L’exploitation de données radiographiques, en particulier pour la reconstruction 3D du rachis de patients scoliotiques, est un prérequis à la modélisation personnalisée. Les méthodes actuelles, bien qu’assez robustes pour la routine clinique, reposent sur des ajustements manuels fastidieux. Dans ce contexte, ce travail de thèse vise à la détection automatisée de points anatomiques spécifiques des vertèbres, permettant ainsi des ajustements automatisés. Nous avons développé premièrement une méthode originale de localisation de coins de vertèbres cervicales et lombaires sur les radiographies sagittales. L’évaluation rigoureuse de cette méthode suggère sa robustesse et sa précision. Nous avons ensuite développé un algorithme pour le problème pertinent cliniquement de localisation des pédicules sur les radiographies coronales. Cet algorithme se compare favorablement aux méthodes similaires dans la littérature, qui nécessitent une saisie manuelle. Enfin, nous avons soulevé les problèmes, relativement peu étudiés, de détection, identification et segmentation des apophyses épineuses du rachis cervical dans les radiographies sagittales. Toutes les tâches mentionnées ont été réalisées grâce à une combinaison originale de descripteurs visuels et une classification multi-classe par Random Forest, menant à une nouvelle et puissante approche de localisation et de segmentation. Les méthodes proposées dans cette thèse suggèrent un grand potentiel pour être intégré à la reconstruction 3D du rachis, utilisée quotidiennement en routine clinique. / Exploitation of spine radiographs, in particular for 3D spine shape reconstruction of scoliotic patients, is a prerequisite for personalized modelling. Current methods, even though robust enough to be used in clinical routine, still rely on tedious manual adjustments. In this context, this PhD thesis aims toward automated detection of specific vertebrae landmarks in spine radiographs, enabling automated adjustments. In the first part, we developed an original Random Forest based framework for vertebrae corner localization that was applied on sagittal radiographs of both cervical and lumbar spine regions. A rigorous evaluation of the method confirms robustness and high accuracy of the proposed method. In the second part, we developed an algorithm for the clinically-important task of pedicle localization in the thoracolumbar region on frontal radiographs. The proposed algorithm compares favourably to similar methods from the literature while relying on less manual supervision. The last part of this PhD tackled the scarcely-studied task of joint detection, identification and segmentation of spinous processes of cervical vertebrae in sagittal radiographs, with again high precision performance. All three algorithmic solutions were designed around a generic framework exploiting dedicated visual feature descriptors and multi-class Random Forest classifiers, proposing a novel solution with computational and manual supervision burdens aiming for translation into clinical use. Overall, the presented frameworks suggest a great potential of being integrated in current spine 3D reconstruction frameworks that are used in daily clinical routine.

La lombalgie est un problème de santé commun qui touche une grande partie de la population des pays industrialisés. Au cours des années, la modélisation numérique a été largement étudiée pour étudier la biomécanique du rachis lombaire pour aider fortement les cliniciens dans le diagnostic et les traitements de cette pathologie. Ce travail présente une méthodologie pour la modélisation éléments finis spécifique au patient prenant en compte à la fois la géométrie individualisée et les propriétés des matériaux des structures biologiques. Dans cette étude, le maillage est piloté par des connaissances des matériaux personnalisées qui sont extraites de l'imagerie médicale avancée. En outre, un logiciel convivial comprenant du traitement d'images, des maillages « material-driven » et de l'affectation des propriétés des matériaux, nommé C3M pour le «Computed Material-driven Mesh Model», a été développé pour générer efficacement des modèles FE spécifiques aux sujets à partir d'images médicales. Ce procédé est appliqué pour générer un modèle FE spécifique au patient du rachis lombaire à partir d'images issues par Résonance Magnétique (IRM) ou par tomodensitométrie 3D (CT). Cette approche ouvre une nouvelle perspective pour améliorer le processus de maillage à l'aide de connaissances du matériel dérivées d'images médicales. Le modèle proposé permet un assemblage précis et simple de vertèbres et des disques intervertébraux en tenant en compte à la fois la géométrie et les propriétés mécaniques des matériaux reflétant la spécificité du patient. / Low back pain is a common health problem which impacts a large part of the population in industrialized countries. Over the years, numerical modeling has been widely studied to investigate the biomechanics of lumbar spine for strongly assisting clinicians in diagnosis and treatments of this spinal pathology. In recent years, there has been a growing interest in researching and developing patient specific computer modeling which has proven its ability to provide great promises for developing realistic model of individual subject. However, still the specificity of these models is not fully described or is often limited to patient geometry. In fact, few models consider appropriate material properties derived from tissue characterization obtained from medical images. Furthermore, patient specific models can be obtained with geometry and mechanical properties derived from CT, but few from MRI which is well-suited for examining soft tissues. Therefore, development of the high-fidelity, patient-specific finite element model of the lumbar spine still presents the challenge. In this context of patient-specific finite element modeling, mesh generation is a crucial issue which requires an accurate representation of the geometry with well-shaped and sized elements and a relevant distribution of materials. This work presents a methodology for patient-specific finite element modeling which takes both individualized geometry and material properties of biological structures into consideration. In this study, the mesh is driven by personalized material knowledge which is extracted from advanced medical imaging. Additionally, a user-friendly program including image processing, material-driven meshing and material properties assignment, named C3M for “Computed Material-driven Mesh Model”, has been developed to generate efficiently subject-specific FE models derived from medical images. This process is applied to generate a patient specific FE model of lumbar spine based on both MRI and CT images. This approach opens a new direction to improve the meshing process using material knowledge derived from medical images. The proposed model allows an accurate and straightforward assembly of vertebrae and IVDs considering both geometry and material properties reflecting patient-specificity.

Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'un projet de recherche translationnel visant à améliorer la conception des corsets orthopédiques de traitement de la scoliose par la mise en place, par méthode inverse, d'un modèle biomécanique global, simplifié et personnalisé, propre au tronc de chaque patient scoliotique. Ils constituent la première étape de ce projet, à savoir, développer et mettre en œuvre des techniques, outils et protocoles permettant, d'une part, la construction d'un modèle géométrique 3D de la surface externe et des éléments internes du tronc du patient à partir de radiographies bi-planes issues d'un équipement standard et du système Model Maker (Proteor), et d'autre part, la mesure des pressions exercées par le corset ainsi que leur recalage sur les géométries reconstruites. Des reconstructions géométriques 3D du tronc avec et sans corset ainsi que des mesures de pressions ont été réalisées pour 11 patients. La conception d'un unique dispositif de calibration associé à un protocole spécifique permet l'acquisition des différentes données quasi sans déplacements du patient. Sa facilité de transport, d'installation et son faible coût, associés à un temps d'acquisition ne pénalisant pas le confort du patient, rendent envisageable son utilisation en routine clinique. L'utilisation de modèles géométriques paramétriques, associée à des équations de prédiction des paramètres anatomiques, permet d'obtenir une initialisation rapide des géométries des éléments internes du tronc à partir d'un nombre réduit de points anatomiques à numériser. Les mesures de la pression exercée par le corset, effectuées à l'aide d'un dispositif innovant muni de capteurs entièrement réalisés en fibres textiles lui permettant d'épouser parfaitement les courbes anatomiques, ont mis en avant les variations de correction, non négligeables, qu'entraînent la modification de la position du patient. / This thesis is a part of a translational research project to improve scoliosis orthopedic brace design through the use, by inverse method, of a simplified and personalized comprehensive biomechanical model for each scoliotic patient’s trunk. It represents the first step of this project, namely, to develop and to implement methods, tools and protocols allowing, on one hand, 3D reconstruction of the external shape and internal components of patient’s trunk from biplanar X-rays (performed with a standard device) and the Model Maker system (Proteor), and on the other hand, measurements of the pressure infered by the brace and their registration on the reconstructed geometry. 3D modeling of the trunk with and without brace as well as pressure measurement were carried out on 11 patients. The development of a common calibration device associated to a specific protocol allows data acquisition nearly without displacements of the patient. Its ease of transportation, installation and a low cost associated with an acquisition time which not penalize the patient’s comfort make possible its use in clinical routine. The use of parametrics geometrical models associated with prediction equations of anatomical parameters provides fast initialization of the geometries of trunk’s internal elements from a reduced number of anatomical landmarks to digitize. Measurements of the pressure infered by the brace, performed thanks to an innovative device made of pressure-sensitive textile fibers allowing it to perfectly fit anatomical curves, have highlighted significant correction variations according to the patient’s position.

Les cervicalgies constituent un enjeu médico-économique pour nos sociétés. Ceci justifie des recherches actives sur le rachis cervical afin de mieux appréhender les fondements des cervicalgies et fournir aux cliniciens des pistes permettant d'en prévenir les effets ou d'améliorer les traitements. Cette étude, qui inclut 66 sujets Asymptomatiques et pathologiques (arthrodèses, prothèses, whiplash), présente un protocole expérimental original et non invasif pour mesurer in vivo la cinématique tridimensionnelle de la tête par rapport au thorax. Elle quantifie les amplitudes angulaires des degrés de liberté principaux et couplés pour les mouvements de flexion-extension, d'inclinaison latérale, de rotation axiale et des mouvements complexes ainsi que les mouvements compensatoires des épaules. L'objectif final de ce travail est la comparaison entre les différentes populations

Pour comprendre et diagnostiquer des pathologies telles que la scoliose qui affectent l'organisation spatiale de notre squelette, il est essentiel d'aborder ces problématiques en trois dimensions. Dans le cadre de leur collaboration franco-canadienne, le Laboratoire de Biomécanique et le Laboratoire de recherche en Imagerie et Orthopédie ont développé des méthodes de reconstruction 3D du squelette à partir de radiographies biplanes, notamment à partir du système de radiographie base dose EOS (Biospace Med, Paris). Ces techniques permettent une analyse clinique globale du patient, en position debout et avec très peu d'irradiations. Néanmoins, le temps de reconstruction reste contraignant pour une utilisation en routine clinique. L'objectif de cette thèse est donc de progresser dans l'automatisation des méthodes de reconstruction 3D à partir de radiographies biplanes. Les méthodes développées seront appliquées au rachis thoracique et lombaire, dans le contexte spécifique de l'étude de la scoliose. Une méthode de reconstruction s'appuyant sur une description paramétrée du rachis et sur des inférences statistiques longitudinales et transversales a été proposée et évaluée. Cette méthode permet, à partir de la saisie opérateur de quelques repères anatomiques dans les radiographies, d'obtenir très rapidement (2min 30s) une reconstruction 3D pré-personnalisée du rachis ainsi que des paramètres cliniques dédiés au diagnostic de la scoliose. Une reconstruction 3D plus précise peut être obtenue en un temps relativement réduit (10min) à partir d'ajustement opérateurs du modèle, qui s'auto-améliore par inférences au fur et à mesure des retouches. Afin de poursuivre la semi-automatisation de cette méthode, des techniques de recalage 2D/3D par traitement d'image, basées sur la segmentation des radiographies mais également sur des mesures de similarités entre des radiographies simulées et les clichés réels ont été proposées. Ces algorithmes s'appuient sur des modèles pseudo-volumiques de vertèbres, plus réalistes que les modèles surfaciques couramment utilisés. Les techniques de recalage ont été intégrées dans le protocole de reconstruction utilisant une description paramétrée du rachis et des inférences, pour proposer et évaluer une nouvelle méthode de reconstruction. Ce travail de thèse ouvre des perspectives concrètes en termes d'utilisation de telles méthodes en routine clinique et permet de poser des bases importantes pour automatiser les méthodes de reconstruction 3D à partir de radiographies biplanes de l'ensemble du squelette.

INTRODUCTION : L'apparition récente des premiers implants rachidiens, au milieu du vingtième siècle, marque non seulement une accélération du développement de la chirurgie rachidienne, mais également la naissance d'une technologie spécifique, qui n'en est encore qu'à ses débuts. Comment évaluer ces implants rachidiens, aussi bien lors de leur conception que lors de la planification de la chirurgie? C'est autour de cette problématique que nos travaux de recherche se sont articulés. MATERIELS & METHODES: Le premier de nos deux axes d'investigation concerne l'évaluation préclinique en fatigue des implants rachidiens, et plus particulièrement des implants d'ostéosynthèse. Nous avons ainsi animé un groupe de travail, composé d'industriels et de chercheurs du LBM, afin de proposer un projet de norme internationale définissant des méthodes d'évaluation fonctionnelle des implants rachidiens, prenant en compte les dernières connaissances scientifiques, notamment concernant les contraintes subies par les instrumentations rachidiennes in vivo. Notre second axe d'investigation concerne l'analyse biomécanique par méthode numérique de la chirurgie du rachis lombaire. Nous nous sommes appuyés pour cela sur un outil de modélisation, géométrique et mécanique, et de simulation par éléments finis personnalisées du rachis lombaire et de sa chirurgie. Nous avons, dans le cadre du projet européen Orthosim, contribué à faire évoluer cet outil. Ensuite, une évaluation extensive de l'outil, en tant qu'aide à la planification chirurgicale, a été réalisée. Nous avons enfin réalisé une évaluation préliminaire de l'influence de l'opérateur sur la réponse de l'outil et participé à son intégration dans le cadre d'un portail Internet. RESULTATS : Les essais réalisés suivant le protocole proposé ont permis de mettre en évidence des modes de rupture en fatigue des implants tels qu'observés in vivo, confirmant l'aspect fonctionnel de l'évaluation. Le contenu technique du projet de norme en découlant à fait l'objet d'un consensus des différents experts de l'ISO en septembre 2006. La publication définitive en tant que norme internationale a été acceptée en avril 2008. Ensuite, l'outil de simulation a été développé et amélioré, d'abord en fiabilisant le processus, puis en élargissant le panel des options de chirurgie proposées. L'évaluation rétrospective a confirmé le caractère prédictif des simulations proposées, quant à l'influence d'une stratégie chirurgicale donnée sur le résultat clinique. Enfin, la mise à disposition des cliniciens de l'outil de simulation a été engagée. CONCLUSION : Ce travail de doctorat, nous a permis de contribuer d'une part à l'évolution des normes d'évaluation auxquelles nous avons tenté de donner une dimension biomécanique, et d'autre part de participer à mise en place d'un outil innovant d'aide à la planification et à l'analyse biomécanique de la chirurgie rachidienne, basé sur les simulations numériques personnalisées.

La sténose lombaire et l'arthrose facettaire représentent les indications principales du remplacement facettaire. L'objectif était d'analyser l'influence d'un nouvel Implant Facettaire Auxiliaire (IFA) sur la biomécanique du rachis lombaire. Les expérimentations cinématiques in vitro ont montré que l'IFA n'avait qu'une faible influence sur les amplitudes de mobilités en flexion-extension et en inflexion latérale du niveau L4-L5 instrumenté. La facettectomie augmentait la torsion axiale de manière importante, alors que l'IFA la réduisait grâce à la liaison transverse de l'implant. Cette limitation d'hypermobilité après facettectomie représente l'intérêt majeur de l'implant. Le disque instrumenté a été étudié in vitro par mesures de pressions intradiscales et par modélisation en éléments finis. Les pressions intradiscales étaient diminuées par l'IFA en flexion-extension. Les contraintes de von Mises de l'annulus étaient similaires entre l'IFA et la lésion par facettectomie et recalibrage. La fusion diminuait les contraintes intradiscales de manière plus importante. Au niveau des segments adjacents, l'IFA et le rachis intact se comportaient de façon similaire en flexion-extension et en inflexion latérale, alors que la fusion augmentait les contraintes de l'annulus et les forces de contact facettaires. En torsion axiale, l'IFA et la fusion augmentaient les contraintes discales et les forces de contact facettaires de manière similaire. Les expérimentations in vitro en cisaillement ont permis de simuler le spondylolisthésis dégénératif débutant. La lésion a entraîné une diminution de la raideur et une augmentation des déplacements antérieurs en cisaillement, alors que le comportement était similaire entre le segment instrumenté par IFA et le rachis intact.

Made available in DSpace on 2015-04-17T14:49:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1211467 bytes, checksum: df384f69e6fa1dea3855cb9baf71e46c (MD5) Previous issue date: 2010-09-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The larger quality problem of table grape is related to the ease berry drop or abscission of berries after harvest of clusters, due to the development of the abscission zone. This study aimed to evaluate the effect of calcium chloride (CaCl2) and 1-MCP (1-methylcyclopropene), on postharvest conservation under different storage conditions of Isabel‟ grape, produced in the Sirijí Valley (PE/PB), conducted in three experiments. In The first experiment Isabel‟ grapes produced at Natuba, Sirijí Valley-PB, Brazil, were treated postharvest with calcium chloride (CaCl2) and modified atmosphere (MA) aiming to evaluate the quality maintenance during storage at 12±1 °C and 85±2% RH. The experiment was carried out in a completely randomized design, in a factorial scheme 5 x 2 x 5 with three replications, with five doses of CaCl2 (0,0; 0,5; 1,0; 2,0 and 4,0%), two types of atmosphere (room and modified) and five evaluations. The evaluations were soluble solids (SS), titratable acidity (TA), SS/TA ratio, pH, ascorbic acid, decay incidence, rachis appearance, and berry drop index. TA, ratio SS/TA, pH, incidence of decay, and mass loss were influenced by both MA and CaCl2. Berry drop index was not affected by treatments. However, rachis appearance was maintained by MA. The application of CaCl2 associated with MA reduced the mass loss and incidence of decay, and kept ascorbic acid content. In the second experiment Isabel‟ grapes from a commercial orchard in the Sirijí Valley - PB were harvested at commercial maturity with the aim of evaluating the effect of doses 1-MCP applied during 12 hours in sealed plastic boxes under room conditions (25 ± 2 ° C and 75 ± 2% RH) during storage under modified atmosphere at room temperature. The experiment was carried out in a completely randomized design, in factorial scheme 4 x 7, with three replications, with four doses of 1-MCP (0, 500, 1000, and 2000 ppb) and seven evaluations (0, 2, 4, 6, 8, 10 and 12 days). The evaluations were soluble solids (SS), titratable acidity (TA), SS/TA ratio, pH, ascorbic acid, anthocyanins, coloration (Lightness, a *, b *, chroma and ° H), incidence of decay, mass loss, firmness, rachis appearance, and berry drop index. The SS, AT, SS/TA, L, Chroma, and incidence of decay were not affected by 1- MCP. The doses of 1-MCP influenced on pH, retention of ascorbic acid, increase of anthocyanins, rachis appearance, lower mass loss, and maintenance of firmness. The berry drop index decreased as the doses of 1-MCP applied increased. In the third experiment, Isabel‟ grapes produced in the Sirijí Valley (PE/PB) were treated postharvest with four doses of 1-MCP (0, 500, 1000, and 2000 ppb) and kept under modified atmosphere and refrigeration (8 ± 1 ° C and 85 ± 2% RH), and followed 18 days transferred to room conditions (25 ± 2 ° C and 75 ± 2% RH), to simulate transport conditions to the market. The experimental design was a completely randomized, with three replications where each experimental unit consisted of three clusters, two factorial schemes were applied: a) 4 x 7, with four doses of 1-MCP and seven evaluation periods during refrigeration (0, 3, 6, 9, 12, and 18 days), and b) 4 x 4, with four doses of 1-MCP and four evaluation, after transference to room conditions (18, 18+2; 18+4, and 18+6 days). The evaluations were soluble solids (SS), titratabe acidity (TA), SS/TA ratio, pH, ascorbic acid, anthocyanins, coloration, incidence of decay, mass loss, firmness, rachis appearance, and berry drop index. During stored under refrigeration, 1-MCP doses did not influence SS, TA, SS/TA, ascorbic acid, coloration (L, a *, C, °H), and incidence of decay. The pH, anthocyanins, firmness, and berry drop index was influenced by the levels of a 1-MCP during the storage under refrigeration. After the transference of clusters to room temperature the doses of 1-MCP influenced the SS, ascorbic acid, firmness, anthocyanins, and berry drop index. Higher doses of 1-MCP promoted the maintenance of anthocyanins, lower rates of mass loss, and reduced berry drop index under room conditions. / Um dos principais problemas de qualidade da uva de mesa está relacionado com a facilidade de degrane, ou queda das bagas, depois da colheita dos cachos, devido ao desenvolvimento da zona de abscisão. Este estudo teve como objetivo avaliar o efeito da aplicação de cloreto de cálcio (CaCl2) e 1-MCP (1-metilciclopropeno) na conservação pós-colheita em diferentes condições de armazenamento de uva Isabel‟ produzidas na região do Vale do Sirijí (PE/PB), conduzido em três experimentos. O primeiro experimento avaliou uvas Isabel‟ produzidas no município de Natuba-PB, aplicando cloreto de cálcio (CaCl2) na pós-colheita associado à atmosfera modificada (AM) visando avaliar a manutenção da qualidade no armazenamento refrigerado à 12±1°C e 85±2% de UR. O delineamento inteiramente casualizado, em esquema fatorial 5 x 2 x 5, com 3 repetições, sendo cinco doses de CaCl2 (0,0; 0,5; 1,0; 2,0 e 4,0%), dois tipos de atmosferas (ambiente (AA) e modificada (AM)) e cinco avaliações. As avaliações foram acidez titulável (AT), sólidos solúveis (SS), relação SS/AT, pH, ácido ascórbico, incidência de podridão, perda de massa, aparência do engaço e índice de degrane. A AT, relação SS/AT, pH, incidência de podridão e perda de massa foram afetados tanto pela AM quanto pelo CaCl2. Os índices de degrane não foram afetados pelos tratamentos. No entanto, a aparência do engaço foi reduzida pela AM. A aplicação de CaCl2 associado à AM reduziu a perda de massa e a incidência de podridão e manteve o teor de ácido ascórbico. No segundo experimento uvas Isabel‟ provenientes de pomar comercial no Vale do Sirijí-PB foram colhidas em estádio de maturação comercial com o objetivo de avaliar o efeito de doses 1-MCP aplicadas durante 12 horas em caixas plásticas hermeticamente fechadas sob condições ambientes (25±2°C e 75±2% de UR) durante armazenamento sob atmosfera modificada em temperatura ambiente. O experimento foi conduzido em delineamento inteiramente casualizado, em esquema fatorial 4 x 7, com 3 repetições, sendo quatro doses de 1-MCP (0; 500; 1000; e 2000 ppb) e sete avaliações (0, 2, 4, 6, 8, 10 e 12 dias). As avaliações foram acidez titulável (AT), sólidos solúveis (SS), relação SS/AT, pH, ácido ascórbico, antocianinas, coloração (Luminosidade, a*,b*,croma e °H), incidência de podridão, perda de massa, firmeza, aparência do engaço e índice de degrane. SS, AT e incidência de podridão não sofreram influência do 1-MCP. Não foram verificados efeitos das doses testadas sobre SS/AT, luminosidade, croma e incidência de podridão. As doses de 1-MCP influenciaram no pH, manutenção do ácido ascórbico, aumento das antocianinas, aparência do engaço, perda de massa e manutenção da firmeza. O índice de degrane foi menor a medida que aumentaram as doses de 1-MCP aplicadas. O terceiro experimento avaliou-se uvas Isabel‟ produzidas no Vale do Sirijí-PB tratadas pós-colheita com quatro doses de 1-MCP (0; 500; 1000; e 2000 ppb) e mantidas sob atmosfera modificada em refrigeração (8±1°C e 85±2% de UR) e após 18 dias transferidas para a condição ambiente (25±2°C e 75±2% de UR), para simular condições de transporte e comercialização. O delineamento experimental foi inteiramente casualizado, com três repetições onde cada unidade experimental era constituída de três cachos, em dois esquemas fatoriais: a) 4 x 7, onde os fatores analisados foram as doses de 1-MCP utilizadas e os períodos de análise durante o armazenamento sob refrigeração (0, 3, 6, 9, 12 e 18 dias); e b) 4 x 4, com os fatores doses de 1-MCP e os períodos de análise durante a manutenção sob a condição ambiente (18; 18+2; 18+4; e 18+6 dias). As avaliações foram acidez titulável (AT), sólidos solúveis (SS), relação SS/AT, pH, ácido ascórbico, antocianinas, coloração, incidência de podridão, perda de massa, firmeza, aparência do engaço e índice de degrane. Durante o armazenamento sob refrigeração, não houve influência das doses de 1-MCP para os SS, AT, SS/AT, ácido ascórbico, coloração (luminosidade, a*, °H), incidência de podridão e aparência do engaço. O pH, antocianinas, firmeza e o índice de degrane foram influenciadas pelas doses de 1-MCP durante o armazenamento refrigerado. Após a transferência dos cachos para a condição ambiente as doses de 1-MCP influenciaram nos SS, ácido ascórbico, firmeza e índice de degrane. Doses maiores de 1-MCP promoveram a manutenção dos teores de antocianinas, menores taxas de perda de massa e reduziram o degrane das bagas na condição ambiente.

Les vis pédiculaires sont largement utilisées pour l’instrumentation et la correction du rachis. L’objectif général de ce projet doctoral est d’étudier l'influence des choix chirurgicaux et des variations morphologiques des vertèbres sur l'ancrage biomécanique des vis pédiculaires. Pour cela, nous avons fait le choix de combiner une modélisation détaillée de l’interaction vis-vertèbre à l’acquisition de données expérimentales indispensables pour valider les outils de simulation. Ce projet doctoral propose un modèle par éléments finis original et innovant prenant en compte l’interface de contact entre les structures osseuses et un comportement élastoplastique avec modélisation de la fracture osseuse pour décrire la biomécanique de l’interaction vis-pédiculaire/vertèbre. De plus, ce projet a également permis de proposer un protocole et une méthode d’analyse pour l’étude de vis pédiculaires sous chargements non-axiaux. Les connaissances développées au cours de ce projet doctoral ont permis de fournir des recommandations pratiques pour les cliniciens ainsi que les développeurs d’implants biomédicaux, autant sur les futurs choix de design des vis pédiculaires que les choix de vis et leur placement afin d’obtenir un meilleur ancrage. À long terme, le modèle pourrait être adapté pour analyser plus en détail les caractéristiques spécifiques du patient et être utilisé comme une formation virtuelle ou d'un outil de planification préopératoire. / The pedicle screws are widely used for instrumentation and correction of the spine. The general objective of this doctoral project is to investigate the influence of surgical choice and morphological changes in the vertebrae on the biomechanical anchorage of pedicle screws. A combined approach using a detailed numerical model to simulate the screw-vertebrae interaction and the acquisition of necessary experimental data to validate the numerical tool was chosen. This doctoral project proposes an original and innovative finite element model taking into account the contact interface between the bone structures and an elastoplastic behavior with bone fracture modeling to describe the biomechanics of the screw / vertebra interaction. In addition, this project also propose a protocol and a method of analysis for the study pedicle screws in non-axial loads. The knowledge developed during this doctoral project have provided practical recommendations for clinicians and developers of biomedical implants, both on future choices of design pedicle screws that screw choice and placement to obtain better anchoring. In the long term, the model could be adapted to further analyze the specific characteristics of the patient and be used as a virtual training or a preoperative planning tool.

L’ostéoporose est définie par une diminution de la masse osseuse et une altération de la structure osseuse. L’évaluation de l’architecture de l’os trabéculaire vertébral est un des enjeux majeurs de recherche actuels visant à la caractérisation des modifications du tissu osseux liées au vieillissement. Par ailleurs, le traitement de la fracture vertébrale ostéoporotique par vertébroplastie a démontré son efficacité. Le ciment actuel utilisé pour la vertébroplastie est le polyméthylméthacrylate. Ce ciment est efficace pour stabiliser la vertèbre et diminuer la douleur mais il existe une toxicité pour les tissus mous avoisinant, notamment la moelle en cas de fuite, et des inquiétudes quant au risque de fracture des vertèbres adjacentes. De nouveaux ciments biointégrables du type ciments phosphocalciques supplémentés en bisphosphonates pourraient avoir leur place à l’avenir dans le traitement des vertèbres.Notre travail de thèse s’est inscrit dans un projet pluridisciplinaire de recherche sur les altérations de la structure de l’os trabéculaire vertébral, reposant sur une analyse en imagerie médicale et une étude biomécanique, et sur le développement d’un nouveau ciment phosphocalcique supplémenté en bisphosphonates.L’ensemble de nos résultats pourra nous permettre :-D’améliorer la prédiction du risque de fracture vertébrale ostéoporotique-D’optimiser les nouveaux ciments biointégrables / The current definition of osteoporosis is a low bone mass associated with a microarchitecture deterioration. Vertebral trabecular bone microarchitecture assessment is an important research topic aiming at the characterization of the modifications of the bone tissue bound to ageing. On the other hand, the vertebral fracture treatment by vertebroplasty is known to be effective. Currently the cement used in vertebroplasty is the polymethylmetacrylate (PMMA). This cement stabilizes the vertebral fracture and decreases the pain, but there are a toxicity for nearby soft tissues, in particular spinal marrow in case of leakage, and concerns as for the risk of fracture of the neighboring vertebrae. In the future, new biointegrable calcium phosphate cement supplemented in bisphosphonate could be used in the vertrebrae treatment.Our work was based on a multidisciplinary project which aimed firstly at evaluating trabecular vertebral bone microarchitecture using medical imaging and biomechanical testing in this crucial anatomical region, secondly at developing a new calcium phosphate cement supplemented in bisphosphonate. Our results may lead to:- improve the fracture risk prediction in osteoporotic vertebra- improve the new biointegrable cements