Pour la plupart des entreprises, l’innovation est devenue un élément indispensable, garant de la pérennité de l’entreprise.Cependant, durant les phases de développement des produits, le concepteur est confronté lors des principaux jalons du processus à faire des choix de conception. Ces prises de décisions ont par la suite un fort impact sur l’acceptabilité ou non des produits par le marché. Le monde de la conception des implants orthopédiques n’y échappe pas.Le but de ce travail de thèse est de montrer qu’il est possible d’intégrer dans les phases amonts du processus de développement d’implants orthopédiques, un outil d’aide à la décision pour le choix de concepts intégrant des critères techniques, médicaux, chirurgicaux et économiques permettant de réduire les risques pour le patient mais aussi les risques d’un possible échec commercial.La première partie de ce document s’intéresse à l’analyse du contexte de cette étude et en particulier aux dispositifs médicaux. Ensuite, l’état de l’art étudie les différents processus d’innovation et plus spécifiquement les processus de conception dans le secteur médical des implants orthopédiques. Ces travaux nous ont amené à nous questionner et à analyser les méthodes d’évaluation du potentiel d’innovation disponibles au sein de la littérature scientifique, et de leur intégration au sein du secteur des implants.De cette analyse a émergé une question se situant au cœur de nos travaux de recherche : comment concevoir des implants innovants avec un niveau de risques faibles (risque clinique, risque de défaillance, risque d’utilisation) ?La réponse à cette question s’est traduite par la proposition d’un nouvel outil d’aide à la décision (hypothèse1) intégré aux phases amont d’un processus de conception adapté (hypothèse2) au développement d’implants. Celles-ci ont ensuite été vérifiées et validées lors de 3 expérimentations qui ont aboutis à la réalisation d’implants orthopédiques posés sur des patients. / For a majority of companies, innovation has become an essential element of corporate sustainability.However, during the product development phase the designer is forced to make decisions on design. These decisions subsequently have a strong impact on the acceptability of the products by the market. Orthopaedics implants design is no exception.The aim of this thesis is to show that it is possible to integrate, in the early phases of the orthopaedic implant development process, a tool for decision-making; in choosing concepts that incorporate technical, medical, surgical and economic criteria. The goal is to reduce the risk for the patient but also reduce the risk of commercial failure.The first part of this document focuses on analysing the context of this study, particularly for medical devices. Following this, the state of the art studies the various innovation processes and more specifically, the design process of medical orthopaedic implants. This work forced us to question and analyse evaluation methods for potential innovations available in the scientific literature, and integrate them into the implant sector.From this analysis, a question emerged lying at the heart of our research: how to design innovative implants with a low level of risk (clinical risk, default risk, risk of use)?The answer to this question has resulted in the proposal of a new tool for decision-making (Hypothesis 1) integrated within upstream phases of a suitable decision process (Hypothesis 2) for developing implants. These were then checked and validated in three experiments that resulted in the development of orthopaedic implants that were successfully inserted into patients.

Le taux d’infection postopératoires des prothèses orthopédiques peut atteindre jusqu’au 2% des patients ce qui peut provoquer des douleurs persistant ou augmentant après l'intervention, un décèlement précoce et la présence d'un gros hématome. Le développement des prothèses de hanche à libération prolongée locale de médicaments peut prévenir ces complications. Le but est d’optimiser la fonctionnalisation des implants en titane (TiAl6V4) revêtus d’une couche de titane microporeux et d’une couche d’hydroxyapatite de 80 µm (HA) par des cyclodextrines (CDs) afin d’obtenir des propriétés anti-infectieuses améliorées. Le revêtement est également stérilisable et biorésorbable en quelques mois. Ce système permet d’avoir une activité thérapeutique locale, modulable (choix de la molécule bio-active jugé le plus opportun par le chirurgien) et prolongée, ce qui conduira à un dispositif polyvalent d’une nouvelle génération, capable de réduire les infections post opératoires et de favoriser l’intégration de l’implant. / Bacterial infections still presents as a common complication in orthopaedic surgery, the overall infection rate after total hip replacement is 0.5% to 2 %,which may cause many serious problems e.g. morbidity, poor functional outcomes. and become the major barrier for extended use. For preventing such risks, combining antibiotics with implants for increasing local drug concentration at targeted sites could be a solution. This study aims at modifying the HA coated titanium material (Ti-HA) surface with cyclodextrins (CDs) for loading the therapeutic molecules (biodegradable antibiotic carrier system), to achieve a sustained local drug delivery for implant materials. The prolonged antibacterial activity of antibiotic loaded Ti-HA-MeβCD samples confirmed that it could be a promising drug-delivery system for sustained antibiotics release to prevent post-operatory infection or other potential applications e.g. antimitotic agent release.

Dans cette thèse, nous présentons une méthode de segmentation d’images radiographiques des membres inférieurs en régions d’intérêt (ROIs), une méthode de recalage rigide tridimensionnel (3D) / bidimensionnel (2D) des prothèses du genou sur les deux images biplanaires radiographiques calibrées et une méthode de reconstruction 3D des membres inférieurs à partir de deux images biplanaires radiographiques calibrées. Le premier article présente une méthode de segmentation de rotule, astragale et bassin des images radiographiques en régions d’intérêt basée sur la fusion de multi-atlas et superpixels. Cette méthode utilise l’apprentissage d’une base de données d’images radiographiques de ces os segmentées manuellement et recalées entre elles pour estimer un ensemble de superpixels permettant de tenir compte de toute la variabilité locale et non linéaire existante dans la base, puis la propagation d’étiquettes basée sur le concept d’entropie pour raffiner la carte de segmentations en régions internes afin d’obtenir le résultat final. Le deuxième article présente une méthode de recalage rigide 3D / 2D des composants tibiaux et fémoraux de prothèse du genou sur deux images biplanaires radiographiques calibrées. Cette méthode utilise une mesure de similarité hybride basée sur les notions de contours et régions puis un algorithme d’optimisation stochastique pour estimer la position des composants. La similarité basée sur les régions est stable et robuste contre les bruits. Cependant, cette mesure n’est pas précise car le nombre de pixels aux contours est inférieur au celui à l’intérieur de la région. Au contraire, la similarité basée sur les contours est précise mais plus sensible au bruit ou à d’autres artefacts existant dans les images. C’est pourquoi la combinaison de ces deux similarités fournit une méthode de recalage robuste et précise. Le troisième article représente une méthode statistique biplanaire de reconstruction 3D de rotule, astragale et bassin. Cette méthode utilise un algorithme de réduction de dimensionnalité pour définir un modèle déformable paramétrique qui contient toutes les déformations statistiques admissibles apprises à partir d’une base de données des structures osseuses. Puis un algorithme d’optimisation stochastique est utilisé pour minimiser la différence entre la projection des contours / régions des modèles surfaciques osseux avec ceux segmentés sur les deux images radiographiques. / In this thesis, we present a segmentation method of lower limbs of X-ray images into regions of interest (ROIs), a three-dimensional (3D) / two-dimensional (2D) rigid registration method of knee implant components to biplanar X-ray images, and a 3D reconstruction method of the lower limbs using biplanar X-ray images. The first paper presents a superpixel and multi-atlas-based segmentation method of the patella, talus, and pelvis into regions of interest. This method uses a training dataset of pre-segmented and co-registered X-ray images of these bones to estimate a collection of superpixels allowing to take into account all the nonlinear and local variability existing in the dataset, then a propagation of label based on the entropy concept for refining the segmentation map into internal regions to the final result. The second paper presents a 3D / 2D rigid registration method of tibial and femoral components of knee implants to calibrated biplanar X-ray images. This method uses a hybrid edge- and region-based similarity measure then a stochastic optimization algorithm to estimate the component position. The region-based similarity is stable and robust to noise. However, this measure is not precise because the number of pixels in the border is fewer than the number of pixels inside the region. On the contrary, the edge-based similarity is accurate but more sensitive to noise or other artifacts existing in the images. That’s why the combination of these two similarity types provides a robust and accurate registration method. The third paper presents a statistical biplanar 3D reconstruction method of the patella, talus, and pelvis. This method uses a dimensionality reduction algorithm to define a deformable parametric model which contains all admissible statistical deformations learned from the bone structure dataset. Then a stochastic optimization algorithm is used to minimize the difference between the contour / region projection of bone models and the contours / regions in two segmented X-ray images.