Thèse Caractérisation des Contraintes Structurelles Lors de Vibrations Transitoires des Tissus Mous Provoquées par les Impacts Pied-Sol H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Claude Bernard Lyon 1 École doctorale : EDISS - Interdisciplinaire Sciences-Santé Laboratoire de recherche : LIBM - LABORATOIRE INTERUNIVERSITAIRE DE BIOLOGIE DE LA MOTRICITE Direction de la thèse : Christophe HAUTIER ORCID 0000000298452456 Début de la thèse : 2026-07-06 Date limite de candidature : 2026-09-30T23:59:59 La pratique sportive implique de nombreux impacts pied-sol, générant des ondes de choc qui se propagent à travers les os et les tissus mous (muscles, tendons, tissu adipeux, ligaments et peau). Ces ondes de choc provoquent une déformation temporaire des tissus mous, entraînant des oscillations lorsque les tissus reviennent à leur position de repos. Ces oscillations, appelées « vibrations des tissus mous » (STV), présentent un comportement viscoélastique et se caractérisent par des fréquences, des amplitudes et des propriétés d'amortissement spécifiques. Bien que la compréhension des effets des vibrations transitoires répétitives soit limitée, il a été démontré que l'exposition aux vibrations accélère la fatigue musculaire et induit des lésions musculaires (1). Les STV sont généralement mesurées par accélérométrie, une méthode fiable mais qui ne permet pas de mesurer les déformations tissulaires ni les contraintes internes. Cependant, il a été démontré que les contraintes de cisaillement intramusculaires peuvent expliquer en partie les lésions post-effort (2). Le calcul des contraintes induites par la déformation musculaire permettrait donc de mieux comprendre l'origine des lésions, ce qui permettrait de mettre au point des stratégies de prévention efficaces. Le speckle aléatoire associé à la corrélation d'images numériques (DIC) est couramment utilisé dans les essais mécaniques pour évaluer la résistance des métaux et des alliages, et certaines études montrent qu'il peut être utilisé pour caractériser les déformations au sein des tissus mous (3).
L'objectif de cette thèse sera de caractériser la déformation des tissus mous lors d'une STV induite par des chocs imitant la course à pied, à l'aide d'un ergomètre développé et validé par le LIBM (4), afin de calculer et de localiser les contraintes mécaniques au niveau des extenseurs du genou.
La première étude comparera les résultats obtenus par DIC à ceux obtenus à l'aide d'accéléromètres. L'objectif est d'évaluer la capacité de la technique DIC à mesurer les vibrations des tissus mous. Les valeurs obtenues sur différentes zones du muscle étudié seront comparées entre les deux méthodes.
La deuxième étude visera à calculer les déformations et les contraintes générées par les impacts lors d'une simulation de course à pied. La technique DIC permettra de calculer les modifications de surface lors des vibrations générées par les chocs. Ensuite, l'étirement et la compression qui en résultent seront calculés afin de localiser les parties du muscle et de la peau qui sont principalement exposées aux contraintes mécaniques.
La troisième étude visera à comparer les contraintes musculaires avec et sans vêtements de compression à l'aide de la DIC. Elle analysera l'influence de différents niveaux de pression et des zones de la cuisse soumises à la compression (partie inférieure, médiane ou supérieure de la cuisse).


La course à pied et divers sports d'équipe génèrent des vibrations transitoires dans les tissus mous des membres inférieurs à chaque impact entre le pied et le sol. Ces impacts et ces vibrations peuvent entraîner des contraintes mécaniques importantes. Bien que
la compréhension des effets des vibrations transitoires répétitives soit limitée, il a été démontré que l'exposition à des vibrations continues de forte amplitude et/ou fréquence augmente l'activité musculaire (1), élève la consommation d'oxygène (2), accélère la fatigue musculaire et provoque des lésions musculaires (3). Compte tenu de l'impact potentiel des vibrations transitoires (STV) sur la fatigue et les lésions musculaires, plusieurs études ont examiné l'effet des équipements sportifs sur la réduction de ces vibrations. Des auteurs ont étudié comment les chaussures peuvent réduire les STV, mais les preuves d'un lien avec la fatigue neuromusculaire restent non concluantes (4,5). De plus, les vêtements de compression (CG) ont été proposés comme méthode pour réduire les STV lors d' activités dynamiques (6). Ehrström et al. (7) et Gassier et al. (8) ont rapporté que le port de CG à haute pression pendant la course en descente entraînait une diminution de l'amplitude et de la fréquence de la STV, ainsi qu'une réduction des altérations neuromusculaires au niveau des extenseurs du genou un jour après l'effort.
Compte tenu du modèle « masse-ressort-amortisseur » utilisé pour représenter le comportement viscoélastique des muscles (9), l'application de forces de compression à ce modèle augmente théoriquement à la fois sa rigidité et sa viscosité (10). Une rigidité accrue entraînerait des fréquences de vibration plus élevées, tandis qu'une viscosité plus importante les réduirait (11). Les résultats expérimentaux de la présente étude ayant montré une diminution de la fréquence médiane de vibration sous l'effet de la compression, nous avons émis l'hypothèse que l'effet principal du CG était d'augmenter la viscosité, agissant ainsi comme un filtre passe-bas (12).
Cependant, la mesure de la STV par accélérométrie, bien que fiable, présente des limites. Elle fournit des informations sur les accélérations globales, mais pas sur les déformations tissulaires ni sur les contraintes mécaniques. Or, il a été démontré que les contraintes de cisaillement intramusculaires peuvent expliquer en partie les lésions post-effort (13). Cela souligne la nécessité de disposer de mesures plus directes du comportement des tissus. Les motifs de speckle aléatoires, associés à la corrélation d'images, couramment utilisés dans les essais mécaniques des métaux et des alliages, ont été explorés pour évaluer la déformation au sein des tissus mous (14). De telles approches permettent l'observation directe des champs de déplacement tissulaires, ce qui rend possible de déduire la déformation et d'estimer les distributions de contraintes internes. Cela représente une avancée majeure dans la compréhension des mécanismes des lésions musculaires et pourrait déboucher sur des stratégies de prévention plus ciblées et plus efficaces que celles reposant uniquement sur les données d'accélération.
(1) Munera et al. Analysis of muscular activity and dynamic response of the lower limb adding vibration to cycling. J Sports Sci. (2018)
(2) Rittweger et al. Oxygen uptake in whole-body vibration exercise: influence of vibration frequency, amplitude, and external load. Int J Sports Med. (2002)
(3) Necking et al. Vibration-induced muscle injury. An experimental model and preliminary findings. J Hand Surg Br. (1992)
(4) Play et al. Soft-Tissue vibrations and fatigue during prolonged running: does an individualized midsole hardness play a role? Scand J Med Sci Sports. (2024)
(5) Trama et al. Effect of rocker shoes and running speed on lower limb mechanics and soft tissue vibrations. J Biomech. (2019)
(6) Deng et al. Compression garments reduce soft tissue vibrations and muscle activations during drop jumps: an accelerometry evaluation. Sensors. (2021)
(7) Ehrström et al. Acute and delayed neuromuscular alterations induced by downhill running in trained trail runners: beneficial effects of high-pressure compression garments. Front Physiol. (2018)
(8) Gassier et al. Beneficial effects of reduced soft tissue vibrations with compression garments on delayed neuromuscular impairments induced by an exhaustive downhill run. Front. Sports Act. Living (2025)
(9) Khassetarash et al. Fatigue and soft tissue vibration during prolonged running.Hum Mov Sci.(2015)
(10) Van Loocke et al. Viscoelastic properties of passive skeletal muscle in compression: stress-relaxation behaviour and constitutive modelling. J Biomech. (2008)
(11) Christensen. Theory of Viscoelasticity: An Introduction. (2nd ed.). Academic Press (1982).
(12) Truong. Viscoelastic wave propagation and rheologic properties of skeletal muscle. Am J Physiol. (1974)
(13) Fouré et al. Muscle alterations induced by electrostimulation are lower at short quadriceps femoris length. Eur J Appl Physiol. (2020)
(14) Lionello et al. An effective procedure to create a speckle pattern on biological soft tissue for digital image correlation measurements. J Mech Behav Biomed Mater. (2014)
(15) Meyer et al. A nonlinear model of passive muscle viscosity. J Biomech Eng. (2011) L'objectif de ce projet de thèse sera de caractériser la déformation des tissus mous lors d'un STV induit par des chocs imitant la course à pied, à l'aide d'un ergomètre développé et validé par le LIBM, afin de calculer les contraintes internes et d'établir un lien entre ces contraintes et les lésions musculaires. Les impacts seront générés et mesurés à l'aide d'un ergomètre conçu et validé par Gassier et al. (2025), composé d'une tige, d'une plaque de force oscillante (AMTI OR6-7-2000, Advanced Mechanical Technology, Inc., Massachusetts, États-Unis d'Amérique, fréquence d'échantillonnage : 1 000 Hz) et d'un châssis métallique.
Les vibrations (STV) seront mesurées à l'aide d'accéléromètres triaxiaux et de la technique du speckle aléatoire couplée à la corrélation d'images. Les accéléromètres triaxiaux (série 3273A4, Dytran Instrument, Marilla St, Chatsworth, CA, États-Unis ; masse : 3 g ; fréquence d'échantillonnage: 2222 Hz ; plage : ± 100 g ; sensibilité : 50 mV/g) seront fixés à l'aide de ruban adhésif sur les ventres musculaires du vaste latéral et du gastrocnémien médial, ainsi que sur les talonnettes de chaussures standardisées.
Au début de la séance expérimentale, des motifs de speckle aléatoires à base d'encre seront appliqués sur toutes les zones cutanées concernées. Deux caméras en configuration stéréoscopique (fréquence d'échantillonnage de 500 Hz) seront réglées pour visualiser le volume du muscle vaste lateralis. La corrélation d'images numériques (DIC) fait correspondre de petites taches de speckle tant entre les caméras qu'au cours des différentes périodes de la vibration, en effectuant une corrélation croisée des images obtenues à différents moments sous l'effet de différentes transformations d'images. Les images seront traitées à l'aide d'un logiciel DIC afin de calculer des cartes de déplacement 3D sur l'ensemble du champ dans la région d'intérêt, ce qui permettra de calculer les tenseurs de déformation de Green-Lagrange dans cette région. Ces données de déformation serviront de données d'entrée à un modèle constitutif représentant le comportement mécanique en fonction du temps.
La deuxième étude aura pour objectif de calculer les déformations et les contraintes générées par les impacts lors d'une simulation de course. La technique DIC permettra de calculer les modifications de surface lors des vibrations générées par les chocs. Ensuite, en tenant compte de la différence de forme tridimensionnelle entre les images, l'étirement et la compression qui en résultent le long de la surface bidimensionnelle seront calculés pour chaque triangle constituant la surface. Le calcul des contraintes d'étirement et de compression servira à localiser les parties du muscle et de la peau qui sont principalement exposées à des contraintes mécaniques. Afin d'estimer les champs de contraintes internes à partir des déformations de surface mesurées, une approche de modélisation viscoélastique sera mise en oeuvre. Les paramètres du modèle, notamment les fonctions de relaxation et les coefficients de rigidité, seront dérivés de la littérature existante et validés par des essais ex-vivo. À l'aide de ce modèle, les tenseurs de contrainte seront calculés en chaque point du champ par intégration numérique de l'historique des déformations. Cette procédure permettra une estimation spatiale et temporelle des contraintes, fournissant ainsi des informations sur les zones potentielles de surcharge ou de fatigue tissulaire dans des conditions de charge dynamiques.
La troisième étude visera à comparer les contraintes musculaires avec et sans vêtements de compression à l'aide de la technique DIC. Elle analysera l'influence de différents niveaux de pression et des zones de la cuisse soumises à la compression (partie inférieure, médiane ou supérieure de la cuisse).

Formation en sciences du sport et en biomécanique du mouvement - Expérience dans l'analyse du mouvement, l'accélérométrie, l'analyse de la fonction musculaire et la programmation ; maîtrise de l'anglais à l'oral et à l'écrit - Rigueur, esprit d'initiative, capacité à travailler de manière autonome et en équipe.

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