Le principal objectif de cette thèse est de caractériser l'écoulement dans un anévrisme abdominal aortique (AAA) sous différentes conditions physiologiques et à différents stades de son développement. Cette étude est consacrée aux AAA ax- isymétriques, modélisés comme une dilatation de profil gaussien et de section circu- laire. Ainsi, les résultats s'appliquent surtout aux étapes précoces du développement d'un AAA. Le modèle d'AAA est caractérisé par une hauteur maximale H et une largeur W , l'unité de mesure étant le diamètre d'entrée de l'artère. Pour com- mencer, la dynamique est étudiée pour les écoulements stationnaires. La stabilité globale de ces écoulements de base est analysée en calculant les valeurs propres et les fonctions propres pour des perturbations de faible amplitude. Pour comprendre les mécanismes d'instabilité, le transfer d'énergie entre l'écoulement de base et les perturbations est calculé. L'écoulement pour des AAA peu profonds (ou de grande longueur) se déstabilise par un mécanisme de 'lift-up' et les perturbations ampli- fiées sont stationnaires. Des anévrismes plus localisés (ou plus profonds) deviennent instables pour des nombres de Reynolds plus élevés, sans doute par instabilité el- liptique ; dans cette situation, les perturbations sont des modes oscillants. Dans le cas des écoulements pulsés, deux types de profil de débit physiologique ont été considérés dans cette étude, correspondant à une situation de repos ou d'exercice physique. Ces écoulements restent collés aux parois pendant la phase de systole et un écoulement décollé est généralement observé pendant la décélération après le maximum de systole. Dans cette phase, un vortex se forme à l'extrémité aval. Ce vortex s'agrandit au cours du temps et impacte l'extrémité aval de l'AAA, ce qui conduit à de forts gradients de contrainte pariétale, qui ne sont pas observés dans les cas sains. Il a été observé que les conditions d'écoulement varient significative- ment avec les nombre de Womersley (Wo) et de Reynolds (Re); l'écoulement reste attaché aux parois plus longtemps pour des nombres de Womersley croissants. Le principal effet d'une augmentation de Re est un renforcement du vortex primaire qui se forme après le maximum de systole. Les décollements de l'écoulement, l'impact de vortex au bord aval de l'AAA ou encore de faibles contraintes pariétales oscil- lantes (des caractéristiques importantes dans les cas d'anévrismes pathologiques) sont observés même pour des anévrismes de faible profondeur. Pour des anévrismes plus développés, des vortex multiples sont observés tout au long du cycle dans la cavité de l'AAA. Une analyse de stabilité de ces écoulements de base pulsés a mon- tré que le maximum des perturbations se développe vers l'extérmité aval des AAA. Cependant, les perturbations ne sont pas complètement confinées dans la cavité de l'AAA et se développent aussi au-delà en aval. On en déduit qu'une fois qu'un AAA s'est développé, les perturbations affectent aussi les artères saines en aval de l'AAA. Enfin, en considérant deux profils équivalents d'AAA, de formes sinusoï- dale et gaussienne, la sensibilité des résultats aux détails de la géométrie a pu être établie.

Le collagène est une protéine de structure majeure qui forme diverses organisations macromoléculaires dans les tissus, et est responsable des propriétés biomécaniques de la plupart des organes. La génération de seconde harmonique (SHG) est une technique d'imagerie adaptée pour sonder l'organisation fibrillaire du collagène. Ce travail vise à implémenter et à caractériser la SHG résolue en polarisation (PSHG), et à coupler cette technique à des essais biomécaniques pour obtenir des informations structurelles multi échelles sur les tissus collagéniques. Nous avons d'abord étudié les effets optiques linéaires qui influencent l'imagerie P-SHG dans les tissus anisotropes denses tels que les tissus collagéniques. Nous avons développé un modèle théorique qui prend en compte la biréfringence, la di-atténuation et le mélange de polarisation, et nous avons obtenu un excellent accord avec nos mesures P-SHG dans le tendon de queue de rat. De plus, nous avons effectué des simulations numériques de la propagation du faisceau d'excitation et de la formation du signal SHG dans le tendon et la cornée. Ces simulations ont confirmé le rôle crucial de la biréfringence en P-SHG. Nous avons ensuite mis en place un dispositif expérimental combinant des essais mécaniques avec l'imagerie SHG. Cela a permis de visualiser la morphologie du tendon à l'échelle micrométrique pendant les essais mécaniques macroscopiques. Nos résultats ont montré que l'imagerie SHG sous traction permet d'élucider le lien entre la réponse macroscopique des tissus et leur structure microscopique. Enfin, nous avons développé un modèle théorique pour relier l'anisotropie du signal P-SHG à l'ordre orientationnel submicrométrique des harmonophores dans le tissu. Nous avons testé ce modèle par des mesures P-SHG sur un tendon soumis à une élongation croissante. Nous avons alors caractérisé avec succès les variations d'organisation des fibrilles dans le tendon en fonction de l'élongation.

Dans ce manuscrit, je présente différents problèmes faisant intervenir des interfaces déformables. Ces interfaces peuvent être liquides (gouttes, jets, bulles) mais aussi solides (membrane, contact entre grains élastiques). Je présente d'abord le cadre des problèmes abordés depuis la fin de ma thèse, puis je me concentrerai sur quelques exemples. Je décris d'abord les expériences de mouillage réalisées au LPMC, certaines dans la continuité de mon travail de thèse. Il s'agit de la dynamique de gouttes et de jets sur des surfaces hydrophobes. Je montre par exemple que des vibrations couplées peuvent conduire à un déplacement net d'une goutte déposée sur une surface à vitesse contrôlée. Je montre ensuite comment contrôler le rebond d'un jet sur une surface suffisamment hydrophobe. Dans une deuxième partie, j'aborde des problèmes de biophysique végétale que j'ai d'abord étudiés en Post-doc à Harvard University, département OEB, puis au Laboratoire de Physique de la Matière Condensée à Nice. Il s'agit de phénomènes de transport d'eau dans des feuilles artificielles et de mouvement rapides chez les plantes qui font de nouveaux intervenir le mouillage de gouttes, mais aussi des bulles de cavitation et des objets élastiques. J'aborde finalement les travaux réalisés sur la propagation d'ondes dans des milieux granulaires par photoélasticité, objet de la thèse de Guillaume Huillard. Enfin je présente les perspectives de ces différents travaux.

Le disque intervertébral est principalement composé de deux types de tissu : le nucleus pulposus au centre contenu par l'annulus fibrosus en périphérie.Le nucleus est relativement bien décrit dans la littérature contrairement à l'annulus dont la constitution bi-phasique couplée à une structure à fibres orientées reste délicate à modéliser. La caractérisation hydro-chimio-mécanique représente un point clé dans la compréhension des phénomènes qui régissent le comportement de l'organe.Pour répondre au manque d'information, deux axes de travail sont mis en place : expérimental et numérique.La réalisation de tests de traction cyclique associés à des techniques de corrélation d'images permet de fournir une base de données complète du comportement.Elle est ensuite utilisée pour identifier un modèle hydro-chimio-mécanique qui traduit le comportement non-linéaire, anisotrope, dissipatif ainsi que la sensibilité aux variations d'environnement chimique du tissu observés expérimentalement.L'intérêt majeur de cette méthode est l'identification simultanée de l'ensemble des paramètres du modèle au cours de sollicitations proches des conditions physiologiques sur chacune des éprouvettes.Ce protocole réduit ainsi les incertitudes liées aux variabilités inter-individus et inter-localisations pour obtenir des valeurs de paramètres plus fiables.La formulation identifiée permettra de proposer un modèle compréhensif des transferts de fluide impliqués dans les processus de nutrition cellulaire.Ce sujet s'intègre dans une réflexion plus large relative à la compréhension des couplages hydro-chimio-mécaniques dans les tissus biologiques.L'enjeu est de quantifier l'impact des stimuli mécaniques sur l'évolution des tissus humains et leur adaptation aux conditions environnementales.

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Biomechanics, an emerging science, refers to the mechanical characterization of biological tissues. Recent work published in this field demonstrate the role of mechanical processes and properties on the biological tissues functionalities, and especially at the microscopic scale (cell biomechanics). Biomechanical data acquisition is however quite challenging. This requires appropriate measurement tools (for forces, strain, ...) to cope with the biological sample and environment constraints (biocompatibility, size, anisotropy, ...). In parallel, the fast developments observed these last years in microtechnologies lead to interesting research possibilities. The family of MEMS [MicroElectroMechanical Systems] devices for instance introduces a new potential of interaction with the microscopic world. The integration of this technology in the field of cellular biomechanics is thus a natural choice. In that context, this work aims to design a 3-axis microforce sensor to measure biological tissues deformations at the microscopic scale. The MEMS device, fabricated on SOI [Silicon on Insulator] wafers, is based on piezoresistive and capacitive force transductions. It can be used as an actuator at least in one direction. This thesis describes the design, fabrication and test of the 3-axis system. A 1-axis prototype, exclusively capacitive, is first realized and acts as the foundation of the 3-axis device. The 1-axis force sensor, tested on the [0 ? 350[mu]N ] range shows a sensitivity in the order of 4.85mV/[mu]N (G=2000) and a resolution of 1.24[mu]N (linearity until 100[mu]N ). A new 3-axis geometry is then proposed to improve the direction decoupling efficiency of 2-axis capacitive sensors presented in publications and add a third detection axis. The decoupling is achieved using a"two frames" geometry and piezoresistors implanted in a configuration only sensitive to an out-of-plane loading. The three transducers performances are analysed individually. Tested on a range of 250? N , the sensors show a linear behaviour on the whole forces domain in the out-of-plane axis (piezoresistors) and until 100[mu]N in the in-plane direction (electrostatic combs). The piezoresistive and capacitive transducers are characterized by sensitivities of 0.93mV/[mu]N (g=400) and 6.35mV/[mu]N (G=500) respectively (on the linear part), with resolutions of 7[mu]N and 0.161[mu]N. The dynamical behaviour of the sensor allows its use above the kHz. The cross-talk sensitivities of each transducer are evaluated to 1-5% of their axis sensitivity (decoupling). The work presented in this thesis demonstrates the feasability of a 3-axis MEMS force sensor based on capacitive (in-plane sensing) and piezoresistive (out-of-plane sensing) detection. The proof of concept refers to the fabrication and performances (sensitivity, resolution, decoupling) of the proposed design.

L'objectif de ce travail est de proposer une nouvelle approche dans l'évaluation des dysfonctionnements de l'appareil locomoteur humain conduisant à des pathologies, au moyen de paramètres biomécaniques pertinents (angles et moments articulaires). Dans un premier temps, un rapprochement des données de la littérature avec les examens pratiqués en podologie pour l'étude de la marche a permis d'identifier les paramètres biomécaniques impliqués dans l'apparition de pathologies courantes : lombalgie, coxalgie et gonalgie. Ensuite, à partir de mesures expérimentales (système d'analyse gestuelle VICON et tapis de marche ADAL), les aspects statiques, cinématiques et dynamiques de l'activité locomotrice (modélisation d'une structure polyarticulée anthropomorphique représentative du membre inférieur) de sujets symptomatiques ont mis en évidence les défauts du mouvement articulaire (modèles patho-mécaniques) par rapport à la physiologie, et la pertinence des paramètres biomécaniques pour les décrire. L'analyse des modifications du mouvement suivant deux modalités : sans et avec semelle correctrice, a permis d'illustrer l'impact du mauvais alignement de la chaîne segmentaire sur les pincements de contact articulaire entraînant à terme la dégénérescence des cartilages (lombarthrose, coxarthrose et gonarthrose). Enfin, l'étude des liaisons entre les paramètres a montré l'influence des anomalies de positionnement du pied au sol sur les dysfonctionnements de la chaîne articulaire du membre inférieur

Différents dessins d’implants de prothèse totale de genou (PTG) sont utilisés en pratique clinique et chacun présente des caractéristiques biomécaniques spécifiques. Aucun implant n’a réussi à ce jour à reproduire parfaitement la biomécanique du genou naturel. Les objectifs de cette étude sont de comparer les résultats cliniques et biomécaniques tridimensionnels (3D) de deux types de PTG chez le même patient, puis de comparer la cinématique des PTG à celle d’un groupe de genoux asymptomatiques. Une cohorte de quinze patients avec un implant traditionnel dans un genou et un implant de nouvelle génération permettant un pivot dans le genou contralatéral a été étudiée. Le groupe contrôle était composé de trente-cinq genoux asymptomatiques. L’analyse de la cinématique 3D a été réalisée avec l’outil KneeKG (Emovi Inc. Canada) lors de la marche sur tapis roulant. L’évaluation clinique comprenait l’amplitude de mouvement ainsi que les questionnaires de perception articulaire, KOOS, Womac et SF-12. La comparaison de la cinématique des deux types de PTG a démontré quelques différences statistiquement significatives dans les plans sagittal et frontal alors que la comparaison des PTG et des genoux asymptomatiques a révélé plusieurs différences significatives dans les trois plans. Les scores cliniques des deux PTG ne comportaient pas de différence significative. Dans notre cohorte de patients, le design de l’implant a eu peu d’influence sur les résultats biomécaniques et cliniques. Les PTG n’ont pas reproduit une cinématique normale de genou. Beaucoup de travail et de recherche dans le développement de nouveaux implants sont encore nécessaires afin d’améliorer les résultats cliniques et de mieux reproduire la cinématique du genou naturel. / Various implants of total knee arthroplasty (TKA) are used in clinical practice and each presents specific biomechanical characteristics. No implant managed this day to reproduce perfectly the biomechanics of the natural knee. The objectives of this study are to compare the clinical and tridimensional (3D) biomechanical data of two different designs of TKA on the same patients and to compare the resulting 3D biomechanical data with those of asymptomatic knees. A cohort of fifteen patients with a traditional implant in one knee and an implant of new generation allowing a pivot in the contralateral knee was studied. The control group was composed of thirty-five asymptomatic knees. Assessment of 3D knee kinematics analysis was realized with the KneeKG (Emovi Inc. Canada) during treadmill gait. Clinical evaluation included range of motion as well as questionnaires of joint perception, KOOS, Womac and SF-12. Results showed some statistically significant differences in knee 3D kinematics of both TKAs in sagittal and frontal planes while comparison between TKAs and asymptomatic knees revealed several significant differences in all three planes. Clinical scores of both TKAs did not have significant difference. In our cohort of patients, TKA implant design had few measurable influences on kinematics during gait and on clinical results. TKA with these implants did not reproduce natural knee kinematics during gait. Significant research and development in new TKA designs are needed to improve clinical scores and reproduce natural knee kinematics.

L’élastographie est une technique d’imagerie qui vise à cartographier in vivo les propriétés mécaniques des tissus biologiques dans le but de fournir des informations diagnostiques additionnelles. Depuis son introduction en imagerie ultrasonore dans les années 1990, l’élastographie a trouvé de nombreuses applications. Cette modalité a notamment été utilisée pour l’étude du sein, du foie, de la prostate et des artères par imagerie ultrasonore, par résonance magnétique ou en tomographie par cohérence optique. Dans le contexte des maladies cardiovasculaires, cette modalité a un fort potentiel diagnostique puisque l’athérosclérose modifie la structure des tissus biologiques et leurs propriétés mécaniques bien avant l’apparition de tout symptôme. Quelle que soit la modalité d’imagerie utilisée, l’élastographie repose sur : l’excitation mécanique du tissu (statique ou dynamique), la mesure de déplacements et de déformations induites, et l’inversion qui permet de recouvrir les propriétés mécaniques des tissus sous-jacents. Cette thèse présente un ensemble de travaux d’élastographie dédiés à l’évaluation des tissus de l’appareil cardiovasculaire. Elle est scindée en deux parties. La première partie intitulée « Élastographie vasculaire » s’intéresse aux pathologies affectant les artères périphériques. La seconde, intitulée « Élastographie cardiaque », s’adresse aux pathologies du muscle cardiaque. Dans le contexte vasculaire, l’athérosclérose modifie la physiologie de la paroi artérielle et, de ce fait, ses propriétés biomécaniques. La première partie de cette thèse a pour objectif principal le développement d’un outil de segmentation et de caractérisation mécanique des composantes tissulaires (coeur lipidique, tissus fibreux et inclusions calciques) de la paroi artérielle, en imagerie ultrasonore non invasive, afin de prédire la vulnérabilité des plaques. Dans une première étude (Chapitre 5), nous présentons un nouvel estimateur de déformations, associé à de l’imagerie ultrarapide par ondes planes. Cette nouvelle méthode d’imagerie permet d’augmenter les performances de l’élastographie non invasive. Dans la continuité de cette étude, on propose une nouvelle méthode d’inversion mécanique dédiée à l’identification et à la quantification des propriétés mécaniques des tissus de la paroi (Chapitre 6). Ces deux méthodes sont validées in silico et in vitro sur des fantômes d’artères en polymère. Dans le contexte cardiaque, les ischémies et les infarctus causés par l’athérosclérose altèrent la contractilité du myocarde et, de ce fait, sa capacité à pomper le sang dans le corps (fonction myocardique). En échocardiographie conventionnelle, on évalue généralement la fonction myocardique en analysant la dynamique des mouvements ventriculaires (vitesses et déformations du myocarde). L’abscence de contraintes physiologiques agissant sur le myocarde (contrairement à la pression sanguine qui contraint la paroi vasculaire) ne permet pas de résoudre le problème inverse et de retrouver les propriétés mécaniques du tissu. Le terme d’élastographie fait donc ici référence à l’évaluation de la dynamique des mouvements et des déformations et non à l’évaluation des propriétés mécanique du tissu. La seconde partie de cette thèse a pour principal objectif le développement de nouveaux outils d’imagerie ultrarapide permettant une meilleure évaluation de la dynamique du myocarde. Dans une première étude (Chapitre 7), nous proposons une nouvelle approche d’échocardiographie ultrarapide et de haute résolution, par ondes divergentes, couplée à de l'imagerie Doppler tissulaire. Cette combinaison, validée in vitro et in vivo, permet d’optimiser le contraste des images mode B ainsi que l’estimation des vitesses Doppler tissulaires. Dans la continuité de cette première étude, nous proposons une nouvelle méthode d’imagerie des vecteurs de vitesses tissulaires (Chapitre 8). Cette approche, validée in vitro et in vivo, associe les informations de vitesses Doppler tissulaires et le mode B ultrarapide de l’étude précédente pour estimer l’ensemble du champ des vitesses 2D à l’intérieur du myocarde. / Elastography is an imaging technique that aims to map the in vivo mechanical properties of biological tissues in order to provide additional diagnostic information. Since its introduction in ultrasound imaging in the 1990s, elastography has found many applications. This method has been used for the study of the breast, liver, prostate and arteries by ultrasound imaging, magnetic resonance imaging (MRI) or optical coherence tomography (OCT). In the context of cardiovascular diseases (CVD), this modality has a high diagnostic potential as atherosclerosis, a common pathology causing cardiovascular diseases, changes the structure of biological tissues and their mechanical properties well before any symptoms appear. Whatever the imaging modality, elastography is based on: the mechanical excitation of the tissue (static or dynamic), the measurement of induced displacements and strains, and the inverse problem allowing the quantification of the mechanical properties of underlying tissues. This thesis presents a series of works in elastography for the evaluation of cardiovascular tissues. It is divided into two parts. The first part, entitled « Vascular elastography » focuses on diseases affecting peripheral arteries. The second, entitled « Cardiac elastography » targets heart muscle pathologies. In the vascular context, atherosclerosis changes the physiology of the arterial wall and thereby its biomechanical properties. The main objective of the first part of this thesis is to develop a tool that enables the segmentation and the mechanical characterization of tissues (necrotic core, fibrous tissues and calcium inclusions) in the vascular wall of the peripheral arteries, to predict the vulnerability of plaques. In a first study (Chapter 5), we propose a new strain estimator, associated with ultrafast plane wave imaging. This new imaging technique can increase the performance of the noninvasive elastography. Building on this first study, we propose a new inverse problem method dedicated to the identification and quantification of the mechanical properties of the vascular wall tissues (Chapter 6). These two methods are validated in silico and in vitro on polymer phantom mimicking arteries. In the cardiac context, myocardial infarctions and ischemia caused by atherosclerosis alter myocardial contractility. In conventional echocardiography, the myocardial function is generally evaluated by analyzing the dynamics of ventricular motions (myocardial velocities and deformations). The abscence of physiological stress acting on the myocardium (as opposed to the blood pressure which acts the vascular wall) do not allow the solving the inverse problem and to find the mechanical properties of the fabric. Elastography thus here refers to the assessment of motion dynamics and deformations and not to the evaluation of mechanical properties of the tissue. The main objective of the second part of this thesis is to develop new ultrafast imaging tools for a better evaluation of the myocardial dynamics. In a first study (Chapter 7), we propose a new approach for ultrafast and high-resolution echocardiography using diverging waves and tissue Doppler. This combination, validated in vitro and in vivo, optimize the contrast in B-mode images and the estimation of myocardial velocities with tissue Doppler. Building on this study, we propose a new velocity vector imaging method (Chapter 8). This approach combines tissue Doppler and ultrafast B-mode of the previous study to estimate 2D velocity fields within the myocardium. This original method was validated in vitro and in vivo on six healthy volunteers.

Placer une charge au niveau du membre inférieur est une approche sans fondement scientifique, utilisée par les cliniciens, pour renforcer certains muscles clés de la marche. Cette étude a déterminé les modifications du patron de marche lors de l’ajout d’une charge à la cheville parétique ou non parétique chez des personnes ayant une hémiparésie suite à un accident vasculaire cérébral et a comparé les résultats à ceux d’un groupe témoin. Il est supposé qu’une charge placée à la jambe parétique/non dominante (charge ipsilatérale) augmenterait les efforts (moments et puissance) à la hanche parétique/non dominante lors de l’oscillation et qu’une charge placée controlatéralement augmenterait les efforts lors de la phase d’appui principalement pour les abducteurs de hanche stabilisant le bassin dans le plan frontal. La marche avec et sans charge de cinq individus hémiparétiques chroniques et 5 personnes en santé a été analysée en laboratoire par l’enregistrement des forces de réaction du sol et des mouvements des membres inférieurs. Ces informations ont permis de calculer les paramètres temps-distance, les angles à la hanche parétique/non dominante et au tronc, les moments nets, les puissances et le travail mécanique à la hanche parétique/non dominante. Des tests statistiques non-paramétriques ont servi à déterminer l’effet de la condition, avec charge (ipsi- et controlatérale) ou sans charge et à comparer les résultats entre les deux groupes. L’ajout d’une charge n’a pas modifié la vitesse de marche des sujets. Les phases d’appui et d’oscillation étaient rendus plus symétriques par la charge, même si peu de différences apparaissaient dans le plan sagittal avec ou sans la charge. Dans le plan frontal, le moment abducteur de hanche des sujets hémiparétiques a diminué avec la charge controlatérale, tandis qu'il a augmenté chez les sujets en santé. L’utilisation d’une stratégie posturale ou dynamique au tronc pourrait expliquer la différence de l’effet de la charge sur le moment abducteur à la hanche. Au vu de ces résultats, il est nécessaire de poursuivre l’évaluation de cette approche de renforcement musculaire spécifique à la tâche avant d’en recommander son utilisation. / Adding a load on the lower limb is a non evidence-based approach used by clinicians to strengthen weak muscles that are important for faster gait. This pilot study was aimed at determining changes in the gait pattern in stroke individuals walking with a load on the affected or non-affected ankle and comparing their results to those of healthy control subjects. It is supposed that a load placed on the paretic/non-dominant leg (ipsilateral load) would increase efforts (moment and power) on the paretic/non-dominant hip during the swing phase and that a load placed contralaterally would increase efforts on this hip during the stance phase, particularly on the hip abductor muscles which stabilizing the pelvis in the frontal plane. The gait pattern of five chronic stroke participants and five healthy individuals was assessed in laboratory by ground reaction forces and infrared marker recordings. Time-distance parameters, affected/non-dominant hip and trunk kinematics (angles) as well as affected/non-dominant hip kinetics (nets moments, powers and mechanical work) were compared between three conditions (two with a load) at similar cadences using non-parametric statistical tests in both groups. Adding a load had no effect on gait speed in all participants. The load improved the swing and stance symmetry. Few changes in the sagittal plane with load were observed compared to without a load. In the frontal plane, stroke subjects showed a hip abductor moment decrease with the contralateral load while healthy controls showed an increase. Use of a dynamic or postural strategy at the trunk could explain the difference in the load effect on the hip abductor moment. These results require further investigations to assess this strength training specific to the task before recommending its use.