La préhension manuelle est une des habilités de l’homme la plus développée et la plus utilisée dans la vie de tous les jours. Cette capacité nous permet de saisir et de manipuler des objets dans des configurations aussi nombreuses que complexes. Malheureusement, la main est aussi le siège de nombreuses blessures qui, de par l’importance de la préhension, sont fortement handicapantes. Face à ce constat, comprendre les contraintes mécaniques qui sont exercées dans les muscles, les tendons, les articulations et les ligaments lors de gestes de la vie quotidienne apparaît comme un enjeu majeur pour la prévention, la réhabilitation et l’ergonomie. L’objectif de ce travail doctoral était de développer un modèle biomécanique de la préhension permettant une estimation de ces variables non mesurables. A titre d’exemple,le paradigme de la pince pouce-index a été utilisé. Dans une première étude, les modèles biomécaniques de la pince disponibles dans la littérature ont été développés et comparés.Suite à cette évaluation, il a été constaté que ces modèles, en particulier le pouce,nécessitaient des améliorations pour permettre une évaluation physiologiquement réaliste lors de la préhension. Dès lors, plusieurs améliorations ont été proposées. Premièrement, une procédure expérimentale a été développée afin d’évaluer et d’inclure les participations mécaniques passives (ligaments, tissus mous, butées osseuses) de l'articulation trapèzométacarpienne. Deuxièmement, des mesures effectuées par IRM ont été utilisées afin d’intégrer l’action mécanique du muscle First Dorsale Interosseous dans l’équilibre du pouce,ce muscle étant alors négligé malgré son importance dans les tâches de préhension.Troisièmement, une méthode expérimentale permettant d’évaluer plus facilement et plus précisément, in situ, les axes de flexion/extension et d’adduction/abduction de l’articulation trapèzométacarpienne a été proposée et évaluée. Enfin, le modèle biomécanique incluant ces améliorations a été mis en œuvre dans une dernière étude ergonomique visant à étudier l’effet de la taille de l’objet manipulé sur les forces musculaires et articulaires. / Manual precision grip is one of man's most developed and most used ability in everyday lifeactivities. The negative outcome is the high exposure of the hand to repetitive stress injurieswhich are often very disabling. Thus, the understanding of the mechanical stress exerted inmuscles, tendons, joints and ligaments during gripping tasks appears as a major issue forinjury prevention, rehabilitation and ergonomic considerations. This doctoral work aimed atdeveloping a biomechanical model of the grip to estimate the unmeasurable internal loads. Asan example, the classical paradigm of the thumb - index finger grip was used. In a first study,the biomechanical models of the thumb available in the literature were compared and severalimprovements proposed in order to obtain more physiologically realistic predictions. First, anexperimental method was developed to evaluate and include passive structures moment intothe equilibrium of the trapeziometacarpal joint (TMC). Secondly, MRI was used to integratethe mechanical action of the First Dorsal Interosseous muscle at the TMC, since this musclehas commonly been neglected in thumb models but seems essential during pinch grip.Thirdly, the kinematic model which has to be used with the anthropometric data of tendonmoment arms was evaluated and compared to our proposition of a functional method toassess, in situ, the axes of rotation of the TMC. Finally, the biomechanical model includingthese improvements was implemented in an ergonomic study. We investigated the effect ofobject width on grip forces and muscles/joints loads. This doctoral work finds its consistencyin its desire to develop and apply the biomechanical modelling of the hand in the fields ofclinical and ergonomics.

Afin de mieux comprendre le comportement mécanique de l'os trabéculaire et d'améliorer la prédiction du risque de fracture, l'objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique " bio-fidèle " prenant en compte l'hétérogénéité tissulaire, et de déterminer les contraintes mécaniques au sein des travées osseuses, dans le domaine de déformation élastique. À l'échelle tissulaire, une étude par nanoindentation a permis de dissocier les comportements élastiques et plastiques de l'os en fonction de sa composition (minéral/collagène). Ainsi, le comportement élastique du tissu osseux serait principalement lié à sa quantité de minéral alors que ses propriétés plastiques seraient davantage liées à la phase organique. Une loi reliant le degré de minéralisation de l'os (DMB) au module élastique a été déterminée dans l'os humain. La création d'un modèle numérique reproduisant de manière rigoureuse le comportement élastique de l'os trabéculaire, nécessite la prise en compte de l'hétérogénéité de la quantité de minéral (DMB) et donc son acquisition en 3D. Grâce à une méthode de recalage d'image 2D/3D, les acquisitions de microtomographie ont été comparées aux valeurs obtenues par microradiographie quantitative, méthode de référence de mesure du DMB. Sous certaines conditions, la microtomographie permet une évaluation correcte de l'hétérogénéité minérale. La création et l'analyse d'un modèle numérique par éléments finis de l'os trabéculaire, à partir des images de tomographie, a montré l'importance des paramètres du modèle (taille et formulation des éléments) ainsi que le rôle de l'hétérogénéité minérale sur l'évaluation des contraintes locales appliquées aux travées osseuses.

L'analyse du mouvement basée sur des techniques de suivis de marqueurs cutanés s’est largement répandue ces dernières années. Ces méthodes reposent globalement sur un ensemble d’hypothèses simplificatrices permettant d’approcher le fonctionnement de l’objet d’étude : le corps humain. Ainsi, le corps humain est généralement modélisé comme un ensemble de segments rigides liés entre eux par des liaisons mécaniques simples et parfaites. Ces hypothèses ont montré leurs limites dans la prédiction des paramètres décrivant la cinématique et la dynamique articulaire. Un des problèmes provient du mouvement relatif entre les marqueurs cutanés et les os (appelé artéfacts des tissus mous) qui peut atteindre plusieurs centimètres et rend difficilement acceptable l’hypothèse de segments rigides. Les articulations étant des mécanismes complexes comportant un ensemble de structures périarticulaires,l’hypothèse de liaisons mécaniques simples et parfaites semble également très limitative. Le but de cette thèse sera donc de faire un bilan et une synthèse des propositions cherchant à dépasser les hypothèses classiques de modélisation existant dans la littérature et de proposer de nouvelles pistes.

Les données biomécaniques sur les enfants sont rares et difficiles à obtenir lors d’expérimentations. Cette recherche s’intéresse à l’évaluation in vivo du comportement mécanique du tronc et des propriétés mécaniques de l’os cortical des côtes. Le comportement mécanique in vivo du tronc de l’enfant et de l’adulte sous charge pendant des manipulations de kinésithérapie respiratoire ont été étudiées. Trois formes typiques de courbes de force en fonction du déplacement ont été observées. Un plus grand décalage en temps entre les courbes de force en fonction du temps et les courbes de déplacement en fonction du temps ont été observés plus fréquemment chez les enfants que chez les adultes, ce qui conduit à différentes formes de courbes de force en fonction du déplacement entre les enfants et les adultes. Parmi les paramètres qui peuvent affecter le comportement mécanique du tronc, les propriétés mécaniques de l’os cortical des côtes ont été étudiées. Dans un premier temps, il a été constaté ex vivo que les propriétés mécaniques de l’os cortical des côtes des adultes sont liées de façon linéaire à la Densité Minérale Osseuse (DMO) mesurée par la tomodensitométrie quantitative (Quantitative Computed Tomography, QCT) et la tomographie périphérique quantitative à haute résolution (High Resolution Peripheral Quantitative Computed Tomography, HR-pQCT). La DMO peut être mesurée par QCT in vivo. Ensuite, les relations entre la DMO et les propriétés mécaniques pour l’adulte ont été appliquées aux enfants, et les propriétés mécaniques de l’os cortical de l’enfant ont pu être estimées. Les propriétés mécaniques ont été trouvées plus élevées dans la partie latérale des côtes que dans les régions antérieures et postérieures. Il a également été constaté que les propriétés mécaniques augmentent au cours de la croissance. Il s’agite la première étude qui a évalué les propriétés des matériaux de l’os cortical des côtes de l’enfant in vivo. Cette étude peut aider à mieux comprendre la réponse mécanique du tronc de l’enfant et les propriétés mécaniques de l’os cortical costal. A court terme, ces résultats mesurés in vivo seront considérés dans des modèles éléments finis du tronc de l’enfant.

L'os humain adulte est le résultat d'un processus de maturation multi échelle complexe et multifactoriel. Concernant la croissance de l'os de l'enfant, les données quantitatives issues de la littérature sont peu nombreuses et souvent discutables. Une caractérisation multimodale de ce matériau (acoustique, mécanique, histologique, biochimique et par l'imagerie) permet de traduire quantitativement les différences observées en pratique clinique avec l'os adulte. Cette étude propose de déterminer les paramètres biomécaniques de l'os cortical au cours de la croissance par une approche multimodale. Différents types d’échantillons ont été utilisés, os long (fibula), os plats (côtes issus de la cage thoracique des patients scoliotiques) en provenance de service de chirurgie orthopédique. Des résultats originaux ont été obtenus, avec des lois reliant les données à différentes échelles. Les résultats ont permis d’infirmer des hypothèses concernant la déminéralisation osseuse dans le cadre des études sur la scoliose idiopathique chez l’enfant, et l’obtention de nouvelles données concernant l’os cortical au cours de la croissance. / Human bone is the result of a multiscale maturation process determined by several factors. Concerning the bone growth, few quantitative data are available in literature and their validity is questionable. A multimodal method (acoustical, mechanical, histological, biochemical and using imagery) characterizing the bone matrix leads to quantify the differences between adult and children based on clinical observations. The goal of this study is to quantify the biomechanical properties of cortical bone during growth by using a multimodal method. Several kinds of samples have been characterized, on one hand from long bone (fibula) and on the other hand from flat bone (extracted from the scoliotic rib hump). Original results have been found with law linking multiscale data. These results weak the hypothesis of bone demineralization in idiopathic adolescent scoliosis and provide new data concerning cortical bone during growth process.

For years, the modelling of the brain tissue has been widely investigated. Indeed, a biomechanical model of the brain would find applications in fields like image-guided neurosurgery or safety system design (helmets, car manufacturing, security fences design,...). In the present thesis, we propose an original, fractional calculus-based, constitutive equation of the brain tissue. Different types of experiments (unconfined compression, relaxation and cyclic tests) were carried out in order to characterize the mechanical behaviour of the brain tissue. The use of the digital image correlation enabled us, for the first time to our best knowledge, to prove the incompressibility of the brain tissue, a widespread assumption. The constitutive model was calibrated and validated using these experiments. The agreement between the model and the experimental results is very satisfactory. The model reproduces with only a few percent error the stress-strain curves for the compression tests at three different loading rates covering two orders of magnitude as well as the behaviour in the relaxation and cyclic tests. La modélisation du tissu cérébral fait l'objet de nombreuses recherches depuis quelques années. En effet, un modèle biomécanique du cerveau trouverait des applications dans le domaine de la neurochirurgie guidée par l'image et chez les fabricants de système de sécurité (casques, automobiles, barrières de sécurité,...). Dans cette thèse, nous proposons un modèle d'équation constitutive original pour le tissu cérébral basé sur l'utilisation des dérivées d'ordre réel arbitraire (aussi connues sous le terme de dérivées fractionnaires). Divers types d'essais (compression, relaxation et essais cycliques) ont également été réalisés afin de caractériser le comportement mécanique du tissu cérébral. L'utilisation de la corrélation d'images numériques a permis, pour la première fois à notre connaissance, de démontrer expérimentalement son incompressibilité, justifiant ainsi une hypothèse couramment rencontrée. La loi constitutive développée a été calibrée et validée à partir de ces essais. L'accord entre le modèle et les résultats expérimentaux est très satisfaisant en ce qui concerne le comportement en compression à trois vitesse de déformation différentes s'étalant sur deux ordres de grandeur. Il en va de même pour les comportements en relaxation et lors des essais cycliques.

Les principales thématiques que j’ai abordées depuis ma nomination en tant que maitre de conférences en 1995, sont très diversifiées. Ce mémoire s’articule autour de 3 chapitres. Le premier " Mécanique-Matériaux " expose dans une première partie, les travaux que nous avons menés sur un mode de dégradation des bétons, l’alcali-réaction et notre proposition de réparation par matériaux composites des ouvrages atteints. La seconde partie expose nos travaux sur des lois d’interfaces substitutives à des couches minces souples et rigides par une modélisation asymptotique. Le deuxième chapitre " Matériaux souples – Structures pressurisées " développe une méthode d’identification des termes en cisaillement de la matrice d’élasticité de matériaux composites souples. D’un point de vue structural, nous avons étudié le comportement mécanique d’éléments pressurisés cylindriques en considérant l’orthotropie du matériau. Nous avons orienté nos travaux vers des poutres de Timoshenko dans l’espace en tenant compte de l’aspect orthotrope du matériau, des non-linéarités géométriques et des forces suiveuses induites par la pression interne. Le dernier chapitre " Mécanique appliquée à la biomécanique " expose 3 projets transversaux liés à la biomécanique. Le premier projet porte sur le développement d’attelles orthopédiques de maintien d’enfants atteints d’Invalidité Motrice et Cérébrale. Le deuxième projet traite d’un dispositif interne destiné à corriger la scoliose chez l’enfant tout en s’auto-adaptant à sa croissance. Le dernier projet concerne la conception et la réalisation d’un mannequin de jambe destiné à des crashtests pour l’amélioration de la sécurité des piétons. L’ensemble de ces travaux couvrent des approches très variées où les aspects théoriques, expérimentaux et numériques sont abordés.

Cette étude a pour but d'améliorer la compréhension des mécanismes responsables de la croissance des anévrismes aortiques abdominaux (AAA) et plus particulièrement de quantifier les effets des stimuli mécaniques sur la maladie. Des études récentes ont associé la plupart des maladies cardiovasculaires à des changements des contraintes pariétales et de leurs gradients. Toute modification des contraintes hémodynamiques influe l'intégrité structurelle de la paroi, à cause des changements induits sur la morphologie et les fonctions des cellules endothéliales et des cellules sanguines en circulation. Des mesures PIV (Particle Image Velocimetry) de l'écoulement pulsé ont été réalisées dans des modèles d'anévrismes, dont les paramètres géométriques ont été changés systématiquement. Les résultats de l'étude paramétrique montrent que l'écoulement décolle de la paroi même aux stades très précoces de la maladie (dilatation >= 30%). Un large anneau de vorticité est formé dans les modèles symétriques d'anévrismes, suivi de couches de mélange. Deux régions distinctes peuvent être identifiées : une zone de décollement caractérisée parde faibles contraintes oscillantes, et une région distale de réattachement, où de larges contraintes pariétales négatives et des gradients entretenus apparaissent en réponse à l'impact de l'anneau tourbillonnaire sur la paroi. La perte de symétrie des modèles engendre un écoulement hélicoïdal. Le tourbillon qui domine l'écoulement se détache de la paroi à la courbure maximale (paroi antérieure). Il conduit à la formation d'une zone de recirculation, où les cellules endothéliales sont soumises à des contraintes pariétales négatives et quasi-permanentes avec de très faibles amplitudes, alors que la paroi postérieure est exposée à des contraintes proches de celles d'une aorte saine. Des gradients de contraintes sont générés aux cous de l'anévrisme, ainsi qu'au point d'impact du tourbillon. Un suivi Lagrangien de cellules sanguines à l'intérieur des différents modèles d'anévrisme montre que l'élargissement de l'anévrisme conduit à une augmentation du temps de résidence des cellules. Lors de leur recirculation, les cellules sont périodiquement soumises à de larges contraintes près de laparoi et dans les couches de mélange, ce qui peut conduire à l'activation des cellules. La structure tourbillonnaire de l'écoulement convecte les cellules vers la paroi, ce qui augmente la probabilité de dépôt des cellules sur la paroi et par conséquent de formation d'un thrombus endoluminal.

Le cancer du sein est le cancer le plus fréquent chez les femmes. Il y a une multitude de solutions proposées concernant une éventuelle intervention médicale pour le cancer du sein ‐ une en particulier est la chirurgie mammaire conservatrice (tumoréctomie). Le but de la tumoréctomie est de parvenir à un contrôle local du cancer, ainsi que de préserver une forme du sein qui satisfait les besoins esthétiques de la femme. Bien que ces objectifs sont généralement atteint, il reste encore parfois des résultats inattendus,tels qu'une tumeur récurrence locale, ou des résultats cosmétiques insuffisants.L'objectif de cette thèse est de proposer une plateforme de calcul, qui contribue à la tumoréctomie. Cela comprend:1) Une étude de la dynamique de croissance des tumeurs du sein.2) Une étude sur la prédiction du contour du sein grâce a la chirurgie virtuelle.3) Un modèle de calcul de la forme finale du sein après cicatrisation. / Breast cancer is the most common cancer among women in the developed as well as the developing countries. There are a plethora of proposed solutions regarding possible medical interventions for breast cancer–one in particular is Breast Conserving Therapy (BCT). BCT comprises of complete surgical excision of the tumor (partialmastectomy), and post-operative radiotherapy for the remaining breast tissue. This is a feasible treatment for most women with breast cancer. The goal of BCT is toachieve local control of the cancer, as well as to preserve breast shape that appeases awoman’s cosmetic concerns. Although these goals are usually achieved, there are still occasional unexpected results, such as reexcision of the tumor due to a positive margin assessment, tumor local recurrence, unsatisfactory cosmetic results, and breastpain. Other than surgical experience and judgment, there are currently no toolswhich can predict the outcome of partial mastectomy on the contour and deformity of the treated breast. The objective of this dissertation is to propose computational framework, which contributes to BCT operations, this was achieve by exploring two areas.On the one hand we developed a multiscale model adapted for breast cancer tumor growth, ductal carcinoma in situ (DCIS). The model features included: nutrients growth limitation, wall degradation enzyme and HER2 chemical expression tumor phenotype. Our model successfully simulate some pattern of DCIS carcinoma.Among the interesting result we showed that the enzyme contributed to a greater tumor size and that when HER2 was over expressed, the growth limiting factor wasthe EGFR. On the other hand, we developed a virtual surgery box to simulate BCT surgery. The box will input MRI patient data and will output cosmetic and functional indicator to rate the impact of the surgery. It appears that stiffness of the tissue, resection radius as well as the lump quadrant location are the most sensitive parameters to the indicators. A healing model was also embedded to simulate the wound closure after resection, this model was stress dependent and illustrate anasymmetric wound closure progression.The tools developed in this research allows a new type of field convergence between the surgery and computation field. At the local level it will allow surgeons and patient to be able to communicate on the pertinence and necessity of performing alumpectomy surgery, enabling to anticipate the possible outcome of the operation.On the global aspect this type of tool gives birth to a new type of field: computational surgery, where computer scientist and surgeons work hand in hand to provide the best and the most reliable service to the patients.

Afin de mieux comprendre le comportement mécanique de l’os trabéculaire et d’améliorer la prédiction du risque de fracture, l’objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique « bio-fidèle » prenant en compte l’hétérogénéité tissulaire, et de déterminer les contraintes mécaniques au sein des travées osseuses, dans le domaine de déformation élastique. À l’échelle tissulaire, une étude par nanoindentation a permis de dissocier les comportements élastiques et plastiques de l’os en fonction de sa composition (minéral/collagène). Ainsi, le comportement élastique du tissu osseux serait principalement lié à sa quantité de minéral alors que ses propriétés plastiques seraient davantage liées à la phase organique. Une loi reliant le degré de minéralisation de l’os (DMB) au module élastique a été déterminée dans l’os humain. La création d’un modèle numérique reproduisant de manière rigoureuse le comportement élastique de l’os trabéculaire, nécessite la prise en compte de l’hétérogénéité de la quantité de minéral (DMB) et donc son acquisition en 3D. Grâce à une méthode de recalage d’image 2D/3D, les acquisitions de microtomographie ont été comparées aux valeurs obtenues par microradiographie quantitative, méthode de référence de mesure du DMB. Sous certaines conditions, la microtomographie permet une évaluation correcte de l’hétérogénéité minérale. La création et l’analyse d’un modèle numérique par éléments finis de l’os trabéculaire, à partir des images de tomographie, a montré l’importance des paramètres du modèle (taille et formulation des éléments) ainsi que le rôle de l’hétérogénéité minérale sur l’évaluation des contraintes locales appliquées aux travées osseuses. / Finite element modeling has become more and more suitable to estimate the mechanical properties of trabecular bone. Such models tend to be used to evaluate bone fracture risk. The main goal of this study was to create a bio-faithful model of trabecular bone to evaluate elastic stresses fields in trabeculae. In a first part, a nanoindentation study lead to a dissociation of elastic and plastic behavior of bone tissue, depending of its composition (mineral/collagen). At osteon level, bone elastic behavior mainly depends on mineral quantity whereas its plastic behavior mainly depends on collagen maturity. The relation between degree of mineralization of bone (DMB) and elastic modulus have been determined for human bone. The purpose of second part of the study was to evaluate DMB heterogeneity inside a 3D model of trabecular bone. Using 2D/3D registration, we compare the results obtain with high resolution microtomography to those from quantitative microradiography, the goldstandard method used to measure DMB. We prove that it was possible to obtain a good evaluation of mineral heterogeneity in trabecular bone by tomography. The last part of this study, is dedicated to the creation of a finite element model of trabecular bone. After analyzing the influence of finite element modeling parameter on the assessment of mechanical response (size and element formulation), we showed that the integration of mineral heterogeneity at the tissue level lead to strong modifications of stress fields in bone trabeculae. The results of this study prove that bone mineral heterogeneity is an important parameter and should be taken into account when evaluating trabecular bone mechanical properties.