Lors de l'analyse 3D du mouvement humain basée sur des marqueurs cutanés, la position des os ne peut être qu'indirectement estimée. Au cours d'une tâche, les déformations des tissus mous génèrent des déplacements des marqueurs par rapport à l'os : les artefacts de tissus mous (STA), entraînant des effets dévastateurs sur l'estimation de la position. La compensation des STA demeure une question ouverte. L'objectif de cette thèse est de contribuer à la solution de cette question cruciale. La modélisation des STA en utilisant des variables spécifiques mesurables est une condition préalable à son élimination. Un modèle corrigeant les trajectoires individuelles de marqueurs de la cuisse, calibré par des mesures directes des STA, est d'abord présenté. Les STA sont modélisés comme une combinaison linéaire des angles articulaires impliqués. Trois représentations des STA par une série de modes sont proposées : déplacements de marqueurs individuels, transformations géométriques de clusters de marqueurs (MCGT), et variations de forme de l'enveloppe de peau. Le MCGT permet de dissocier les composantes rigides et non rigides. Il a été démontré que seule la composante rigide affecte la cinématique articulaire. Un modèle de cette composante est alors défini pour les clusters cuisse et jambe. Un compromis acceptable entre la correction des STA et le nombre de paramètres a ainsi été obtenu. Les principales applications sont de générer une simulation réaliste des STA ; et surtout, en se concentrant sur la composante rigide, le modèle permet une reconstruction satisfaisante des STA avec moins de paramètres, ce qui facilite son incorporation dans un algorithme d'estimation de la position osseuse / In 3D human movement analysis performed using stereophotogrammetry and skin markers, bone pose can be only indirectly estimated. During a task, soft tissue deformations make the markers move with respect to the underlying bone generating soft tissue artefacts (STA), causing devastating effects on pose estimation and its compensation remains an open issue. The thesis’ aim was to contribute to the solution of this crucial issue. Modelling STA using measurable trial-specific variables is a prerequisite for its removal from marker trajectories. Two STA model architectures are proposed. A thigh marker-level model is first presented. STA was modeled as a linear combination of joint angles involved in the task. The model was calibrated with direct STA measures. The considerable number of model parameters led to defining STA approximations. Three definitions were proposed to represent STA as series of modes : individual marker displacements, marker-cluster geometrical transformations (MCGT), and skin envelope shape variations. Modes were selected using two criteria : modal energy and selecting them a priori. The MCGT allows to select either rigid or non-rigid components. It was also demonstrated that only the rigid component affects joint kinematics. A model of thigh and shank rigid component at cluster-level was then defined. An acceptable trade-off between STA compensation and number of parameters was obtained. These results lead to two main potential applications : generate realistic STAs for simulation

Cette thèse vise à étudier les nanoparticules d'or (NPOs) comme radio sensibilisateur et nano catalyseur afin d'améliorer la production d'espèces réactives de l'oxygène (EROS) et à fournir un aperçu de l'effet protecteur potentiel des acides aminés de base contre les effets des rayonnements ionisants afin d'étudier le mécanisme de dommages de l'ADN. En outre, il vise à améliorer notre connaissance des effets directs et indirects sur l'ADN plasmatique qui est une cible importante et sensible lors de l'étude des effets des rayonnements ionisants. Cette étude nécessite à la fois Ia bonne distribution et le contrôle de l'ADN déposé sur graphite HOPG. Nous avons procédé à la préparation de films (couches nanométriques à l’échelle) faite d'un complexe d'ADN avec des amines, ainsi que les acides aminés basiques. Nous avons caractérisé le déposé sec par microscopie a force atomique et par XPS. Nous avons montré que les couches contenant des acides aminés basiques sont très denses et que la protection contre les dommages de l'ADN après re-dissolution dans l'eau est très efficace. Ensuite, nous avons déposé l'ADN plasmatique à sec soul sur des feuilles minces de mylar et d'exposé ces films à un faisceau de protons à différentes énergies, Nous avons montré que, dans le value de pic de Bragg d'énergie a protons énergies inferieure a 500 keV il y a un rendement Cleve de protons a endommagé l'ADN. L'effet indirect a donc été étudié en exposant l'ADN plasmatique en solution aqueuse par rayons X ultra-mous. Nous avons procédé a de telles expériences en utilisant 100 lit de solution d'ADN plasmatique avec et sans différentes concentrations de 2-amino-2-hydroxymethyl-propane-1,3-diol, (Tris) et l'arginine (Arg) à température ambiante et sous agitation. Une très bonne procédure expérimentale. Nous avons montré que les rendements pour les pauses ADN simples brins ont permis au ratio indirect des effets directs à déterminer à 96% en bon accord avec la valeur de 97% découlant d’une étude basée sur l’irradiation aux rayons gamma de solutions congelées de l’ADN plasmatique. Nous analysons nos résultats et nous suggérons que les produits secondaires de Arginine réagissent avec les radicaux OH pour produire des effets secondaires; notamment en raison du fait que, contrairement au Tris, Arg est capable de liaison à l'ADN à l'extérieur et également à l'intérieur de la double hélice. Nous avons exposé également l'ADN de plasmide en solution aqueuse et complexe aux deux autres acides aminés basiques (lysine et histidine) par rayons X ultra-mous. Nous avons constaté que la présence de ces acides aminés augmente également la détérioration de l'ADN et suggère que les acides aminés sont donc également susceptibles de produire des effets secondaires. Enfin, nous avons étudié Ie rôle de nanoparticules d'or (NPO) dans le renforcement de la sensibilisation de la radio de l'ADN. En utilisant de nouveaux protocoles expérimentaux, nous avons fini à interpréter l'interaction du (NPOs) avec ionisation rayonnement dans des solutions aqueuses oxygénées. Pour obtenir une meilleure compréhension des mécanismes de sensibilisation de radio par NPOs, nous avons utilisé une variété de espèces détritivores, spécifiques et réactives d'oxygène et l'ADN plasmatique comme sonde afin de favoriser les voies donnees et de determiner laquelle d'entre elles est la plus efficace dans l'ADN dommageable. Cette étude a démontré pour la première fois que les NPOs contribuent en permanence à l'amélioration de la production de OH en utilisant un stock potentiel maintenu sous la forme d'HO2 • / 02 • - et H202 produits de radiolyse de l'eau primaire. Nous avons montre en effet que H202 peut réagir avec NPOs pour produire • OH radicaux. / This thesis aims at studying the gold nanoparticles (GNPs) as radiosensitizer and nanocatalyst in order to enhance the generation of reactive oxygen species (ROSs) and at providing insight into the potential protective effect of basic amino acids against ionizing radiation effects in order to study the mechanism of DNA damage. Also, it aims at improving our knowledge of direct and indirect effect on plasmid DNA which is an important and sensible target when studying ionizing radiation effects. This study required both the good distribution and control of the DNA deposited on HOPG (Highly Ordered Pyrolytic Graphite). We carried out the preparation of films (nanometer scaled layers) made of complex of DNA with diamines as wel as basic amino acids. We have characterized dry deposited by AFM (Atomic Force Microscopy) and by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy). We have shown that the layers containing basic amino acids are very dense and that the protection against DNA damage after re-dissolution in water is very effective. Then, we have deposited dry plasmid DNA alone on thin mylar foils and exposed those films to a proton beam at various energies. We have shown that in the Bragg-peak energy range i.e. at proton energies lower than 500 keV there is a high efficiency of protons to damage DNA. The indirec effect was thus studied by exposing plasmid DNA in aqueous solution by (USX). We carried out such experiments by using 100 pit of plasmid DNA solution with and without different concentrations of 2-Amino-2-hydroxymethyl-propane-1,3-diol (Tris) and arginine (Arg) at ambient temperature and under stirring. A very good agreement was found with the rare data dealing with DNA plasmid exposed to Al Ka photons at low temperature (T < 277 K), which therefore validated the experimental procedure. We showed that the yields for DNA single strand breaks determined enabled the ratio of indirect to direct effects to be determined at 96.2%; in good agreement with the value of 97.7% stemming from a study based on y-ray irradiation of frozen solutions of plasmid DNA. We analyze our results and suggest that secondary products of Arginine react with OH radicals to produce side effects; notably due to the fact that contrary to Tris, Arg is capable of binding DNA outside but also inside the double-helix. We exposed also the plasmid DNA in aqueous solution and complexed to the two other basic amino acids (histidine and lysine) by USX. We found that the presence of tilos amino acids also increases DNA damage and suggest that those amino acids are therefore also prone to produce side effects. Lastly, we studied the role of Gold Nano Particles (GNPs) in enhancing DNA radio sensitization. By using new experimental protocols, we achieved to interpret the interaction of GNPs with ionization radiation in oxygenated aqueous solutions. To get better insight into the mechanisms of radiosensitization by GNPs, we used a variety of specific reactive oxygen species scavengers and plasmid DNA as a probe in order to favor given pathways and to determine which of them is the most effective in damaging DNA. This study has demonstrated for the first time that the GNPs contribute permanently to the enhancement of ■OH production by using a potential stock kept under the form of 1102•/02•- and H202 primary water radiolysis products. We showed indeed that H202 ca react with GNPs to produce •0H radicals.

Les travaux de recherche présentés pour l'habilitation à diriger des recherches, visent à proposer de nouveaux outils pour simuler des interventions médicales et chirurgicales. Ces outils ont plusieurs applications dont l'amélioration de la formation des praticiens, la planification d'interventions pour la préparation et la validation d'une thérapie ou encore l'assistance au geste médical durant une intervention. Or, pour simuler ces interventions de manière réaliste voire prédictive, il faut tenir compte de la déformation des structures anatomiques et des interactions mécaniques entre les outils et les organes. En même temps, la simulation doit être interactive et calculée en temps-réel pour garder le geste du praticien dans la boucle de la simulation. Le défi majeur de notre travail est donc de garantir un calcul précis au niveau de la simulation tout en gardant un temps de calcul très court, qui soit compatible avec le temps-réel. D'abord, nous proposons une formulation optimisée de la méthode par éléments finis (FEM) et de nouveaux outils numériques (pré-conditionneurs, couplage entre modèles...) dédiés à au calcul FEM temps-réel. Cette approche est utilisée pour calculer la biomécanique des déformations des tissus anatomiques et les instruments flexibles. Nous abordons ensuite un autre point clé de ces simulations que sont les conditions aux limites. Les interactions mécaniques entre organes et/ou entre les outils chirurgicaux et les tissus sont souvent complexes à modéliser. Or, une mauvaise prise en compte de ces interactions peut aboutir à des erreurs importantes. Notre approche suit les bases de la mécanique non-régulière pour gérer, notamment, le contact et le frottement entre solides. Nous étendons l'approche à d'autres modèles d'interaction (comme l'insertion d'aiguille par exemple). Dans ce contexte, nous mettons l'accent sur le calcul de la compliance des structures en temps-réel. Par ailleurs, pour certaines interventions où le retour visuel n'est pas parfait, le praticien se guide aussi avec le sens du toucher. Il est donc important de reproduire au moins partiellement cette sensation - dite haptique - avec des interfaces à retour d'effort, pilotée à partir des données de la simulation. Dans ce domaine, nous proposons une approche centrée sur le rendu haptique des interactions mécaniques entre outil chirurgical et tissus humain. Cette approche se base notamment sur une désynchronisation du calcul de la boucle de simulation et de la boucle de retour d'effort qui demande un rafraichissement à haute fréquence (1kHz). Finalement, nous présentons ces résultats de recherche sur des exemples concrets d'application et nous présentons les défis à venir pour permettre à la simulation de devenir un outil utilisé par les praticiens à l'avenir. Le manuscrit est en anglais.

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.

Cette thèse est centrée sur l’étude d’équations issues de la théorie cinétique des gaz. Dans tous les problèmes qui y sont explorés, une analyse des problèmes linéaires ou linéarisés associés est réalisée d’un point de vue spectral et du point de vue des semi-groupes. A cela s’ajoute une analyse de la stabilité non linéaire lorsque le modèle est non linéaire. Plus précisément, dans une première partie, nous nous intéressons aux équations de Fokker-Planck fractionnaire et Boltzmann sans cut-off homogène en espace et nous prouvons un retour vers l’équilibre des solutions de ces équations avec un taux exponentiel dans des espaces de type L1 à poids polynomial. Concernant l’équation de Landau inhomogène en espace, nous développons une théorie de Cauchy de solutions perturbatives dans des espaces de type L2 avec différents poids (polynomiaux ou exponentiels) et nous prouvons également la stabilité exponentielle de ces solutions.Nous démontrons ensuite pour l’équation de Boltzmann inélastique inhomogène avec terme diffusif le même type de résultat dans des espaces L1 à poids polynomial dans un régime de faible inélasticité. Pour finir, nous étudions dans un cadre général et uniforme des modèles qui convergent vers l’équation de Fokker-Planck du point de vue de l’analyse spectrale et des semi-groupes. / The topic of this thesis is the study of models coming from kinetic theory. In all the problems that are addressed, the associated linear or linearized problem is analyzed from a spectral point of view and from the point of view of semigroups. Tothat, we add the study of the nonlinear stability when the equation is nonlinear. More precisely, to begin with, we treat the problem of trend to equilibrium for the fractional Fokker-Planck and Boltzmann without cut-off equations, proving an exponential decay to equilibrium in spaces of type L1 with polynomial weights. Concerning the inhomogeneous Landau equation, we develop a Cauchy theory of perturbative solutions in spaces of type L2 with various weights such as polynomial and exponential weights and we also prove the exponential stability of these solutions. Then, we prove similar results for the inhomogeneous inelastic diffusively driven Boltzmann equation in a small inelasticity regime in L1 spaces with polynomial weights. Finally, we study in the same and uniform framework from the spectral analysis point of view with a semigroup approach several Fokker-Planck equations which converge towards the classical one.