Dans les accidents de la route, les lésions cervicales représentent 15% des lésions traumatiques graves et plus de 50% des demandes de remboursements. Les mécanismes lésionnels associés sont encore mal connus, et médecins et assureurs sont demandeurs de critères quantifiant les lésions de type whiplash. Le but de cette étude est de contribuer à l'amélioration de modèles Eléments-Finis permettant d'explorer les mécanismes lésionnels survenant lors de ces sollicitations. A cet effet des mécanismes lésionnels probables ont été identifiés et comparés aux résultats de simulations numériques. L'influence de paramètres extrinsèques et intrinsèques sur le risque lésionnel associé a été évaluée, permettant de mettre en relief l'intérêt d'une étude de critères locaux dans ce contexte. En particulier, l'étude de l'influence de la morphologie a été accompagnée d'une évolution des modèles vers la personnalisation, basée sur la reconstruction géométrique d'un sujet à partir de stéréo-radiographies.

Notre siècle est marqué par une incidence annuelle importante et grandissante des pathologies (surtout dégénératives) à l'origine de lomboradiculalgies invalidantes, ainsi que de leur traitement chirurgical qui, malgré une vraie explosion de méthodes et implants dédiés, ne parvient pas toujours à améliorer les symptômes et permettre au patient de reprendre une vie personnelle et professionnelle normale. L'objectif de ce travail de thèse, en partenariat entre le Laboratoire de Biomécanique, l'Agence Nationale pour la Recherche et la Technologie(ANRT), la société Eurosurgical/SpineNetwork et six centres cliniques partenaires, a été l'analyse des corrélations entre les paramètres biomécaniques du rachis, le résultat clinique et fonctionnel d'un traitement chirurgical, l'état général du patient et sa qualité de vie, afin de mieux comprendre les causes biomécaniques de la réussite ou de l'échec des traitements chirurgicaux sur le rachis lombaire et d'identifier les possibles facteurs clé. Après une analyse bibliographique approfondie pour évaluer l'existant, nous avons mis en place une collecte multicentrique de données (principalement rétrospective) et une méthodologie d'analyse quantitative, appuyée sur un logiciel permettant le calcul de paramètres biomécaniques à partir d'examens radiologiques (que nous avons tout d'abord validé). Ceci a permis, pour les 319 dossiers sélectionnés, une analyse de données in extenso à la fois clinique et biomécanique, qui met en parallèle le résultat clinique et la configuration du patient au cours de son suivi, soulignant les facteurs qui influencent le résultat et les paramètres biomécaniques permettant de les caractériser. Ainsi, un certain nombre de paramètres vertébraux a pu être relié à la détection précoce des complications (dégradation des étages adjacents, subsidence, perte de correction) et les résultats cliniques favorables ont été associés à certaines valeurs des paramètres rachidiens et pelviens, décrivant une géométrie rachidienne normale et équilibrée. De plus, l'analyse biomécanique quantitative à partir de radiographies de rachis permet de s'assurer de la correction obtenue et de sa stabilité dans le temps, de la configuration normale, associée à un équilibre économique du patient, ainsi que de la normalité de la cinématique des étages traités ou adjacents. Ces éléments peuvent compléter l'examen clinique et enrichir les indices dont le clinicien dispose, concernant le pronostique d'un traitement choisi, qu'il soit bon ou marqué par un risque de récidive ou de complication, modifiant et appuyant ainsi la prise en charge du patient.

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.

Le rachis cervical est une structure multi-corps reliant le thorax et le crâne. Ses dérèglements mécaniques et leurs conséquences sont une problématique actuelle. La biomécanique fournit des outils pertinents pour quantifier la cinématique cervicale à partir de données objectives aidant au diagnostic ou à l'évaluation de l'efficacité d'un traitement thérapeutique. L'objectif de ce travail est d'apporter une contribution à l'analyse de l'impact de pathologies cervicales dégénératives ou traumatiques sur sa cinématique 3D in vivo. Une approche globale permettant de caractériser de manière non-invasive les mobilités cervicales a été mise en place à partir d'un protocole spécifique évalué en précision et reproductibilité. La caractérisation de l'influence de l'âge et du genre a été proposée sur un large panel de sujets asymptomatiques. Cette base de données a servi de référence pour mettre en évidence la faisabilité de la caractérisation de signatures pathologiques à partir de cas d'application. Une approche segmentaire a été proposée afin de quantifier la contribution de chaque étage vertébral dans le mouvement. Une méthode de reconstruction 3D personnalisée du rachis cervical à partir de clichés stéréoradiographiques a été mise en place pour quantifier les amplitudes segmentaires cervicales dans les 3 plans de l'espace en clichés pseudo-dynamiques. Ce travail de thèse permet d'aborder la cinématique 3D cervicale in vivo de manière originale et complète. Cette étude ouvre des perspectives intéressantes sur la combinaison entre approche globale et approche segmentaire du rachis cervical, permettant de mieux comprendre et quantifier les dérèglements cervicaux.

Ancient DNA analysis of archaeological wheat remains may serve to clarify unknown or controversial points in the history of wheat. In the first part of this study, extraction and amplification of DNA from Anatolian charred ancient wheat seeds obtained from different locations and ages was attempted. None of the our extraction samples yielded any PCR amplification. The possible reasons for this result were investigated by constructing an artificial charring experiment. The results suggest that the chances of obtaining DNA from the charred archaeological samples used in this study by the methods used are very low. Moreover, strong PCR inhibition by these charred seed extracts was observed. The second part of the study aimed to develop new DNA based markers for ancient wheat DNA analysis. Markers linked to the brittle rachis character exhibiting domestication status were sought, but no result was obtained. Primers targeting plasmon sequences were developed and tested. A primer pair amplifying a 400 bp portion of the chloroplast TrnLTrnF intergenic region was focused upon. A short piece of this region was amplified using ancient wheat DNA extracted in another study. This short piece appeared non-polymorphicupon sequencing. The sequence spanning a wider portion of this region contained a number of length polymorphisms. Phylogenetic reconstruction using maximum parsimony showed that these polymorphisms were able to distinguish wheat taxa at the maternal ancestor level.

De nos jours, la radiographie est l'examen de référence pour le suivi des pathologies de la colonne vertébrale. La radiographie bi-planaire permet de plus, par reconstruction 3D, d'évaluer la configuration spatiale de la colonne vertébrale. Cependant, les expositions radiographiques répétées entrainent une augmentation du risque de cancer. Une solution pour réduire les doses de radiation peut être de remplacer certains examens radiographiques par une mesure de la surface du dos. Cette mesure non-invasive permet, entre autre, d'obtenir un grand nombre de paramètres cliniques utiles pour le diagnostic et le suivi des pathologies. Cette mesure permet également d'estimer la configuration du rachis si l'on met en place une modélisation biomécanique adaptée. Le travail réalisé dans cette thèse consiste à développer et mettre en oeuvre une telle modélisation basée sur les informations personnalisées à la fois internes et externes. Le dispositif Biomod 3S (développé par la société AXS Ingénierie, Bordeaux) offre la possibilité d'une acquisition simultanée de radiographies et de surfaces du dos par franges de Moiré. Cette acquisition sur une quinzaine de sujets scoliotiques (des Hôpitaux Universitaires de Bordeaux) a notamment permis d'évaluer les relations entre plusieurs paramètres 3D internes (e.g., la rotation axiale des vertèbres) et de nombreux paramètres 3D externes (e.g., les gibbosités et flèches). Cette acquisition simultanée permet également de prédire la nouvelle configuration de la colonne vertébrale dans une seconde posture où seule la mesure de surface du dos est effectuée. Pour cela, la modélisation en multi-corps rigides articulés qui a été développée (sous Scilab) utilise (a) la géométrie personnalisée de la colonne vertébrale reconstruite dans la première posture et (b) des contraintes issues de la mesure de la surface du dos dans les deux postures (e.g., position de C7). Le modèle a pu être validé sur une dizaine de sujets sains dont la colonne vertébrale et la surface du dos ont été reconstruits en 3D dans différentes positions (debout, penché en avant) à l'aide d'un IRM positionnel. Le modèle a pu également être exploité sur quelques sujets pathologiques. Ce travail, qui a exploré et exploité de nombreuses informations 3D internes et externes, ouvre des perspectives pour le diagnostic et le suivi non-invasif des pathologies de la colonne vertébrale

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

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.

L'analyse de la posture constitue un élément fondamental dans l'évaluation diagnostique et thérapeutique des patients atteints de déformations rachidiennes. Classiquement basée en pratique courante sur des radiographies du rachis en totalité, de nombreux paramètres posturaux ont été décrits et corrélés à la qualité de vie des patients. Toutefois, l'analyse radiographique conventionnelle ne permet pas systématiquement d'appréhender la posture véritable d'un individu. Une approche biomécanique de la posture en laboratoire d'analyse du mouvement permet donc de s'affranchir de ces contraintes et de caractériser la posture à l'aide de nouveaux paramètres. Un protocole spécifique biomécanique d'analyse de la posture, utilisant des plateformes de force et un système optoélectronique, a été développé afin de caractériser la posture libre d'un individu. D'autre part, ce protocole d'analyse peut ensuite être adapté à la pratique clinique quotidienne en couplant les données issues de la radiographie à celles d'une plateforme de pression. L'analyse d'une cohorte de volontaires sains a ainsi été réalisée, confirmant la faisabilité technique du calcul des moments nets inter segmentaires à l'aide de radiographies et d'une plateforme de pression. Les résultats de ce travail mettent en évidence la faisabilité et la fiabilité du protocole de mesure des moments inter-segmentaires. Ces résultats ouvrent des perspectives en pratique clinique courante avec la possibilité de réaliser cette analyse en pré et postopératoire a des fins diagnostics mais également pour évaluerl'influence du traitement chirurgical sur la modification des contraintes exercées sur le rachis. / Postural analysis is of primary importance for clinical and therapeutic evaluation of spinal deformity patients. This evaluation is currently based on full-spine radiographs and various parameters have been described and correlated with health related quality of life scores. However, this radiographic analysis is not applicable to every patient and can be sometimes misleading for physicians. A biomechanical postural approach using gait analysis is therefore necessary in order to avoid limits from the radiographic analysis. It provides new parameters for postural evaluation. A dedicated biomechanical "free-posture" protocol has been developed using force plates and gait analysis markers. Results from this approach revealed the reliability of the inter-segmental moment's measurements. Evolution of postural parameters during growth according to age was also described using a pediatric cohort. Concurrently, this biomechanical protocol can also be adapted to daily clinical practice, by the combination of a pressure platform and full-spine x-rays. Reliability of this combination was reported on a cohort of volunteers on whom spinal constraints were measured. These results are a source for potential new methods of postural outcomes evaluation in daily practice as they can be calculated during preoperative and postoperative courses.

La scoliose infantile est une déformation rachidienne évolutive survenant chez l'enfant de moins de 3 ans. La technique de correction la plus répandue actuellement est celle des « tiges de croissance ». Cependant, la rigidité du matériel provoque la dégénérescence des disques intervertébraux, ce qui di-minue l'efficacité du traitement. Des études récentes ont montré l'effet bénéfique d'implants flexibles sur les disques. Notre équipe a donc développé le concept d'une suspension implantable qui permet de garder la mobilité axiale des segments instrumentés, associé à un nouveau système de fixation rotulée. Cepen-dant, quelle valeur de raideur permet de préserver les disques tout en corrigeant efficacement la sco-liose ? Cette thèse a donc pour objectifs de démontrer l'intérêt d'une suspension pour les disques inter-vertébraux et d'obtenir des informations quantifiables sur la valeur optimale de raideur. Pour cela des prototypes de suspension avec fixation rotulée, implantables chez le mammifère quadrupède et l'Homme, ont été développés afin d'étudier in vivo et in silico plusieurs gammes de flexibilité. Une étude in vivo sur chèvres adultes saines a été menée pour tester ces prototypes pour 2 raideurs différentes. L'état des disques intervertébraux après 6 mois a été évalué par IRM et par coupes histologiques. En parallèle la biomécanique d'un rachis humain sain puis scoliotique, instrumenté avec différents disposi-tifs (tiges classiques, suspensions, avec ou sans rotules), a été étudiée avec un modèle numérique mul-ti-corps rigides, préalablement validé par comparaison avec des données in vitro de la littérature. Les résultats de l'étude in vivo n'ont pas montré de différence significative entre les différentes instrumentations testées. Un temps d'essai plus long semble nécessaire pour voir apparaître la dégéné-rescence discale. Les simulations numériques ont montré une nette amélioration de la mobilité des segments ins-trumentés avec une suspension rotulée. La majorité de la mobilité est cependant assuré par le nouveau système de fixation et non par la présence d'une plus grande souplesse axiale. La suspension permet néanmoins un gain supplémentaire pour certains mouvements du rachis. Aucune différence significative n'a été constatée entre les 2 valeurs de raideurs étudiées. La présence de fixations rotulée diminue par contre fortement la correction obtenue lors des simulations de chirurgie de distraction. La suspension seule présente un intérêt certain lors de la correc-tion en diminuant les efforts transmis au matériel. Les développements futurs s'orienteraient donc vers une suspension combinée à des fixations rotulées présentant également des raideurs en rotation pour conserver correction et mobilité / Infantile scoliosis is a progressive spinal deformity occurring in children under 3 years-old. The most common currently correction technic is the "growing rods" one. However, the implant rigidity causes intervertebral discs degeneration, which decreases the treatment efficiency. Recent studies have shown the benefic effect of flexible implants on discs. Our team has developed the concept of an implantable suspension that keeps the axial mobility of the instrumented segments, associated with a new fastening ball joint system. However, which is the stiffness value that preserves discs while correcting scoliosis? This thesis goal is to demonstrate the effectiveness of a suspension device for preserving inter-vertebral discs health and obtain quantifiable information on the optimum stiffness value. Prototype suspensions with ball joint fastenings, implantable in quadruped mammals and humans, have been de-veloped to study several ranges of stiffness values in vivo and in silico. An in vivo study on healthy adult goats was conducted to test these prototypes for two different stiffness values. The intervertebral discs health after 6 months was evaluated by MRI and histological sections. In parallel the biomechanics of a human spine was studied with a rigid multi-body numerical model previously validated against in vitro literature data. Healthy and scoliosis subjects instrumented with different devices (traditional rods, sus-pensions, with or without the ball) were modeled. The results of the in vivo study showed no significant difference between the several instrumen-tations. A longer test time seems necessary to observe the onset of disc degeneration. Numerical simulations have shown a marked mobility improvement for the segments in the in-strumented area with a suspension device associated with a ball joint system. However, the majority of the mobility is provided by the new fixing system and not by a greater axial flexibility. The suspension still allows additional gain for certain spine movements. No significant differences were found between the two studied stiffness values. The presence of a ball joint fastening decreases strongly the correction obtained during surgery distraction simulations. The suspension has an interest during correction by reducing the forces trans-mitted to the material when used alone. Future developments thus would lead to a suspension device associated with ball joint fasten-ings that also have rotational stiffness to keep both good scoliosis correction and segments mobility