Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Les appareils orthodontiques appliquent une force prolongée sur les dents, conduisant au mouvement dentaire provoqué, à l'aide d'arcs insérés à l'intérieur d'attaches. Le déplacement dentaire résulte de la biomécanique mais également des réponses biologiques des tissus de soutien. Notre problématique porte sur les efforts mécaniques présents à l'intérieur des attaches orthodontiques, lors de l'insertion d'un fil à mémoire de forme. Nous souhaitons quantifier les forces et moments à l'échelle d'une arcade dentaire en trois dimensions. Notre travail présente un protocole alliant expérimentation et modélisation numérique. Cette méthodologie innovante permet de mettre en évidence les forces et moments appliqués lors de la première phase d'un traitement orthodontique à l'insertion d'un arc nickel-titane de diamètre 0,356 mm (0 .014 inch) dans des gorges de diamètre 0,457x0,635 mm (0.018x0.025) sur une arcade maxillaire, obtenue après segmentation d'une imagerie tridimensionnelle d'un patient. Cette première étape ouvre les portes vers une individualisation des traitements orthodontiques par l'application des efforts mécaniques nécessaires sans être délétères. / Prolonged forces are applied on the teeth by orthodontie deviees, using arch wires inserted into brackets, leading to the orthodontie teeth movements. This displacement is the result of biomechanics but also the biological responses of the surrounding periodontal tissues. Our aim is to quantify the forces and moments applied on the orthodontie brackets, during the insertion of a shape memory alloy, at the scale of a three-dimensional dental arch. Our work presents a protocol combining experimentation and numerical modelling. This innovative methodology enables measuring the forces and moments applied during the first stage of an orthodontie treatment, when a 0.014-inch nickel-titanium arch wire is inserted into a maxillary arch. This first step will help in the definition of individualized treatments, applying the necessarymechanical forces without being iatrogenic.

Le triple saut est une discipline de l’athlétisme qui exige un mouvement combinant puissance, vitesse ainsi que résistance articulaire et musculaire. Au terme d’une course d’élan durant laquelle l’athlète développe une vitesse utilisable de manière efficiente pour la continuité du saut, le triple sauteur prend un « appel » sur la planche d’appel destinée à cette action. Cette prise d’appel est réalisée à partir du pied propulseur de l’athlète dont l’efficience est dépendante du bon équilibre de l’appui.Les objectifs de ce travail de thèse ont été de préciser, à partir des instruments de mesure d’un cabinet de podologie, l’influence de la pratique du triple saut sur la fonction d’équilibration et sur la qualité de l’appui. A cet effet, trois études ont été menées successivement. Le premier objectif a déterminé l'influence de la répétition de sauts sur la fonction d'équilibration. Le deuxième objectif a illustré, à travers une étude statique et dynamique, la comparaison des appuis plantaires avant et après un concours de triple saut. Enfin, le troisième objectif a évalué l’effet d’une chaussure d’entraînement sur la répartition de l’appui lors d’une prise d’appel.Les résultats de ces différentes recherches ont permis tout d’abord, de mettre en évidence les effets positifs de la répétition d’une tâche sur la fonction d’équilibration. Ensuite, la modification structurelle du pied engendrée par la succession des prises d’appel ne semble pas être un facteur dégradant la performance du saut. Enfin, la chaussure d’entraînement apparaît comme un élément important à la fois dans la prévention des blessures mais également dans la contribution à la performance. / The triple jump is an athletics discipline that requires a movement combining power, speed as well as joint and muscular resistance. At the end of an elk race during which the athlete develops an optimum speed, the triple jumper carry out a "take-off". This take-off is made from the booster foot of the athlete whose efficiency is dependent on the correct balance of the support foot.The aims of this thesis work have been to specify the influence of the practice of the triple jump on the balancing function and on the quality of the support. To this end, three studies have been carried out successively. The first objective determined the influence of the repetition of jumps on the equilibrium function. The second objective illustrated, through a static and dynamic study, the comparison of the plantar supports before and after a triple jump event. Finally, the third objective assessed the effect of a training shoe on the distribution of support during the take-off.The results of these various researches first made it possible to highlight the positive effects of repetition of a task on the equilibrium function. Secondly, the structural alteration of the foot generated by the succession of take-off does not appear to be a factor degrading the performance of the jump. Finally, the training shoe appears as an important element both in the prevention of injuries as well as in the contribution to the performance.

La Radio/Hadron-thérapie consiste à déposer une dose létale de rayonnement dans la tumeur tout en réduisant l'impact de cette dose sur les tissus sains. Les mouvements internes, en particulier ceux engendrés par la respiration modifient la forme, la position et la densité des organes, source d'erreur et d'incertitude sur la position du dépôt de dose. Lorsque la tumeur se trouve sur un organe en mouvement, la dificulté majeure est de cibler la tumeur pendant le traitement. Cette incertitude sur la position rend indispensable la mise en place d'une stratégie permettant la prédiction du mouvement tumoral. Ceci permet en eet de guider le faisceau de rayons ionisants de sorte qu'il suive les mouvements tumoraux. De plus, le traitement par hadronthérapie nécessite également l'accès à une description précise de la densité de l'ensemble des organes traversés par le faisceau, car la position du dépôt maximal de l'énergie véhiculée par les ions (le pic de Bragg) en dépend. Malheureusement, le mouvement respiratoire est complexe et sa prédiction n'est pas une tâche simple – en particulier, la respiration est commandée par l'action indépendante des muscles de la cage thoracique et du diaphragme. Les techniques actuelles basées sur l'imagerie, telles que le Cone-Beam ou le recalage dé- formable d'images, tentent de prédire la position des tumeurs pulmonaires. Ces méthodes font l'hypothèse d'un mouvement reproductible de l'appareil respiratoire dans le temps. D'autres techniques basées sur l'emploi de deux caméras à rayons X (cyberknife, tracking mis au point par l'équipe du Centre carbone d'Heildelberg [HIT]) peuvent permettre la pré- diction de la position des tumeurs, quand leur segmentation et leur contourage automatique en temps réel est possible. Cependant, ces méthodes sont, si ce n'est risquées, invasives, et elles ne permettent pas de calculer l'évolution des organes environnants, une information indispensable pour déterminer la position du pic de Bragg. Ainsi déduire le mouvement de la tumeur à partir de seules séries d'images médicales apparaît comme insuffisant. Une solution peut alors résider dans le développement d'un modèle biomécanique patient-spécifique du système respiratoire intégrant la variabilité du mouvement respiratoire. Pour que ce modèle soit précis, il doit comprendre la modélisation de la cage thoracique, du diaphragme et des poumons. Il est tout aussi important que ce modèle puisse être piloté par des paramètres mesurés en externe (capteurs 3D, spiromètre, etc.) an de préserver un caractère non-invasif et de corréler le mouvement externe du thorax et de l'abdomen, ainsi que le ux d'air échangé avec les mouvements internes. Les changements de propriétés mécaniques des milieux traversés par le faisceau doivent également être modélisés an de satisfaire les besoins de l'hadronthérapie. / The 4D computational patient specic of the respiratory system could be potentially used in various medical contexts; for diagnosis, treatment planning, laparoscopic, dose computation or the registration between online imaging systems such as positron emission tomography (PET), computed-tomography (CT) as well as high delity and precise computer-based training simulators. The main novelty of this PhD project lies in the context of radiation therapy; we have developed a patient-specic biomechanical model of the respiratory system enabling the correlation of the internal organs motion with respiratory surrogate signal(s) during the treatment. This permits to take into account the respiratory motion variabilities. The deformation of the dierent structures is controlled and driven by simulated rib cage (mimic the external intercostal muscles) and diaphragm actions. For the diaphragm, we have applied the radial direction of muscle forces, and simple homogeneous dirichlet boundary condition is applied to the lower part of the diaphragm, which is attached to the rib cage. For each rib a rigid transformation is calculated automatically by nite helical axis method (rigid translation and rotation) and used to dene displacement boundary conditions. The resulting widening of the thoracic cavity forces the lungs to expand due to an applied negative pressure in the pleural cavity. Other novelty of the PhD project, that the amplitude of the lung pressure and diaphragm force are patient-specic, and determined at dierent respiratory states by an optimization framework based on inverse FE analysis methodology, by minimizing the volume lungs errors, between the respiratory volume (calculated from CT scan images at each state) and the simulated volume (calculated by biomechanical simulation). All other structures are linked to each other, but feature dierent deformation behavior due to the assigned material properties. Our results are quite realistic compared to the 4D CT scan images and the proposed physically-based FE model is able to predict correctly the respiratory motion

Les travaux présentés dans ce manuscrit proposent plusieurs contributions dans le développement de modèles algorithmiques du cerveau et de ses pathologies. Le point commun entre tous ces travaux est un modèle dit de "seconde génération", spécifique à la géométrie du patient et capable de simuler le comportement mécanique du cerveau. La première partie de cette thèse présente l'utilisation de ce modèle pour l'estimation des déformations du cerveau au cours de deux opérations : l'électrostimulation pour le traitement de la maladie de Parkinson et la résection de tumeur. Dans le premier cas, le pouvoir prédictif du modèle est utilisé pour simuler les déplacements du cerveau à partir des données disponibles avant l'opération. Dans le second, le modèle est utilisé conjointement avec de l'imagerie par résonance magnétique per-opératoire pour estimer les déplacements observés dans les images. Dans la deuxième partie, nous abordons une classe de modèles faisant intervenir les pathologies cérébrales. Ainsi nous proposons un nouveau modèle 3D d'hydrocéphalie consécutive à une hémorragie méningée. Ce modèle permet d'introduire sous la forme d'un couplage entre modèles scalaires et volumiques une composante temporelle dynamique nécessaire en simulation de chirurgie. Ensuite, nous nous intéressons à la modélisation de la croissance du glioblastome. L'évolution de la densité de cellules tumorales dans le parenchyme est simulée par une équation de réaction-diffusion anisotrope prenant en compte la direction des fibres. Enfin, une nouvelle relation d'équilibre est introduite pour modéliser le couplage entre la densité de cellules tumorales et le modèle mécanique.

L'articulation trapézométacarpienne est fréquemment l'objet de consultations en pratique clinique courante. En effet, c'est une articulation régulièrement atteinte par l'arthrose responsable de douleurs et d'une diminution de la mobilité. Néanmoins, elle demeure difficile à analyser cliniquement, sur le plan cinématique, du fait de sa complexité anatomique et biomécanique. Nous avons donc développé et validé un protocole d'examen cinématique de l'articulation trapézométacarpienne in vivo. Pour ceci, nous avons utilisé un système de mesure optoélectronique. La précision du système de mesure a été déterminée, puis, nous avons quantifié la reproductibilité du protocole d'analyse cinématique. Un logiciel a été développé pour quantifier les amplitudes de mobilités, en utilisant une séquence d'axes mobiles. La détermination des axes hélicoïdaux finis, au cours de deux mouvements purs a permis d'analyser les axes du cardan qui peut modéliser cette articulation. La cinématique de l'articulation trapézométacarpienne de 101 sujets sains a été étudiée afin de constituer une base de données. La méthodologie proposée étant portable, il a été possible d'étudier la cinématique articulaire de patients au cours de leur consultation à l'hôpital. 14 patients présentant une arthrose trapézométacarpienne, puis 9 patients opérés pour une arthrose trapézométacarpienne par ablation du trapèze (trapézectomie) ont été analysés. Ce protocole permettra d'évaluer le retentissement d'une atteinte trapézométacarpienne et l'efficacité de son traitement. Il pourra, de plus, apporter une aide à la conception d'implants trapézométacarpiens.

Notre travail de thèse s'est attaché à comprendre les mécanismes mis en jeu par une expérience d'adaptation visuomanuelle inspirée de l'adaptation saccadique, qui a été décrite par [Magescas 2006a]. Le premier chapitre visait à montrer que le paradigme de [Magescas 2006a] induisait peu ou pas d'effets sensoriels. Dans le deuxième chapitre, nous nous sommes intéressés au processus exact de généralisation de l'adaptation au niveau de la seule articulation du coude. Nos résultats nous permettent d'avancer l'idée que le paradigme étudié induisait une modification spécifique du gain moteur pour le groupe de muscles extenseurs du coude. Le troisième chapitre présente le développement de méthodes d'enregistrement de la chaîne articulaire du membre supérieur. Cette méthodologie a permis une comparaison précise entre des hypothèses de généralisation de l'adaptation dans l'espace des tâches et dans l'espace articulaire. Dans un quatrième chapitre, suivant une démarche exploratoire, nous avons imaginé deux protocoles de transposition de l'expérience de [Magescas 2006a], afin d'élargir nos possibilités pour une future étude sur des patients ayant un déficit moteur. A l'issue de ce travail, nous disposons à la fois : de moyens méthodologiques pour l'enregistrement et la modélisation de la chaîne articulaire du membre supérieur ; d'un modèle théorique du fonctionnement de l'adaptation motrice étudiée ; et d'un protocole d'adaptation de la saisie, mieux adapté à la clinique que le protocole d'adaptation du pointage.

L'identification des fondements de la locomotion passe par la compréhension des structures anatomiques et des mécanismes mis en jeu lors de ce mouvement. Les études expérimentales en biomécanique ont ainsi permis de mettre en évidence un grand nombre d'invariants tels que la minimisation de l'énergie. En paléoanthropologie, lorsqu'il s'agit d'étudier l'influence de la morphologie sur le mouvement, l'approche par« anatomie comparée» est la plus utilisée. A partir d'observations sur les espèces actuelles, cette approche propose un certain nombre d'hypothèses locomotrices pour des espèces fossiles. Toutefois, la plupart des analyses en paléoanthropologie se focalisent sur une partie isolée du squelette (la hanche, le genou ou le bassin par exemple) et il est difficile de faire fonctionner ensemble des caractéristiques anatomiques de nature très différente et provenant de différentes parties du corps. Dans ce travail, nous proposons d'adapter des méthodes de simulation du mouvement bipède afin d'étudier les relations entre les paramètres anatomiques et le mouvement. Nous proposons, dans un premier temps, une méthode pour modéliser des squelettes et les exploiter pour la simulation. Nous décrivons ensuite une solution pour calculer les mouvements de la chaîne articulaire pelvienne à partir d'une trajectoire connue des pieds. Enfin, nous décrirons comment cette précédente méthode peut être utilisée pour simuler une locomotion bipède incluant le calcul de la trajectoire des pieds. Après avoir validé cette approche globale chez l'homme, nous proposons une application à un chimpanzé et à un spécimen d'Australopithecus afarensis ("Lucy", A.L.288-1). L'application paléontologique vise à tester l'influence de la longueur de pas et de diverses reconstructions de squelettes sur les mouvements simulés. En plus de l'apport scientifique dans le domaine de l'analyse du mouvement, ce travail a des implications directes dans le domaine des activités physiques et sportives afin de comprendre les fondamentaux de la performance motrice