Afin d'améliorer l'efficacité des traitements des pathologies articulaires, en tenant compte de leur complexité et de leur ampleur, des études récentes ont mis en évidence le rôle des assemblages lipidiques associés à la structure discontinue du fluide synovial dans le contrôle du fonctionnement tribologique articulaire. Ceci à conduit à la mise au point d'un modèle tribologique ex vivo (thèse AM Sfarghiu, 2006), proposant un " motif élémentaire " de la biolubrification articulaire, constitué de l'empilement d'interfaces phospholipidiques et de couches aqueuses. En utilisant ce modèle, l'objectif de ce travail a été d'étudier l'évolution des interfaces phospholipidiques du fluide synovial en présence de pathologies. Pour ce faire, une méthodologie nano-bio-tribologique alliant des analyses biochimiques, physicochimiques, nano-mécaniques et tribologiques a été utilisée. Les résultats de ces analyses montrent : l'influence de la faible rugosité des surfaces frottantes caractérisant les stades précoces des pathologies et celle des propriétés des interfaces phospholipidiques (liées à la variation de leur composition) sur la résistance mécanique, l'évolution au cours du frottement et la dégradation in situ des assemblages lipidiques des fluides synoviaux pathologiques. Le comportement des assemblages lipidiques est accentué par l'action des enzymes associées aux pathologies. Par conséquent, le fonctionnement articulaire dépend de la résistance mécanique des interfaces phospholipidiques et pour obtenir des coefficients de frottement très bas, l'accommodation de vitesse doit s'effectuer au niveau des couches d'hydratation qui entourent les ions présents dans la couche aqueuse. Ces résultats permettront de comprendre à court terme l'évolution des interfaces phospholipidiques dans les pathologies articulaires et, à plus long terme le bon enchaînement cause/conséquence responsable d'une pathologie articulaire afin de développer des traitements plus efficaces, ciblés et non prothétiques.

The study of fluid flow is an amasingly ordinary as well as fascinating subject. During the past few years I had the opportunity to work as a researcher in the field of fluid flow modelling applied to airflow through the human upper airways and related phenomena such as speech production, . . . The current document is a brief report on the research to which I participated aiming a small contribution to this rich and stimulating research area.

Problématique. L'utilisation d'un chien d'assistance à la mobilité (CAM) représente une option novatrice pour préserver l’intégrité des membres supérieurs (MSs) chez les utilisateurs de fauteuil roulant manuel (FRM). Aucune étude biomécanique n’a quantifié les effets du CAM sur les efforts aux MSs lors de la montée d’un plan incliné. Objectif. Cette étude quasi-expérimentale vise à comparer les efforts aux MSs lors de la montée d’un plan incliné avec et sans l’assistance d’un CAM. Méthodologie. Dix participants avec une lésion de la moelle épinière (LME) qui utilisent un FRM et possèdent un CAM ont monté un plan incliné à trois reprises avec et sans l’assistance du CAM. Les forces appliquées sur les cerceaux, mesurées avec des roues instrumentées, et les mouvements du FRM et des MSs, enregistrés avec un système d'analyse du mouvement, ont permis de mesurer les efforts mécaniques aux MSs. Simultanément, l'activité électromyographique (EMG) des muscles grand pectoral, deltoïde antérieur, biceps et triceps a été enregistrée et normalisée avec sa valeur maximale pour mesurer les efforts musculaires aux MSs. Résultats. En général, le CAM réduit significativement les valeurs moyennes et maximales de la force totale appliquée aux cerceaux et de sa composante tangentielle, des moments nets de flexion, de rotation interne et d’adduction aux épaules et des taux d’utilisation musculaire du deltoïde antérieur, du biceps et du triceps. Conclusion. L’assistance d’un CAM réduit les efforts aux MSs lors de la montée d’un plan incliné chez les utilisateurs d’un FRM ayant une LME. / Problematic. The use of a mobility assistance dog (ADMob) represents an innovative option to preserve upper limb (U/Ls) integrity in manual wheelchair (MWC) user population. No biomechanical studies have quantified the effects of ADMob on U/Ls efforts when climbing an incline. Objective. This quasi-experimental study compares the U/Ls efforts when climbing an incline with and without the assistance of an ADMob for MWC traction. Methodology. Ten participants with spinal cord injury (SCI) using a MWC and owning an ADMob climbed an incline 3 times with and without the use of an ADMob. The forces applied to the handrims, captured with instrumented wheel and movements of the MWC and the U/Ls, recorded with a three-dimensional motion analysis system, were used to measure the U/Ls mechanical efforts. Simultaneously, the electromyographic (EMG) activity of the pectoralis major muscle, anterior deltoid, biceps and triceps were recorded during the tasks and normalized with its maximum value to measure the U/Ls muscular efforts. Results. Typically, ADMob significantly reduces the mean and peak values of the total force applied to the rings and the tangential component, the mean and peak values of flexion, internal rotation and adduction net joint moments at the shoulder and the mean and peak values of muscular utilization ratio of anterior deltoid, pectoralis major, biceps and triceps. Conclusion. The assistance of an ADMob for MWC traction when climbing an incline reduces the effort to U/Ls among MWC users with a SCI.

Les effets délétères sur la santé de certaines expositions professionnelles, prises indépendamment, ont été observés dans un large nombre d’études. Pourtant, la prévalence et l'impact de multi-exposition ou co-exposition à des diverses nuisances ont plus rarement été explorée, malgré le caractère ubiquitaire de nombreuses nuisances. Par conséquent, l’étude de multi-exposition/co-exposition dans le cadre professionnel est considérée comme un enjeu majeur de la recherche épidémiologique en santé au travail. Une revue systématique de la littérature concernant le secteur de l’agriculture a été réalisé en s'appuyant sur le titre, le résumé, et le texte intégral des 36.404 articles originaux grâce à 5 bases de données reconnues et 2 sources de données nord-américaines complémentaires. Les résultats des 15 articles inclus suggèrent que l’exposition aux multiples chimiques est significativement associée au risque de maladies respiratoires, de cancers, de dommages sur l’ADN et les cytogénétiques. L’exposition aux multiples physiques a été associée à une augmentation du risque de perte d'audition, tandis que la co-exposition aux facteurs physiques et biomécaniques a été associée à un risque accru de troubles musculo-squelettiques. Aucune étude n'a exploré la co-exposition professionnelle à des facteurs chimiques et physiques, ainsi qu'à la co-exposition professionnelle à des facteurs chimiques et biomécaniques. Les résultats de cette revue de la littérature indiquent la nécessité l’évaluer la prévalence de l’exposition professionnel à des multiples nuisances en France. Les multiple/co-expositions aux agents neurotoxiques chimiques(ANCs) et aux contraintes physiques intenses (CPIs) ont ainsi été analysées chez 5587 hommes ouvriers français des secteurs de l'agriculture, de l’industrie manufacturière, et de la construction à partir de l’enquête nationale transversale SUMER 2010. Environ 6% des ouvriers étaient co-exposés aux ANCs et CPIs dans les trois secteurs étudiés (p = 0,29). La multi-exposition aux CPIs était plus nettement plus fréquente (35%, p <0,001) que la multi-exposition aux ANCs (2%, p <0,001) chez les hommes de trois secteurs. Ces recherches mettent en évidence la nécessité de conduire davantage d’études liées à multi-exposition/coexposition professionnelle. Elles seront essentielles pour améliorer la sécurité au travail et permettre la surveillance et la prévention risques et des maladies professionnelles. / A wide range of studies has demonstrated the relationships between diverse types of occupational exposures,taken independently, and adverse health outcomes. Yet, the prevalence and impact of multiple occupational exposures or co-exposures have rarely been explored despite the ubiquity of numerous hazards. Therefore, multiple occupational exposures/co-exposures and their impact on health are considered as a major challenge of epidemiologic research inthe occupational health and safety area. A systematic review concerning the agriculture sector was carried out based on the titles, abstracts and fulltexts screening of 36,404 initial articles from 5 well-known databases and 2 North American complementary sources. The findings from the 15 papers finally included suggested that multiple chemical exposures were significantly associated with an increased risk of respiratory diseases, cancers, DNA and cytogenetic damages. Multiple physical exposures were shown to increase the risk of hearing loss while co-exposures to physical and biomechanical hazardswere associated with an increased risk of musculoskeletal disorders. However, no studies included in the systematic review explored either occupational co-exposures to both physical and chemical factors or occupational co-exposures to biomechanical and chemical factors.The results described in the systematic review raised the necessity to conduct further studies multipleoccupational exposures and co-exposures among workers. Therefore, multiple occupational exposures and coexposures’ prevalences to chemical neurotoxic agents (CNAs) and intense physical constraints (IPCs) were examined among 5,587 French male blue-collar workers (BCWs) in the agriculture, manufacturing, and construction sectors based on the cross-sectional and national SUMER 2010 survey. About 6% of male BCWs were co-exposed to IPCs andCNAs in these three sectors (p=0.29). Multiple exposures to IPCs was predominantly observed (35%, p <0.001), while multiple exposures to CNAs was much lower (2%, p <0.001) among male BCWs in three sectors.The findings highlight the necessity to carry out further studies on multiple occupational exposures/coexposures to diverse hazards and their impact on workers’ health. These further researches are required to improve occupational safety and the efficiency of health care surveillance and occupational disease prevention.

Les travaux présentés dans ce mémoire ont pour but, à long terme, l'élaboration d'un outil interactif pour la chirurgie linguale, basé sur un modèle biomécanique tridimensionnel de la langue, et permettant à la fois d'évaluer les conséquences d'une chirurgie sur la mobilité linguale et de favoriser le planning et le guidage per-opératoire du geste chirurgical. Les études conduites à ce jour visent à étudier la faisabilité d'un tel outil.<br />La première partie de ce mémoire est consacrée à une description approfondie du modèle utilisé. Après une présentation de l'anatomie du conduit vocal et du contexte clinique, la géométrie du modèle est décrite avec précision (structure interne du modèle de langue et représentation des structures osseuses et molles du conduit vocal) ainsi que les hypothèses effectuées tant sur le plan de la modélisation biomécanique à l'aide d'un modèle hyperélastique que du contrôle moteur basé sur le modèle lambda du point d'équilibre. L'extraction de la filière aérique est alors introduite de même que le modèle de synthèse utilisé.<br />La seconde partie est centrée sur les résultats obtenus en parole naturelle et en parole pathologique. Les simulations réalisées ont permis de montrer que ce modèle était capable de générer les voyelles orales du français, avec des caractéristiques acoustiques proches des valeurs généralement observées et des formes de langue satisfaisantes. Des simulations similaires sont également présentées pour deux cas de chirurgie linguale : une hémiglossectomie et une résection élargie du plancher buccal.

Des milieux polyphasiques aux milieux complexes

Cette thèse traite du développement d'outils informatiques pour faciliter et améliorer la planification d'une intervention en chirurgie orthognatique. Cette composante de la chirurgie maxillofaciale a pour problématique la correction de dysharmonies dento-maxillofaciales par le repositionnement des mâchoires supérieure et inférieure. Une première partie est consacrée à la définition d'un protocole complet de chirurgie orthognatique assistée par ordinateur. En particulier, un nouvel outil de céphalométrie tridimensionnelle est présenté pour l'étude des anomalies du squelette facial. La contribution principale de ce travail porte ensuite sur l'évaluation des modifications de la morphologie du patient induites par des repositionnements osseux. Pour cela, un modèle biomécanique des tissus mous de la face a été développé, basé sur la méthode des éléments finis. Le premier problème abordé est la construction d'un modèle spécifique à chaque patient. Les contraintes rencontrées en pratique clinique, notamment de temps, rendent inadaptée l'utilisation des méthodes traditionnelles de génération de maillages. Une nouvelle approche a donc été proposée. Elle consiste à adapter un maillage générique de la face à la morphologie de chaque patient, l'aide d'un algorithme de mise en correspondance élastique et de données d'imagerie scanner pré-opératoires. Cette méthode a été évaluée sur sept patients, en étudiant de manière qualitative et quantitative l'adéquation du modèle généré à la morphologie réelle du patient. Le modèle d'un patient est ensuite utilisé pour simuler les déformations des tissus mous consécutives à des repositionnements osseux. Des hypothèses simples, loi de comportement linéaire et petites déformations, sont retenues dans un premier temps pour caractériser les tissus mous. Un protocole d'évaluation, basé sur des données d'imagerie post-opératoire, permet de reproduire avec précision les gestes effectivement réalisés pendant une intervention, puis de comparer quantitativement les simulations biomécaniques avec la morphologie post-opératoire réelle du patient. Ce protocole d'évaluation a été appliqué à deux cas cliniques, et les premières conclusions sur la qualité des simulations sont présentées.

L'Elastographie par Résonance Magnétique (ERM) est une technique d'imagerie permettant de caractériser in vivo les propriétés biomécaniques des tissus de façon non invasive. Dans ce contexte, la première partie de cette thèse s'intéresse à comparer les propriétés viscoélastiques obtenues par ERM avec une technique de rhéologie haute-fréquence, pouvant atteindre des fréquences de sollicitation mécanique communes à l'ERM, contrairement à ce qui est classiquement fait dans la littérature. Pour effectuer les mesures ERM, le dispositif d'excitation mécanique et la séquence IRM ont été développés et un algorithme de reconstruction des propriétés viscoélastiques, fondé sur l'inversion de l'équation de Helmholtz, a été implémenté et évalué en simulation. La comparaison ERM/rhéologie a ensuite été effectuée, d'abord sur des fantômes de plastisol présentant différentes propriétés viscoélastiques, puis sur des échantillons de foies bovins. Dans les deux cas, les résultats ont montré un bon accord entre les valeurs obtenues en ERM et celles issues de la rhéologie. Le second volet de ces travaux s'attache à présenter une nouvelle stratégie d'acquisition en ERM. Les séquences d'ERM conventionnelle utilisent des gradients oscillants afin d'encoder la propagation de l'onde. Ces gradients peuvent cependant restreindre les applications, en raison des limitations de leur fréquence de commutation et de leur amplitude maximale. Nous proposons ici d'encoder directement la propagation de l'onde à l'aide d'impulsions RF générées par la théorie du Contrôle Optimal (CO), combinées à un gradient constant. Une première expérience simple de contrôle de la phase par impulsions RF est présentée, consistant à créer des motifs de distribution spatiale de cette phase, en l'absence de propagation d'onde. Puis, des impulsions RF adaptées à l'ERM ont été générées : les images de phase obtenues ont été comparées avec celles acquises par ERM conventionnelle. Les propriétés viscoélastiques reconstruites dans les deux cas sont similaires, validant ainsi cette nouvelle méthode d'acquisition. / Magnetic Resonance Elastography is a non-invasive imaging method enabling in vivo characterization of viscoelastic properties of biological tissues. The first part of this thesis deals with the comparison of viscoelastic properties obtained with MRE and with a high-frequency rheometer having a large excitation frequency range. This large frequency range enables common frequency range to MRE, unlike the comparisons usually performed in the literature. To perform MRE measurements, the excitation device and the MRE sequence were developed and an algorithm reconstructing the viscoelastic properties based on an inversion of Helmholtz equation was implemented and evaluated through simulation. The comparison between MRE/rheology was then performed, first on plastisol phantoms with different viscoelastic properties, and then on bovine liver samples. In both cases, results show a very good agreement between values obtained with MRE and those coming from rheology. The second part of this work presents a new acquisition method for MRE. Conventional MRE sequences use oscillating gradients to encode the wave propagation into the phase image. However, these gradients can restrict MRE applications, as their switching frequencies as well as maximal amplitude are limited. The new acquisition strategy we propose in this thesis encodes the wave propagation directly with RF pulses generated with Optimal Control Theory (OCT), in combination with a constant gradient. An initial experiment of phase control with RF pulses is presented, consisting in creating non-trivial spatial phase patterns in MRI phase images, in the absence of wave propagation. Then, RF pulses adapted to the MRE problem are generated with OCT and phase images obtained with these pulses are compared with conventional MRE acquisitions. Viscoelastic properties reconstructed from these two techniques are similar, validating thus this new acquisition method.

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Afin d’améliorer l’efficacité des traitements des pathologies articulaires, en tenant compte de leur complexité et de leur ampleur, des études récentes ont mis en évidence le rôle des assemblages lipidiques associés à la structure discontinue du fluide synovial dans le contrôle du fonctionnement tribologique articulaire. Ceci à conduit à la mise au point d’un modèle tribologique ex vivo (thèse AM Sfarghiu, 2006), proposant un « motif élémentaire » de la biolubrification articulaire, constitué de l’empilement d’interfaces phospholipidiques et de couches aqueuses. En utilisant ce modèle, l’objectif de ce travail a été d’étudier l’évolution des interfaces phospholipidiques du fluide synovial en présence de pathologies. Pour ce faire, une méthodologie nano-bio-tribologique alliant des analyses biochimiques, physicochimiques, nano-mécaniques et tribologiques a été utilisée. Les résultats de ces analyses montrent : l’influence de la faible rugosité des surfaces frottantes caractérisant les stades précoces des pathologies et celle des propriétés des interfaces phospholipidiques (liées à la variation de leur composition) sur la résistance mécanique, l’évolution au cours du frottement et la dégradation in situ des assemblages lipidiques des fluides synoviaux pathologiques. Le comportement des assemblages lipidiques est accentué par l’action des enzymes associées aux pathologies. Par conséquent, le fonctionnement articulaire dépend de la résistance mécanique des interfaces phospholipidiques et pour obtenir des coefficients de frottement très bas, l’accommodation de vitesse doit s’effectuer au niveau des couches d’hydratation qui entourent les ions présents dans la couche aqueuse. Ces résultats permettront de comprendre à court terme l’évolution des interfaces phospholipidiques dans les pathologies articulaires et, à plus long terme le bon enchaînement cause/conséquence responsable d’une pathologie articulaire afin de développer des traitements plus efficaces, ciblés et non prothétiques. / In order to improve the effectiveness of joint diseases’ treatments, given their complexity and magnitude, recent studies have highlighted the role of lipid assemblies associated with the discontinuous structure of the synovial fluid (SF) in the tribological performance of joint operation. Thus, an ex vivo tribological model (AM Sfarghiu, PhD thesis, 2006) providing a "basic pattern" for joint biolubrification was developed. It consists of the stack of phospholipidic interfaces and aqueous layers. Using this model, the objective of this work was to study the evolution of phospholipidic interfaces of SF within pathological state. Therefore, a nano-bio-tribological methodology combining biochemical, physicochemical, nano-mechanical and tribological analysis was used. The results of these analyses show: the influence of even small rubbing surfaces’ roughness characteristics of early stage illness and that of phospholipidic interfaces’ properties (related to their composition change) on the mechanical strength, changes in friction and in situ degradation of lipidic assemblies of pathological SF. The tribological operation is highlighted by enzymes’ associated with diseases. Thus, joint operation depends on the mechanical strength of phospholipidic interfaces and to obtain very low friction coefficients, velocity accommodation must be done at the level of hydration layers surrounding ions in the aqueous solution. These results would therefore allow better understanding of the evolution of phospholipidic interfaces in joint diseases and of the proper cause/consequence sequence responsible for a joint disease in order to develop more effective, targeted and non prosthetic treatments.