Thèse Intégration de Capteurs dans des Prothèses de Membre Inférieur Conception Fiabilité et Confort d'Usage H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Technologie de Compiègne École doctorale : Sciences pour l'ingénieur Laboratoire de recherche : Mécanique, énergie et électricité Direction de la thèse : Malek HABAK ORCID 0000000314984680 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-20T23:59:59 Les prothèses en composite sont aujourd'hui des structures mécaniquement performantes mais aveugles : l'analyse de leur comportement en vie réelle nécessite des laboratoires d'analyse de mouvement coûteux et peu représentatifs du quotidien. Si le CFRP possède des propriétés piézorésistives intrinsèques permettant l'auto-détection, son usage se heurte à des verrous métrologiques majeurs : dérive thermique, sensibilité à l'humidité et fatigue structurelle sous charges cycliques.

C'est dans ce contexte que s'inscrit ce travail de recherche. Il s'agit de transformer la prothèse en un système de mesure multi-physique fiable grâce à une instrumentation adaptée. Le ou la doctorant(e) devra :
- Concevoir un démonstrateur intégrant des capteurs de déformation, de température et de pression.
- Valider la robustesse et la fiabilité des signaux sur la plateforme technique MECA lors d'essais de fatigue et de chargements cycliques.
- Développer des méthodes de calibration et de traitement de signal pour extraire des indicateurs cinétiques et cinématiques objectifs.
- Corréler les sollicitations mécaniques internes aux phases de marche et au confort perçu par le patient.

Cette thèse fait partie du projet interdisciplinaire AMPIRE. Elle sera menée en étroite collaboration avec le laboratoire BMBI et la clinique Le Belloy. Le projet AMPIRE s'articule autour de deux thèses complémentaires :
- Analyse fonctionnelle de la marche (BMBI): identification de biomarqueurs de fluidité (méthodes non linéaires) et création d'un score composite (fluidité, coût énergétique, stabilité, charge mentale). Une simulation prédictive personnalisée optimisera le couple prothèse-stratégie motrice.
- Conception instrumentée (Roberval): développement d'une prothèse composite auto-sensible intégrant des capteurs (déformation, T°, pression) pour mesurer les contraintes réelles. L'objectif est un système de mesure multi-physique fiable garantissant robustesse et confort.

L'originalité réside dans le couplage entre ces approches : les données instrumentées alimentent les modèles biomécaniques, tandis que les simulations guident la conception et l'emplacement des capteurs. Ce dialogue permet, pour la première fois, de relier l'état fonctionnel du patient aux sollicitations internes de sa prothèse.

À court terme, il produira des biomarqueurs validés, un démonstrateur instrumenté et une base de données. À moyen terme, il ouvrira la voie à un jumeau numérique personnalisé. À long terme, il vise une prothèse intelligente avec feedback haptique pour pallier l'absence de retour sensoriel et prévenir les chutes.
Les prothèses de membre inférieur en composite CFRP, ainsi que les emboîtures, présentent des avantages en termes de légèreté, de résistance et de performance mécanique. Cependant, ces dispositifs restent dépourvus de capacités de mesure permettant d'analyser finement la marche. L'évaluation repose encore principalement sur des laboratoires spécialisés équipés de systèmes de capture du mouvement, des infrastructures coûteuses (environ 250 000 €), qui, malgré leur précision, ne reflètent pas fidèlement les conditions réelles de la vie quotidienne des patients.

L'intégration de capteurs directement dans la prothèse (force, température, pression, etc.) constitue une voie prometteuse pour lever cette limite. Elle permettrait d'accéder à des indicateurs cinématiques et cinétiques exploitables pour une prise de décision clinique plus rapide, plus objective et mieux représentative de l'usage réel. Ce suivi offrirait la possibilité d'améliorer la symétrie de la marche et de réduire, à long terme, le risque de complications musculosquelettiques.

Par ailleurs, le CFRP présente des propriétés piézorésistives intrinsèques qui ouvrent la possibilité d'une auto-instrumentation du matériau, les variations de résistance électrique pouvant être corrélées aux sollicitations mécaniques. Toutefois, l'exploitation de cette fonctionnalité soulève des questions importantes de robustesse métrologique, liées notamment à la sensibilité aux conditions environnementales, aux interfaces électriques et aux phénomènes d'hystérésis.

C'est dans ce contexte que s'inscrit ce projet. il s'agit d'explorer et de quantifier le potentiel de cette approche afin d'en évaluer la pertinence en vue d'une intégration fiable au sein de la prothèse. D'autre part, la démarche proposée repose sur une instrumentation combinant des capteurs dédiés de température, de pression et de déformation, garantissant une base de mesure robuste et maîtrisée. - Concevoir un démonstrateur de prothèse CFRP avec capteurs de déformation et de température.
- Évaluer la robustesse mécanique en conditions statiques et cycliques.
- Corréler les signaux obtenus avec les phases de marche, les contraintes d'usage et le confort ressenti par le patient.

Objectif à long terme : transformer la prothèse en un objet fonctionnellement instrumenté pour accélérer l'apprentissage moteur et réduire le temps d'adaptation clinique. Le travail comprendra la conception de démonstrateurs prothétiques en CFRP, l'intégration de jauges de déformation et de capteurs de pression et de température, puis la réalisation d'essais mécaniques et thermo-mécaniques. Des tests de chargement cyclique permettront d'évaluer la stabilité des mesures et la sensibilité du système. L'instrumentation devra rester compatible avec les contraintes de poids, d'encombrement et de sécurité imposées par un usage clinique.

Une étape essentielle consistera à corréler les signaux obtenus avec les phases de la marche. Cette corrélation permettra d'associer des profils de charge à des situations fonctionnelles spécifiques. L'analyse des écarts entre sollicitation mécanique, température et ressenti patient contribuera à mieux comprendre les conditions de confort et les limites d'utilisation.

Le (la) candidat(e) devra :

- Être titulaire d'un Bac +5 en ingénierie mécanique, matériaux ou instrumentation.
- Posséder des connaissances en composites, leur élaboration et leurs propriétés piézorésistives.
- Avoir des compétences en instrumentation, capteurs et acquisition de données.
- Maîtriser les bases de la conception expérimentale et de l'analyse de données.
- Faire preuve d'autonomie, de rigueur scientifique et d'esprit critique dans l'analyse et l'interprétation des résultats expérimentaux.
- Avoir la capacité de travailler au sein d'équipes pluridisciplinaires.
- Être motivé(e) par la recherche.