette association, l’oxygénation du cortex préfrontal semble avoir un rôle majeur. Il est bien établi que l'impact spécifique de l'oxygénation préfrontale sur le lien entre l’activité physique et la cognition est influencé par certains facteurs comme le sexe, l’âge, et la santé cardio-vasculaire. Ainsi, l'objectif de cette thèse était d'étudier l'impact de l'activité physique et du niveau de condition physique sur les fonctions exécutives au cours du vieillissement chez des hommes sains. L'influence de l'oxygénation du cortex préfrontal et de la santé cardiovasculaire sur la relation « niveau de condition physique – fonctions exécutives » a également été étudiée. A partir de la littérature existante, nous avons formulé l’hypothèse que l’activité physique et le profil cardiorespiratoire auraient des effets bénéfiques sur les fonctions exécutives chez les hommes jeunes et plus âgés, et que pour ces deux populations, l’oxygénation du cortex préfrontal et la santé cardiovasculaire seraient impliquées dans cette relation. Une revue de littérature et quatre études transversales ont été réalisées pour vérifier ces hypothèses. Notre revue de littérature chez les personnes âgées a indiqué que: • Un niveau de condition physique plus élevé est associé à de meilleures performances dans certains tests de fonction exécutive. • Un niveau de condition physique plus élevé est associé à une moindre rigidité artérielle, à une réactivité vasculaire plus élevée, et à une plus grande amplitude de l'oxygénation cérébrale au cours de l'exercice ou d'une tâche cognitives. • Un plus grand volume de matière grise et une plus grande d’intégrité de la substance blanche sont liés àu profil cardiorespiratoire, mais moins systématiquement associés à l’activité physique. • Au moins de 12 semaines d'un programme d'exercice aérobie sont nécessaires pour obtenir un effet significatif sur les fonctions cognitives Nos études expérimentales nous ont permis de conclure que: Chez les jeunes hommes: • Les individus actifs obtenaient de meilleures performances dans les tâches exécutives que les inactifs et avaient un changement important dans l'oxygénation du cortex préfrontal lors des conditions les plus complexes de la tâche de Stroop. • Un niveau de condition physique plus élevé était liée à une meilleure performance en double tâche et une plus grande oxygénation des deux côtés du cortex préfrontal. Chez les hommes âgés: • Le niveau de condition physique n’est pas lié aux performances de Stroop ni à l’ oxygénation du cortex préfrontal. • Un niveau de condition physique plus élevé est lié à une meilleure performance et une plus grande oxygénation de cortex préfrontal droit au cours d’une tâche de Stroop dans le groupe de 61+ ans mais pas dans le groupe de 55-60 ans, ce qui suggère l'importance de la classification de groupe d'âge pour évaluer l'effet du niveau de condition physique sur les fonctions exécutives chez les hommes âgés. • Les hommes âgés ont des relations plus fortes entre plusieurs paramètres cardiovasculaires et la performance des tâches de Stroop que les jeunes hommes Cette projet de recherche montre que l'activité physique et le niveau de condition physique ont des effets positifs sur les fonctions exécutives chez les jeunes hommes et âgés, en particulier dans la tâche la plus complexes. L’oxygénation du cortex préfrontal et la santé cardiovasculaire modulent la relation entre l'activité physique et la cognition. Nous concluons que d’être physiquement actif ou d'avoir un meilleur niveau de condition physique donne des effets avantageux pour la santé vasculaire, l’oxygénation du cortex préfrontal, et les fonctions exécutives non seulement chez les hommes âgés, mais aussi chez les jeunes hommes.

L’étude biomécanique d’un mouvement sportif permet d’identifier des paramètres afin de proposer des améliorations pour parfaire la performance et diminuer le risque lésionnel. Pour les mouvements cycliques, une amélioration minime aura un impact fort sur ces deux enjeux du fait de leur répétition. La cinématique articulaire des mouvements à grande amplitude dans le plan sagittal est couramment étudiée bien que la cinématique musculaire sous-jacente n’est pas documentée car les modèles musculo-squelettiques ne sont définis que sur des amplitudes articulaires restreintes. L’étude cinématique en 3 dimensions (3D) est traditionnellement effectuée en laboratoire grâce à des systèmes de capture d’images. Ces outils sont couteux en temps et permettent d’analyser des tâches dans un espace restreint. Le couplage de ces deux niveaux de modélisation doit permette d’identifier les stratégies musculaires individuelles pour générer ces mouvements contraints en condition écologique. Les objectifs de cette thèse sont de développer un protocole afin d’analyser la cinématique musculaire des mouvements cycliques à grandes amplitudes dans le plan sagittal et de développer un modèle de chaine cinématique pour l’étude de mouvement en boucle fermée pour le membre inférieur. Pour cela, un modèle musculo-squelettique spécifique du membre inférieur et du rachis est développé sur OpenSim, une méthodologie propre à l’étude des variations de longueurs est mise en place pour prendre en compte les spécificités intra et interindividuelles et l’impact de la modélisation 3D est discutée par rapport à une modélisation 2D. Le protocole développé est ensuite mis en application lors d’une expérimentation sur ergomètre d’aviron pour 28 rameurs. Enfin, un modèle de chaine cinématique en boucle fermée 3D du membre inférieur est développé et testé avec l’utilisation de centrales inertielles. Ce travail ouvre des perspectives sur les adaptations intra et interindividuelle et le développement d’entraînement adaptés aux contraintes spécifiques de l’activité.

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.

L’impact de l’exposition au froid dans le contexte de l’exercice physique et de la récupération sur des variables physiologiques et perceptives a été investigué. Nous avons mis en évidence, par méta-analyse, que : - L’exposition au froid lors de l’activité physique permet une amélioration de la performance pour des exercices de type aérobies et anaérobies (taille de l’effet variant suivant la technologie de refroidissement utilisée et la partie du corps refroidie). - La cryothérapie/cryostimulation et l’immersion en eau froide utilisées à la suite d’une activité physique permet une réduction des courbatures, de la fatigue perçue et des concentrations sanguines de marqueurs de dommages musculaires et de l’inflammation. Nos travaux expérimentaux montrent que : - Le port d’un gilet refroidissant lors d’une activité physique éprouvante améliore les réponses perceptives de confort thermique, d’humidité et de bien-être et réduit le stress physiologique (température cutanée diminuée, retour plus rapide à la fréquence cardiaque de base, amélioration de l’oxygénation cérébrale). - 3 min d'exposition en cryothérapie corps partiel est une durée optimale pour améliorer la qualité de sommeil après un entraînement. - 3 min d’exposition en cryothérapie corps entier améliore la qualité subjective (questionnaires) et objective du sommeil (actimétrie). Les mécanismes liés à cette amélioration dépendent de l’activité du système parasympathique lors des phases de sommeil profond. Ce travail montre l’efficacité de l’utilisation du froid dans différents contextes de l’activité physique et dans les processus de récupération. Les mécanismes biologiques susceptibles d'interagir dans ces processus de récupération sont présentés.

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.

Dans le cadre actuel de la médecine basée sur les faits, les avancées des neurosciences cognitives apportent de nouvelles techniques séduisantes en rééducation. Parmi elles, l'imagerie motrice a retenu notre attention en tant qu'outil d'évaluation de l'intégrité des processus sensorimoteurs, mais aussi en tant que technique d'apprentissage ou de réapprentissage du contrôle des mouvements. Elle semble donc particulièrement intéressante dans la rééducation du mouvement humain : la kinésithérapie (physiothérapie). Ce travail de thèse a été tout particulièrement motivé par des questions d'une part sur l'évolution dans le temps des capacités d'imagerie motrice (au cours d'une journée, du passage de l'âge adulte à un âge plus avancé) et la conséquence de cette évolution en pratique clinique, d'autre part sur la possibilité d'utiliser l'imagerie motrice implicite comme outil d'évaluation des capacités sensorimotrices des patients. Dans ce contexte, quatre études de cohortes et trois études randomisées contrôlées ont été effectuées chez des sujets seniors et/ou jeunes. La première partie de ce travail a permis de mettre en évidence la modulation des capacités d'imagerie motrice en fonction du moment de la journée chez les seniors et de proposer des suggestions pour l'organisation des séances par le praticien. La deuxième partie de ce travail a permis de valider l'intérêt de l'imagerie motrice implicite (tâche de rotation mentale de stimuli corporels) comme outil d'évaluation d'une pratique de kinésithérapie (le massage) et de mieux comprendre l'impact de différentes posologies (durée du massage, zone de massage) sur l'activation des processus sensorimoteurs. Enfin, dans la dernière partie de ce travail, les études menées apportent quelques éclaircissements sur les effets du vieillissement sur les processus sensorimoteurs et présentent quelques tâches d'imagerie motrice prometteuses à destination des praticiens pour compléter leur évaluation clinique. Pris dans son ensemble, ce travail s'inscrit dans le développement d'une recherche en rééducation pour améliorer la pertinence de la prise en charge au service des patients, notamment des patients âgés hospitalisés.