Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les effets à court ou moyen terme de certaines expositions professionnelles biomécaniques sur lerisque de lombalgie sont reconnus. Les effets à long terme sont moins connus. Ces expositionscontribuent aux inégalités sociales de lombalgies,mais ceci est peu documenté une fois la carrièreterminée.Dans un contexte de débat sur l’âge de la retraite et la prise en compte de la pénibilité au travail,l'objectif de cette thèse était d'apporter des éléments de connaissances sur les liens entreexposition aux risques professionnels physiques et lombalgies autour de l’âge de la retraite, ainsique sur la présence d'inégalités sociale de lombalgies parmi des actifs vieillissants et des retraitéset la contribution de ces expositions à ces inégalités.Les lombalgies ayant duré plus de 30 jours au cours des 12 mois précédents ont été étudiéesdans la cohorte Gazel et l'Enquête Décennale Santé 2002 (EDS).Des arguments en faveur de la persistance des effets d'expositions physiques professionnelles audelà de la période d'activité ont été trouvés. Les données de l’EDS suggèrent que ces effetss’estomperaient au-delà d’un certain âge.Les expositions professionnelles, en particulier biomécaniques, jouent un rôle majeur dans lesinégalités sociales de lombalgies chez les hommes de la cohorte Gazel, actifs vieillissants etjeunes retraités. Par contre, de telles inégalités ne sont pas observées chez les retraités de 60 à74 ans de l'EDS.Ce travail montre l'importance en matière de lombalgies persistantes/récidivantes d'expositionsprofessionnelles a priori accessibles à une démarche de prévention, et l'intérêt de considérer leparcours professionnel dans les politiques de retraite / Some biomechanical exposures at work are recognized short term risk factors for low back pain(LBP). However, long term effects, are not well known. In addition, occupational exposures seemto contribute to social inequalities in low back pain, but this contribution is less documented forolder subjects.In many developed countries, governments are now reconsidering retirement policies. In thiscontext, the objective of this work was firstly to provide additional knowledge about the linksbetween physical exposure and LBP among aging workers and retirees, and secondly to assesssocial inequalities in LBP in this age group and the contribution of occupational factors to suchinequalities.Two populations were studied : volunteers from the Gazel cohort and participants to a Frenchnational survey on health (EDS 2002). The same definition for LBP could be used in bothpopulations : LBP which lasted more than 30 days in the previous 12 months.LBP was associated with physical occupational exposures among aging workers and youngretirees in both populations. Results were consistent with the hypothesis of a persistence of effectsonce occupational exposure has ceased, except among the oldest retirees in the EDS 2002.Biomechanical exposures played a major role in social inequalities for LBP among aging workersand young retirees in the GAZEL cohort. Such inequalities were not observed among the retireesaged 60 to 74 years (men and women) from the EDS 2002.The results highlight the importance of past occupational exposures at retirement age.

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 travail présenté dans cette thèse répond à une attente, exprimée par les cliniciens, d'objectiver leur pratique. Le traitement du handicap (notamment de l'amputé) requiert des moyens d'évaluation performants. Les technologies disponibles actuellement et les méthodes et modèles utilisés en biomécanique permettent d'envisager la réalisation d'examens standardisés de la marche utilisant ces moyens. Le partenariat double, industriel (PROTEOR) et clinique (Centre d'Etudes et de Recherche sur l'Appareillage des Handicapés), dont nous avons bénéficié, a permis d'ancrer notre recherche dans un environnement concret. Le premier résultat de cette thèse est la constitution et l'exploitation de deux bases de données de paramètres de la marche. L'une concerne 55 sujets asymptomatiques et sert de référence. L'autre synthétise les résultats obtenus pour 27 patients amputés fémoraux. L'analyse des données a mené à l'extraction de paramètres quantitatifs caractéristiques de la marche de ces sujets. Le caractère tridimensionnel de l'étude est essentiel et constitue une particularité de ce travail. Le deuxième objectif atteint au cours de cette thèse est la mise en place et l'évaluation préliminaire d'un modèle dynamique de l'amputé fémoral. L'utilisation de ce modèle en lien avec les efforts exercés au sol améliore la compréhension des écarts observés chez l'amputé fémoral par rapport aux sujets asymptomatiques. La validation par le calcul de la résultante des efforts externes est la première réalisée sur l'amputé fémoral et démontre l'intérêt et les perspectives d'une telle analyse.

Les lésions traumatiques de l’intestin sont responsables d’une part importante de la morbidité et de la mortalité consécutives aux lésions traumatiques abdominales. Elles sont pourtant mal connues. Les mécanismes à l’origine de ces blessures sont mal compris alors qu’un rôle paradoxalement négatif de l’usage de la ceinture de sécurité automobile est suspecté. En pratique clinique, le diagnostic précoce reste difficile, alors qu’une relation directe entre le délai diagnostic et le pronostic a été établi. Les règles de prise en charge thérapeutique ne sont pas consensuelles. Concernant la recherche, les quelques données de la littérature sur le comportement mécanique de l’intestin n’ont été obtenues qu’en condition quasi-statique ne reflétant pas les conditions d’un traumatisme. Le présent travail fait le lien entre données cliniques et travaux de recherche. Il apporte des connaissances pratiques sur un certain nombre de questions: quelles sont les situations à risque de chirurgie ? Comment se crée une lésion traumatique intestinale par décélération? Quelles sont les propriétés mécaniques de l’intestin qui dépendent de la cinétique du traumatisme ? Quelles sont les données anthropométriques et issues de l’imagerie médicale qui expliquent la variabilité de l’anatomie de l’intestin et de son mésentère ? Ces travaux serviront de base pour l’élaboration de modèles numériques d’hommes virtuels personnalisés et bio-fidèles utilisables dans le cadre de la traumatologie virtuelle. Ces outils de simulation numérique permettront de valider nos hypothèses sur le processus traumatique et participeront à l’amélioration des moyens de prévention de ces lésions traumatiques. / Traumatic injuries of the intestine are responsible for a significant proportion of the morbidity and mortality in blunt abdominal trauma. Nevertheless they are known very badly. The mechanisms involved are poorly understood despite the fact that a negative effect in the use of car seat belts is suspected. In clinical everyday practice, early diagnosis is often difficult, whereas a direct relationship between diagnosis delay and prognosis has been established. No consensus from academic society is available to help the therapeutic management. Regarding biomechanical research, the few data on the mechanical behavior of the intestine were obtained only in quasi-static condition and so does not reflect the conditions of trauma. The present work creates the link between clinical and research work. It provides practical knowledge on a number of questions: what situations are at risk of surgery? How intestinal injury occurs during traumatic deceleration? What are the mechanical properties of the intestine that depend on the velocity of trauma? What are the anthropometric data from medical imaging that explain the variability of the intestinal and mesenteric anatomy? This work constitutes the basis for the further development of numerical bio-faithful models of humans that could be used in virtual trauma applications. These numerical simulation tools will validate our assumptions about the traumatic process and will participate in the improvement of prevention means.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'une thèse CIFRE - Convention Industrielle de Formation - supervisée par la laboratoire LAMIH UMR CNRS 8201 Laboratoire et financé par l'entreprise SRDEP (Société de Ressources et de Développement pour les Entreprises et les Particuliers) et l'ANRT (Association Nationale de la Recherche et de la Technologie).Il s'agit d'une thèse applicative dans le domaine de la commande robuste numérique des systèmes biomécaniques. L'objectif est de concevoir et de réaliser un appareil de ré-entraînement à l'effort physique pour contrôler les paramètres physiologiques de l'homme avec plusieurs finalités : diagnostic, l'optimisation des prescriptions et sécurisation de l'exercice.Le travail réalisé de divise en deux parties :1 - L'étude scientifique : Dans cette partie, un modèle non linéaire de fréquence cardiaque est proposé ainsi qu'une méthodologie d'identification. A partir des résultats obtenus dans l'étape précédente, est développé un algorithme de commande robuste. Ce dernier est validé à partir de plusieurs tests réalisés en temps réel sur l'homme à l'aide d'un prototype.2 - Réalisation et industrialisation : Cela comprend la conception de l'appareil, le dimensionnement des différentes parties, la conception du système embarqué temps réel, la fabrication des cartes électroniques, l'implantation des algorithmes de commandes ainsi que la gestion des relations avec les partenaires et les sous-traitants.Il s'agit donc clairement d'un projet multidisciplinaire incluant de la mécanique, de l'électronique, de l'informatique, de l'automatique mais aussi le design, des relations clients-fournisseurs, des démarches de contacts avec des clients potentiels et de nombreux essais et mises au point. Dans cette thèse, seuls les aspects scientifiques seront discutés, en particulier ceux centrés autour des techniques de l'automatique : Modélisation, identification, commande et diagnostic même si l'ensemble des activités non liées à ces aspects ont pris un certain temps.

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'une thèse CIFRE - Convention Industrielle de Formation - supervisée par la laboratoire LAMIH UMR CNRS 8201 Laboratoire et financé par l'entreprise SRDEP (Société de Ressources et de Développement pour les Entreprises et les Particuliers) et l'ANRT (Association Nationale de la Recherche et de la Technologie).Il s'agit d'une thèse applicative dans le domaine de la commande robuste numérique des systèmes biomécaniques. L'objectif est de concevoir et de réaliser un appareil de ré-entraînement à l'effort physique pour contrôler les paramètres physiologiques de l'homme avec plusieurs finalités : diagnostic, l'optimisation des prescriptions et sécurisation de l'exercice.Le travail réalisé de divise en deux parties :1 - L'étude scientifique : Dans cette partie, un modèle non linéaire de fréquence cardiaque est proposé ainsi qu'une méthodologie d'identification. A partir des résultats obtenus dans l'étape précédente, est développé un algorithme de commande robuste. Ce dernier est validé à partir de plusieurs tests réalisés en temps réel sur l'homme à l'aide d'un prototype.2 - Réalisation et industrialisation : Cela comprend la conception de l'appareil, le dimensionnement des différentes parties, la conception du système embarqué temps réel, la fabrication des cartes électroniques, l'implantation des algorithmes de commandes ainsi que la gestion des relations avec les partenaires et les sous-traitants.Il s'agit donc clairement d'un projet multidisciplinaire incluant de la mécanique, de l'électronique, de l'informatique, de l'automatique mais aussi le design, des relations clients-fournisseurs, des démarches de contacts avec des clients potentiels et de nombreux essais et mises au point. Dans cette thèse, seuls les aspects scientifiques seront discutés, en particulier ceux centrés autour des techniques de l'automatique : Modélisation, identification, commande et diagnostic même si l'ensemble des activités non liées à ces aspects ont pris un certain temps. / This work of PhD Thesis is realized in the framework of "CIFRE" scholarship supervised by LAMIH UMR CNRS 8201 laboratory and financed by SRDEP (Société de Ressources et de Développement pour les Entreprises et les Particuliers) Company and the ANRT (Association Nationale de la Recherche et de la Technologie) organization. It falls in the domain of numerical identification and robust control of biomedical systems. The aim is to design and to realize a prototype of physical training apparatus based on an electrically controlled brake to regulate some physiological parameters (namely heart rate) by means of exercise intensity. This might be used for diagnostic, optimization of exercise prescriptions and in making exercise more secure for patients.The work can be divided into two parts:1 - Scientific study : in this part, a nonlinear model is proposed for the heart rate/exercise intensity system as well as an identification process. Then, a robust control strategy is established and tested in real time on several subjects using thedeveloped prototype.2 - Realization of embedded system : This includes the design of electromechanical system; the real time embedded system, electronic cards as well as the implementation of control algorithms.It is clearly a multidisciplinary project including mechanics, electronics, informatics, control systems, physiology of human exercise besides project management, relations with partners, and direction of team work. In this thesis only scientific aspects will be discussed and especially those relevant to system identification and control, despite the fact that a relatively big percentage of time had to be devoted to the other aspects.

Le collagène de type I représente la protéine structurale la plus abondante au sein de l'organisme. Au cours du vieillissement, cette protéine à longue demi-vie biologique subit des modifications structurales et fonctionnelles qui affectent les propriétés biomécaniques des tissus. L'un des mécanismes majeurs est la réaction de glycation non enzymatique qui conduit à la formation des produits de glycation avancée (AGEs). Les AGEs entraînent une augmentation de la rigidité du collagène I qui se traduit par une désorganisation des réseaux fibrillaires et une perte d'élasticité tissulaire au cours du vieillissement. Dans cette étude, nous avons développé diverses approches biophotoniques afin d'étudier l'impact du vieillissement sur le collagène de type I, de façon rapide, directe et non destructive. Par microspectroscopies vibrationnelles infrarouge (IR) et Raman, des marqueurs spectroscopiques liés à l'accumulation des AGEs ont été mis en évidence au niveau des lyophilisats de collagènes de type I glyqués in vitro. Ces marqueurs sont retrouvés au niveau des lyophilisats de collagènes de type I d'âges différents et permettent une bonne discrimination des échantillons en fonction de l'âge. La bande spécifique des glucides apparaît ainsi comme un bon marqueur spectroscopique de la glycation, corrélant avec le taux d'AGEs fluorescents. Les pics spécifiques des résidus de proline permettent également de mettre en évidence les changements conformationnels dans la protéine dus à l'augmentation des liaisons croisées. L'imagerie IR appliquée aux tissus murins d'âges différents permet de retrouver ces différences spectrales in situ en fonction de l'âge. L'impact du vieillissement sur le comportement structural des fibrilles de collagène I a été étudié par microscopie multiphoton de second harmonique résolue en polarisation (PSHG). A l'échelle de la fibrille isolée, le vieillissement entraîne une perte de la complexité d'assemblage des fibrilles et une diminution de leur diamètre. L'effet de l'âge sur les propriétés biomécaniques du collagène de type I a été évalué sur des modèles de matrices 3D de collagène de type I, en présence de fibroblastes, par une technique de déformation des matrices et par tomographie à cohérence optique (OCT). Les résultats montrent une diminution du module d'élasticité et de la contraction du collagène avec le vieillissement, en accord avec les données de l'étude cinétique de la fibrillogenèse. Cette étude démontre la complémentarité des techniques biophotoniques employées et leur potentiel dans la caractérisation moléculaire et morphologique des effets de l'âge sur le collagène de type I, de manière directe, non invasive et multi-échelles. / Type I collagen represents the most abundant structural protein in the human body. During aging, this long half-life protein undergoes structural and functional changes which affect the biomechanical properties of tissues. One of the main mechanisms is the non enzymatic glycation leading to the formation of the so-called advanced glycation endprodutcs (AGEs). AGEs give rise to an increase of collagen I rigidity which is responsible for the fibrillar network disorganization and the loss of tissue elasticity with age. In this work, we applied various biophotonic approaches for studying the impact of aging on type I collagen, in a rapid, direct and non destructive way. Using vibrational infrared (IR) and Raman microspectroscopies, we highlighted spectroscopic markers linked to AGEs accumulation in freeze-dried samples of in vitro-glycated type I collagens. These markers were also detected in different-age freeze-dried type I collagens and allowed a clear discrimination of samples as a function of age. The band assigned to carbohydrates appears like a specific spectroscopic marker of glycation, in correlation with the fluorescent-AGEs quantification. The specific peaks for proline residues allow highlighting conformational changes in protein backbone due to a higher cross-linking. IR imaging applied to tissues from different-age rats can detect these spectral differences in situ as a function of age. Impact of aging on the structural behaviour of type I collagen fibrils was studied by polarization resolved second harmonic generation (PSHG) multiphoton microscopy. At the scale of single fibril, aging gives rise to a loss of fibril assembly complexity and a decrease of fibril diameter. Age effect on biomechanical properties of type I collagen was evaluated on 3D type I collagen matrice models in the presence of fibroblasts, using an indentation technique and optical coherence tomography (OCT). Results show a decrease of both elastic modulus and collagen contraction with aging, in agreement with kinetics of the fibrillogenesis process. This study demonstrates the complementarity of the different biophotonic techniques used in our multimodal approach and their potential for characterizing age effects on type I collagen, in a direct, non invasive and multi-scale way.

Ce travail a été réalisé en cotutelle entre l'Université Nationale de Technologie de Ternopil Ivan Pul'uj (TNTU, Ukraine) et l’Université Blaise Pascal (France). Il appartient au domaine scientifique de la biomécanique et de l'informatique. Le but de l'étude est de développer les modèles et les méthodes de traitement des signaux biomécaniques cardiaques par les systèmes de diagnostic assisté par ordinateur avec une précision accrue, informativité et de la complexité de calcul inférieure. La méthode d'analyse statistique du rythme cardiaque a été mise au point. Cette méthode possède une plus grande précision et informativité par rapport aux méthodes connues d'analyse du rythme cardiaque. Dans cette thèse, le logiciel existant de l'analyse des signaux cardiaques biomécaniques a été améliorée par l'ajout de nouveaux modules logiciels, qui mettent en œuvre les nouvelles méthodes de l'analyse du rythme cardiaque et de l'analyse morphologique des signaux cardiaques biomécaniques. / This work has been performed under the co-tutelle agreement between Ternopil Ivan Pul’uj National Technical University in Ternopil (TNTU, Ukraine) and the University Blaise Pascal in Clermont-Ferrand (France). It belongs to the scientific field of biomechanics and informatics. The aim of the study is to develop the mathematical models and methods of the processing of biomechanical heart signals in computer-based diagnostic systems with increased accuracy, informativeness and lower computational complexity. The method of statistical analysis of heart rhythm was developed, which is characterised by higher accuracy and informativeness compared with the known methods of heart rhythm analysis. In this thesis, the existing software of the analysis of biomechanical heart signals was improved by means of adding new software modules that implement the new methods of the analysis of heart rhythm and morphologic analysis of biomechanical heart signals.