Avec le projet nommé " Dynalyser ", la société MEDICAPTEURS (France, Balma) et le laboratoire PRISSMH EA4561 (Université Paul Sabatier, Toulouse III) ont obtenu un financement du Conseil Régional Midi-Pyrénées (AO AGILE-IT 2012) pour mettre au point un nouveau système embarqué de mesure des pressions plantaires. Composé d'un système communiquant sans fil avec 9 capteurs isolés par pied il permet, à partir d'un smartphone, de retourner sous la forme consciente d'une mélodie sonore (3 sons) les informations de pressions plantaires. L'objectif de ce système est d'informer en temps réel (détection de zones d'hyperpression ou au con-traire, d'une absence de pression) et de conforter ou suppléer les moyens de détection naturelle pour un contrôle de l'appui plantaire dans des activités cliniques ou sportives. Dans un premier temps, une étude a permis de développer et de valider une méthode de placement des capteurs isolés à partir de la résultante des forces enre-gistrées par chaque capteur comparée à la force externe mesurée par une plateforme de forces. Les résultats ont mis en évidence des corrélations élevées entre les données de la plateforme de forces (centre des pressions et force verticale de réaction (Fz)) et celles du Dynalyser (barycentre des pressions et Fz), confirmant la pertinence et la nécessité d'un tel placement pour une analyse de certains paramètres biomécanique de la marche aussi pré-cise que celle permise par des systèmes éprouvés d'analyse du mouvement. Dans un second temps, le dévelop-pement de la partie logicielle permettant un retour sonore a été réalisé. Une étude vérifiant la faisabilité d'une modulation de l'appui plantaire grâce au biofeedback (BFB) a été menée sur une population saine. Reprenant le principe d'un retour en " Do majeur " (FB_Gruss) validé pour son intelligibilité, les résultats révèlent une diffi-culté des participants à s'approprier rapidement le FB_Gruss lors de la marche. Ces observations mettent en évi-dence la difficulté à traiter plusieurs informations dans un laps de temps très bref (le contact pied-sol). Par ail-leurs, une variabilité naturelle importante est observée sous certaines zones (partie latérale et surtout médiale de l'avant-pied). Elle est quelque fois supérieure à la marge de tolérance mise en place pour déclencher les sons et perturbe la quantification des appuis réussis. Les résultats obtenus sont prometteurs car ils révèlent, de plus, l'absence d'effet délétère du BFB sur la répartition des pressions plantaires ipsi et controlatérale. Dans un troi-sième temps, un modèle de prédiction des pics de pressions plantaires en fonction des paramètres spatio-temporels adimensionnels (Nombre de Froude, de Strouhal et de Modela-w) a été développé. Le but est d'obtenir un système autonome, capable de moduler une mélodie en comparant les valeurs de pics de pressions obtenues en temps réel à celles du modèle de référence. Les premiers résultats révèlent une prédiction élevée des pressions sous les zones qui servent au BFB (R² > 0.95). Ce modèle devra être validé pour être incorporé au logiciel afin d'obtenir un dispositif totalement autonome permettant d'informer en temps réel de la distribution des pressions plantaires dans un contexte clinique ou sportif. / With the project named " Dynalyser ", the MEDICAPTEURS Company (France, Balma) and the PRISSMH EA4561 laboratory (Paul Sabatier University, Toulouse III) have obtained a funding by the Midi-Pyrenees Regional Council (AO AGILE-IT 2012) to develop a new plantar pressure embedded biofeedback sys-tem. Consisting of a wireless communicating system with nine isolated sensors per foot, it aims to deliver infor-mation about plantar pressures in the conscious of a sound melody (3 sounds), by means of a smartphone. The system's aim is to reinforce or supplement the intrinsic (i.e., natural) plantar pressure feedback by informing in real time (detection of hyperpressure area or, on the contrary, absence of pressure) in order to improve the con-trol of walking in clinical or sporting activities. First, a study allowed to develop and validate a method to locate isolated sensors by means of a force platform. Results revealed high correlations between the force platform data (center of pressure and vertical ground reaction force (vGRF)) and the Dynalyser data (barycenter of pressure and vGRF), confirming the relevance and necessity of such method for an analysis as precise as motion analysis systems of certain biomechanical parameters of walking. Second, the development of the auditory biofeedback (BFB) system was realized. A study verifying the feasibility of a modulation of plantar support using BFB was conducting on a healthy population. Following the principle of a "C-major" return (FB_Gruss) validated for its intelligibility, the results revealed a difficulty for the participants to appropriate quickly the FB_Gruss during walking. These observations, highlight the difficulty of processing several information in a very short period of time (the foot-to-ground contact). On the other hand, a significant natural variability is observed under two areas (lateral and especially medial part of the forefoot). It is sometimes superior to the tolerance range set up to trigger sounds and disrupts the quantification of successful supports. The results obtained are promising because they also reveal the absence of deleterious effect of the BFB on the distribution of ipsi and contralateral plantar pres-sures. Third, a model of prediction of plantar pressure peaks as a function of the dimensionless spatio-temporal parameters (Froude number, Strouhal and Modela-w) was developed. The aim is to obtain an autonomous system capable of modulating a melody by comparing the peak pressure values obtained in real time with those of the reference model. The first results reveal a high prediction of the pressures under the three areas that serve the BFB (R² > 0.95). This model must be validated to be incorporated into the software in order to obtain a totally autonomous device allowing to inform in real time the distribution of the plantar pressures in a clinical or sports context.

Cette thèse s’inscrit dans la démarche de caractérisation mécanique des tissus mous du vivant in situ et in vivo par un dispositif de succion utilisable en salle opératoire. L’objectif est de fournir au chirurgien un outil simple, efficace, et si possible de coût réduit, pour estimer les propriétés mécaniques spécifiques au patient et en temps réel afin guider leur décisions. Malheureusement, les structures biologiques sont souvent hétérogènes due à leur composition (peau, muqueuse, fibres musculaires, matière adipeuse, fascias, vascularisation, …). En particulier, ces structures biologiques présentent un gradient de propriétés mécanique dans la profondeur. Il s’agit donc de répondre à un problème complexe, d’autant plus qu’il est nécessaire de proposer une méthode non destructive adaptée à une mesure in situ et in vivo en salle opératoire.Parmi les procédés de caractérisation mécanique rencontrés, les méthodes basées sur la succion sont courantes. Ce procédé de mesure consiste à aspirer un volume de tissu mou à travers une ouverture en mesurant simultanément la pression et la hauteur de tissu dans l’enceinte. Une procédure d’identification inverse est ensuite mise en place pour identifier les propriétés mécaniques du tissu. Cette mesure de hauteur étant généralement effectuée à l’aide d’une caméra, le design des systèmes rencontrés reste cependant délicat, en particulier pour respecter les contraintes d’encombrement et de stérilisation des systèmes.Au cours de ce travail, la méthode d’aspiration a été revisitée en remplaçant la mesure de hauteur par une mesure de volume. L’extrémité du dispositif d’aspiration se réduit maintenant à un simple tube : le système fourni est donc facilement stérilisable, le diamètre et la géométrie de l’ouverture peuvent être choisis en fonction des objectifs des mesures à effectuer. Il semble donc difficile d’imaginer un système plus simple, d’encombrement plus réduit et de coût inférieur à celui-ci.Plusieurs problématiques ont été étudiées autour de ce nouveau système :les précisions de mesures obtenues par volume ou, plus classiquement, par caméra ont été confrontées. Au bilan, la mesure de volume présente un ratio signal/bruit similaire ou inférieur aux mesures de volume obtenues par caméra. L’impact de différents paramètres expérimentaux a été évalué et quantifié, permettant d’optimiser la qualité des mesures.les résultats d’identification inverse ont été validés sur des échantillons en silicone. Leur matériau constitutif a été caractérisé pour référence en traction uniaxiale et par bulge test. Les modules de Young obtenus par identification inverse sur le test d’aspiration (calcul itératif par Elements Finis) montrent une sur-estimation de 7% au maximum avec les résultats des tests de référence. Ce résultat est une amélioration significative par rapport aux sur-estimations de 30% rencontrées dans la littérature.les caractéristiques du système ont été mises à profit pour mesurer directement l’épaisseur et les propriétés mécaniques de couches superficielles de tissus multicouches sans autre système de mesure. La preuve de concept a été effectuée expérimentalement sur un échantillon artificiel constitué de deux silicones différents. Au bilan, l’épaisseur de la couche supérieure a été identifiée avec une erreur inférieure à 4% , les modules de Young des deux matériaux avec une erreur inférieure à 8%. Ces résultats sont jugés très encourageants pour une future application de la méthode à des tissus du vivant.une méthode d’identification inverse des propriétés mécaniques en temps réelle a été développée. Cette procédure est basée sur une réduction de modèle et fournit également des indications sur la sensibilité de l’identification aux différents paramètres expérimentaux. L’utilisation de cette méthode d’inversion a montré une erreur d’identification de 10 et 12% par rapport aux valeurs de références sur les spécimens constitués de deux couches de silicones. / In-vivo characterization of biological soft tissues is a key step toward patient-specific biomechanical simulation and planning of intra-operative assisted surgery. These tissues’ structures are usually highly heterogeneous due to the variety of their constituents (skin, mucosa, muscle fibers, fat, fascia, vascularization, etc.). In particular, their local mechanical properties may change with depth.Among various characterization techniques, aspiration method is a standard due to its simplicity: tissue is aspirated through a hole while measuring the negative pressure and the associated apex height. An inverse problem is then solved to identify the material mechanical properties. In the literature, the apex height was usually measured using a camera, which induced design difficulties, in particular regarding the required sterilization process for in-vivo measurements.This thesis aims at developing new practical aspiration techniques and inverse analyze techniques to deal with these challenges.First, the aspiration method is revisited, replacing the apex height optical measurement by the measurement of the aspirated tissue volume. In the proposed method the system head was reduced to a simple tube: sterilization becomes easy and the aspiration aperture diameter can be changed according to experimental requirements. The proposed system is thus probably among the simplest, lightest and most inexpensive devices one could achieve.Then, many studies are developed: (i) a comparison of this volume-based method with classical techniques based on optical measurements, (ii) the validation of the volume-based aspiration device and inverse identification on soft homogeneous synthetic materials, (iii) the development of a method for in-vivo identification of multi-layered soft tissues and its validation on two-layer synthetic samples, and (iv) a method for real-time inverse mechanical identification of constitutive materials using the aspiration results.The experimental signal-to-noise ratio in raw volume measurements obtained either optically or by the volume-based method were compared. The effects on the accuracy of various experimental parameters were investigated and quantified: the volume measurement was proved to present the same order or even better accuracy compared to optical measurements.To validate the inverse identifications using the volume-based aspiration method, silicone samples were then made and characterized using (1) aspiration, and, as references, two standard tests such as (2) uniaxial and (3) equibiaxial extension tests. Performing a Finite Element (FE) inverse identification on the experimental results provided Young’s moduli similar to classical tests with about 7% maximum overestimation for the silicones. This underlines a significant improvement of the measurement method accuracy compared to the literature (about 30% relative overestimation).In the proposed device, the aspiration aperture diameter can be easily changed. This feature was used to develop a new method to characterize the mechanical properties as well as the superficial layers’ thicknesses in multi-layer soft tissues. A proof of concept was experimentally validated on two-layer artificial soft silicone specimens. As a conclusion, the superficial layer thicknesses and the materials Young’s moduli were identified with a maximum error of 4 and 8%, respectively. Such results thus provide encouraging perspectives for the in-vivo characterization of two-layer anatomical structures such as skin and sub-dermal tissues.Eventually, a Design Of Experiment (DOE) method was applied to drastically decrease the computation time involved during the inverse identification step, which is a prerequisite for any use in a clinical routine. The identifications using the DOE method were compared with the reference characteristics of the investigated silicones and maximum errors of 10 and 12% were obtained for the homogeneous and two-layer samples, respectively.

Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde chez les personnes âgées de plus de 65 ans. Parmi les maladies artérielles, l'anévrisme, maladie asymptomatique, est une dilatation localisée et permanente de la paroi d'une artère aboutissant à la formation d'une poche de taille variable. Soumis aux impulsions sanguines, l'anévrisme augmente progressivement et lorsqu'il se rompt, provoque une hémorragie interne pouvant entraîner la mort. Ce projet de recherche concerne le traitement endovasculaire des Anévrismes de l'Aorte Thoracique dont le traitement consiste à déployer une endoprothèse par voie fémorale. Actuellement, les chirurgiens planifient leurs interventions uniquement à partir d'informations issues de l'imagerie médicale. Cette procédure n'est pas totalement fiable et des limites liées à des configurations anatomiques complexes et à la difficulté du geste minimalement invasif persistent. Dans ce contexte, l'objectif est de développer un outil numérique réalisant des simulations virtuelles de ce traitement endovasculaire. Afin d'appréhender le comportement mécanique complexe du tissu artériel, des expérimentations avec une technique de corrélation d'images ont été réalisées sur des prélèvements humains d'aortes thoraciques. Des simulations d'écoulement sanguin dans l'aorte thoracique ont ensuite été réalisées chez un patient sain avec le logiciel OpenFOAM dans lequel un modèle rhéologique prenant en compte les effets viscoélastique et rhéofluidifiant du sang a été développé. En parallèle et en prévision de la modélisation complète de l'acte chirurgical, des calculs numériques sur la montée des outils chirurgicaux dans l'aorte thoracique ont été réalisés en se basant sur des travaux précédents au laboratoire sur la montée des outils dans l'aorte abdominale. L'approche envisagée s'inscrit ainsi dans le cadre des gestes médicaux et chirurgicaux assistés par ordinateur afin de proposer une solution personnalisée opérationnelle pour le choix d'un système de largage et d'une endoprothèse adaptés. / Cardiovascular diseases are the leading cause of death worldwide. Their analysis leads to multidisciplinary problems that require diversity, transversal and complementary approaches. This contribution is part of a research project in Computer Aided Surgery and intends to contribute to the improvement of TEVAR procedures in terms of accuracy and optimization of the operating strategy. In this study, stereocorrelation technique is used to measure the strain field under a human aortic arch in order to identify its mechanical behaviour. Blood flow simulations in the thoracic aorta were then carried out for a healthy patient using the open source OpenFOAM software. A rheological model derived from polymer rheology, considers viscous, shear thinning and other stress overshoot behaviours. In parallel and in anticipation of the complete modeling of the surgical procedure, numerical calculations ofthe rise of the surgical tools in the thoracic aorta were carried out based on previous work in the laboratory regarding the abdominal aorta. This study aims to virtually simulate the whole endovascular stent graft procedure for an aortic aneurysm. This procedure has a high rate of short-term success and its indication compared to open surgery is increasing. Despite many benefits such as reduced blood loss and reduced recovery time, the hindsight is insufficient and there are limitations related to complex anatomical configurations. This procedure therefore needs to be more reliable and secure. In this context, it is important to identify the mechanical behavior of the aorta for further numerical simulations.

Cette thèse aborde une étude biomécanique de l’appareil stomatognathique en vue d’analyser les conséquences sur les articulations temporo-mandibulaires (ATM) de la mise en place d’une prothèse complète implanto-portée. Cette étude est réalisée à l’aide de la méthode des éléments finis. Dans ce travail, deux modèles ont été créés. Un premier est basé sur la géométrie d’un sujet sain volontaire sans problèmes articulaires ni dentaires. Un deuxième, avec une restauration de la dentition par une prothèse dentaire complète sur implants, repose sur la géométrie des structures osseuses du cas sain. Une méthodologie a été mise en place pour la construction du modèle éléments finis, basé sur celle développée dans la thèse d’Alvarez. Une comparaison des résultats est effectuée entre les modèles du cas sain d’Alvarez et celui exposé dans ce travail afin d’évaluer l’influence des modifications apportées et de valider ce dernier. Puis une comparaison est effectuée entre le cas sain et restauré pour une ouverture/fermeture modérée de la mâchoire ainsi que lors de la morsure d’aliments au niveau des incisives. Une autre problématique abordée dans cette thèse est l’analyse du risque d’échec de l’implantation dans l’os dont la qualité est dégradée par la perte des dents. Deux géométries d’implants ont été testées pour différentes qualités osseuses, un implant classique et un implant nouvellement breveté / This study deals with a biomechanical analysis of the stomatognathic system in order to understand the consequences of complete fixed dental prosthesis on temporomandibular joint (TMJ). The finite element method is used to achieve this goal. Two models have been created, a healthy and restored by prosthesis ones. The first model is based on a healthy volunteer subject morphology, without dental or articular troubles. The restored model is based on the bony structures of the healthy individual. Mandibular teeth have been removed numerically and a complete fixed overdenture has been settled on the mandible. The construction of the finite element model has been set up following the method developed by Alvarez. A comparison between results obtained by both approaches on the healthy case has been done to validate our model and to evaluate the impact of the improvements proposed in this work on mandible behavior. Then a comparison between the healthy and restored cases is done for a moderate opening /closing motion of the jaw and for a foodstuff bite between the incisors. Another problematic is treated in this thesis, the risk of peri-implant bone damage. Teeth lose induce a bone quality degradation that could cause the implantation failure. Two implant geometries have been tested for different bone qualities during clenching. In the first case, the classical implants, frequently employed by dentists, have been used. In the second case, the advantages of the newly patented implant, composed of a vertical and horizontal screws, have been tested

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. / Intervertebral disc is mainly divided into two parts : nucleus pulposus surrounding by annulus fibrosus.Nucleus is relatively well described in literature, on the other hand annulus remains difficult to model due to its bi-phasic constitution coupled with an oriented fibres structure.Hydro-chemo-mechanical characterization represent a key point to reach a better understanding of this organ.To overcome this lack of knowledge, two axes are developed in this work : experimental and numerical.Cyclic tensile tests associated to digital image correlation techniques allow to obtain a large amount of data on global tissue behaviour.It permit to identify a hydro-chemo-mechanical model which takes in account the non-linear, anisotropic and dissipative behaviours.It also highlights sensibility to chemical variations in tissue environment observed experimentally.The most important point of this work is the simultaneous parameter identification performed on each sample during solicitations similar to in vivo conditions.This protocol reduce inter-individuals and inter-localisations discrepancies and leads to an accurate bundle of parameters.The formulation aims to accurately model fluid motion inside intervertebral disc tissues which is related to cell nutrition, growth and homoeostasis.This work is involved in a larger problematic about hydro-chemo-mechanical coupling within biological tissues.It will allow to quantify mechanical stimuli influence on human tissues evolution and adaptation to environment conditions.

Ce travail exploite un modèle biomécanique de la production de la parole comme sujet de référence pour étudier plusieurs phénomènes liés à l'adaptabilité et à la stabilité du contrôle moteur de la parole, en particulier l'équivalence motrice et le contrôle postural.La première partie de cette thèse s’intéresse au phénomène de l'équivalence motrice. L'équivalence motrice est une caractéristique essentielle du contrôle moteur de la parole, car les locuteurs doivent s'adapter constamment à des contextes phonétiques toujours différents et à conditions variables de production de la parole. Le concept de « Uncontrolled Manifold » (UCM) offre un cadre théorique pour comprendre les mécanismes sous-jacents à l'équivalence motrice : il propose de représenter la coordination entre les variables de contrôle moteur en deux sous-espaces séparés, un dans lequel tout changement des variables de contrôle affectent la sortie et un autre dans lequel ces changements n'influencent aucunement la sortie.Ce concept est développé et étudié pour la production de la parole en utilisant un modèle biomécanique 2D du conduit vocal. D'abord, une représentation des UCM linéarisées basée sur des matrices de projection orthogonale est proposée. Les UCM de différentes configurations du conduit vocal des 10 voyelles orales françaises sont ensuite caractérisées en étudiant les réponses aux perturbations de leurs commandes. On étudie alors si chaque catégorie phonétique, telle que les phonèmes, les voyelles antérieures/postérieures, ou les voyelles arrondies/non-arrondies, peut être caractérisée par une UCM unique ou si les UCM varient considérablement entre les différents représentants de chacune de ces classes. On a constaté que les UCM linéarisées, celles qui sont spécifiquement calculées pour chaque configuration du conduit vocal, mais aussi celles, plus globales, des classes phonétiques, permettent une réponse efficace aux perturbations des commandes. Cela suggère que des stratégies équivalentes d'équivalence motrice peuvent être mises en œuvre dans chacune de ces classes et que les UCM en fournissent des caractérisations exploitables. Des suggestions sont faites pour de futurs travaux pour déterminer quelles classes pourraient être utilisées dans la pratique.La deuxième partie étudie dans quelle mesure le contrôle postural de la langue exploit des mécanismes passifs - tels que les propriétés mécaniques et élastiques intrinsèques de la langue- ou des réflexes à faible latence - comme le réflexe d’étirement.Une perturbation en force a été appliquée au modèle biomécanique 2D, dans laquelle la langue est tirée vers l'avant par une force exercée sur le corps de la langue à l'aide d'un robot relié à la partie supérieure de la lame de la langue. Les simulations ont été comparées à des données expérimentales recueillies au Gipsa-lab dans des conditions similaires.Cette perturbation a été simulée avec différentes valeurs du paramètre qui dans le modèle module le feedback induit par l’étirement des fibres musculaires. Les résultats ont montré un effet de rebond dans les mouvements de la langue suite à la perturbation qui est imputable au mécanisme réflexe. Étant donné qu'un rebond similaire est observé dans les données expérimentales sur des sujets humains, ce résultat suggère qu’un mécanisme réflexe joue un rôle significatif dans la stabilité posturale de la langue. Les caractéristiques temporelles de ce réflexe ont été analysées et il s’avère que la précision du modèle est insuffisante pour tirer des conclusions sur l'origine, corticale ou spinale, de ce réflexe. Des pistes pour de futures études expérimentales sont proposées. / This work makes use of a biomechanical model of speech production as a reference subject to address several phenomena related to the adaptability and stability of speech motor control, namely motor equivalence and postural stability. The first part of this thesis is related to the phenomenon of motor equivalence. Motor equivalence is a key feature of speech motor control, since speakers must constantly adapt to various phonetic contexts and speaking conditions. The Uncontrolled Manifold (UCM) idea offers a theoretical framework for considering motor equivalence in which coordination among motor control variables is separated into two subspaces, one in which changes in control variables modify the output and another one in which these changes do not influence the output.This concept is developed and investigated for speech production using a 2D biomechanical model. First, a representation of the linearized UCM based on orthogonal projection matrices is proposed. The UCMs of various vocal tract configurations of the 10 French oral vowels are then characterized using their command perturbation responses. It is then investigated whether each phonetic class such as phonemes, front/back vowels, rounded/un-rounded vowels can be characterized by a unique UCM, or whether the UCMs vary significantly across representatives of these different classes. It was found that linearized UCMs, especially those that are specifically computed for each configuration, but also across many of the phonetic classes allow for a command perturbation response that is effective. This suggests that similar motor equivalence strategies can be implemented within each of these classes and that UCMs provide a valid characterization of an equivalence strategy. Further work is suggested to elaborate which classes might be used in practice.The second part addresses the question of the degree to which postural control of the tongue is accomplished through passive mechanisms - such as the mechanical and elastic properties of the tongue itself - or through short-latency reflexes - such as the stretch reflex.A specific external force perturbation, was applied to the 2D biomechanical model , namely one in which the tongue is pulled anteriorly using specific force profile exerted on the tongue body using a force effector attached to the superior part of the tongue blade. Simulation results were compared to experimental data collected at Gipsa-lab under similar conditions.This perturbation was simulated with various values of the model's parameter modulating the reflex strength (feedback gain). The results showed that a perturbation rebound seen in simulated data is due to a reflex mechanism. Since a compatible rebound is seen in data from human subjects, this can be taken as evidence of a reflex mechanism being involved in postural stability of the tongue. The time course of the mechanisms of this reflex, including the generation of force and the movement of the tongue, were analyzed and it was determined that the precision of the model was insufficient to make any conclusions on the origin of this reflex (whether cortical or brainstem). Still, numerous experimental directions are proposed.

L’ostéoporose est définie par une diminution de la masse osseuse et une altération de la structure osseuse. L’évaluation de l’architecture de l’os trabéculaire vertébral est un des enjeux majeurs de recherche actuels visant à la caractérisation des modifications du tissu osseux liées au vieillissement. Par ailleurs, le traitement de la fracture vertébrale ostéoporotique par vertébroplastie a démontré son efficacité. Le ciment actuel utilisé pour la vertébroplastie est le polyméthylméthacrylate. Ce ciment est efficace pour stabiliser la vertèbre et diminuer la douleur mais il existe une toxicité pour les tissus mous avoisinant, notamment la moelle en cas de fuite, et des inquiétudes quant au risque de fracture des vertèbres adjacentes. De nouveaux ciments biointégrables du type ciments phosphocalciques supplémentés en bisphosphonates pourraient avoir leur place à l’avenir dans le traitement des vertèbres.Notre travail de thèse s’est inscrit dans un projet pluridisciplinaire de recherche sur les altérations de la structure de l’os trabéculaire vertébral, reposant sur une analyse en imagerie médicale et une étude biomécanique, et sur le développement d’un nouveau ciment phosphocalcique supplémenté en bisphosphonates.L’ensemble de nos résultats pourra nous permettre :-D’améliorer la prédiction du risque de fracture vertébrale ostéoporotique-D’optimiser les nouveaux ciments biointégrables / The current definition of osteoporosis is a low bone mass associated with a microarchitecture deterioration. Vertebral trabecular bone microarchitecture assessment is an important research topic aiming at the characterization of the modifications of the bone tissue bound to ageing. On the other hand, the vertebral fracture treatment by vertebroplasty is known to be effective. Currently the cement used in vertebroplasty is the polymethylmetacrylate (PMMA). This cement stabilizes the vertebral fracture and decreases the pain, but there are a toxicity for nearby soft tissues, in particular spinal marrow in case of leakage, and concerns as for the risk of fracture of the neighboring vertebrae. In the future, new biointegrable calcium phosphate cement supplemented in bisphosphonate could be used in the vertrebrae treatment.Our work was based on a multidisciplinary project which aimed firstly at evaluating trabecular vertebral bone microarchitecture using medical imaging and biomechanical testing in this crucial anatomical region, secondly at developing a new calcium phosphate cement supplemented in bisphosphonate. Our results may lead to:- improve the fracture risk prediction in osteoporotic vertebra- improve the new biointegrable cements

À quel point les mouvements humains sont-ils optimaux ? Cette thèse aborde cette question en se concentrant particulièrement sur les mouvements en escalade, étudiés ici sous trois aspects complémentaires que sont la collecte expérimentale de séquences de grimpe, l'analyse biomécanique de ces données, et la synthèse de gestes par optimisation temporelle. La marche fut l'objet de nombreux travaux, avec de bons résultats notamment en animation [Mordatch 2013]. Nous nous intéressons ici spécialement au problème original des mouvements d'escalade, dont la diversité et leur caractère multicontact présentent une complexité intéressante pour l'évaluation des caractéristiques du mouvement humain. L'hétérogénéité du répertoire gestuel rencontrée en escalade s'explique par plusieurs facteurs que sont l'évolution sur des parois de formes variées, la multiplicité des niveaux d'expertise des pratiquants, et des disciplines différentes au sein même de l'activité, à savoir le bloc, la difficulté, ou encore l'escalade de vitesse. Notre démarche d'exploration de ce sport se décompose en trois étapes : la collecte de données par une capture de mouvements multicaméra avec marqueurs, couplée à un ensemble de capteurs de force montés sur un mur de bloc en laboratoire ; une analyse du geste par dynamique inverse, prenant exclusivement des données cinématiques pour entrées, basée sur une minimisation des couples internes pour résoudre l'ambiguïté du multicontact, intrinsèque à l'activité d'escalade, validée par comparaison avec les mesures capteurs ; et enfin, l'utilisation d'un critère d'efficacité énergétique pour synthétiser la meilleure temporisation associée à une séquence de déplacements donnés. Les enregistrements expérimentaux se sont fait à l'université McGill qui dispose d'un mur instrumenté de 6 capteurs de forces, et d'un dispositif de capture de mouvements 24 caméras, nous ayant permis de collecter des données sur une population de 9 sujets. L'analyse de ces données constitue la deuxième partie de cette thèse. Le défi abordé est de retrouver les forces externes et les efforts internes à partir uniquement des déplacements du grimpeur. Nous supposons pour cela une répartition optimale des efforts internes. Après analyse, cette répartition s'avère être plutôt uniforme que proportionnelle aux capacités musculaires des différentes articulations du corps. Finalement, dans une troisième et dernière partie, nous nous intéressons à la temporisation des gestes en escalade, en prenant en entrée la trajectoire du grimpeur, éventuellement issue de cinématique inverse pour s'affranchir de la nécessité d'une capture par marqueurs et caméras infra-rouges. En sortie, une temporisation idéale pour cette trajectoire est trouvée. Cette temporisation s'avère réaliste, mais manque d'une modélisation des instants d'hésitation et de prise de décision, ainsi que d'un modèle d'établissements de contact, phénomène présentant un délai temporel non pris en compte pour l'instant. / How optimal are human movements ? This thesis tackles this issue by focusing especially on climbing movements, studied here under three complementary aspects which are the experimental gathering of climbing sequences, the biomechanical analysis of these data, and the synthesis of gestures by timing optimization. Walking has been largely studied, with good results in animation [Mordatch 2013]. We are interested here especially in the original question of climbing motions, whose diversity and multicontact aspect present an interesting complexity for the evaluation of the human motion characteristics. The heterogeneity of climbing gestures can be linked to several factors which are the variety of wall shapes, the multiplicity of climber skill levels, and different climbing categories, namely bouldering, route climbing or speed climbing. Our exploratory approach of this sport consists in three steps: the data collection by multicamera marker-based motion capture, combined with a set of force sensors mounted on an in-laboratory bouldering wall; a gesture analysis by inverse dynamics, taking only kinematic data as inputs, based on the minimization of internal torques to resolve the multicontact ambiguity, intrinsic to the climbing activity, validated by comparison with sensor measurements; and finally, the use of the energy efficiency criterion for synthesizing the best timing associated with a given sequence of movements. Experimental recordings were made at McGill University which has a climbing wall instrumented of 6 force sensors, and a motion capture device of 24 cameras, which allowed us to collect data on a population of nine subjects. The analysis of these data is the second part of this thesis. The addressed challenge is to find the external forces and internal torques from the climber's movements only. To this end we assume an optimal distribution of internal torques. After analysis, the distribution turns out to be rather uniform than proportional to the muscle capacity associated to each body joint. Finally, in a third and last part, we focus on the timing of climbing gestures, taking as input the path of the climber, possibly after inverse kinematics in order to overcome the need for a capture with markers and infrared cameras. As output, an optimal timing for this path is found. This timing is realistic, but lacks of a modelization for hesitation and decision making instants, as well as a model for the contact establishment, with the associated temporal delay currently not taken into account.

La biomécanique des chocs vise à étudier les lésions, établir des limites de tolérance et de proposer des mesures de protections adéquates. La méthode des éléments-finis permet l’étude approfondie des mécanismes de lésions, évitant des problèmes liés à l’expérimentation et d’éthique. La biomécanique de la tête humaine chez l’adulte a pris ce virage très tôt, et des modèles de la tête de l’adulte existent, dont celui développé à l’Université de Strasbourg : le SUFEHM (Strasbourg University Finite Element Head Model). Le présent projet a pour but d’ouvrir cette thématique à la modélisation des traumatismes crâniens du nourrisson. Deux axes de travail ont été conduits successivement pour étudier des situations d’accidents et de maltraitances. Le premier axe consiste à développer un modèle de l’œil du nourrisson pour l’étude des hémorragies rétiniennes. Le deuxième consiste à améliorer le modèle de tête en intégrant d’une part les données de l’imagerie médicale comme l’orientation et la densité des fibres axonales, et d’autre part en validant la formulation du crâne pour prédire les fractures crâniennes. / Impact biomechanics aim at studying injuries, establishing tolerance limit and propose efficient protective systems. The finite-element method permits to study precisely injury mechanisms by avoiding questions linked to experimentation and ethics. For the human adult head biomechanics, this methodology was taken earlier and several stable and validated models exist worldwide, among which one can find the Strasbourg University Finite Element Head Model (SUFEHM). This thesis aims at widening the human head biomechanics by studying infant head trauma. The research work has been conducted in two steps. In the first one, an infant eye numerical model was developed in order to study retinal hemorrhages. The second one consisted in improving the infant head model by integrating medical images data such as axonal fiber density and orientations into the infant brain and by validating the mechanical formulation of the infant skull in order to predict skull fractures.

L'ostéoporose est une maladie du squelette caractérisée par une perte de la qualité osseuse qui entraîne un risque de fracture accru, notamment au niveau vertébral. Des modèles en éléments finis basés sur la tomodensitométrie permettent d'estimer la résistance vertébrale, et donc le risque de fracture, mais leur utilisation en routine clinique est limitée par le coût et l'irradiation engendrée par la tomodensitométrie. L'estimation la résistance vertébrale à partir d'un modèle en éléments finis basés sur l'imagerie basse dose, telle que l'absorptiométrie biphotonique à rayons X, ou la stéréo-radiographie EOS en double énergie, permettrait une utilisation en routine clinique. Cette thèse contribue au développement de la modélisation à partir de l'imagerie basse dose pour la prédiction du risque de fracture. Un modèle en éléments finis de résistance vertébrale y est évalué par rapport à un modèle basé sur la tomodensitométrie, et une étude de sensibilité identifie les facteurs importants du modèle sont analysés. Des méthodes de maillage hexaédrique morpho-réalistes à partir de la reconstruction 3D, et d'estimation de la distribution de densité à partir d'image 2D de densité y sont développées. De plus, profitant des possibilités du système EOS qui permet de radiographier le patient de la tête aux pieds, une méthode préliminaire est proposée pour estimer l'effort exercé sur les vertèbres in vivo. Nous espérons que nos méthodes pourront être utilisées très prochainement in vivo, et contribuer à l'estimation du risque de fracture ostéoporotique, et à la prise en charge des patients à risque de fracture. / Osteoporosis is a bone disease which decreases bone quantity and quality, and increases fracture risk, notably at the vertebral level. CT-scan-based finite element models allow predicting vertebral strength, and thus fracture risk, but their use in routine clinical practice is limited by the cost and accessibility of CT-scan. However, vertebral strength prediction from a finite element model based on low dose images, such as dual X-ray absorptiometry or EOS stereo-radiography in dual energy, would allow a wider use. This PhD thesis contributes to develop fracture risk estimation by such a model. The low dose approach is evaluated in comparison to CT-based finite element model, and a sensitivity study is performed to identify the most important parameters of the model. Hexahedral morpho-realistic meshing techniques from 3D reconstruction and estimation methods for the 3D bone mineral density distribution from low dose images are developed and evaluated. Moreover, taking advantage of EOS system's possibility to take full body radiographs in standing position, a preliminary method is proposed to estimate the load applied to vertebra in vivo. We hope those methods will be used soon in vivo, and will contribute to estimating osteoporotic fracture risk estimation in clinical situations.