Les pathologies du système nerveux central sont souvent caractérisées par des pertes de populations cellulaires. Une voie thérapeutique prometteuse en développement consiste à utiliser des biomatériaux bioactifs, associant une greffe de cellules et des biopolymères servant d'échafaudage pour la confection des nouveaux tissus in vitro, implantés in vivo. Dans cette thèse, nous développons une bioprothèse cérébrale qui combine le potentiel régénératif des cellules souches adultes humaines avec un pilotage du comportement de ces cellules par la microtopographie et les nanotubes de carbone. Dans une première partie, dédiée aux études in vitro des interactions entre différents types de cellules neuronales et des indices topographiques, nous montrons que la variation de la géométrie de microsillons créés sur la surface d'un polymère non cytotoxique, le PDMS, permet de déterminer l'architecture des réseaux neuronaux développés. Nous démontrons aussi que les nanotubes de carbone déposés sur des surfaces sous forme de couches constituent un substrat favorable pour le développement des cellules neuronales, et proposons une nouvelle explication de leur rôle dans la culture cellulaire. Dans une deuxième partie, nous utilisons ces résultats pour élaborer une bioprothèse cérébrale pour le rat visant à reconstituer un tissu lésé, dans le cortex moteur responsable de la motricité. L'architecture de la bioprothèse développée intègre les impératifs liés à la culture de cellules souches et liés à la neurochirurgie. Elle est faite en PDMS qui est microstructuré en surface et comporte des cellules souches neurales adultes prédifférenciées en neurones. Nos premiers essais d'implantation chez le rat montrent une récupération fonctionnelle partielle de la motricité des animaux

Une prothèse de genou est généralement, composée de deux parties fixées respectivement sur le fémur et sur le tibia et d’une troisième, dite intercalaire. Durant le processus de fabrication de ces composants des déformations apparaissent au niveau des bruts de fonderie. Les fabricants de prothèses choisissent d’assurer l’épaisseur nominale de la prothèse en enlevant une épaisseur constante sur le brut de fonderie. Cette opération est généralement réalisée manuellement. L’objectif de ces travaux de thèse est de contribuer à l’automatisation de ces opérations en proposant une méthode d’adaptation des trajectoires d’usinage aux variations géométriques de la surface cible. L’objectif de ce travail de recherche est d’adapter une trajectoire d’usinage sur un modèle nominal pour enlever une épaisseur constante sur une surface brute de fonderie mesurée. La méthode proposée commence par une étape d’alignement de la surface mesurée sur la trajectoire nominale en utilisant un algorithme d’ICP. Par la suite, la trajectoire nominale est déformée pour venir enlever l'épaisseur désirée sur la surface brute mesurée. Cette dernière est définie, dans ces travaux, suivant un modèle STL. Naturellement, les discontinuités de ce type de modèle induit une impression des motifs du STL sur la trajectoire adaptée et, donc, sur la pièce usinée. Par la suite, afin de d’atténuer ce problème et d’améliorer la qualité de fabrication, il est proposé de procéder à un lissage de la trajectoire.Afin de valider les développements théoriques de ces travaux, des essais ont été réalisés sur une machine cinq axes pour l’ébauche de composants fémoraux d’une prothèse uni-compartimentale de genou. / Commonly, knee prostheses are composed of two parts fixed respectively on femur and tibia, and a third one called intercalary. During the manufacturing process, of these components distortions appear on roughcast workpiece geometry. Thus, prosthesis manufacturers choose to ensure the nominal thickness of the prosthesis by removing a constant thickness on the roughcast workpiece. This operation is generally carried out realized manually.The aim of this thesis is to contribute to the automation of these manual operations by providing a method to adapt the machining toolpaths at geometrical variations of the target surface. The aim of this research work is to adapt a machining toolpath computed on a nominal model to remove a constant thickness on a roughcast measured surface. The proposed method starts with an alignment step of the measured surface on the nominal toolpath using an ICP algorithm. Subsequently, the nominal toolpath is deformed to remove the desired thickness of the measured rough surface defined in presented case by a STL model. Naturally, discontinuities of this type of model induce the apparition of pattern for the STL on the adapted toolpath and thus on the machined workpiece. Subsequently, to limit this problem and to improve the quality of realized surface, it is proposed a toolpath smoothing method. To validate theoretical developments of this work, tests were carried out on a five-axis machine for roughing of femoral components of a unicompartmental knee prosthesis.

Cette thèse propose une analyse comparative acoustique et perceptive de la voix d’un effectif statistiquement fiable d’enfants sourds appareillés et implantés cochléaires. Peu de paramètres diffèrent de manière significative entre le groupe d’enfants sourds ayant été appareillés et implantés avant l’âge de trois ans, et le groupe d’enfants entendants. L’ensemble de résultats indiquent que la voix des enfants de notre étude ne présente pas les caractéristiques traditionnellement retenues pour déterminer la voix pathologique. Par ailleurs, les caractéristiques de la voix des enfants implantés cochléaires sont sensiblement comparables à celles des enfants entendants. Fort de ces résultats expérimentaux, nous avons proposé un modèle « vibro-acoustique » de la régulation de la voix des enfants sourds « oralisés », et développé un simulateur numérique de la boucle audio-phonatoire. / This dissertation presents an acoustic and perceptive comparative analysis of the voice in a reliable size group of fitted and cochlear implanted deaf children. There are very few significantly different parameters between fitted and implanted children before three years old and normal children. Results do not confirm that hearing-impaired children’s voices of our study are pathological. Furthermore, characteristics of cochlear implanted voices are nearly comparable to normal children’s voices. As a consequence of these results, we propose a « vibro-acoustic model » and a software of voice control mechanism in deaf children.

L’instruction des ADV (Aveugles et Déficients visuels) sous-tend leur apprentissage et leur intégration aussi bien scolaire que sociale, et est fondée sur des politiques mises en œuvre dans divers pays. En France et dans d’autres pays, sont conçues au profit des ADV des politiques d’intégration dont celles en milieu ouvert et en milieu spécialisé. Les études de terrain en France et en Tunisie montrent, qu’avec de supports et de matériels spécifiques, les ADV ont pu apprendre les mathématiques en concrétisation de ces politiques d’intégration. / Teaching the BVI (Blind and Visually Impaired) is the foundation of their learning and integration in both school and society, and is based on policies implemented in various countries. In France and in other countries, integration policies, in an open and specialized setting, are formed for the BVI. Field studies in France and in Tunisia show that with specific media and materials, the BVI were able to learn Math, thus concretizing these integration policies.

Le thème central de cette thèse est la conception d’actionneurs doux à partir de matériaux intelligents et d’une prothèse de main robotique souple. Notre approche prends en compte les différents points qui peuvent influer sur le développement d’une stratégie d’actionnement ou d’un muscle artificiel : i) Les mécanismes et la fonctionnalité de la main humaine afin d’identifier les exigences fonctionnelles pour une prothèse de main robotique en matière de préhension. ii) L’analyse et l’amélioration des mécanismes de la main robotique pour intégrer un comportement souple dans la prothèse. iii) L’évaluation expérimentale de la prothèse de main robotique afin d’identifier les spécifications du système d’actionnement nécessaire au fonctionnement cinématique et dynamique du robot. iv) Le développement et la modélisation d’une stratégie d’actionnement utilisant des matériaux intelligents.Ces points sont abordés successivement dans les 4 chapitres de cette thèse1. Analyse du mouvement de la main humaine pour l’identification des exigences technologiques pour la prothèse de main robotique.2. Conception et modélisation de la prothèse de main robotique à comportement souple.3. Evaluation mécatronique de la prothèse de main.4. Conception d’un muscle artificiel basé sur des matériaux intelligents. / In the field of robotic hand prosthesis, the use of smart and soft materials is helpful in improving flexibility, usability, and adaptability of the robots, which simplify daily living activities of prosthesis users. However, regarding the smart materials for artificial muscles, technologies are considered to be far from implementation in anthropomorphic robotic hands. Therefore, the target of this thesis dissertation is to reduce the gap between smart material technologies and robotic hand prosthesis. Five central axes address the problem: i)identification of useful grasping gestures and reformulation of the robotic hand mechanism, ii) analysis of human muscle behavior to mimic human grasping capabilities, iii) modeling robot using the hybrid model DHKK-SRQ for the kinematics and the virtual works principle for dynamics, iv) definition of actuation requirements considering the synergy between prehension conditions and robot mechanism, and v) development of a smart material based actuation system.This topics are addressed in four chapters:1. Human hand movement analysis toward the hand prosthesis requirements2. Design and modeling of the soft robotic hand ProMain-I3. Mechatronic assessment of Prosthetic hand4. Development of an artificial muscle based on smart materials

L' arthroplastie de la hanche par prothèse non cimentée est une solution couramment employée pour les patients rencontrant des problèmes du système locomoteur. Une telle solution présente toutefois un inconvénient majeur, souligné par tous les utilisateurs : le manque de stabilité primaire de la prothèse. Or, cette faiblesse peut provoquer des complications graves, voire l'échec de l'opération chirurgicale. Par conséquent, parvenir à une bonne fixation primaire est un point crucial de ce type d'opération chirurgicale pour assurer cliniquement une satisfaction à court et long terme.Dans le but de mieux appréhender cette problématique centrale, une piste préopératoire a été adoptée. Un modèle éléments finis permettant de décrire le comportement mécanique du système couplé « os-prothèse non cimentée : DePuy Corail® » a été développé et validé par des expérimentations in vitro. Puis, pour tenir compte de la forte variabilité des paramètres du modèle, inhérente à la nature même du problème, une modélisation stochastique de ces derniers a été introduite et une stratégie mécano-probabiliste proposée, destinée d'une part à quantifier en termes probabilistes l'effet sur la réponse des incertitudes affectant les paramètres du modèle, et d'autre part à évaluer la stabilité primaire du système os-prothèse en contexte fiabiliste. La mise en oeuvre pratique de cette approche a été réalisée à l'aide d'outils numériques basés sur la méthode de Monte-Carlo standard et une procédure de collocation stochastique.L'originalité du travail présenté réside avant tout dans la proposition d'une méthodologie probabiliste capable de prendre en compte les incertitudes dans la problématique de la stabilité primaire des prothèses de hanche non cimentées. Elle tient également dans la potentialité de cette méthodologie à être facilement transplantable en contexte industriel. / The hip arthroplasty with cementless hip prosthesis is a solution usually used for the patients suffering the problems of the musculoskeletal system. However, such a solution has a major disadvantage, pointed by all users : the lack of primary stability of the prosthesis. This weakness can cause serious complications or failure of the surgery. Therefore, to achieve a good primary fixation is a crucial point of this type of surgery to ensure a short and a long term clinical satisfaction. In order to better understand this central issue, a preoperative track is adopted. A finite element model to describe the mechanical behavior of the coupled system " femur-cementless prosthesis : DePuy Corail® "has been created and validated by the experiments in vitro. Then, in order to take into account the high variability of model parameters, inherent to the nature of the problem, the stochastic modeling of random input parameters has been introduced and a mechanical-probabilistic strategy has been proposed, on the one hand to quantify, in probabilistic terms, the effect, on the response, of the uncertainties affecting the input parameters of the model, and on the other hand to evaluate the primary stability of the bone-prosthesis system in reliability context. The practical implementation of this approach is realized by using the numerical tools based on the standard Monte Carlo method and the stochastic collocation procedure. The originality of the work presented is primarily in the proposition of a probabilistic methodology capable of taking into account the uncertainties in the problem of primary stability of cementless hip prostheses. It also lies in the potentiality of this methodology to be transplantable easily in industrial context.

Cette thèse aborde une étude biomécanique de l’appareil stomatognathique en vue d’analyser les conséquences sur les articulations temporo-mandibulaires (ATM) de la mise en place d’une prothèse complète implanto-portée. Cette étude est réalisée à l’aide de la méthode des éléments finis. Dans ce travail, deux modèles ont été créés. Un premier est basé sur la géométrie d’un sujet sain volontaire sans problèmes articulaires ni dentaires. Un deuxième, avec une restauration de la dentition par une prothèse dentaire complète sur implants, repose sur la géométrie des structures osseuses du cas sain. Une méthodologie a été mise en place pour la construction du modèle éléments finis, basé sur celle développée dans la thèse d’Alvarez. Une comparaison des résultats est effectuée entre les modèles du cas sain d’Alvarez et celui exposé dans ce travail afin d’évaluer l’influence des modifications apportées et de valider ce dernier. Puis une comparaison est effectuée entre le cas sain et restauré pour une ouverture/fermeture modérée de la mâchoire ainsi que lors de la morsure d’aliments au niveau des incisives. Une autre problématique abordée dans cette thèse est l’analyse du risque d’échec de l’implantation dans l’os dont la qualité est dégradée par la perte des dents. Deux géométries d’implants ont été testées pour différentes qualités osseuses, un implant classique et un implant nouvellement breveté / This study deals with a biomechanical analysis of the stomatognathic system in order to understand the consequences of complete fixed dental prosthesis on temporomandibular joint (TMJ). The finite element method is used to achieve this goal. Two models have been created, a healthy and restored by prosthesis ones. The first model is based on a healthy volunteer subject morphology, without dental or articular troubles. The restored model is based on the bony structures of the healthy individual. Mandibular teeth have been removed numerically and a complete fixed overdenture has been settled on the mandible. The construction of the finite element model has been set up following the method developed by Alvarez. A comparison between results obtained by both approaches on the healthy case has been done to validate our model and to evaluate the impact of the improvements proposed in this work on mandible behavior. Then a comparison between the healthy and restored cases is done for a moderate opening /closing motion of the jaw and for a foodstuff bite between the incisors. Another problematic is treated in this thesis, the risk of peri-implant bone damage. Teeth lose induce a bone quality degradation that could cause the implantation failure. Two implant geometries have been tested for different bone qualities during clenching. In the first case, the classical implants, frequently employed by dentists, have been used. In the second case, the advantages of the newly patented implant, composed of a vertical and horizontal screws, have been tested

La performance des mécanismes est intimement liée à la précision des surfaces qui composent les liaisons. La démarche habituelle de l’analyse de ces surfaces est basée sur des hypothèses fortes concernant leurs comportements. Ainsi, les défauts de forme et de rugosité sont négligés et les surfaces sont supposées infiniment rigides. L’objectif principal de ces travaux est de développer une méthode permettant d’étudier l’influence des défauts de forme sur les performances des assemblages. Elle repose sur une méthodologie et des outils pour l’identification des défauts qui vont optimiser ou pénaliser les exigences fonctionnelles de l’assemblage. Dans ce manuscrit, deux cas d’étude sont proposés.Dans un premier temps, un montage de type bride (centrage court, appui plan) est étudié afin de valider l’ensemble de la démarche développée. Les outils utilisés reposent essentiellement sur la décomposition et composition modale des défauts, le concept de surface écarts, la recherche de zone d’appui stable ainsi que la quantification des déformations de surfaces de contact basées sur des modèles analytiques ou numériques. L’influence des défauts de forme sur la précision de mise en position est quantifiée par un domaine écart de liaison. Une confrontation entre la démarche théorique et un dispositif expérimental permet de valider l’approche. Par la suite, une liaison sphérique est considérée constituant une prothèse totale de hanche en matériau céramique. Pour ce cas d’étude, l’objectif est d’identifier, au regard des typologies de défauts, leurs conséquences sur l’apparition d’un phénomène sonore assimilable à du grincement appelé le squeaking. La démarche reprend les mêmes étapes que celles utilisées avec l’étude de la bride. Différents dispositifs expérimentaux sont mis en place confirmant la pertinence de cette approche. Des mesures spécifiques apportent des éléments d’analyse et de compréhension sur le comportement dégradé de la liaison. Ce travail de thèse s’inscrit dans une collaboration entre 3 laboratoires : SYMME d’Annecy, I2M-IMC de Bordeaux-Talence, et la société Tural localisée à Marignier (74), laboratoire de recherche industrielle qui travaille sur des implants médicaux. / The performance of a mechanism is closely correlated with the accuracy of the surfaces that make up the mechanical joint. The most common approach used to study these surfaces is based on strong assumptions about their behavior. Form errors and roughness are neglected and the surfaces are assumed infinitely rigid. The main objective of this work is to develop an original approach to study the impact of form errors on the assemblies. It is mainly based on a methodology and associated tools to predict which defects will optimize or penalize the functional requirements of the assembly. In this manuscript, two case studies are proposed. In a first step, a plate flange (ball and cylinder joints added to a planar joint) is designed to validate the overall approach. Modal decomposition of defects, sum-surface concept, the determination of a stable contact area and quantification of contact deformation of surfaces correspond to the main theoretical tools used in this framework. The influence of form errors on the positioning accuracy is quantified by a clearance domain. Comparisons between theoretical approach and experimental setup are used to validate the models. Subsequently, a spherical joint is considered corresponding to a total hip implant with ceramic material. The objective of this study is to identify which type of form errors can impact the appearance of the squeaking phenomena. The same procedure is followed as for the first example. In parallel, several experimental devices are designed to validate the relevance of this approach. Specific measurements provide some key elements to understand the behavior of the implant subject to squeaking. This work is part of a collaboration between three laboratories : SYMME Annecy, I2M-IMC Bordeaux, and Tural company located in Marignier (74), an industrial research laboratory working on medical implants.

Objectifs : Ce travail a pour but de développer un larynx artificiel composé de 2 structures : 1) une structure inamovible en titane poreux prolongeant la trachée; 2) une double valve remplissant la fonction de sphincter. Matériels et Méthodes : L’intégration de la prothèse en remplacement trachéal a été testée in vitro et in vivo sur les modèles animaux rats, lapins et brebis. Suite à l’ensemble de ces résultats, nous avons réalisé la première application clinique du larynx artificiel. Résultats : 1) L’ajout d’un tube de silicone endoprothétique améliore la survie chez le gros animal; 2) l’intégration tissulaire de la prothèse de trachée associée à un matériel polymérique biodégradable était supérieure à celle des prothèses en titane poreux nu; 3) la vitesse de colonisation des prothèses en titane poreux était accélérée lorsque l’on diminuait la taille des billes. Un premier patient a été implanté avec une prothèse de larynx artificiel avec des résultats satisfaisants à 9 mois. Conclusions : Nos études concernant l’intégration de prothèses de trachées in vitro et in vivo ont permis de contribuer à l’aboutissement de la première application clinique de larynx artificiel. / Background: The aim of this work is the design of an artificial larynx made of 2 elements: 1) a non-removable bio-integrable structure designed to provide a connection with the remaining trachea; 2) a double valve that fulfills the sphincter function. Materials and Methods: In vitro and in vivo tests (rat, rabbit and sheep model) were performed to achieve the tracheal prosthesis integration. Following all these results, we carried out the first clinical application of an artificial larynx. Results: i) The long-term survival of the animals was improved when an endoprosthetic silicon calibration tube was used; ii) tissue integration of the prostheses in porous titanium filled with biodegradable polymer was better than the bare porous titanium; iii) prosthesis integration was improved when pore size was decreased. A first patient was implanted with an artificial functional larynx with satisfactory results after 9 months of implantation. Conclusion: The whole in vivo and in vitro studies concerning the integration of the tracheal prosthesis has contributed to the success of the first clinical application of the artificial larynx.

RERUME: Les modèles personnalisés 3D sont de plus en plus demandés pour la planification chirurgicale et les recherches en biomécanique. L’objectif principal de cette thèse cotutelle était d’améliorer la méthode de reconstruction 3D à partir des images radiographies biplanes proposée par Lagacé, Ohl et al., afin que celle-ci puisse être plus facilement utilisée en clinique et qu’elle puisse permettre d’aider à la planification chirurgicale et/ou l’évaluation post-chirurgicale. Le système de radiographie biplane EOS à faible dose d’irradiation est le résultat d’une collaboration entre la société EOS imaging, l’institut biomécanique humaine Georges Charpak d’Arts et Métiers ParisTech, le laboratoire de recherche en imagerie et orthopédie (LIO) de l’école de technologie supérieure de Montréal, Georges Charpak, Jean Dubousset et Gabriel Kalifa (Dubousset et al. 2010). Le principe du détecteur de rayon X est basé sur les travaux développés par le Prof. Charpak, qui réduit significativement la dose de rayonnement comparé à la radiographie standard (Dubousset et al. 2010) Quatorze indices cliniques utilisés plus ou moins couramment en clinique pour le diagnostic et le suivi des pathologies de l’épaule et pour la planification chirurgicale et son évaluation post-opératoire ont été calculé. La justesse est acceptable (biais <1 mm sauf la distance sous acrominale) et une reproductibilité (2 fois écart-type inférieur à 5 mm ou 5° sauf 2 paramètres) qui est similaire à ce qui est présenté dans la littérature. L’approche proposée apporte sur une amélioration de la reconstruction dans un contexte où il serait intéressant qu’elle devienne utilisable en routine clinique. Bien que les améliorations soient encore nécessaires, cette contribution apporte une pierre à l’analyse de l’articulation intacte et pathologique et est prometteuse quant à la possibilité de son implantation dans la routine clinique pour évaluer les interventions chirurgicales en pré- et post-opératoire. / Three-dimensional subject-specific models are increasingly requested for surgical planning and research in biomechanics. The main objective of this cotutelle thesis was to improve the 3D reconstruction method using biplane radiography images proposed by Lagacé, Ohl et al., in order to facilitate its application in clinic, especially to assist surgical planning and/or post-surgical evaluation. The low-dose biplane radiography EOS was used and an improvement to the reconstruction method was proposed. Fourteen clinical indices used more or less routinely in clinical diagnosis for monitoring of shoulder disorders and for surgical planning and postoperative evaluation were calculated and evaluated. The accuracy is acceptable and reproducibility is similar to what is presented in the literature. The proposed approach brings an improvement of reconstruction in a context where it would be interesting for clinical routine use. Although improvements are required, this contribution brings a stone to the analysis of intact and pathological joint and is promising as to the possibility of its presence in the clinical routine for evaluating pre- and post-operative surgery.