INSTITUT FRANÇAIS

DES SCIENCES

ET TECHNOLOGIES,

DES TRANSPORTS,

DE L'AMÉNAGEMENT

ET DES RÉSEAUX

RECUEIL DES SUJETS DE MASTER 2014-2015

LABORATOIRE DE BIOMECANIQUE ET MECANIQUE DES CHOCS

UMR_T 9406 IFSTTAR/UCBL

LYON - BRON

Centre de Bron Campus Universitaire de la Doua

IUT B Villeurbanne Faculté de Médecine Lyon-Sud

Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs sujets de Master 2014-2015

Le mot du directeur Vous trouverez dans ce recueil les sujets de Master Recherche proposés au Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs (LBMC). Ce laboratoire développe des recherches dans le domaine de la biomécanique et de la mécanique des structures pour des applications dans le domaine de l’ingénierie pour la santé, la protection des usagers et l’ergonomie des transports. Ces recherches se font à la fois d’un point de vue expérimental et en simulation numérique. Le LBMC comporte plusieurs sites sur la région lyonnaise. Il est très proche du milieu médical, et des industriels des transports et de la santé. Ces sujets de master s’adressent principalement à des étudiants de formation mécanique et/ou biomécanique. La plupart peuvent se prolonger en thèse de 3ème cycle au sein de l’Ecole doctorale MEGA de Lyon (une trentaine de doctorants est régulièrement accueillis au LBMC). Les étudiants intéressés doivent contacter l’encadrant principal indiqué dans les fiches « sujet ». Ces stages se dérouleront au sein des équipes de recherche du laboratoire, souvent suivis par un binôme d’encadrants, certains en collaboration avec d’autres laboratoires ou d’autres équipes du LBMC. Il s’agit pour la plupart de travail d’équipe avec des doctorants, chercheurs, ingénieurs s’appuyant sur des moyens expérimentaux ou de calcul performants et importants. Les informations complémentaires sur le LBMC, les équipes d’accueil et les thèmes de recherche sont accessibles à l’adresse suivante : www.inrets.fr/linstitut/unites-de-recherche-unites-de-service/lbmc.html . Bienvenue au sein de nos équipes de recherche Philippe Vezin Directeur du LBMC

Sujet de MASTER au LBMC UMR_T9406

Titre du master Amélioration de modèles enfants pour la simulation d’accidents

Encadrants Philippe Beillas, M-C Chevalier, philippe.beillas@ifsttar.fr

Contexte Dans le cadre du projet européen PIPER (www.piper-project.eu), le LBMC, en collaboration avec les universités TU Berlin en Allemagne et KTH en Suède, conduit des activités de recherche sur des modèles éléments finis d’enfants destinés à être utilisés pour évaluer le risque de lésion lors d’accidents et la conception de sièges (Figure 1). Ces modèles, dont le développement a été initié dans le cadre de précédents projets (projet Européen CASPER puis projet pôle de compétitivité ProEtech), ont déjà montré un fort potentiel mais des améliorations et raffinements sont encore nécessaires avant qu’ils soient partagés plus largement avec la communauté à la fin du projet PIPER.

Figure 1 : illustration des modèles d’enfant. Gauche : modèle de base (enfant de 6 ans). Centre : modèles de 6, 3 et 1.5 ans obtenus par mise à

l’échelle non linéaire. Droite : exemple d’applications des modèles avec chargement ceinture et chargement par harnais

Objectifs Pour le LBMC, l’objectif principal sera de contribuer à l’amélioration de la modélisation de certains segments anatomiques (ex : épaule) ainsi qu’à l’amélioration de la réponse du modèle (validation en choc latéral en particulier). Ces travaux seront conduit en étroite collaboration avec TU Berlin et suivant la feuille de route établie pour le projet.

Travail attendu Le travail inclura des activités de modification du modèle (ex : introduction de composants déformables à partir de données d’imagerie médicale, amélioration du maillage) et des activités de simulation. Les simulations seront réalisées dans le code de calcul Ls-Dyna3D, qui est largement utilisé dans l’industrie et le milieu académique.

Compétences recherchées 1) Formation en mécanique, avec de préférence une expérience en simulation éléments finis. 2) Bon niveau d’anglais (langue de travail avec les partenaires du projet) 3) Connaissances en anatomie et biomécanique.

Titre du master Comportement et mécanismes lésionnels de l'abdomen haut lors d'un choc automobile

Encadrant Philippe Vezin, philippe.vezin@ifsttar.fr

François Bermond, francois.bermond@ifsttar.fr

Les blessures à l’abdomen ne représentent qu’une petite proportion de l’ensemble des blessures occasionnées par les accidents d’automobiles comparativement à celles de la tête, du thorax ou des membres. Néanmoins, leur proportion augmente considérablement lorsque l’on considère les blessures sérieuses à sévères (AIS 3 ou plus) de l’abdomen : 8% des lésions AIS3+, 16.5% des lésions AIS4+, et 20.5% des lésions AIS5+. Il a également été démontré que les passagers arrière des voitures ont un risque 1.7 fois plus élevé de subir une lésion à l’abdomen que les passagers avant.

Afin d’offrir la meilleure protection à tous les occupants de véhicule, il s’avère important de pouvoir évaluer correctement le risque de lésions abdominales à l’aide d’un mannequin de choc biofidèle et équipé d’une instrumentation permettant d’établir un critère de lésion pertinent. Actuellement, aucun mannequin de choc frontal existant ne remplit ces conditions. De plus, il paraît important de pouvoir différencier le risque lésionnel pour la partie haute de l’abdomen dont les organes dits « pleins » sont largement protégés par la cage thoracique, et pour la partie basse de l’abdomen dont les organes dits « creux » sont en partie directement exposés.

Le LBMC et TME ont réalisé une étude sur l’abdomen bas du mannequin THOR, futur mannequin réglementaire. Un premier prototype a été développé en incluant les capteurs de pression abdominale (APTS) de l’IFSTTAR déjà utilisés pour la protection des enfants. Il reste encore à améliorer la biofidélité de ce prototype et à associer à la mesure des APTS un critère de lésion abdominale pour l’adulte. Une thèse a débuté en 2013 dans le but de définir le cahier des charges pour l’abdomen bas et haut du mannequin THOR afin de prédire le risque lésionnel des organes « creux » et « pleins » de l’abdomen des occupants ceinturés de véhicule lors d’une collision frontale. L’objectif de ce master est de se concentrer sur l’abdomen haut du mannequin THOR afin de prédire le risque lésionnel. Les étapes de travail sont les suivantes :

1) Transfert de cette connaissance à l’abdomen haut du mannequin THOR. Le modèle Eléments Finis du THOR permettra d’évaluer les améliorations à apporter au prototype de l’abdomen bas et à l’abdomen haut en termes de :

Biofidelité, Géométrie et couplage de l’abdomen haut et bas, Influence des APTS de l’abdomen bas sur la cinématique du mannequin, Influence des efforts internes (cage thoracique, bassin, colonne lombaire) et des efforts externes (ceinture,

airbag, volant) au mannequin sur la mesure des APTS de l’abdomen bas, Instrumentation de l’abdomen haut.

Mots-clefs : Abdomen haut, Mannequin de choc, modèle numérique.

Sujet de MASTER au LBMC UMR_T9406

Titre du master Caractérisation multi-modalités du tibia humain

Encadrants David Mitton, david.mitton@ifsttar.fr

Hélène Follet, helene.follet@inserm.fr

Dans le cadre d’un projet sur l’estimation des propriétés osseuses pour contribuer à améliorer la prédiction du risque de fracture, le Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs (LBMC, IFSTTAR-UCBL) collabore avec le Lyos (INSERM-UCBL) et le Laboratoire d’Imagerie Biomédicale (LIB, CNRS-INSERM-UPMC). Le Lyos vise à prédire le risque de fracture notamment dans le cas de l’ostéoporose. Le LIB développe des méthodes ultrasonores de quantification des propriétés osseuses et a crée une start-up pour valoriser un dispositif ultrasonore par transmission axiale.

Ce projet se focalise sur 2 sites anatomiques (le radius et le tiba, deux sites accessibles pour des mesures ultrasonores in vivo). Des techniques d’imagerie, des mesures ultrasonores et enfin des expérimentations biomécaniques sont prévues afin de caractériser ces os et de chercher des relations entre mesures ultrasonores non destructives et propriétés à l’échelle du tissu et de l’organe. Ce travail est en cours sur le radius. Pour le tibia, seules les mesures ultrasonores ont débuté. Dans ce contexte, les objectifs de ce stage sont :

- d’acquérir des données scanner à haute résolution dans la zone des mesures ultrasonores, afin d’obtenir l’épaisseur et la porosité corticale.

- de concevoir et de réaliser des expérimentations biomécaniques permettant de caractériser la résistance à la rupture de tibias entiers.

Pour atteindre ces objectifs, le projet s’appuiera sur 30 tibias appariés collectés par le LBMC et le LYOS. Ce projet sera mené au sein d’une équipe pluridisciplinaire impliquant des assistants ingénieurs, des ingénieurs, des doctorants et des chercheurs.

Figure : illustration 3D de l’évolution de la structure du tibia : à gauche (sujet sain), à droite sujet avec ostéoporose sévère (induisant une réduction de l’épaisseur de cortical, une augmentation de sa porosité et des discontinuités du réseau trabéculaire). Source Lyos.

Titre du master Analyse biomécanique in vivo du thorax : respiration et réponse à un chargement dynamique externe

Encadrants François Bermond, francois.bermond@ifsttar.fr

Karine Bruyère Garnier karine.bruyere@ifsttar.fr

Les modèles éléments finis du corps humain sont largement développés pour prédire les risques de blessures en cas de choc. Si on s’intéresse à certains organes thoraciques comme les poumons, la simulation numérique de leur réponse mécanique à un chargement dynamique externe, nécessite d’intégrer une analyse quantitative de l’activité physiologique. Cela nécessite d’acquérir des connaissances biomécaniques in vivo. Dans le domaine de la biomécanique des chocs, ce type d’expérimentation in vivo connaît un fort intérêt et quelques travaux concernent la réponse du thorax à un chargement dynamique antéro postérieur. Cependant, aucune observation quantitative de la physiologie de la respiration n’a été faite et aucune relation entre cette activité respiratoire et la réponse mécanique de la cage thoracique n’a été établie.

L’objectif de ce stage est de mettre au point un dispositif permettant de quantifier l’activité respiratoire d’un sujet au cours d’un chargement dynamique antéro-postérieur du thorax in vivo. Cette méthode doit pouvoir être mise en œuvre sur une large population (de l’enfant à la personne âgée) et être compatibles avec les contraintes des protocoles de chargement dynamique du thorax existants. Les étapes de travail sont les suivantes :

1) prise en main des outils d’analyse de la réponse mécanique du thorax lors de chargement dynamique antéro-postérieur et rédaction d’une synthèse des données existantes,

2) définition et validation d’un protocole de mesure des volumes et pressions respiratoires sur sujets volontaires, 3) mise en œuvre du protocole au cours de manipulations de kinésithérapie respiratoires, 4) mise en relation des paramètres respiratoires (pressions, volumes) et les paramètres mécaniques liés à la cage

thoracique (déflexion, raideur...).

Mots-clefs : expérimentation in vivo, respiration, mobilisation thoracique, analyse du mouvement

a) b) c)

a), b) Analyse du mouvement de points anatomiques, c) Exemple de dispositif de mesure des volumes respiratoires Source : Ifsttar Lbmc

Sujet de MASTER au LBMC UMR_T9406

Titre du master Simulation avec modèles en éléments finis d’impacts abdominaux sur tablette de train lors d’un accident

Encadrants M-C Chevalier, marie-christine.chevalier@ifsttar.fr

Contexte Le choc de l’abdomen du passager de train contre une table ou tablette de siège peut conduire à des lésions abdominales sévères en cas d’accidents. Toutefois aucun dispositif ne permet aux transporteurs et équipementiers de quantifier ce risque. Le LBMC a conçu et développé un outil de mesure de la pression abdominale appelé APTS (Abdominal Pressure Twin Sensors) pour les mannequins de choc enfants de la série Q (projets CASPER, ProETech) : ce dispositif va permettre d’évaluer le risque de blessures abdominales pour les enfants depuis l’âge de 18 mois jusqu’à 10 ans. Une version industrielle protégée par un brevet est disponible et son implémentation en phase réglementaire est actuellement en cours d’étude. Dans le même temps, un modèle en éléments finis a été développé et évalué par rapport à des essais expérimentaux.

Objectifs Dans un premier temps, il s’agit d’intégrer le modèle des APTS dans un modèle d’abdomen de mannequin adulte et de calculer par simulation numérique sa réponse lors d’un impact contre une tablette de train. Dans une deuxième étape, il s’agira d’évaluer la capacité du modèle à distinguer différentes configurations. Le mannequin retenu est le futur mannequin réglementaire THOR, disponible au Laboratoire (ainsi que son modèle en EF).

Crash test sur catapulte APTS inséré dans l’abdomen du mannequin enfant Q-3ans et modèles en EF (mannequins THOR et Hybrid3)

Travail attendu L’étude sera essentiellement numérique, les calculs étant effectués avec le logiciel de calcul dynamique LS-Dyna. Après implémentation du modèle des APTS dans celui de l’abdomen du THOR, il s’agira d’évaluer la biofidélité de l’abdomen ainsi équipé. Une étude paramétrique portant sur les propriétés géométriques et matériaux de la tablette sera ensuite réalisée afin d’évaluer les conséquences en termes de risque de lésions abdominales.

Titre du master Cinématique directe du membre supérieur à partir de mesure par centrales inertielles

Encadrants Raphael Dumas, raphael.dumas@ifsttar.fr

Sonia Duprey, sonia.duprey@univ-lyon1.fr

Contexte L’analyse du mouvement peut être effectuée en dehors du laboratoire, dans un contexte clinique, ergonomique ou sportif, à l’aide de centrales inertielles. Ces capteurs permettent de mesurer des angles relatifs entre les différents segments du corps humain, mais ne permettent pas de mesurer la position des segments.

Objectif L’objectif de ce travail est donc de mettre en place une méthode de cinématique « directe » afin d’estimer la position des segments du membre supérieur à partir des angles articulaires, issus des mesures de centrales inertielles, en utilisant un modèle cinématique à développer.

Travail attendu Les mesures de mouvement du membre supérieur avec des centrales inertielles couplées à un système optoélectronique ont déjà été effectuées à l’INRS de Nancy. Il s’agira donc de mettre en place le calcul de la cinématique directe (position des segments en fonction des angles articulaires). Le modèle cinématique à développer inclura l’épaule, le coude et le poignet. Un programme en Matlab sera développé et l’analyse des résultats sera menée dans une optique d’évaluation de l’erreur entre la position de la main obtenue, d’une part, avec le calcul de cinématique directe et mesurée, d’autre part, avec le système optoélectronique. Cette erreur pourra aider à guider certains choix de modélisation cinématique (degré de libertés, couplages …).

Remarque Ce stage de master pourra donner lieu à une demande de financement de thèse avec l’INRS.

Sujet de MASTER au LBMC UMR_T9406

Titre du master Personnalisation d’un mannequin numérique à partir de l’enveloppe externe du sujet

Encadrants Georges Beurier, georges.beurier@ifsttar.fr

Yoann Lafon, yoann.lafon@univ-lyon1.fr

Contexte : L’équipe “Ergonomie” du LBMC a développé une expertise reconnue dans le milieu industriel concernant l’élaboration d’un mannequin numérique cinématique pour l’aide à la conception de produits, habitacles ou postes de travail. Le mannequin numérique permet de simuler l’activité du futur opérateur et d'évaluer ses interactions avec son environnement, pour en déduire les astreintes qu’il subirait et ainsi améliorer la conception (cf. figure ci-dessous).

Exemple de simulation obtenue avec le logiciel RPX,

développé en lien avec ALTRAN et RENAULT (Projet européen REALMAN)

L’un des verrous scientifiques actuels concerne la personnalisation de ce mannequin numérique, première étape avant la reconstruction et l’analyse des mouvements. Aujourd’hui, une méthode manuelle permet de superposer un mannequin paramétrable à des photographies sous différentes vues (cf. figure ci-contre). Mais cette démarche reste lourde et à l’appréciation de l’opérateur. L’équipe de recherche souhaite donc investiguer une méthode rapide et précise de personnalisation des informations interne (squelette) et externe (enveloppe) du mannequin numérique à partir des données de la surface externe du corps grâce à un Bodyscanner 3D récemment acquis au LBMC. Objectif :

L’objectif de ce travail concerne le développement d’une méthode semi-automatique pour personnaliser les contours externes du mannequin numérique ainsi que son squelette. Pour acquérir l’enveloppe externe, l’équipe dispose d’un scanner corps complet Body scan TELMAT SYMCAD, associée à une base de données d’enveloppes externes en expansion (60 scanners actuellement). Concernant la personnalisation du squelette cinématique à partir de l’enveloppe externe, une thèse est en cours au sein de l’équipe « Ergonomie », axée sur les relations entre les attributs externes (e.g. points palpables) et ceux internes (e.g. points osseux permettant de redimensionner et de positionner le squelette). De plus, l’équipe « Orthopédie » du LBMC dispose de méthodes pour le nettoyage de maillages surfaciques, pour l’extraction d’informations de ces maillages, et pour la personnalisation de modèles. Pour mener à bien son objectif de recherche, l’étudiant aura donc pour tâche d’adapter et d’organiser ces différentes méthodes développées au sein de l’équipe « Orthopédie » pour :

a. personnaliser l’enveloppe externe sur la base des surfaces maillées issues des scanners, b. personnaliser le squelette cinématique du mannequin numérique au regard de l’enveloppe externe personnalisée.

La méthode de personnalisation sera évaluée sur un jeu de scanners corps complet qu’il sera nécessaire de filtrer afin de faciliter l’exploitation des surfaces maillées. Là encore, l’objectif sera d’automatiser la méthode de filtrage choisie pour permettre de traiter, à terme, l’ensemble de la base de données.

Profil du candidat : Le (la) candidat(e) retenu(e) aura préférentiellement des compétences fortes en méthodes numériques (interpolation, calcul numérique) et en programmation scientifique. Une expérience en traitement d’images ou en modélisation déformable serait un atout.

Body scan TELMAT SYMCAD Source : www.symcad.com/eng/SYMCAD-

Tailor_EN.pdf

Sujet de MASTER au LBMC UMR_T9406

Titre du master Comparaison de montages pour l’arthrodèse de cheville

Encadrants Laure Lise Gras, laure-lise.gras@univ-lyon1.fr

Contexte L’arthrose de cheville entraîne la destruction du cartilage des surfaces de contact des pièces osseuses. Elle est accompagnée de douleurs et d’une perte de mobilité. En cas d’arthrose sévère, et pour soulager la douleur des patients, la chirurgie est souvent la meilleure solution. Cette procédure est l’arthrodèse de cheville, c’est-à-dire le blocage de la mobilité de l’articulation par fusion des os de l’articulation. Néanmoins, il existe différents montages : plusieurs vis, vis et plaques pour réaliser l’arthrodèse sans réelle démonstration de l’efficacité d’un montage par rapport à un autre.

Radiographie latérale d’une arthrodèse de cheville,

Figure extraite de Thomas et al. 2006 (the Journal of Bone and Joint Surgery) Objectif L’objectif de ce travail est de comparer les propriétés mécaniques de deux montages utilisés pour l’arthrodèse de cheville pour déterminer objectivement lequel a la meilleure résistance mécanique.

Travail attendu Une analyse de la littérature permettra de se familiariser avec les enjeux chirurgicaux et d’identifier les propriétés biomécaniques des différents montages utilisés pour l’arthrodèse de cheville : données connues et manquantes. En collaboration avec les chirurgiens, un protocole expérimental sera proposé puis réalisé sur pièces anatomiques humaines ou sur os synthétique pour comparer deux types de montages. Les données expérimentales seront ensuite traitées et analysées.

Titre du master Personnalisation d’un modèle éléments finis du pied

Encadrants Yoann Lafon, yoann.lafon@univ-lyon1.fr

Laure Lise Gras, laure-lise.gras@univ-lyon1.fr

Contexte Le pied est composé de multiples os, cartilages, ligaments, tendons qui impliquent une biomécanique complexe, et par extension des techniques de chirurgie variables d’un patient à un autre. Dans l’optique d’améliorer et de personnaliser les interventions, il a été proposé le développement d’un modèle en éléments finis du pied. Néanmoins, à l’heure actuelle, le modèle proposé est basé sur la géométrie d’un seul patient, il faut donc adapter le modèle à différentes morphologies pour pouvoir l’utiliser en clinique.

Modèle en éléments finis du pied

(http://www.keribus.com/travaux_scientifiques.html) Objectif L’objectif de ce travail est de proposer une méthode de personnalisation géométrique (mise à l’échelle) d’un modèle en éléments finis du pied, à partir de l’imagerie médicale.

Travail attendu Une analyse de la littérature sera effectuée pour identifier les différents modèles de pied existants, et déterminer les méthodes utilisées dans le cadre de la personnalisation géométrique des modèles éléments finis basée sur l’imagerie médicale. Au regard de cette revue de littérature, une méthodologie sera proposée et mise en place sur le modèle de pied à disposition. Cette méthode devra être au maximum automatisée et validée.

Sujet de MASTER au LBMC UMR_T9406

Titre du stage Application du modèle éléments-finis du cou DEMU2NECK à l’évaluation de manipulations ostéopathiques

Encadrant Bertrand Fréchède, bertrand.frechede@univ-lyon1.fr

Pierre-Michel Dugailly/Benoit Beyer (LABO, ULB) co-encadrants

Contexte de la recherche Le projet fait suite au projet Européen DEMU2NECK de développement d’un modèle numérique volumique de comportement du cou pour des applications en orthopédie et en ergonomie au LBMC. Ce modèle, développé pour le code explicite LSDyna, permet de simuler le comportement du cou lors de différentes sollicitations de la vie courante (flexion, extension, etc…). Sa particularité est que sa géométrie est personnalisable au sujet/patient sur la base d’imagerie médicale afin de pouvoir modéliser des différences morphologiques (ex. courbure du rachis, taille et forme des vertèbres, etc…) et qu’il inclut une première approche de modélisation du comportement musculaire actif, visant à une modélisation la plus physiologique possible des contraintes dans les différents tissus (os, disques intervertébraux, ligaments, muscles, …). Les enjeux amont du projet sont ceux d’une meilleure compréhension des liens existants entre posture, stabilité dynamique du cou et activation musculaire, chez le sujet sain et pathologique. Les enjeux applicatifs concernent par exemple l’aide à la conception de dispositifs médicaux au niveau cervical.

Contexte de l’étude Le LABO (ULB, Bruxelles) est un laboratoire spécialisé dans l’étude du comportement et de la physiologie du corps humain. Son équipe multidisciplinaire est reconnue pour ses approches de modélisation par corps rigide et ses études expérimentales du comportement cinématique et dynamique du corps humain. Le Dr. P-M Dugailly et l’équipe du LABO ont développé au sein de ce laboratoire un protocole expérimental robuste qui leur a permis de mesurer des mobilités rachidiennes sur sujets volontaires et cadavériques lors de différentes manipulations ostéopathiques. Ce type de données cinématiques constitue des données d’entrées tout à fait pertinentes (i) en complément de validation du modèle et (ii) pour des simulations personnalisées de ces manipulations, ce afin d’investiguer de manière comparative et prédictive l’influence de divers paramètres intrinsèques et extrinsèques à la manipulation sur les sollicitations du rachis cervical. Une telle étude répond de manière idéale aux applications envisagées lors de la soumission du projet DEMU2NECK.

Objectifs du Stage

Les objectifs de ce stage concernent dans un premier temps la modélisation des conditions aux limites expérimentales et la simulation des expériences avec le modèle EF. Dans un deuxième temps, une étude paramétrique de paramètres d’influences peut être envisagée en lien avec la réalisation d’essais expérimentaux spécifiques au besoin des simulations.

Profil du candidat Le modèle de cou développé est complexe et ce sujet de stage s’adresse à un candidat ayant une bonne expérience et étant fortement motivé par la modélisation et la simulation par éléments-finis. Une expérience en modélisation EF explicite sera un plus.

Moyens humains et matériels L’étudiant sera accueilli au sein du laboratoire LBMC. Il aura accès au logiciel LSDyna. Il travaillera principalement en lien avec le Dr. B. Fréchède sur les aspects de modélisation. Un séjour au LABO à Bruxelles est également prévu avec le soutien financier de la FST afin de permettre le meilleur transfert possible des informations par l’équipe de l’ULB à l’étudiant et de réaliser des essais supplémentaires éventuels.

Titre du stage Estimation des paramètres segmentaires et inertiels d’un humain à l’aide de méthodes d’identification.

Encadrant Raphael Dumas, raphael.dumas@ifsttar.fr

Thomas Robert, thomas.robert@ifsttar.fr

Contexte L’évaluation clinique ou ergonomique d’un geste passe par l’utilisation de techniques d’analyse du mouvement qui nécessitent la définition d’un modèle mécanique de la personne étudiée. La précision de ces techniques dépend directement de la précision avec laquelle les paramètres de ce modèle, notamment les paramètres segmentaires (longueurs des segments par exemple) ou inertiels (masse, position du centre de masse, matrice d’inertie), auront été estimés2. Or la mesure directe de ces paramètres est délicate et nécessite l’utilisation d’appareils d’imagerie médicale, très peu disponibles, onéreux et non transportables. Ainsi, ces paramètres sont classiquement évalués à l’aide de régressions statistiques issues de bases de données expérimentales. Cette évaluation, rapide et simple, est cependant peu précise, en particulier pour des populations peu étudiées dans ces bases de données expérimentales (enfants, personnes âgées, sujets pathologiques, …). Une piste alternative consiste à évaluer ces paramètres à l’aide de méthodes d’identification inspirées de la robotique humanoïde : les paramètres sont estimés à partir de mesures cinématiques et dynamométriques du sujet effectuant une série de mouvements déterminés (mouvements « excitants »). Ces méthodes, ont récemment été appliquée à l’humain et semblent tout à fait prometteuses3. Dans ce contexte, le LBMC et le GVLab ont décidés de mettre en place une collaboration afin de finaliser et valider une procédure « clé en main » d’estimation des paramètres inertiels et segmentaires à l’aide de méthodes d’identification. Une telle méthode d’estimation systématique, précise, répétable et utilisant un système de biofeedback visuel permettant d’apprendre les mouvements excitants, aurait donc un impact majeur sur l’ensemble des recherches et analyses menées sur le mouvement humain (biomécanique, ergonomie, contrôle moteur, neurosciences, rééducation, …).

Objectifs L’objectif de ce travail est de prendre en main les algorithmes développés jusqu’à présent au GVLab, et de les transférer sur le mannequin numérique développé au LBMC. La procédure sera alors validée sur des données expérimentales collectées sur l’humain mais aussi sur un robot qui pourra servir de plateforme de validation expérimentale. La figure suivante synthétise le projet de stage.

Sujet de MASTER au LBMC UMR_T9406

Titre du stage Contribution à la réalisation d’un protocole expérimental d’essais in-vitro pour l’évaluation biomécanique d’un implant rachidien

Encadrant Bertrand Fréchède, bertrand.frechede@univ-lyon1.fr

Contexte de la recherche

L’opération chirurgicale d’Ostéotomie Trans-Pédiculaire (OTP ou Pedicle Substraction Osteotomy - PSO) consiste dans un premier temps à enlever une section de vertèbre afin de redresser la colonne vertébrale vers l’arrière. La stabilisation est ensuite assurée par une arthrodèse postérieure, i.e. par l’utilisation de tiges vissées dans les vertèbres adjacentes. L’industriel associé au projet (fabricant de matériel médical spécialisé dans les implants et prothèses orthopédiques) travaille sur le développement d’un implant innovant, préconisé dans le but de réduire le risque de rupture du matériel (tiges et visserie) pouvant survenir après ce type d’opération. Cette société souhaite évaluer cet implant par une étude biomécanique servant de support à l’étude clinique de certification avant mise sur le marché.

Contexte de l’étude L’industriel et l’équipe “Biomécanique et Orthopédie” du LBMC souhaitent mettre en place un protocole expérimental in-vitro visant à évaluer l’apport de l’implant rachidien sur (i) la stabilisation du segment lombaire, (ii) la réduction des sollicitations mécaniques dans le matériel d’arthrodèse.

Objectifs du Stage

L’objectif principal de ce stage concerne la participation à la conception et à la réalisation d’un montage expérimental (type de montage déjà défini sur la base de l’existant) permettant de solliciter un segment lombaire suivant spécifications et de mesurer des paramètres biomécaniques pertinents pour le fabricant. Toutes les phases du projet sont concernées : participation à la conception du protocole biomécanique, pré-conception du montage, conception des solutions techniques retenues, suivi de l’achat et de la réalisation des pièces, réalisation et évaluation du montage et des moyens de mesure. Le deuxième objectif consiste à participer à la réalisation des essais expérimentaux et au traitement des résultats.

Profil du candidat Ce sujet de stage s’adresse à un candidat motivé par la conception mécanique et ayant de bonnes bases en Technologie mécanique. L’étudiant devra être dynamique : ce stage constitue pour lui l’opportunité de prendre en charge le suivi de la conception et de la réalisation du montage et, en fonction de son implication, de pouvoir contribuer au management d’un projet en lien avec une équipe pluri-disciplinaire.

Moyens humains et matériels L’étudiant sera accueilli au sein du laboratoire LBMC ou au sein de la société. Il aura accès au logiciel PTC Creo. Il travaillera en lien étroit avec l’ingénieur et l’enseignant chercheur en charge du projet, mais également avec une étudiante interne en chirurgie orthopédique associée au projet à plein temps. Il aura accès à l’atelier du Département de Mécanique pour la réalisation des pièces nécessaires à l’étude.

Titre du stage Développement d’un modèle musculo-squelettique du rachis cervical pour l’étude des synergies musculaires

Encadrant Raphael Dumas, raphael.dumas@ifsttar.fr

Bertrand Fréchède, bertrand.frechede@univ-lyon1.fr

Contexte La modélisation musculo-squelettique permet d’estimer les forces musculo-tendineuses pour un mouvement ou une posture donnés. Cette modélisation est généralement réalisée en multi-corps dynamique mais peut aussi être couplée à des éléments finis. Il s’agit d’estimer les efforts dans un système très redondant en fonction du nombre de degrés de liberté et de la géométrie musculaire (c’est-à-dire les bras de leviers de chaque muscle au passage de chaque articulation). De ce point de vue, le rachis cervical est très complexe car il possède une instabilité intrinsèque associée à de nombreux degrés de liberté, dont certains présentent la spécificité de couplages articulaires. Cette instabilité est contrôlée par un système musculaire complexe (i.e., plus de 30 paires de muscles) dont les possibles synergies musculaires restent encore à investiguer sur la base des mesures électromyographiques existantes.

Objectif L’objectif de ce travail est de développer en Matlab un modèle musculo-squelettique du rachis cervical. La géométrie musculaire sera tirée directement de la littérature (e.g., modèle OpenSim, voir figure ci-contre).Les spécificités du travail seront d’introduire des matrices de raideurs pour modéliser les disques intervertébraux et une nouvelle approche de calcul pour prendre en compte les co-contractions musculaires.

Travail attendu Le projet comprend (1) l’écriture des équations analytiques de la dynamique du système composé des vertèbres, de la tête et du thorax, (2) l’implémentation sous Matlab, (3) l’application du modèle à des mouvements et postures où les synergies musculaires sont connues expérimentalement.

Sujet de MASTER au LBMC UMR_T9406

Titre du master Modélisation par éléments finis des effets mécaniques d’une selle de vélo sur les tissus mous du bassin.

Encadrant Laura Dubuis, laura.dubuis@univ-lyon1.fr

Contexte :

Dans une perspective écologique, économique et saine, la pratique du vélo comme moyen de transport se développe de plus en plus. Les villes commencent à prendre en considération ces nouveaux utilisateurs des réseaux urbains en leur dédiant des pistes réservées, ce qui a pour conséquence d’agrandir la population de cyclistes citadins. Cependant, outre l’effort physique et la météo pouvant décourager certaines personnes, l’inconfort des selles proposées sur le marché est souvent cité comme argument négatif.

Objectifs du stage :

Evaluer l’influence d’une selle de vélo sur les pressions transmises aux tissus mous biologiques du bassin.

Objectifs spécifiques :

A la fin du stage, l’étudiant(e) aura été capable de :

- Faire une synthèse bibliographique

- Segmenter une image médicale et être à l’aise avec la manipulation de maillage

- Créer un modèle éléments finis bio-fidèle et l’analyser si le temps le permet

- Faire preuve de réflexion et d’analyse scientifique

Approche :

1) Tout d’abord une étude bibliographique permettra de faire un état de l’art de cette problématique et en particulier de choisir une loi de comportement et des propriétés mécaniques adaptées à la problématique ainsi que de sélectionner des critères déterminants du confort.

2) Dans un deuxième temps, il sera question de segmenter les images médicales pour ensuite mailler la géométrie 3D obtenue.

3) Dans un troisième temps, la création d’un modèle éléments finis de la partie anatomique concernée et de la selle sera nécessaire et une analyse des résultats basée sur des critères de confort sera réalisée si le temps le permet.

(a)

(b)

Figure 1. (a) Création d'un modèle EF (Vogl, 2010) et (b) analyse des deformations dans les tissus mous (Linder-Ganz, 2008)

Sujet de MASTER au LBMC UMR_T9406

Titre du master Identification des mécanismes sous-jacents au rattrapage d’équilibre perturbé

Encadrants Thomas Robert, thomas.robert@ifsttar.fr

Laurence Chèze, laurence.cheze@univ-lyon1.fr

Contexte Les chutes de personnes, et plus particulièrement de personnes âgées, sont aujourd’hui reconnues comme un problème de santé publique. Pour limiter le nombre de chutes, il serait nécessaire de pouvoir détecter de manière efficace et précoce les personnes à risque, ainsi que les déficiences à l’origine de ce risque accru. De nombreuses études se sont penchées sur le maintien de l’équilibre dans des situations stationnaires dites « non-perturbées » (équilibre postural, mouvements cycliques tels que la marche), mais celles-ci n’ont pas permis de répondre complètement aux questions du dépistage des personnes à risque et de l’origine de ce risque. Parallèlement, il n’existe que très peu d’informations sur le rattrapage d’équilibre suite à une perturbation. Pour pallier ce manque, un protocole expérimental a été mis en place au laboratoire afin de mesurer les performances de rattrapage d’équilibre et les caractéristiques neurophysiologiques sur des personnes âgées « chuteuses » et « non-chuteuses ». Ce protocole est mené dans le cadre d’une thèse, actuellement en cours au laboratoire, et d’une collaboration avec le service de gériatrie de l’hôpital Lyon-Sud et d’un centre de Prévention pour personnes âgées.

Objectif Il apparait donc nécessaire de s’intéresser aux performances d’équilibration dans des situations perturbées. En particulier, l’objectif de ce stage est de mieux comprendre quelles sont la ou les variable(s) prise(ent) en compte par le Système Nerveux Central pour déclencher le mouvement de rattrapage ainsi que le rôle des différents systèmes sensoriels (vestibulaire, visuel, kinesthésique) dans la perception/la détection de cette ou ces variable(s).

Travail attendu L’étudiant devra donc, en collaboration avec le doctorant, compléter la campagne expérimentale en impliquant des sujets jeunes, sur lesquels des conditions plus variées pourront être testées. Différentes durées et intensités de la stimulation (tension d’un câble attaché au niveau du bassin) seront appliquées sur ces sujets afin de mieux identifier le ou les paramètre(s) impliqué(s) dans le déclenchement du mouvement de rattrapage : position du Centre de Masse (CM) par rapport à la base de support, vitesse et accélération du CM, paramètre lié à l’inertie des segments corporels (par exemple le tronc), élongation de muscles posturaux (jambes, tronc, cou), mouvement de la tête (qui contient le système vestibulaire). Afin de préciser le rôle de chacune des afférences sensorielles dans la perception de la perturbation, d’autres conditions pourront également être testées : yeux ouverts versus fermés pour tester l’importance des afférences visuelles, maintien de la tête par une minerve pour éliminer/limiter les phénomènes kinesthésiques de la région cervicale, utilisation de mousse sous les pieds pour limiter les informations tactiles, …