Le remplacement du disque intervertébral par une prothèse est une procédure chirurgicale innovante au rachis cervical. Le but de notre travail était d'étudier fonctionnement biomécanique de prothèses discales cervicales, en tenant compte de l'effet des éléments anatomiques après implantation, avec un intérêt spécifique pour l'influence de la variation de la géométrie des implants. La modélisation en éléments finis en 3D nous a permis de constater que les déplacements et les contraintes dans la prothèse et dans les facettes articulaires varient en fonction des paramètres géométriques (rayon et centre) dans le cas de des prothèses à emboîtement sphérique. Malgré une grande variabilité interindividuelle in vivo, l'analyse cinématique des radiographies dynamiques de deux séries de patients porteurs de prothèses à emboîtement sphérique différentes nous a permis observer l'influence de la position du centre géométrique sur le centre moyen de rotation en flexion / extension. Le développement de la stéréoradiographie EOS® pour le rachis cervical nous a conduit d'abord à valider l'utilisation de ce système puis a permis d'étudier un type différent de prothèse (à plateau mobile) dans des déplacements 3D. Nos résultats montrent l'importance des paramètres géométriques des prothèses articulées cervicales. L'interaction cinématique de la prothèse implantée avec les autres éléments du segment mobile rachidien suggère l'intérêt de la modélisation personnalisée dans la prise en charge des patients.

Les traumatismes du rachis incluent des fractures osseuses, des lésions disco-ligamentaires et des blessures médullaires. Ils impliquent un fort coût pour le système de santé, ainsi qu’une prise en charge (durée d’hospitalisation, atteinte de l’intégrité physique) lourdement handicapante pour leurs victimes. Les séquelles peuvent aller d’une déformation du profil sagittal à la tétraplégie. Leurs causes principales sont les accidents véhicules moteurs, les chutes et les accidents sportifs. Il existe de multiples mécanismes d’apparition des fractures vertébrales (compression, flexion-extension, cisaillement, torsion) et des blessures médullaires (contusion, traction, cisaillement), ce qui rend leur étude complexe. Malgré l’important investissement mis dans la recherche à ce sujet, des lacunes persistent dans la compréhension de ces traumatismes, qui ralentissent la progression des dispositifs de protection du rachis, et le développement des techniques chirurgicales. Dans ce contexte, l’objectif principal de ce doctorat est d’améliorer la compréhension fondamentale des mécanismes de fractures vertébrales et des blessures de la moelle épinière. Une première partie du travail a visé à développer des connaissances fondamentales sur les propriétés géométriques et mécaniques des vertèbres et de la moelle épinière. Ce type de propriétés a été utilisé pour créer et calibrer un modèle par éléments finis du rachis thoracolombaire. Ce modèle a ensuite été utilisé pour étudier le lien entre chargements mécaniques et une classification clinique des patrons de fractures vertébrales, ainsi que l’effet de différents éléments d’influences sur la mécanique de la contusion médullaire. / Spine traumas include bony fractures, intervertebral disc and ligaments lesions, and spinal cord injuries. They imply a high cost for the health system, as well as a highly incapacitating surgical management (length of hospitalization, physical handicap), and result in aftereffects such as sagittal curve deformity or tetraplegia. Their principal causes are motor vehicle accidents, falls and sports accidents. Multiple mechanisms of occurrence exist for vertebral fractures (compression, flexion-extension, shear, torsion) and spinal cord injury (contusion, traction, shear), which makes them complex to study. Despite major investments in research on this topic, there is a lack of the understanding of some aspects regarding these traumas. This slows down the progress in protection devices and surgical strategies development. In this context, the main objective of this Ph.D. is to improve fundamental knowledge of vertebral fractures and spinal cord injuries mechanisms. A first part of this work has been to develop fundamental knowledge on geometrical and mechanical properties of the vertebrae and the spinal cord. This type of properties has been used to create and calibrate a finite element model of the thoracolumbar spine. This model was then used to study the link between mechanical loadings and a clinical classification of vertebral fracture patterns, as well as the effect of various parameters on spinal cord contusion mechanisms.

Cette recherche a pour but de faire la modélisation par éléments finis d'un toit d'hélicoptère, de comparer les données calculées aux données expérimentales et de déterminer si l'on peut appliquer un contrôle optimal sur le système. Le projet fait partie d'un programme visant à réduire le bruit et les vibrations dans une cabine d'hélicoptère. Il est fait en collaboration avec Bell Helicopter Textron Canada Limited, le Consortium de Recherche et d'innovation en Aérospatiale au Québec (CRIAQ) et le Groupe d'Acoustique de l'Université de Sherbrooke. La recherche commence par l'analyse du comportement vibratoire de l'ensemble toit-support de transmission d'un hélicoptère Bell 407. Les chemins de transfert primaires et secondaires ont été identifiés en plaçant des accéléromètres à 63 positions différentes sur le toit et en mesurant les vibrations à ces endroits. En second lieu, le modèle par éléments finis, réalisé avec FEMAP, est présenté ainsi que les paramètres de calculs. Pour valider les résultats, les spectres des chemins de transfert du modèle sont comparés aux chemins de transfert expérimentaux. Ensuite, les forces primaires équivalentes sont calculées. Elles sont appliquées sur le modèle afin de comparer le comportement du modèle à l'excitation primaire expérimentale mesurée sur le toit de l'appareil. Enfin, une simulation du contrôle actif optimal est effectuée sur les signaux expérimentaux et les données numériques. Différentes configurations de capteurs d'erreur ont été comparées. On souhaite connaître la configuration permettant de mieux contrôler les vibrations du toit. Par la suite, cette simulation vise à déterminer si le contrôle actif optimal est possible sur un toit d'hélicoptère se rapprochant de la production en fonction des différentes configurations.

Afin de remplacer les électrodes de carbone consommables dans le procédé d'électrolyse Hall-Héroult, le développement d'anodes inertes résistantes à l'oxydation est un défi technique pour les principaux leaders de la production d'aluminium. Certaines recherches actuelles se focalisent sur des cermets prometteurs et originaux constitués d'une matrice céramique biphasée et de particules métalliques dispersées, ayant une conductivité électrique et une résistance à la corrosion suffisantes à haute température. Jusqu'à présent, les études n'ont pas réellement pris en compte l'aspect thermomécanique qui est d'une importance primordiale pour les céramiques, en raison de leur comportement fragile et de leur sensibilité aux chocs thermiques. Supervisé par le groupe Rio Tinto Alcan et son Centre de recherche de Voreppe, le travail de thèse est axé sur le développement d'outils numériques intégrant le comportement mécanique du matériau pour le calcul des probabilités de rupture d'anodes. Le travail se base sur une étude expérimentale des propriétés mécaniques de la température ambiante à la température de l'électrolyse : paramètres statistiques de Weibull, module d'élasticité, conductivité thermique, coefficient de dilatation thermique, résistance au fluage... Les calculs par éléments finis tiennent également compte de l'oxydation progressive du matériau et des chargements thermomécaniques induits par l'environnement.

Les recherches effectuées sont centrées sur l'intégration de composants piézoélectriques dans des matrices thermodurcissables. Cependant, le problème de recyclage constitue un grand axe nécessitant le remplacement des matériaux thermodurcissables par des matériaux thermoplastiques. Toutefois, les procédés actuels de fabrication des pièces en composite actif à matière thermoplastique ne sont pas directement exploitables pour l'intégration de composants fragiles tels que les composants piézoélectriques. Le travail présenté dans ce mémoire de thèse est dédié à une contribution à la fabrication des structures thermoplastiques intelligentes. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est de déterminer le rapport entre le procédé de fabrication et les modèles de comportement à développer pour l'utilisation des composants piézoélectriques intégrés. Deux études sont réalisées séparément : Une première étude traite les conditions thermiques et mécaniques qui accompagnent la fabrication des structures thermoplastiques. L'influence de ces conditions sur le matériau piézocéramique intégré est analysée dans une deuxième étude. Les résultats des deux études permettent de choisir le matériau approprié pour chaque procédé et condition de mise en œuvre, de manière à minimiser l'endommagement du matériau intelligent. Cet apport permet de surmonter les obstacles relatifs à l'utilisation du thermoplastique dans les structures intelligentes.

Les études d'accidents montrent que l'abdomen est devenu le segment prioritaire à protéger pour un occupant ceinturé lors d'un choc automobile frontal, les lésions étant imputables au phénomène de sous marinage. Par ailleurs, un mauvais positionnement de la ceinture de sécurité peut également être à l'origine de lésions lors du déclenchement des prétensionneurs. Ces deux phénomènes entrainent un chargement dynamique de l'abdomen par la ceinture, les vitesses pouvant aller de 4m/s à 8m/s. Le but de cette étude est d'accroitre notre compréhension du comportement de l'abdomen et des mécanismes lésionnels afin d'élaborer un modèle prédictif du risque lésionnel utilisable pour le développement et l'amélioration des systèmes de protection de l'occupant. Pour étudier la réponse de l'abdomen face à un chargement dynamique par une ceinture huit essais sur huit Sujets Humains Post Mortem (SHPM) ont été réalisés. Quatre essais simulaient le phénomène de sous marinage et quatre celui de la prétension de la ceinture. Des bilans d'efforts complets, des mesures de déplacement, de déformées externes de la paroi abdominale, des radiographies et des mesures de pressions ont été réalisés. Les essais disponibles dans la littérature et les résultats expérimentaux ont conduit à développer un modèle masse-ressort-amortisseur reproduisant les principes pilotant le comportement de l'abdomen. Ce modèle souligne le caractère viscoélastique, non linéaire et inertiel de l'abdomen. L'exploitation des mesures réalisées associées aux bilans lésionnels a permis d'apporter des méthodes de validation des modèles numériques par éléments finis et d'améliorer la formulation du modèle être humain HUMOS2

Afin de mieux comprendre le comportement mécanique de l'os trabéculaire et d'améliorer la prédiction du risque de fracture, l'objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique " bio-fidèle " prenant en compte l'hétérogénéité tissulaire, et de déterminer les contraintes mécaniques au sein des travées osseuses, dans le domaine de déformation élastique. À l'échelle tissulaire, une étude par nanoindentation a permis de dissocier les comportements élastiques et plastiques de l'os en fonction de sa composition (minéral/collagène). Ainsi, le comportement élastique du tissu osseux serait principalement lié à sa quantité de minéral alors que ses propriétés plastiques seraient davantage liées à la phase organique. Une loi reliant le degré de minéralisation de l'os (DMB) au module élastique a été déterminée dans l'os humain. La création d'un modèle numérique reproduisant de manière rigoureuse le comportement élastique de l'os trabéculaire, nécessite la prise en compte de l'hétérogénéité de la quantité de minéral (DMB) et donc son acquisition en 3D. Grâce à une méthode de recalage d'image 2D/3D, les acquisitions de microtomographie ont été comparées aux valeurs obtenues par microradiographie quantitative, méthode de référence de mesure du DMB. Sous certaines conditions, la microtomographie permet une évaluation correcte de l'hétérogénéité minérale. La création et l'analyse d'un modèle numérique par éléments finis de l'os trabéculaire, à partir des images de tomographie, a montré l'importance des paramètres du modèle (taille et formulation des éléments) ainsi que le rôle de l'hétérogénéité minérale sur l'évaluation des contraintes locales appliquées aux travées osseuses.

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.

D’après les données de l’agence International de Prévention de la Cécité, 253 millions de personnes souffrent de pathologies visuelles dans le monde. Il existe des pathologies affectant les photorécepteurs de la rétine causant des millions de déficients visuels sans traitement efficace disponible. Les implants rétiniens ont déjà montré sa capacité pour stimuler de façon électrique les cellules rémanentes de la rétine grâce à un réseau de micro-électrodes de façon à obtenir une réponse neuronale puis une perception visuelle. Ces travaux de thèse en lien avec les implants rétiniens porteront sur deux aspects principaux concernant de nouvelles configurations de micro-électrodes et une analyse comparative des matériaux constitutifs des électrodes avec des tests en vieillissement long terme. Pour le premier aspect, de nouvelles géométries d’électrodes ont été développées en différentes phases : en commencent par une modélisation par éléments finis de la micro-électrode, suivi par la micro fabrication des prototypes et les expériences in-vivo. Pour l’étude du vieillissement des matériaux constitutifs des micro-électrodes, un banc de caractérisation a été développé pour reproduire les conditions de pH, T et stimulation électrique d’un implant réel. Le banc nous permet aussi d’étudier l’évolution de façon comparative des caractéristiques des différents matériaux grâce à la mesure de son impédance électrochimique / Regarding to data provided by the International Agency for Prevention of Blindness, 253 million people suffer some kind of visual impairment around the world. There is a group of diseases that affect the photoreceptors causing millions of impairment cases around the world that do not have an efficacious treatment. Retinal prostheses have proved to electrically stimulate the remaining cells of the retina by means of implantable microelectrode arrays to elicit their response and therefore visual perception. This PhD work tries to study two aspects of these devices: first, new electrode geometries that stimulate the cells in a more efficient manner; and second, the ageing of the different material used for the fabrication of the microelectrodes. For the first aspect new electrode geometries have been developed based on the state of the art. This development has been divided in different phases beginning with a FEM modeling of the electrode, followed by the microfabrication of the structures and their test in-vivo. In order to study the ageing of the microelectrode materials, a characterization bench that reproduces the conditions that an implant has to face during its implantation has been developed. This bench allows us to study in a comparative manner the evolution of the characteristics of the different materials thanks to the measurement of their electrochemical impedance

Pour réduire le poids des structures aéronautiques, plusieurs voies ont été explorées. Parmi elles, l'utilisation des alliages d'aluminium légers et le remplacement des structures rivetées par des structures soudées par Friction Stir Welding (FSW) sont envisagées. La question de la durée de vie de ces structures préoccupe les industriels. Dans ce cadre, cette étude porte sur la sensibilité à la corrosion sous contrainte intergranulaire (CSC-IG) du noyau de soudure par FSW de l'alliage Al-Cu-Li 2050. Ce matériau est composé de grains équiaxes dont la taille diminue de 17 à 4 µm à mesure que l'on s'éloigne de la surface de soudage. Une variation de texture est révélée grâce à des cartographies EBSD formant la microstructure des « onion rings ». La périodicité de ces « onions rings » est égale à l'avancée du pion FSW sur un tour (500 µm pour notre matériau). Ces hétérogénéités microstructurales entraînent des gradients de champs mécaniques locaux quantifiés par corrélation d'images lors des essais mécaniques. Ces hétérogénéités microstructurales et mécaniques favorisent les phénomènes de corrosion localisée lorsque le matériau est soumis à un environnement agressif. Les effets des contraintes et de la microstructure sur la CSC-IG sont mis en évidence par des essais de corrosion et des essais de corrosion sous contrainte (CSC). Les essais de corrosion montrent une sensibilité du matériau à la piqûration alors que les essais de CSC révèlent l'amorçage de fissures intergranulaires. Les plus grosses fissures s'amorcent préférentiellement à la frontière des « onion rings ». Un modèle par éléments finis a été développé dans le but de simuler la propagation des fissures intergranulaires sur des agrégats réels générés par des cartographies EBSD. / To reduce the aircraft components weight, several solutions were explored. Among them, the using of light aluminum alloys and the substitution of riveting by friction stir welding (FSW) are investigated. Industry is concerned by the question of the life of such structures. For this, this study is focused on intergranular stress corrosion cracking (IGSCC) sensitivity of the 2050 Al-Li-Cu alloy friction stir weld nugget. This material consists of equiaxed grains whose size is decreasing with the distance from the weld surface between 17 µm at the top and 4 µm at the bottom. The “onion rings” microstructure is revealed by EBSD cartographies as a texture variation. They appear with a periodicity of 500 µm corresponding to the advance per revolution of the tool. Those microstructural heterogeneities cause local mechanical field gradients quantified by digital image correlation measurements during mechanical tests. Those microstructural and mechanical heterogeneities promote localized corrosion when the material is submitted to an aggressive environnement. Microstructure and stress effects on IGSCC are shown by corrosion tests and stress corrosion tests. The first ones show a sensitivity to pitting corrosion and a stress application reveal initiation of intergranular cracks. The biggest ones preferentially initiate at “onion rings” boundaries. A finite element model was developed in order to simulate intergranular cracks propagation on real aggregates obtained by EBSD cartographies.