Au cours des dernières décennies, la chirurgie mini invasive a progressivement gagné en popularité face à la chirurgie ouverte, grâce à de meilleurs bénéfices cliniques. Cependant, ce type d'intervention introduit une perte de vision directe sur la scène pour le chirurgien. L'introduction de la réalité augmentée en chirurgie mini invasive semble être une solution viable afin de remédier à ce problème et a donc été activement considérée par la recherche. Néanmoins, augmenter correctement une scène laparoscopique reste difficile à cause de la non-rigidité des tissus et organes abdominaux. En conséquence, la littérature ne fournit pas d'approche satisfaisante à la réalité augmentée en laparoscopie, car de telles méthodes manquent de précision ou requièrent un équipement supplémentaire, contraignant et onéreux. Dans ce contexte, nous présentons un nouveau paradigme à la réalité augmentée en chirurgie laparoscopique. Se reposant uniquement sur l'équipement standard d'une salle opératoire hybride, notre approche peut fournir la relation statique entre l'endoscope et un scan intraopératoire 3D. De nombreuses expériences sur un motif radio-opaque montrent quantitativement que nos augmentations sont exactes à moins d'un millimètre près. Des tests sur des données in vivo consolident la démonstration du potentiel clinique de notre approche dans plusieurs cas chirurgicaux réalistes. / Over the past decades, minimally invasive surgery has progressively become more popular than open surgery thanks to greater clinical benefits. However, this kind of intervention introduced a loss of direct vision upon the scene for the surgeon. Introducing augmented reality to minimally invasive surgery appears to be a viable solution to alleviate this drawback and has thus been an attractive topic for the research community. Yet, correctly augmenting a laparoscopic scene remains challenging, due to the non-rigidity of abdominal tissues and organs. Therefore, the literature does not report a satisfactory approach to laparoscopic augmented reality, as such methods lack accuracy or require expensive and impractical additional equipment. In light of this, we present a novel paradigm to augmented reality in abdominal minimally invasive surgery. Based only on standard hybrid operating room equipment, our approach can provide the static relationship between the endoscope and an intraoperative 3D scan. Extensive experiments on a radio-opaque pattern quantitatively show that the accuracy of our augmentations is less than one millimeter. Tests on in vivo data further demonstrates the clinical potential of our approach in several realistic surgical cases.

Artificial tissue expansion is required to generate new skin prior to reconstructive surgery, in order to compensate for a deficit of healthy tissue. Hydrogel tissue expanders, which expand anisotropically, show great promise in overcoming clinical limitations in the field, thus allowing the technique to be used in a wider range of surgeries. These devices consist of pellets of dry poly(methyl methacrylate-co-vinylpyrrolidone), compressed into discs through a hot compression moulding process. However, a number of significant problems still exist in these devices, and this thesis aims to address these issues. To date, there has been a lack of investigation of the factors governing the behaviour of anisotropic swelling. For this reason, a range of different compression ratios have been investigated, with particular focus on the relationship between the material flow during compression and the swelling behaviour of the resulting device. It was found that samples of the same initial size expand to the same reference swelling dimensions, regardless of compression ratio. During hot pressing, the material flow was found to be governed by slip-stick behaviour at the interface between the hot press and the device, affecting the properties and swelling behaviour of the devices. Based on these findings, devices were developed which could expand from a disc into a non-prismatic shape (dome or wedge). Such devices could reduce complication rates and allow the growth of new tissue with anisotropic resting tension. The devices were tested in a small in vivo trial, where it was shown that there were no adverse effects on the tissue produced, and that the shape of the expander (dome) was retained. As devices are being produced for medical use, understanding the effect of sterilization by γ-irradiation is essential, but to date this has been overlooked in the literature. It was found that γ-irradiation caused an increase in cross-linking in the P(MMA-co-NVP). Whilst this produced little change in swelling behaviour for isotropic devices, in the case of anisotropic devices it caused a change in the shape of expansion, reducing the area of new skin which could be generated by the device. It was found that by reducing the concentration of impurities (residual molecules from the polymer synthesis) the impact of γ-irradiation could be greatly reduced. Finally, controlling the rate of expansion is essential in order to avoid clinical complications. In order to control the rate of expansion, particularly during the initial period of swelling, semi-permeable PDMS coatings were applied to the compressed devices. Coatings of thickness greater than 0.375mm were found to effectively control the rate of swelling, for both cylindrical and non-prismatic shapes. As the coating thickness increased, the maximum swelling size decreased. However, it has been shown that change in height (the parameter which governs the area of skin produced) is affected less than the change in mass or diameter.

Traumatic injuries resulting in peripheral nerve lesions often require a graft to bridge the gap. Although autologous nerve graft is still the first choice strategy in reconstructions, it has the severe disadvantage of the sacrifice of a functional nerve. Cell transplantation in a bioartificial conduit is an alternative strategy to create a favourable environment for nerve regeneration. Among adult stem cells, adipose-derived stem cells (ASC) are a useful tool in regenerative medicine as they can be induced towards multiple mesodermal and nonmesodermal lineages, being recently differentiated into cells showing Schwann cell-like morphology, glial cell markers and increased neurotrophic potential. The first two chapters of this work describe in vivo applications of Schwann cell-like differentiated ASC (dASC), seeded into biodegradable nerve guides made of fibrin, investigating both brief (2 weeks) and long (4 months) term effects on the regenerating nerves. Comparison was carried out with similarly differentiated bone marrow mesenchymal stem cells (dMSC), Schwann cells (SC)and empty fibrin conduits, as well as with autologous nerve grafts. Regeneration was evaluated in a 1cm gap total axotomy sciatic nerve injury model on rats. Results showed that dASC could improve regeneration distance in a similar manner to other regenerative cells inthe brief term. This effect was maintained and strengthened in the long term, where nerve morphology, spinal motoneurons regeneration, protection from muscle atrophy and electrophysiological performances of regenerated nerves were analysed. dASC positive effects lasted in the long term with functional results comparable to the autologous nerve grafts, which served as controls. The third chapter focuses on the possibility to further improve dASC regenerative performances using fibronectin and laminin, two key extracellular matrix (ECM) molecules involved in nerve regeneration, with the future aim to optimize cell host, directional cues and neurotrophism of tissue engineered conduits. Fibronectin and laminin protected dASC from stress-induced cell death in vitro, significantly increasing cell adhesion and viability. Laminin significantly improved neurotrophic properties of dASC enhancing neurite outgrowth of both primary sensory neurons and NG108-15 neurons co-cultured with dASC, suggesting a further activation of the neurotrophic effect of dASC by ECM molecules. These improved effects were increased when a direct contact was established between the laminin substrate, dASC and neurons, suggesting a primary role of laminin in contact signalling, finally boosting the neurotrophic potential of dASC. Further studies will be needed to clarify the interactions between dASC and the complexniche of peripheral nerve regeneration, including the ECM molecules. However, the neurotrophic potential of dASC expressed in both in vitro and in vivo experiments opens wide perspectives in tissue engineering applications among new methods to enhance peripheral nerve repair.

La manipulation du système immunitaire du receveur avant la transplantation pourrait permettre d’obtenir la tolérance de transplants allogéniques vascularisés en évitant la réaction de rejet à médiation lymphocytaire et humorale et l’utilisation permanente de traitement immunosuppresseur. Chez l’animal, l’injection au receveur, avant la transplantation, de cellules du donneur sous couvert d’anticorps bloquant le premier ou le second signal permet l’expansion périphérique d’une sous population de lymphocytes T CD4+CD25+FOXP3+, à activité suppressive (Treg).Dans ce travail de thèse, j’ai montré, dans un modèle murin utilisant des rats Fischer F344 comme donneur et des rats Lewis comme receveur, que l’injection au receveur avant la transplantation de cellules dendritiques spléniques OX62+ du donneur sous couvert d’anticorps monoclonal anti-CD4 W3/25 non dépletant permet d’obtenir la tolérance de transplants allogéniques cutanés et cardiaques à condition que ce protocole soit appliqué 28 jours avant la transplantation. La tolérance est due en partie à l’expansion de Treg inductibles spécifiques des alloantigènes. Elle n’est associée à aucune lésion d’artériopathie oblitérante observé au cours du rejet chronique de transplants vascularisés. Ces Treg ont aussi la capacité d’induire la tolérance de transplants allogéniques lorsqu’ils sont injectés au receveur la veille de la transplantation. Le blocage partiel de la production d’anticorps spécifiques du donneur chez les animaux tolérants suggère que les Treg interagissent avec les lymphocytes B en empêchant, soit la maturation des lymphocytes B en plasmocytes soit en favorisant l’expansion de lymphocytes B régulateurs. Ces résultats confirment que les Treg inductibles sont capables de prévenir les lésions vasculaires du rejet chronique. Ils soulignent également que les anticorps spécifiques du donneur apparaissant après la transplantation n’ont pas toujours un effet délétère. / The manipulation of recipient’s immune system before transplantation could lead to tolerance to allogenic vascularised transplants without lymphocyte and humoral-mediated rejection and the need for permanent immunosuppressive drugs. In rodents, the pre-transplantation injection into the recipient of donor cells under the cover of monoclonal antibodies blocking the primary or second signal allows the expansion of CD4+CD25+FOXP3+ T cells with suppressive activity (Treg) in the periphery.In this thesis, I demonstrated, in a rat model using Fischer F344 as donor and Lewis as recipients that the pre-transplantation injection into the recipient of donor-splenic OX62+ dendritic cells with anti-CD4 (W3/25) non-depleting monoclonal antibodies led to tolerance to skin and cardiac allogenic transplants provided that the protocol is done 28 days before transplantation. Tolerance is due in part to expansion of inducible Treg specific to allo-antigens. Sensitized Treg were also capable of inducing tolerance to allogenic transplants after adoptive transfer to the recipients, the day before transplantation. Tolerant grafts did not show any lesions of obliterant arteriopathy, usually associated with chronic rejection of vascularised transplants. Partial blockade of donor-specific antibody production (DSA) in tolerant animals suggests that Treg interact with B lymphocytes inhibiting the maturation of B cells in plasma cells, or favouring the expansion of regulatory B lymphocytes. These results confirm that inducible Treg are able to prevent vascular lesions of chronic rejection. They also underline the fact that DSA occurring after transplantation are not always deleterious to the graft.

Les fractures du fémur proximal de la personne âgée sont généralement fixées par des dispositifs d’ostéosynthèse. Pour les fractures particulières dites inter-trochantériennes, il est possible de fixer la fracture de manière intra-médullaire (à l’intérieur de l’os) ou de manière extra-médullaire (en dehors de l’os). Pour chaque type de traitement, les hôpitaux sont équipés des deux systèmes de fixation. Les différences de morphologie des individus impliquent l’existence de multiples références d’implants et donc de surcoûts en termes d’équipement. Dans ce travail de thèse, un implant original adaptable à la plupart des morphologies a été développé. Cet implant permettra non seulement d’offrir aux chirurgiens une souplesse au cours des interventions chirurgicales mais aussi de réduire de manière significative les stocks d’implants dans les hôpitaux. Le comportement mécanique de l’implant est étudié dans différents cas de fractures par deux approches complémentaires, une méthode numérique par Éléments Finis et une approche expérimentale mettant en oeuvre des techniques de stéréo-corrélation à partir d’images de caméras rapides. Les résultats des calculs numériques sont confrontés à ceux issus d’essais réalisés sur des fémurs synthétiques, puis cadavériques en laboratoire d’anatomie. Les comparaisons avec des implants existants montrent que ce nouveau concept d’implant permet une fixation plus stable des fragments osseux et une bonne compression du foyer de fracture. / Proximal femoral fractures in the elderly are generally fixed with osteosynthetic devices. For specific fractures called intertrochanteric, it is possible to fix the fracture in an intramedullary way (inside the bone) or in an extramedullary way (outside the bone). For each type of treatment, hospitals are equipped with the two fixing systems. The differences in physical characteristics between individuals imply the existence of multiple references implants and therefore additional costs in terms of equipment. In this thesis work,an original implant adaptable to most people has been developed. This implant will provide surgeons greater flexibility during surgery but also significantly reduce stocks implants in hospitals. The mechanical behavior of the implant is studied in different cases of fractures by two complementary approaches,a finite element analysis and an experimental study employing stereo-image correlation technique from images of high speed cameras. The results of the numerical calculation are compared with those derived from tests on synthetic femurs, then cadaver in anatomy laboratory. Comparisons with existing implants show that this new implant concept allows for a more stable fixation of bone fragments and a good compression of the fracture.

Actuellement les transplanteurs sont confrontés à une pénurie de greffons, conduisant à l'élargissement des critères de choix des donneurs. Cette démographie fait place à des greffons plus sensibles aux lésions d'ischémie-reperfusion (I/R). Ces lésions conduisent à des dysfonctions de reprises de fonction des greffons, et participent à l'augmentation de l'immunogénicité du greffon et à l'emergence de rejets aigus et chroniques. Dans un premier temps, il est donc nécessaire de limiter les lésions d'I/R et conserver l'intégrité du greffon. Dans un deuxième temps, il est important de réduire l'immunogénicité du greffon et de contrôler le rejet de greffe tout en maintenant le receveur immunocompétent. Afin de limiter les lésions d'I/R nous avons évalué la solution de préservation SCOT de type extracellulaire contenant 30g/L de PEG 20kDa, dans un modèle murin d'isolement et de transplantation d'îlots pancréatiques. L'amélioration des conditions de conservation a permit de préserver l'intégrité des îlots et de réduire l'immunogénicité du greffon, et ce due aux propriétés immunoprotectrices des PEG 20kDa (effets obtenus pour 10 à 30g/L). Dans ce même modèle notre second objectif était d'établir un état de tolérance périphérique par déplétion transitoire des lymphocytes T alloréactifs. La déplétion des lymphocytes T en division a été induite au moment de l'allotransplantation des îlots, par administration transitoire d'un analogue nucleosidique inductible. La déplétion transitoire a permit d'aboutir à une immunotolérance dominante via l'émergence de lymphocytes T régulateurs CD4+CD25+FoxP3+, cellules ouvrant de nouvelles perspectives dans l'inhibition des rejets d'allogreffes. / Organ and tissue transplantation is affected by a shortage of grafts, leading to enlargement of donor criteria. Consequently, these new marginal organs are more susceptible to ischemia-reperfusion injury (IRI). IRI increases primary graft dysfunctions and contributes to increase graft immunogenicity and consequently the occurence of acute and chronic rejection. Our objectives were : firstly, the necessity to limit I/R damages and preserve graft integrity, secondly, the importance to reduce graft immunogenicity and control the graft rejection while maintaining an immunocompetent recipient. To limit IRI we evaluated the new SCOT preservation extracellular type solution containing PEG 20kDa 30g/L in a murine model of pancreatic islets isolation and transplantation. The improvement of conservation with SCOT permitted to maintain the islets integrity and to reduce graft immunogenicity, due to the immunoprotective properties of PEG 20kDa (effects obtained with PEG 20kDa at 10 to 30g /L). In this same model our second objective was to establish a peripheral immunological tolerance of the graft by transient depletion of alloreactive T cells. This depletion of T cells in division was induced at the time of islet allotransplantation by an administration of an inducible nucleosidic analogue during 14 days. Transient alloreactive T cells depletion induced a dominant immunotolerance marked by the emergence of a persistent regulatory T cells CD4+CD25+FoxP3+ population. Thus, regulation of homeostatic balance between effector and regulatory T cells could open an interesting way to control the immune reaction against allograft.

La fusion d’images TDM de phase artérielles et veineuses est cruciale afin d’assurer une meilleure planification chirurgicale. Cependant, le recalage non-rigide d’images abdominales est encore un challenge à cause de la respiration qui fait glisser les viscères abdominaux le long de la paroi abdominale, créant ainsi un champ de déformation discontinu. L’objectif de cette thèse est de fournir un outil de recalage précis pour les images TDM multi-phases de l’abdomen.Comme la zone de glissement dans l’abdomen est difficile à segmenter, nous avons d’abord implémenté deux outils de segmentation interactifs permettant une délinéation en 10 minutes de la paroi abdominale et du diaphragme. Pour intégrer ces zones de glissement comme a priori, nous réalisons le recalage sur de nouvelles images dans lesquelles la paroi abdominale et les viscères thoraciques ont été enlevés. Les évaluations sur des données de patient ont montré que notre approche fournit une précision d’environ 1 mm. / The fusion of arterial and venous phase CT images of the entire abdominal viscera is critical for a better diagnosis, surgi-cal planning and treatment, since these two phase images contain complementary information. However, non-rigid regis-tration of abdominal images is still a big challenge due to the breathing motion, which causes sliding motion between the abdominal viscera and the abdo-thoracic wall. The purpose of this thesis is to provide an accurate registration method for abdominal viscera between venous and arterial phase CT images.In order to remove the sliding motion effect, we decide to separate the image into big motion and less motion regions, and perform the registration on new images where abdo-thoracic wall and thoracic viscera are removed. The segmentation of these sliding interfaces is completed with our fast interactive tools within 10 minitues. Two state-of-the-art non-rigid registration algorithms are then applied on these new images and compared to registration obtained with original images. The evaluation using four abdominal organs (liver, kidney, spleen) and several vessel bifurcations shows that our approach provides a much higher accuracy within 1 mm.

En chirurgie mini-invasive guidée par l’image, une planification préopératoire précise des trajectoires des outils chirurgicaux est un facteur clé pour une intervention réussie. Cependant, une planification efficace est une tâche difficile, qui peut être considérablement améliorée en considérant différents facteurs contributifs tels que les déformations biomécaniques intra-opératoires, ou en introduisant de nouvelles techniques d'optimisation. Dans ce travail, nous nous concentrons sur deux aspects. Le premier aspect porte sur l'intégration de la déformation intra-opératoire dans le processus de planification de trajectoire. Nos méthodes combinent des techniques d'optimisation géométrique à base de simulations biomécaniques. Elles sont caractérisées par un certain niveau de généralité, et ont été expérimentées sur deux types d’interventions chirurgicales: les procédures percutanées pour l'ablation de tumeurs hépatiques, et la stimulation cérébrale profonde en neurochirurgie. Deuxièmement, nous étudions, mettons en œuvre, et comparons plusieurs approches d'optimisation en utilisant des méthodes qualitatives et quantitatives, et nous présentons une méthode efficace d'optimisation évolutionnaire multicritères à base de Pareto qui permet de trouver des solutions optimales qui ne sont pas accessibles par les méthodes existantes. / In image-guided minimally invasive surgery, a precise preoperative planning of the surgical tools trajectory is a key factor to a successful intervention. However, an efficient planning is a challenging task, which can be significantly improved when considering different contributing factors such as biomechanical intra-operative deformations, or novel optimization techniques. In this work, we focus on two aspects. The first aspect addresses integrating intra-operative deformation to the path planning process. Our methods combine geometric-based optimization techniques with physics-based simulations. They are characterized with a certain level of generality, and are experimented on two different surgical procedures: percutaneous procedures for hepatic tumor ablation, and in neurosurgery for Deep Brain Stimulation (DBS). Secondly, we investigate, implement, and compare many optimization approaches using qualitative and quantitative methods, and present an efficient evolutionary Pareto-based multi-criteria optimization method which can find optimal solutions that are not reachable via the current state of the art methods.

Notre pratique courante de la chirurgie orthognathique se heurte aux limites des outils standard de planification et de simulation ainsi qu’à l’absence d’assistance peropératoire. L’objectif de notre travail était de développer de nouveaux outils répondant à cette problématique. Ainsi, dans un premier temps, un algorithme de segmentation semi-automatique a permis une modélisation 3D patient-spécifique rapide et précise. Nous avons ensuite élaboré un logiciel de simulation des parties molles fondé sur un modèle mécanique de type masse-ressort permettant une précision millimétrique. Enfin, nous avons conçu un système de navigation temps-réel fondé sur un guidage électromagnétique mini-invasif doté d’une interface utilisateur intuitive. Son évaluation a montré une réduction de la variabilité inter-opérateurs. En plus de son caractère pédagogique, ce système bénéficiait particulièrement aux débutants. Les chirurgiens ont souligné l’intérêt de ce système, tant pour les dysmorphoses complexes que pour les cas de routine. Ces développements constituent ainsi une suite logicielle susceptible d’améliorer la qualité de prise en charge des patients. / In our routine practice of orthognathic surgery, we face the limitations of conventional planning and simulation tools, and the lack of convenient intraoperative assistance. If computer science has provided satisfactory solutions for planning, yet simulation and navigation appear improvable. The aim of our research was to provide novel tools to improve these issues. Therefore, we first developed a semi-automated segmentation pipeline allowing accurate and timeefficient patient-specific 3D modeling. We then conceived 1mm-accurate facial soft tissue simulation software based on a mechanical massspring model. Finally, we developed a real-time navigation system based on minimally-invasive electromagnetic tracking, featuring a novel user-friendly interface. Evaluation showed that our software reduced time and accuracy discrepancy between operators. Along with educational purposes, such a system benefited especially trainees. Surgeons emphasized system relevance in the treatment of both, complex and common deformities. Such developments establish a software suite that could provide significant improvement for patient optimal care.

La peau est un organe capable de se régénérer et de cicatriser. Elle constitue la première barrière de protection de notre organisme contre les agressions physico-chimiques extérieures. Depuis plusieurs décennies des recherches ont été menées pour maîtriser la culture du derme pour plusieurs applications telles que la greffe des grands brulés. L’aspect technologique de ce domaine a fait l’objet de plusieurs travaux. Dans les années 2000, l'équipe de notre laboratoire a proposé la méthode de culture du derme associée à des microsystèmes en silicium. C’est l’unique méthode actuelle qui permet la mesure des forces isométrique du derme équivalent lors de sa culture.Dans une première étude, nous avons proposé des nouvelles méthodes de mesure des forces isométriques qui s’exercent dans des peaux reconstruites en culture entre deux lames de silicium afin de fabriquer un bio-dispositif miniaturisé à faible coût. Ainsi, les dimensions optimales ont été calculées et des nouvelles lames ont été fabriquées. L’optimisation que nous avons retenue est relative à l’amélioration de la sensibilité de la mesure des forces. Afin de quantifier le fléchissement de lames due aux forces isométriques appliquées par le derme en culture, nous avons opté pour la mesure des déplacements des lames sous l’effets des forces isométriques, à l’aide d’ondes acoustiques de surface (SAW). Ce choix se justifie par la simplicité de l’intégration des transducteurs interdigités qui génèrent les ondes acoustiques, de la possibilité d’utiliser une interrogation sans fils et la réalisation physique de l’intercorrélation des ondes générées.A l’aide de simulation nous avons identifié les déformations des ondes et les écarts de fréquence qu’elles provoquent. En effet, la dissymétrie de la courbe d’intercorrélation des signaux transmis et reçus, par les transducteurs interdigités, est intiment liée à l’écart de fréquence de l’onde reçue. Nous avons démontré que le fléchissement engendre bien la dissymétrie dans l’axe du temps qui peut être mesurée plus précisément dans les limites d‘échantillonnage. Deux démonstrateurs sont modélisés et fabriqués dans la salle blanche afin de valider l’instrumentation et le principe de transduction d’un signal chirpé avec une onde acoustique de surface. Les résultats obtenus montrent que la méthode de mesure à l’aide d’une onde acoustique nous permet de faire de mesure de force mais dans une gamme d’intensité plus élevée que celle attendue. Par la suite, nous avons étudié la méthode de mesure de forces par les capteurs à base de piézorésistances. Sachant que la technique est basée sur la variation de résistivité du matériau déformé, nous avons décidé de replacer les grilles de lame prévue pour l’accrochage du derme en culture par le matériau piézorésistif implanté sur les micro poutres. Afin d’améliorer la résolution de détection de faibles forces une série de calcul et de simulations de la position et les dimensions du matériau piézorésistif et des micropoutres sont effectués et présentés. Une autre étude que nous avons menée en parallèle concerne le développement d’une instrumentation embarquée permettant de suivre la croissance du derme en culture basé sur un système de vision. Vu les conditions strictes de notre cahier de charges qui exigeait la portabilité et l’autonomie de système final, nous avons prévu le développement d’un système de vision embarqué basé sur un module de caméra et une carte FPGA. La caméra à haute définition montée sur le système de boite de culture finale avec un objectif permet de prendre des images de fluorescences des cellules en culture. / The skin is an organ which can regenerate and heal. It is the first shield of protection of our body against external physico-chemical aggression. For several decades, researches have been conducted to control the dermis culture for several applications such as grafting large burns. The technological aspect of this area has been the subject of several works. In the 2000s, the team of our laboratory proposed the dermis culture method associated with silicon microsystems. This is the only current method that allows the measurement of isometric forces of the equivalent dermis during its culture.In a first stage of study, in order to produce a miniaturized and low-cost bio-device, we proposed new methods to measure isometric forces in reconstructed skins in culture between two silicon beams. Thus, the optimal dimensions were calculated and new beams were fabricated. The chosen optimization is related to improve the sensitivity of the force measurement. To quantify the deflection of the beams due to the isometric forces applied by the dermis in culture, we opted for the measurement of the displacements of the beams under the influence of the isometric forces by using surface acoustic waves (SAW). This choice is justified by the simplicity of the integration of the interdigital transducers (IDT) that generate the SAW, the possibility of using a wireless interrogation and the physical realization of the cross-correlation of the generated waves.Using simulation, we have identified the frequency deviations caused by wave deformations. Indeed, the dissymmetry of the cross-correlation curve of the signals generated and received by IDT is closely related to the frequency deviation of the received wave. We have evidenced that the beam deflection generates the dissymmetry in the time axis which can be measured more precisely within the limits of sampling. Two demonstrators were designed and manufactured in the clean room to validate the instrumentation and the principle of transducing a chirped signal with a SAW. The obtained results show that the proposed SAW-based force measuring method allows us to measure force, but in a higher intensity range than expected. Subsequently, we studied the method of force measurement by piezoresistors. Considering that the technique is based on the variation of resistivity of the deformed material, we decided to replace the silicon grids provided for the attachment of the dermis in culture by the piezoresistive material implanted on the silicon micro-beams. To improve the low-resolution detection, a series of calculations and simulations of the positions and the dimensions of the piezoresistive material and the micro-beams have been carried out and presented. Another study that we conducted in parallel concerns the development of an on-board instrumentation to monitor the growth of the dermis in culture based on a vision system. Considering of the strict conditions of our specifications that required the portability and autonomy of the final system, we developed an embedded vision system based on a camera module and a FPGA card. The high definition camera mounted on the system of final culture box with a lens allows to take fluorescence images of cells in culture.