Pour un malentendant, le déficit auditif peut représenter un handicap majeur tant du point de vue physique que du point de vue social. Pour cette raison, la réhabilitation auditive constitue un champ d'application particulièrement important du traitement du signal audio et ses enjeux dépassent le seul contexte technologique. C'est dans ce cadre, et en particulier dans celui de la réhabilitation auditive par port de prothèses externes, que se situe ce travail de thèse. L'audition étant un sens particulièrement performant et complexe, compenser les pertes auditives des malentendants est une tâche difficile et délicate. En outre, les appareils sont conçus à partir d'éléments miniaturisés de pointe, notamment les micro-processeurs, ce qui impose des contraintes de fonctionnement très strictes. Au cours de nos recherches, nous avons travaillé sur la réalisation d'un module de rehaussement du signal de parole utilisant une technique d'atténuation spectrale à court-terme mise au point par Ephraïm et Malah. A l'issue de ce travail, nous avons proposé d'adapter cette méthode en réalisant l'analyse spectrale selon une échelle en fréquence conforme à notre perception auditive, l'échelle ERB (Equivalent Rectangular Bandwith) qui modélise la résolution fréquentielle des filtres auditifs. Dans un deuxième temps, nous avons étudié le problème de retour acoustique entre les transducteurs de la prothèse. Ce retour acoustique est source d'instabilité pour le système et aboutit fréquemment à la production d'un effet Larsen. Ce type de désagrément est extrêmement gênant et contraint l'audioprothésiste à limiter le gain d'amplification de la prothèse. De ce fait, la réhabilitation auditive ne peut pas être optimale. Pour pallier ce problème, nous proposons d'utiliser une méthode de filtrage adaptatif multi-délais basée sur le LMS (Least Mean Square) et réalisée dans le domaine de la transformée de Hartley. Du fait du retour acoustique, une prothèse auditive est un système électro-acoustique en boucle fermée. Les conditions d'application sont donc contraires aux hypothèses de convergence du LMS. Pour assurer la convergence de l'algorithme de descente de gradient, nous proposons une nouvelle méthode de définition du pas d'adaptation. Afin de vérifier le bon fonctionnement de la méthode proposée dans des conditions réalistes, nous avons mis en place une plate-forme de test en temps-réel basée sur un prototype de prothèses.

Avec le vieillissement de la population, la pose de prothèses totales de hanche est devenue une opération courante. Pourtant, des complications peuvent avoir lieu, entrainant des luxations précoces. L'analyse fonctionnelle et tridimensionnelle (3D) de la hanche devient donc un enjeu clinique important. Des méthodes de reconstruction 3D du fémur proximal et du bassin ont été développées in vitro, sur des os isolés. Le but de cette recherche est l'analyse tridimensionnelle quantitative de l'articulation de la hanche in vivo. Le système EOS® a été utilisé pour obtenir deux radiographies face et profil en position debout, avec une très faible irradiation. La difficulté principale pour la reconstruction de la hanche in vivo est liée à la superposition des structures osseuses sur la vue de profil. Afin de lever ce verrou scientifique, des méthodes basées sur la déformation d'objets paramétriques pré-personnalisés, obtenus à partir d'une base de données, ont été développées afin d'obtenir un outil précis et reproductible de reconstruction. Cette méthodologie a été développée pour le fémur proximal et pour le bassin. La reproductibilité inter-opérateurs obtenues est de 2,2 mm et de 2,6 mm (2 écart-types) pour respectivement le fémur proximal et le bassin. Ces méthodes ont également été utilisées pour l'analyse de patients nécessitant la pose ou la reprise d'une prothèse totale de hanche. Des stéréoradiographies en positions debout, assis et accroupi ont été réalisées. Un ensemble de paramètres positionnels et morphologiques ont été évalués. Des différences statistiquement significatives ont été remarquées entre les patients avant chirurgie et un groupe de sujets contrôle, notamment pour la position du bassin. Ces recherches ont permis la réalisation d'un outil d'analyse de la hanche in vivo. Elles ont également souligné le potentiel du système EOS® pour l'analyse quantitative fonctionnelle et tridimensionnelle de l'articulation de la hanche saine et prothésée.

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.

L'objectif de ces travaux est la réalisation d'un dispositif à base de réalité virtuelle an d'assiter le chirurgien orthopédiste lors de la substitution de l'articulation gléno-humérale par une prothèse. Ce dispositif a pour but l'optimisation des débattements de l'articulation prothésée de l'épaule à partir d'un choix de différents scénarios de pose. Les travaux se basent sur de nombreuses thématiques telles que la chirurgie orthopédique, le traitement d'image, l'informatique graphique ainsi que la réalité virtuelle. La démarche choisie comprend une (i) phase de modélisation de la partie osseuse de l'articulation par des formes géométriques simples, ce modèle est paramétrable à partir de radios ou de coupes scanners ; (ii) une phase de simulation des débattements de l'articulation gléno-humérale saine ; ainsi que (iii) une phase de simulation des opérations de coupes et de perçages avec choix des implants prothétiques pour une optimisation des débattements de l'articulation en préopératoire (cette optimisation se fait grâce une comparaison de la cinématique de l'épaule saine avec les diérents scénarios issus de notre simulation préopératoire).

La chirurgie assistée par ordinateur a amené une valeur ajoutée significative aux interventions médicales, en fournissant des outils de mesures permettant au chirurgien de quantifier et contrôler leurs gestes. En orthopédie et notamment pour la pose de prothèse totale de genou (PTG), la chirurgie assistée par ordinateur a réduit de manière significative les variations d'alignement et de position, paramètres directement corrélés aux échecs précoces nécessitant une chirurgie de reprise. <br />Les cliniciens restent néanmoins demandeurs d'une précision accrue et de possibilités additionnelles, qui semblent ne pouvoir être offertes que par de la robotique ou des ‘outils intelligents' couplés à de la navigation.<br />Dans ce travail, un nouvel outil robotique dédié au fraisage de l'os pour les chirurgies des PTG a été développé. Notre robot miniature, appelé PRAXITELES, est fixé directement sur l'os sur l'un des côté du genou, il positionne avec précision un guide de fraisage qui permet chirurgien de faire manuellement les coupes.<br />Le fraisage manuel est un acte difficile avec peu de stabilité, c'est pourquoi, un modèle prédictif a été formulé, et des tests ont été menés pour mieux le comprendre et pour l'améliorer. La physique de la coupe osseuse a d'abord été étudiée dans le cas le plus simple : coupe à grande vitesse orthogonale (2D) et oblique (3D). Les résultats ont ensuite été intégrés dans un modèle flexible pour la prédiction des forces de fraisage comme fonction des paramètres chirurgicaux. A partir de l'analyse des forces et de la stabilité, nous faisons des recommandations sur les techniques de fraisages les plus optimales et sur le choix des outils. Des résultats expérimentaux sur cadavre avec notre nouveau robot et avec ces techniques de fraisage sont très encourageants et nous espérons démarrer des essais cliniques dans un futurs proche.

Cette étude à pour but de développer un concept de stent atraumatique pour le remplacement percutanée de la valve aortique. Le stent est obtenu à partir de brins de Nitinol tressés, ce qui lui permet, de part sa géométrie et sa structure, d'être compressible, auto-expansible, et atraumatique. Le principe de fabrication des prototypes et les contraintes qui lui est associé sont présentées. Les performances de ces prototypes, en terme d'ancrage, de régurgitation statique et de régurgitation dynamique sont ensuite évaluées par des essais in vitro, pour lesquel le banc de test en flux pulsé a été optimisé afin de prendre en considération la compliance de la racine aortique. Les résultats obtenus permettent de mettre en évidence les différents paramètres de fabrication stent, tant au niveau dimensionnel (hauteur du cylindre, angle du cône...) qu'au niveau structurel (rigidité), qui ont une influence significative sur le comportement de l'endoprothèse.

Les personnes amputées de membre inférieur (PAMI) sont très diversifiées. Ils'agit d'une population hétérogène, tant par ses origines que par ses niveaux d'amputation, ses capacités et ses projets de vie. A ces profils variés s'ajoutent une multitude de composants prothétiques ainsi que les différentes combinaisons possibles entre ces composants. Il est également important de prendre en compte les différents environnements auxquels la PAMI est confrontée quotidiennement. La Classification Internationale du Fonctionnement (CIF 2001) a été créée par l'Organisation Mondiale de la Santé et repose sur un modèle multidimensionnel. Elle est constituée de deux grandes parties : le fonctionnement d'une part et les facteurs contextuels d'autre part. Ce modèle est capable de décrire de manière globale les modifications de fonctionnement (handicap) à partir d'un problème de santé quelconque. Ainsi, une grande quantité d'informations peut être obtenues à partir du modèle de la CIF. Néanmoins, il demeure nécessaire de développer de nouveaux outils pour mieux exploiter ce modèle afin de le rendre plus intelligible et utilisable en pratique clinique courante. Pour cela, nous nous proposons d'utiliser l'Extraction de Connaissances à partir des Données (ECD). L'ECD est un processus non trivial d'identification des structures inconnues, valide et potentiellement exploitable dans les bases de données, qui permet de transformer un maximum d'informations en connaissances facilement exploitables. A partir du modèle de la CIF et conjointement avec des méthodes d'ECD, l'objectif de cette thèse est de caractériser un groupe de PAMI expertes en termes de capacités locomotrices. Ce groupe et sa liste d'indicateurs pertinents reposant sur le modèle de la CIF ont été déterminés. Ils servent de référence pour la comparaison d'autres PAMI et peuvent guider la prise en charge de cette population particulière.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Cette thèse, née d’une collaboration entre le laboratoire LEMTA et l’entreprise Novastep, a pour but de concevoir une prothèse de resurfaçage des têtes métatarsiennes des rayons latéraux (2ème, 3ème et 4ème orteils). Ces rayons sont touchés par de nombreuses pathologies (arthrose, maladie de Freiberg, …) pouvant engendrer des douleurs et être handicapantes au quotidien. Bien que de nombreuses solutions prothétiques pour le resurfaçage des têtes métatarsiennes soient disponibles sur le marché, elles sont en majorité conçues pour le resurfaçage du 1ier rayon. La prothèse de Novastep est donc prévue pour offrir une solution viable pour le traitement de ces pathologies. Le développement de la prothèse passe par plusieurs étapes qui sont : • La recherche des exigences médicales et mécaniques à respecter ; • La conception de la prothèse ; • La mise au point de la technique opératoire (instrument pour la pose) ; • La réalisation des essais (vérification des performances de la prothèse). Ce cycle de conception permet de justifier les performances de la prothèse dans l’optique d’obtenir l’autorisation de mise sur le marché. En parallèle de la conception de la prothèse de resurfaçage, une étude de remodelage des métatarsiens après implantation a été effectuée. Cette étude a pour but, dans un premier temps, de présenter et valider un protocole pour la préparation des modèles EF de remodelage osseux à partir de données tomodensitométriques spécifiques au patient. Dans un deuxième temps, cette étude a permis d’analyser l’impact de la prothèse de Novastep sur l’os et de comparer ces résultats avec ceux obtenus pour une prothèse concurrente (LMHI de Wright Medical). Dans un dernier temps, l’influence de différents paramètres de la loi de remodelage et du modèle a été étudiée. A notre connaissance, ce travail est le premier portant sur le remodelage osseux d’un métatarsien prothésé. A terme, ce travail pourra aboutir à la création d’un outil d’aide à la décision destiné aux concepteurs pour les choix technologiques de design des prothèses et aux chirurgiens pour sélectionner la technique chirurgicale la plus adaptée à chaque patient. Pour ce faire, il sera nécessaire de valider les résultats issus des prévisions numériques de remodelage avec des résultats cliniques post-opératoires / This doctoral thesis, the result of a collaboration between LEMTA laboratory and Novastep company, explains the design of a metatarsal head resurfacing prosthesis of the lateral toes (2nd, 3rd and 4th toes). These toes can be affected by several pathologies, including arthritis and Freiberg’s disease, which are painful and can bec ripping in everyday life. Although many prosthetic solutions for the resurfacing of the metatarsal heads are available on the market, they are often developed for the first toe only. Novastep’s prosthesis was developed to afford a viable solution for the treatment of those pathologies in other toes as well. The development of this prosthesis requires several steps which are: • The definition of medical and mechanical requirements which must been taken into account ; • The design of the prosthesis ; • The development of the surgical technique, that is, the instrumentation for setting up the prosthesis ; • Mechanical and clinical testing to verify the performance of the prosthesis. This design cycle permits justification of the device’s performance necessary to obtain the market approval. In parallel with the resurfacing prosthesis, a study of metatarsal bone remodeling after implantation was realized. This study aimed to present and validate a protocol for the preparation of finite element models of bone remodeling from patient specific computed-tomography data. It also permitted analysis of the impact of the Novastep’s prosthesis on the metatarsal and comparison of those resuts with results obtained with a competitor’s equivalent prosthesis (LMHI of Wright Medical). To our knowledge, this study was the first on the bone remodeling of a prosthetic metatarsal. In the long term, this work could lead to the creation of a decision-making tool for designers for the technological choices of prosthesis design

La prise en charge des patients amputés fémoraux vise à fournir une prothèse confortable permettant de retrouver une autonomie fonctionnelle. L'objectif de notre travail est de mieux comprendre les déterminants du succès de l'appareillage et de proposer une nouvelle méthode d'évaluation instrumentale de la qualité de l'interface moignon-emboiture. Un examen clinique et des questionnaires ont été réalisés chez 40 patients amputés fémoraux. La posture et la marche ont été mesurées chez ces 40 patients et chez 40 sujets contrôle appariés. Les pressions exercées sur le moignon lors de la marche et des postures debout et assise ont été mesurées avec 14 capteurs piézorésistifs de 0,5 mm d'épaisseur et 25 mm de diamètre placés sur le moignon. Les pressions ont été analysées au regard de leurs intensités et au moyen de fonctions de corrélation croisée. Les mesures de pression ont été répétées chez 16 patients pour étudier la reproductibilité des paramètres proposés. Les douleurs et blessures étaient plus fréquentes sur les zones osseuses et chez les patients plus maigres. La marche et la posture étaient dégradées par rapport aux sujets contrôles, et étaient influencées négativement par le poids des patients et positivement par leur expertise. En revanche, une meilleure emboiture n'apportait pas, en elle-même, une meilleure marche. La majorité des paramètres de pression testés étaient reproductibles (50 sur 70). Les bonnes prothèses (induisant une satisfaction élevée, peu de douleurs et pas de plaie) avaient des pressions plus élevées à mi-hauteur et en racine de cuisse, et des pressions qui covariaient fortement (r=0,93-0,99) et de façon synchronisée lors de la marche sur tout le moignon. Les zones osseuses étaient moins tolérantes aux pressions élevées. L'appareillage était plus aisé chez les patients ayant de gros moignons, car les tissus mous permettaient la répartition des pressions sur un mode hydrostatique. Or, ces patients plus lourds présentaient de moins bonnes capacités locomotrices. Ainsi, une meilleure interaction moignon-emboiture ne peut garantir de meilleures capacités de marche, mais favorise le confort et l'absence de douleur et de plaie dans la prothèse. La mesure des pressions permettait d'identifier les emboitures non-adaptées. Il parait donc intéressant d'étendre son utilisation pour aider les appareilleurs à la conception des emboitures. Cependant, la mise en pratique courante de cette méthodologie nécessite de nouvelles expérimentations. / Above-knee amputees' rehabilitation aims at providing a comfortable prosthesis to recover autonomy in daily life activities. The aim of our study is to understand the determinants of successful prosthesis fitting, and to provide a new instrumental method to evaluate the quality of the stump-socket interface. A clinical exam and questionnaires were performed in 40 above-knee amputee patients. Gait and posture were assessed in these patients and in 40 matched controls. Pressures at the stump-socket interface were assessed with 14 force sensing resistor sensors, 0.5 mm thick and 25 mm in diameter, placed on the stump. Pressures were analyzed in terms of intensity and with cross-correlation functions. Pressure assessments were repeated in 16 patients to test the reproducibility of the proposed parameters. Pains and skin lesions were more frequent on the bony part of the stump and in thinner patients. Posture and gait were strongly deteriorated in amputees as compared to controls and were negatively correlated to patient's weight but positively correlated to patient's prosthesis experience. However, better prosthesis do not provided better walking capabilities. Most of the proposed pressure parameters were reproducible (50 out of 70). Good prosthesis (providing high satisfaction, few pain and no wound) exhibited higher pressures at mid-height and at the proximal part of the stump, and their pressure patterns covariated strongly (r=0.93-0.99) and were synchronized during gait. Bony parts were less tolerant to pressure. Prosthetic fitting was easier in patients with a big stump because soft tissues distributed the pressures on the stump in a hydrostatic manner. However, these heavier patients had poorer gait capabilities. Thus, a better stump-socket interaction cannot guarantee better walking abilities but only more comfort and less pain and wound during prosthesis use.Pressure measures detected poorly fitted prosthesis. Therefore, it might be interesting to extent the use of pressure measures to clinical practice to improve patient's comfort. However, application of these material and methods in daily practice need additional experiments.