Cette thèse propose une étude du comportement des tissus mous intra-orbitaires dans le cadre du traitement des exophtalmies, caractérisées par une protrusion du globe oculaire. La partie chirurgicale de ce traitement consiste en une décompression de l'orbite par le biais d'une ostéotomie des parois orbitaires pour réduire la protrusion du globe. Nos travaux visent à prédire les relations entre le volume des tissus décompressés, la surface d'ostéotomie et le recul oculaire résultant pour apporter une aide au planning chirurgical. Pour cela, deux modèles ont été développés. Le premier est un modèle analytique simple de l'orbite assimilant les parois orbitaires à un cône et le globe à une sphère. Il permet de déterminer de façon satisfaisante le volume décompressé en fonction du recul souhaité. Le deuxième est un modèle biomécanique des tissus mous intra-orbitaires et de leurs interactions avec les parois osseuses et le globe. Il s'agit d'un maillage Eléments Finis utilisant un matériau poroélastique et prenant en compte la morphologie de l'orbite du patient, les propriétés mécaniques des tissus mous. Il permet de quantifier le recul oculaire et le volume de tissus décompressés en fonction de l'effort (ou du déplacement) imposé par le chirurgien et de l'ostéotomie (surface et position). Ses résultats sont relativement intéressants et permettent d'évaluer le comportement des tissus intra-orbitaires. La méthode de génération automatique de maillage éléments finis, développée dans cette thèse, a permis d'effectuer différentes simulations d'ostéotomies et de conclure que la morphologie de l'orbite patient a un impact sur le recul et le volume décompressé et que l'influence de la surface d'ostéotomie est modérée. Une analyse rhéologique des tissus mous orbitaires a été effectuée. Les tests in vitro ont permis de poser les bases de futures mesures. Les tests in vivo, réalisés avec un capteur ad hoc, ont déterminé la raideur des tissus mous. Bien que les modèles présentés dans cette thèse ne soient pas encore utilisables dans le cadre d'un planning chirurgical, ils fournissent des résultats satisfaisants et une bonne estimation des phénomènes observés lors d'une décompression orbitaire.

Les techniques de chirurgie assistée par ordinateur suscitent depuis quelques années un vif intérêt, depuis l’aide au diagnostic jusqu’à l’intervention chirurgicale elle-même, en passant pas les prises de décision. Dans ce but, l’Analyse par Éléments Finis (AEF) du comportement de modèles biomécaniques tridimensionnels est une des méthodes numériques les plus utilisées et les plus efficaces. Cependant, la fiabilité des solutions de l’AEF dépend fortement de la qualité et de la finesse de la représentation des organes sous la forme de maillages d'éléments finis (MEF). Or la génération de tels maillages peut être extrêmement longue et exigeante en ressources computationnelles, car il est nécessaire de procéder à l’extraction précise de la géométrie de l’organe-cible à partir d’images médicales avant de recourir à des algorithmes sophistiqués de maillage. Confrontés à ces enjeux, certains travaux se sont attachés à éviter la procédure de maillage en exploitant des méthodes fondées pour chaque patient sur la déformation géométrique d’un maillage défini sur un sujet de référence, dit « Atlas ». Mais ces méthodes nécessitent toujours une description géométrique précise de l’organe-cible du patient, sous la forme de contours, de modèles surfaciques tridimensionnels ou d’un ensemble de points de référence. Dans ce contexte, le but de la thèse est de développer une méthodologie de conception automatique de maillages « patient-spécifiques », basée sur un Atlas, mais évitant cette étape de segmentation de la géométrie de l’organe-cible du patient. Dans une première partie de la thèse, nous proposons une méthode automatique qui, dans une première phase, procède au recalage volumétrique de l'image anatomique de l’Atlas sur celle du patient, afin d’extraire la transformation géométrique permettant de passer de l’Atlas au patient, puis, dans une seconde phase, déforme le maillage de l’Atlas et l’adapte au patient en lui appliquant cette transformation. Le processus de recalage est conçu de telle manière que la transformation géométrique préserve la régularité et la haute qualité du maillage. L’évaluation de notre méthode, à savoir l'exactitude du processus de recalage inter-sujets, s’est faite en deux étapes. Nous avons d’abord utilisé un ensemble d’images CT de la cage thoracique, en accès libre. Puis nous avons exploité des données IRM de la langue que nous avons recueillies pour deux sujets sains et deux patients souffrant de cancer de la langue, en condition pré- et post-opératoire.Dans une seconde partie, nous développons une nouvelle méthode, toujours basée sur un Atlas, qui exploite à la fois l'information fournie par les images anatomiques et celle relative à la disposition des fibres musculaires telles qu’elle est décrite par imagerie par résonance magnétique du tenseur de diffusion (RM-DT). Cette nouvelle démarche s’appuie ainsi, d’abord sur le recalage anatomique proposé dans notre première méthode, puis sur l’identification et le recalage d’un ensemble de faisceaux de fibres musculaires qui seront ensuite intégrés aux maillages « patient-spécifiques ». Contrairement aux techniques usuelles de recalage d’images RM-DT, qui impliquent pour chaque image la réorientation des tenseurs de diffusion soit au cours de l'estimation de la transformation géométrique, soit après celle-ci, notre technique ne nécessite pas cette réorientation et recale directement les faisceaux de fibres de l’Atlas sur ceux du patient. Notre démarche est très importante, car la détermination et l’identification précises de toutes les sous-structures musculaires nécessiteraient une intervention manuelle pour analyser des milliers, voire des millions, de fibres, qui sont grandement influencées par les limitations et aux distorsions inhérentes aux images RM-DT et aux techniques de tractographie des fibres. L’efficacité de notre méthodologie est démontrée par son évaluation sur un ensemble d’images IRM et RM-DT de la langue d’un sujet. / During the last years, there has been considerable interest in using computer-aided medical design, diagnosis, and decision-making techniques that are rapidly entering the treatment mainstreams. Finite Element Analysis (FEA) of 3D models is one of the most popular and efficient numerical methods that can be utilized for solving complex problems like deformation of soft tissues or orthopedic implant designs/configurations. However, the accuracy of solutions highly depends upon the quality and accuracy of designed Finite Element Meshes (FEMs). The generation of such high-quality subject/patient-specific meshes can be extremely time consuming and labor intensive as the process includes geometry extraction of the target organ and meshing algorithms. In clinical applications where the patient specifiity has to be taken into account via the generation of adapted meshes these problems become methodological bottlenecks. In this context, various studies have addressed these challenges by bypassing the meshing phase by employing atlas-based frameworks using the deformation of an atlas FE mesh. However, these methods still rely on the geometrical description of the target organ, such as contours, 3D surface models, or a set of land-marks.In this context, the aim of this thesis is to investigate how registration techniques can overcome these bottlenecks of atlas-based approaches.We first propose an automatic atlas-based method that includes the volumetric anatomical image registration and the morphing of an atlas FE mesh. The method extracts a 3D transformation by registering the atlas' volumetric image to the subject's one. The subject-specific mesh is then generated by deforming a high-quality atlas FE mesh using the derived transformation. The registration process is designed is such a way to preserve the regularity and the quality of meshes for subsequent FEAs. A first step towards the evaluation of our approach, namely the accuracy of the inter-subject registration process, is provided using a data set of CT ribcage. Then, subject-specific tongue meshes are generated for two healthy subjects and two patients suffering from tongue cancer, in pre- and post-surgery conditions. In order to illustrate a tentative fully automatic process compatible with the clinical constraints, some functional consequences of a tongue surgery are simulated for one of the patients, where the removal of the tumor and the replacement of the corresponding tissues with a passive flap are modeled. With the extraction of any formal priorknowledge on the shape of the target organ and any meshing algorithm, high-quality subject-specific FE meshes are generated while subject’s geometrical properties are successfully captured.Following this method, we develop an original atlas-based approach that employs the information provided by the anatomical images and diffusion tensor imaging (DTI) based muscle fibers for the recognition and registration of fiber-bundles that can be integrated in the subject-specific FE meshes. In contrast to the DT MR images registration techniques that include reorientation of tensors within or after the transformation estimation, our methodology avoids this issue and directly aligns fiber-bundles. This also enables one to handel limited or distorted DTIs by deformation of an atlas fibers’ structure according to the most reliable and non-distorted subject’s ones. Such a manner becomes very important, since the classification and the determination of muscular sub-structures need manual intervention of thousands or millions of fibers for each subject, which are influenced by the limitations associated with the DTI image acquisition process and fiber tractography techniques. To evaluate the performance of our method in the recognition of subject’s fiber-bundles and accordingly in the deformation of the atlas ones, a simulated data set is utilized. In addition, feasibility of our method is demonstrated on acquired human tongue data set.

Dans le cadre de cette recherche sur l'émergence de la parole auprès d'enfants paralysés cérébraux, ayant comme pathologie des troubles moteurs, nous avons situé notre démarche épistémologique dans le champ de théories qui permet de comprendre le développement cognitif général, avec le fonctionnement neurobiologique du cerveau et les processus moteurs biomécaniques et sensoriels,impliqués dans la production de parole. Dans notre étude, nous avons émis l'hypothèse de l'existence d'une corrélation entre le développement de la déglutition-mastication et l'émergence de la parole. Sous-jacents à cette corrélation, serait le développement du contrôle de la mandibule, ainsi que celui des articulateurs de la sphère oro-faciale (langue, lèvres, velum, épiglotte). Les résultats expérimentaux principaux montrent que malgré leurs pathologies, ces enfants suivent les tendances préférentielles observées chez les tous enfants « valides », avec la production d'un nouveau patron associatif qui apparaît, dont les sons labiaux et coronaux. En outre, notre étude indique que la saisie et la prise alimentaire, à travers sa diversité, ainsi que sa texture, permettraient l'évolution du développement pré-linguistique et linguistique chez ces enfants. Par ailleurs, nous pouvons souligner que les enfants présentant des troubles de l'oralité alimentaire, correspondant au trouble de l'oralité primaire, auront tendance à développer des troubles de l'oralité secondaire qui engendreront des troubles de la parole. / In this research on the emergence of speech among children with cerebral palsy, whose pathology is motor disorders, our epistemological approach lies within theories that help to understand general cognitive development, based on the neurobiological functioning of the brain, and also on motor biomechanical and sensory processes involved in speech production. ln our study, we hypothesized the existence of a correlation between the development of swallowing-mastication and the emergence of speech. Underlying this correlation would be the development of control of the mandible, as well as that of the articulators of the orofacial sphere (tongue, lips, velum and epiglottis). The main experimental results show that despite their pathologies, these children follow preferential trends observed in all "valid" children, with the production of a new associative pattern that appears, including labial and coronal sounds. ln addition, our study indicates that grasping and food intake, through ils diversity, as well as its texture, would favour the development of prelinguistic and linguistic maturity in these children. Moreover, we posit that children with eating disorders, corresponding to primary eating disorders, will tend to develop secondary eating disorders that will lead to speech disorders.

On entend par substitut dermo-épidermique un épiderme reconstruit à la surface d'un derme équivalent composé de fibroblastes cultivés classiquement dans un biomatériau support, souvent à base de collagène poreux ou sous forme de gel. Ce support possède ses propres propriétés biomécaniques, influant sur la réponse biomécanique globale des peaux reconstruites, nous nous sommes donc intéressés à un modèle de peau reconstruite sans support, dans lequel le derme équivalent est « auto-assemblé » par les fibroblastes néosynthétisant leur propre matrice extracellulaire (MEC). Notre premier objectif a été d'optimiser et de caractériser ce modèle auto-assemblé en termes de structure, de reproductibilité et de fonctionnalité. Notre second objectif a été d'adapter aux peaux reconstruites in vitro (PR) des outils traditionnellement utilisés pour des études in vivo, pour explorer leurs propriétés biophysiques et biomécaniques. Ces outils permettent une exploration morphologique à des résolutions différentes avec l'échographie, la tomographie à cohérence optique (OCT) et la microscopie confocale à balayage et une exploration fonctionnelle des propriétés biomécaniques des PR par cutométrie. Ces données biophysiques ont ensuite été analysées par rapport aux résultats en histologie, immunohistologie et microscopie électronique à transmission. La cinétique de culture du modèle auto-assemblé sur un temps prolongé a montré la grande stabilité de l'épiderme et le remodelage continuel de la MEC avec notamment l'augmentation des fibres de collagène et d'élastine. Au temps de culture de référence sélectionné, correspondant à l'obtention de la différenciation terminale de l'épiderme, nous avons démontré la reproductibilité des épaisseurs de l'épiderme et du derme en histologie et en OCT, de la maturité de l'épiderme et de la jonction dermo-épidermique et de l'expression dermique de l'élastine colocalisée avec la fibrilline. Sur le plan fonctionnel, nous avons démontré la fonction barrière de l'épiderme via l'imperméabilité du stratum corneum et des jonctions serrées / A skin equivalent consist of a epidermis reconstructed on the top of a dermis equivalent classically composed of fibroblasts cultured into a biomaterial scaffold which is often a collagen gel or sponge. This scaffold hold its own mechanical properties, influencing the global skin equivalent biomechanical response, so we choose to develop a scaffold-free skin equivalent (SFSE), based on the ability of fibroblasts to synthezise their own extracellular matrix. Our first objective was to optimize and characterize the structure, the reproducibility and functionality of this scaffold-free model. Our second goal was to adapt biophysical and biomechanical tools classically used for in vivo evaluation to in vitro skin equivalents. Their morphology was explored with different resolutions using echography, optical coherence tomography (OCT) and laser scanning microscopy whereas biomechanical functionality was evaluate by a suction test, the cutometry. This biophysical data were compared to more classical histological, immununohistological and transmission electronic microscopy results. The long-term culture of the scaffold-free model showed the good stability of epidermis and the continuous remodelling of MEC with notably an increase of collagen and elastin fibers. We selected a reference culture time, corresponding to the complete terminal differentiation of epidermis. At this culture time, we showed the epidermis and dermis thickness reproducibity in histology and OCT, the constant epidermis and dermo-epidermal junction maturity and the dermal expression of elastin, colocalized with fibrillin. The barrier function of epidermis was also demonstrated via stratum corneum and tight junctions impermeability

Au sein du règne animal, les humains sont considérés comme possédant des capacités manuelles uniques. Cependant, nous ne savons toujours pas quelles sont les réelles capacités manuelles des primates, ni comment elles ont évolué. Les humains sont-ils réellement uniques ? Cette thèse vise à étudier les capacités de manipulation chez des Hominidés en lien avec l’anatomie et la fonction de leur main, en utilisant une approche interdisciplinaire combinant différentes approches : comportementale, morphologique, fonctionnelle et biomécanique. Pour quantifier les stratégies comportementales et les capacités de manipulation chez des Hominidés, j’ai mené une étude éthologique sur différents grands singes captifs et sur les humains au cours d’une même tâche complexe d'utilisation d'outils. J’ai utilisé des approches comparatives de morphométrie géométrique 3D sur le complexe trapézio-métacarpien combiné avec un modèle musculo-squelettique pour mieux interpréter les résultats comportementaux et pour tester le lien entre la morphométrie de la main et les contraintes biomécaniques durant l’utilisation d’outils chez les Hominidés. Les résultats de cette thèse montrent que les grands singes manifestent des capacités dynamiques de manipulation, mais que chaque espèce a ses propres spécificités. Plus de capacités dynamiques complexes, comme les mouvements intra-manuels, sont observés pour les bonobos et les gorilles que pour les orangs-outans. Les différents modes de vie des espèces peuvent expliquer cette variabilité. En outre, au cours de la tâche complexe d’utilisation d’outils, les humains montrent une meilleure performance que les grands singes et montrent des spécificités. Cette nouvelle approche intégrative montre clairement aussi que les différentes capacités de manipulation des Hominidés ne peuvent pas seulement être une conséquence des différentes morphologies de l’articulation trapézio-métacarpienne, mais aussi des différentes contraintes mécaniques liées à la morphométrie globale de la main. Ces résultats mettent en évidence la difficulté de déduire les capacités manuelles d’espèces fossiles à partir de certaines informations provenant de la forme de l'os, sans tenir compte de la morphométrie globale de la main et de son lien possible avec les contraintes biomécaniques. Cette thèse fournit de nouvelles informations sur les capacités manuelles des Hominidés, sur les différentes contraintes entourant ces capacités, et de nouvelles informations afin de mieux comprendre l'évolution des capacités manuelles chez les primates. / Humans are considered to have unique manual abilities in the animal kingdom. However, we still do not know what the real manual abilities of primates are, nor how they evolved. Are humans really unique? This dissertation aims to investigate the manipulative abilities in Hominids related to their hand anatomy and function, using an interdisciplinary framework combining behavioral, morphological, functional, and biomechanical approaches. To quantify the behavioral strategies and manipulative abilities in Hominids, I have conducted an ethological study on different captive great apes and on humans during the same complex tool use task. I used 3D geometric morphometrics and comparative approaches on the trapeziometacarpal complex combined with a musculo-skeletal model to better interpret the behavioral results and to test the link between hand morphometric and biomechanical constraints during tool use in Hominids. The results of this PhD show that great apes demonstrate dynamic manipulative abilities but that each species has its own specificities. More complex dynamic abilities, such as in-hand movements, are observed for bonobos and gorillas than for orangutans. The different lifestyles of the species may explain this variability. Moreover, during the complex tool use task, humans perform better than great apes and show specificities. The new integrative approach also clearly shows that the different manipulative abilities of Hominids cannot only be a consequence of the different morphologies of the trapeziometacarpal joint but also of the different mechanical constraints related to the overall hand morphometric. These results highlight the difficulty to infer manual abilities in fossils from some bone shape information, without taking into account the overall morphometric of the hand and its possible link with biomechanical constraints. This PhD thesis provides new information on the manual abilities of Hominids, on the different constraints surrounding these abilities, and new information to better understand the evolution of manual abilities in primates.

Justification: Le glaucome entraîne une perte progressive de la vision causée par la détérioration du nerf optique. Le glaucome est répandu dans le monde et cause la cécité dans environ sept millions de personnes. Le glaucome touche plus de 400 000 Canadiens et sa prévalence augmente avec le vieillissement de la population.1,2 Il s'agit d'une maladie chronique surnoise dont les symptômes se manifestent uniquement lors des stades avancés et qui peuvent mener à la cécité. Présentement, le seul moyen possible d’arrêter la progression du glaucome au stade initial est de diminuer la pression intra-oculaire (PIO). Les analogues de prostaglandines (APG) topiques sont fréquemment utilisées comme traitement de première ligne. Cependant, la recherche démontre que cette classe de médicaments peut changer certaines propriétés de la cornée, et possiblement influencer la mesure de la PIO.3 Objectif: À déterminer si l'utilisation d'APG affecte les propriétés biomécaniques de la cornée. La conclusion sera basée sur l'analyse intégrée des résultats obtenus de l'analyseur Reichert oculaire Réponse (ORA), la tonométrie par applanation de Goldmann (TAG) et la pachymétrie ultrasonographique. Le deuxième objectif potentiel de cette étude est de déterminer la corrélation, le cas échéant, entre les propriétés biomécaniques de la cornée, l'épaisseur de la cornée centrale (ECC) et la PIO chez les patients subissant un traitement d’APG topique. L'hypothèse principale de cette étude est que l’APG influence les propriétés de la cornée telles que l'épaisseur centrale, l'élasticité et la résistance. Patients et méthodes : Soixante-dix yeux de 35 patients, âgés de 50-85 ans, atteints de glaucome à angle ouvert (GAO) et traités avec APG topique ont été examinés. Seulement les sujets avec une réfraction manifeste entre -6,00 D et +4,25 D ont été inclus. Les critères d'exclusion sont: patients avec n'importe quelle autre maladie de la cornée de l’œil, telles que la dystrophie endothéliale de Fuch’s et kératocône, ou tout antécédent de traumatisme ou d'une chirurgie de la cornée, ainsi que le port de lentilles de contact. Nous avons demandé aux patients atteints du glaucome qui ont des paramètres stables et qui utilisent l’APG dans les deux yeux de cesser l’APG dans l'œil moins affecté par la PIO, et de continuer l’utilisation d’APG dans l'œil contralatéral. Le meilleur œil est défini comme celui avec moins de dommage sur le champ visuel (CV) (déviation moyenne (DM), le moins négatif) ou une PIO maximale historique plus basse si la DM est égale ou encore celui avec plus de dommage sur la tomographie par cohérence optique (TCO, Cirrus, CA) ou la tomographie confocale par balayage laser (HRT, Heidelberg, Allemagne). Toutes les mesures ont été prises avant la cessation d’APG et répétées 6 semaines après l’arrêt. Les patients ont ensuite recommencé l’utilisation d’APG et toutes les mesures ont été répétées encore une fois après une période supplémentaire de 6 semaines. Après commencer ou de changer le traitement du glaucome, le patient doit être vu environ 4-6 semaines plus tard pour évaluer l'efficacité de la goutte.4 Pour cette raison, on été décidé d'utiliser 6 semaines d'intervalle. Toutes les mesures ont été effectuées à l’institut du glaucome de Montréal par le même technicien, avec le même équipement et à la même heure de la journée. L'œil contralatéral a servi comme œil contrôle pour les analyses statistiques. La tonométrie par applanation de Goldmann a été utilisée pour mesurer la PIO, la pachymétrie ultrasonographique pour mesurer l'ECC, et l’ORA pour mesurer les propriétés biomécaniques de la cornée, incluant l'hystérèse cornéenne (HC). L’hypothèse de l'absence d'effet de l'arrêt de l’APG sur les propriétés biomécaniques a été examiné par un modèle linéaire à effets mixtes en utilisant le logiciel statistique R. Les effets aléatoires ont été définies à deux niveaux: le patient (niveau 1) et l'œil de chaque patient (niveau 2). Les effets aléatoires ont été ajoutés au modèle pour tenir compte de la variance intra-individuelle. L’âge a également été inclus dans le modèle comme variable. Les contrastes entre les yeux et les temps ont été estimés en utilisant les valeurs p ajustées pour contrôler les taux d'erreur internes de la famille en utilisant multcomp paquet dans R. Résultats: Une augmentation statistiquement significative due l 'HC a été trouvée entre les visites 1 (sur APG) et 2 (aucun APG) dans les yeux de l'étude, avec une moyenne (±erreur standard) des valeurs de 8,98 ± 0,29 mmHg et 10,35 ± 0,29 mmHg, respectivement, correspondant à une augmentation moyenne de 1,37 ± 0,18 mmHg (p <0,001). Une réduction significative de 1,25 ± 0,18 mmHg (p <0,001) a été observée entre les visites 2 et 3, avec une valeur moyenne HC finale de 9,09 ± 0,29 mmHg. En outre, une différence statistiquement significative entre l’oeil d’étude et le contrôle n'a été observée que lors de la visite 2 (1,01 ± 0,23 mmHg, p <0,001) et non lors des visites 1 et 3. Une augmentation statistiquement significative du facteur de résistance conréen (FRC) a été trouvée entre les visites 1 et 2 dans les yeux de l'étude, avec des valeurs moyennes de 10,23 ± 0,34 mmHg et 11,71 ± 0,34 mmHg, respectivement. Le FRC a ensuite été réduit de 1,90 ± 0,21 mmHg (p <0,001) entre les visites 2 et 3, avec une valeur moyenne FRC finale de 9,81 ± 0,34 mmHg. Une différence statistiquement significative entre l’oeil d’étude et le contrôle n'a été observée que lors de la visite 2 (1,46 ± 0,23 mmHg, p <0,001). Une augmentation statistiquement significative de l'ECC a été trouvée entre les visites 1 et 2 dans les yeux de l'étude, avec des valeurs moyennes de 541,83 ± 7,27 µm et 551,91 ± 7,27 µm, respectivement, ce qui correspond à une augmentation moyenne de 10,09 ± 0,94 µm (p <0,001). L'ECC a ensuite diminué de 9,40 ± 0,94 µm (p <0,001) entre les visites 2 et 3, avec une valeur moyenne finale de 542,51 ± 7,27 µm. Une différence entre l’étude et le contrôle des yeux n'a été enregistré que lors de la visite 2 (11,26 ± 1,79 µm, p <0,001). De même, on a observé une augmentation significative de la PIO entre les visites 1 et 2 dans les yeux de l'étude, avec des valeurs moyennes de 15,37 ± 0,54 mmHg et 18,37 ± 0,54 mmHg, respectivement, ce qui correspond à une augmentation moyenne de 3,0 ± 0,49 mmHg (p <0,001). Une réduction significative de 2,83 ± 0,49 mmHg (p <0,001) a été observée entre les visites 2 et 3, avec une valeur moyenne de la PIO finale de 15,54 ± 0,54 mmHg. L’oeil de contrôle et d’étude ne différaient que lors de la visite 2 (1,91 ± 0,49 mmHg, p <0,001), ce qui confirme l'efficacité du traitement de l’APG. Lors de la visite 1, le biais de la PIO (PIOcc - PIO Goldmann) était similaire dans les deux groupes avec des valeurs moyennes de 4,1 ± 0,54 mmHg dans les yeux de contrôles et de 4,8 ± 0,54 mmHg dans les yeux d’études. Lors de la visite 2, après un lavage de 6 semaines d’APG, le biais de la PIO dans l'œil testé a été réduit à 1,6 ± 0,54 mmHg (p <0,001), ce qui signifie que la sous-estimation de la PIO par TAG était significativement moins dans la visite 2 que de la visite 1. La différence en biais PIO moyenne entre l'étude et le contrôle des yeux lors de la visite 2, en revanche, n'a pas atteint la signification statistique (p = 0,124). On a observé une augmentation peu significative de 1,53 ± 0,60 mmHg (p = 0,055) entre les visites 2 et 3 dans les yeux de l'étude, avec une valeur de polarisation finale de la PIO moyenne de 3,10 ± 0,54 mmHg dans les yeux d'études et de 2,8 ± 0,54 mmHg dans les yeux de contrôles. Nous avons ensuite cherché à déterminer si une faible HC a été associée à un stade de glaucome plus avancé chez nos patients atteints du glaucome à angle ouvert traités avec l’APG. Lorsque l'on considère tous les yeux sur l’APG au moment de la première visite, aucune association n'a été trouvée entre les dommages sur le CV et l'HC. Cependant, si l'on considère seulement les yeux avec un glaucome plus avancé, une corrélation positive significative a été observée entre la DM et l'HC (B = 0,65, p = 0,003). Une HC inférieure a été associé à une valeur de DM de champ visuelle plus négative et donc plus de dommages liés au glaucome. Conclusions : Les prostaglandines topiques affectent les propriétés biomécaniques de la cornée. Ils réduisent l'hystérèse cornéenne, le facteur de résistance cornéen et l'épaisseur centrale de la cornée. On doit tenir compte de ces changements lors de l'évaluation des effets d’APG sur la PIO. Plus de recherche devrait être menées pour confirmer nos résultats. De plus, d’autres études pourraient être réalisées en utilisant des médicaments qui diminuent la PIO sans influencer les propriétés biomécaniques de la cornée ou à l'aide de tonomètre dynamique de Pascal ou similaire qui ne dépend pas des propriétés biomécaniques de la cornée. En ce qui concerne l'interaction entre les dommages de glaucome et l'hystérésis de la cornée, nous pouvons conclure qu' une HC inférieure a été associé à une valeur de DM de CV plus négative. Mots Clés glaucome - analogues de prostaglandines - hystérèse cornéenne – l’épaisseur de la cornée centrale - la pression intraoculaire - propriétés biomécaniques de la cornée. / Rationale: Glaucoma is a chronic disease that causes a gradual loss of vision due to progressive damage to the optic nerve. It is widespread in the world and causes blindness in about seven million people. In addition, it affects more than 400,000 Canadians and its prevalence is increasing with the aging of the population.1, 2 Glaucoma becomes symptomatic only in the more advanced stages of the disease, and currently, the goal of treatment is to halt the progression of the disease by lowering the intra-ocular pressure (IOP). Topical prostaglandin analogs (PGA) are currently the first line treatment, however research has shown that this class of medications may change certain properties of the cornea, and hence the measurement of IOP.3 Aim: To determine whether the use of topical prostaglandin analogs (PGA) affects the biomechanical properties of the cornea. The conclusion will be based on the integrated analysis of the data collected from the Reichert Ocular Response Analyzer (ORA), Goldmann tonometry and ultrasound pachymetry. The second potential aim of this study is to determine the correlations, if any, between the biomechanical properties of cornea, the Central Corneal Thickness (CCT) and IOP in patients undergoing topical PGA treatment. The main hypothesis of this study is that the PGA drops influence the properties of the cornea such as central thickness, elasticity and resistance. Patients and Methods: In this study, seventy eyes of 35 patients, aged 50 - 85 years, with open angle glaucoma (OAG) and treated with topical PGA were examined. Only subjects with a manifest refraction between -6.00 D and +4.25 D were included. Exclusion criteria included patients with any other corneal eye disease, such as Fuch’s endothelial dystrophy or keratoconus, or any past history of corneal trauma or surgery. Contact lens wearers were also excluded. Patients with stable glaucoma parameters who were using topical PGA in both eyes prior to the start of the study were asked to discontinue the PGA in the best eye and to continue the application of PGA to the contralateral eye. The "best" eye, representing the eye with the least amount of glaucoma-related damage, was selected based on the results of the Humphrey Visual Field (HFA, Carl Zeiss Meditec, Inc., Dublin, CA), Heidelberg Retinal Tomography (HRT II, Heidelberg Engineering GmbH, Heidelberg, Germany), Optical Coherence Tomography (CIRRUS HD-OCT, Carl Zeiss Meditec, Inc., Dublin, CA) and maximum IOP. The contralateral eye served as a control for statistical analyses. Corneal measurements were taken before PGA cessation and repeated 6 weeks after cessation. Patients then restarted the use of PGA and all measurements were repeated once more after an additional 6 weeks. After starting or changing glaucoma treatment the patient should be seen approximately 4-6 weeks later to assess efficacy of the drop.4 For this reason it was decided to use 6 weeks interval. All measurements were performed at The Montreal Glaucoma Institute by the same trained technician, with the same equipment and at the same time of day. Goldmann applanation tonometry was used to measure the patient’s intraocular pressure (IOP), ultrasound pachymetry was used to measure central corneal thickness (CCT) and the ORA provided the measurements of the corneal biomechanical properties, including corneal hysteresis (CH). The hypothesis of no effect regarding the discontinuation of PGA on the biomechanical properties was examined by a linear mixed-effect model using the nlme package in R. Random-effects was defined on two levels: the patient (level-1) and the eye within each patient (level-2). Those random-effects were added to the model to account for the intra-individual variance due to the repeated-measure design. Age was also included in the model as a covariate. Contrasts between the eyes and times were estimated using adjusted p-values to control for familywise error rate using multcomp package in R. Results: A statistically significant increase in CH was found between Visit 1 (on PGA) and Visit 2 (no PGA) in the study eyes, with mean (±Standard Error) values of 8.98 ± 0.29 mmHg and 10.35 ± 0.29 mmHg, respectively, corresponding to a mean increase of 1.37 ± 0.18 mmHg (p < 0.001). A significant reduction of 1.25 ± 0.18 mmHg (p < 0.001) was also observed between Visits 2 and 3, with a final mean CH value of 9.09 ± 0.29 mmHg. In addition, a statistically significant difference between the study and control eyes was only observed at Visit 2 (1.01 ± 0.23 mmHg; p < 0.001) and not at Visits 1 and 3. A statistically significant increase in Corneal Resistance Factor (CRF) was found between Visits 1 and 2 in the study eyes, with mean values of 10.23 ± 0.34 mmHg and 11.71 ± 0.34 mmHg, respectively. CRF was then reduced by 1.90 ± 0.21 mmHg (p < 0.001) between Visits 2 and 3, with a final mean CRF value of 9.81 ± 0.34 mmHg. A statistically significant difference between the study and control eyes was only observed at Visit 2 (1.46 ± 0.23 mmHg; p < 0.001). A statistically significant increase in CCT was found between Visits 1 and 2 in the study eyes, with mean values of 541.83 ± 7.27 µm and 551.91 ± 7.27 µm respectively, corresponding to a mean increase of 10.09 ± 0.94 µm (p < 0.001). CCT then decreased by 9.40 ± 0.94 µm (p < 0.001) between Visits 2 and 3, with a final mean value of 542.51 ± 7.27 µm. A difference between the study and control eyes was only recorded at Visit 2 (11.26 ± 1.79 µm; p < 0.001). Similarly, a significant increase in IOP was observed between Visits 1 and 2 in the study eyes, with mean values of 15.37 ± 0.54 mmHg and 18.37 ± 0.54 mmHg respectively, corresponding to a mean increase of 3.0 ± 0.49 mmHg (p < 0.001). A significant reduction of 2.83 ± 0.49 mmHg (p < 0.001) was observed between Visits 2 and 3, with a final mean IOP value of 15.54 ± 0.54 mmHg. The control and study eyes only differed at Visit 2 (1.91 ± 0.49 mmHg; p < 0.001), confirming the effectiveness of PGA treatment. At Visit 1, the IOP bias (IOPcc – Goldmann IOP) was similar in both groups, all eyes at that time being on long term PGA medication, with mean values of 4.1 ± 0.54 mmHg in the control eyes and 4.8 ± 0.54 mmHg in the study eyes. At Visit 2, after a 6 week washout of PGAs, the IOP bias in the tested eye was reduced to 1.6 ± 0.54 mmHg (p<0.001), meaning that underestimation of IOP by Goldmann tonometry was significantly less than at Visit 1. The difference in mean IOP bias between the study and control eyes at Visit 2, however, did not reach statistical significance (p= 0.124). A marginally significant increase of 1.53 ± 0.60 mmHg (p = 0.055) was observed between Visits 2 and 3 in the study eyes, with a final mean IOP bias value of 3.10 ± 0.54 mmHg in the study eyes and 2.8 ± 0.54 mmHg in the control eyes. We then tried to determine if a low CH was associated with signs of more severe glaucoma progression among our open-angle glaucoma patients treated with PGA. When considering all eyes on PGA at the time of the first Visit, no association was found between VF damage and CH. However, when considering only eyes with more advanced glaucoma, a significant positive correlation was observed between VF MD and CH (B = 0.65; p = 0.003). A lower CH was associated with a more negative visual field MD value and thus greater glaucoma-related damage. Conclusions: Topical prostaglandin analogs reduce CH, CRF, CCT and IOP in glaucomatous eyes. The changes in CH and CCT influence the measurement of IOP, and therefore, these changes should be taken into account when evaluating IOP lowering response to PGA medications. To discern an interaction between IOP and corneal hysteresis, further research should be conducted with intraocular pressure control. It can be achieved by using systemic medications that decrease IOP and do not influence biomechanical properties. It can also be achieved by using Pascal dynamic contour tonometry or a similar tonometer that does not depend on the biomechanical properties of the cornea. Regarding the interaction between severity of glaucoma damage and corneal hysteresis, it was demonstrated that a lower CH was associated with a more negative visual field MD value. Key Words glaucoma – prostaglandin analogs – corneal hysteresis – central corneal thickness – intraocular pressure – biomechanical properties of the cornea.

Dans cette thèse, nous nous sommes attaqués au problème de séparation aveugle de mélanges linéaires de sources ayant des propriétés de cyclo-stationnarité. Trois applications ont été abordées à savoir : télécommunications, vibrations mécaniques et biomécaniques. Dans un premier temps, deux nouvelles méthodes ont été proposées, la première a pour but de séparer aveuglement des sources cyclo-stationnaires partageant une ou plusieurs fréquences cycliques inconnues. Elle combine la diagonalisation conjointe à un nouveau détecteur de points utiles (retard-fréquence cyclique) permettant de composer l’ensemble de matrices de corrélation cyclique devant être diagonalisées conjointement. Quant à la deuxième méthode, elle vise à identifier la matrice de mélange de sources cyclostationnaires de fréquences cycliques inconnues et différentes. L’identification commence par une étape de détection des matrices de rang un, puis décompose en éléments propres le produit de matrices sélectionnées, enfin une méthode de regroupement hiérarchique restitue les colonnes de notre matrice recherchée. Les deux solutions ont été appliquées aux signaux de télécommunications. Dans un second temps, nous avons appliqué d’abord la première méthode proposée sur des signaux mécaniques issus d’un banc de roulements défaillants afin de tester son aptitude à séparer les sources. Ensuite, nous avons proposé une approche qui s’appuie sur l’analyse en composantes parcimonieuses pour séparer les composantes de la force de réaction au sol ayant des propriétés cyclo-stationnaires à l’ordre 1 et 2 / In this thesis, we have tackled the problem of blind separation of linear mixtures of sources with cyclo-stationarity properties. Three applications were studied : telecommunications, mechanical vibrations and biomechanics. First, two new methods have been proposed, the first one aims to blindly separate cyclo-stationary sources sharing one or more unknown cyclic frequencies. It combines the joint diagonalization with a new useful point detector (time lag-cyclic frequency) to compose the set of cyclic correlation matrices to be jointly diagonalized. As for the second method, it aims to identify the mixture matrix of cyclo-stationary sources of unknown and different cyclic frequencies. The identification begins with a step of detecting the matrices of rank one, then the product of selected matrices is decomposed into eigen-elements, and finally a hierarchical regrouping method returns the columns of our sought matrix. Both solutions have been applied to telecommunications signals. In a second step, we first applied the first proposed method on mechanical signals coming from a bank of faulty bearings in order to test its ability to separate the sources. Next, we proposed an approach based on sparse component analysis to separate the components of the ground reaction force with cyclo-stationary properties at order 1 and 2

Si l’obésité a longtemps été considérée comme protectrice pour le squelette, sa prise en charge nutritionnelle s’accompagne d’une perte osseuse. Dans le but d’étudier les mécanismes liant le tissu adipeux et le tissu osseux, des rats ont été nourris avec un régime riche en graisse et en sucre afin d’induire une obésité et ses complications métaboliques. Puis, ces rats ont suivi un programme de prise en charge de l’obésité associant un rééquilibrage nutritionnel à de l’activité physique. Des investigations de la densité, de la micro architecture trabéculaire, de la qualité corticale, des propriétés biomécaniques et des paramètres cellulaires du tissu osseux ont été réalisées sur le squelette des rats. L’obésité induite a amélioré les paramètres densitométriques et corticaux des rats. La prise en charge de l’obésité a entraîné des effets contrastés. Le rééquilibrage de l’alimentation n’a pas altéré la densité ni les paramètres biomécaniques et corticaux du tissu osseux des rats en dépit d’altérations de la micro architecture et des perturbations l’activité cellulaire osseuse. L’exercice a augmenté la densité minérale osseuse du tibia des rats. Nos résultats montrent que l’inclusion de l’exercice dans un programme de prise en charge de l’obésité permet de potentialiser la perte de masse grasse et de maintenir l’intégrité du squelette. En étudiant l’impact d’un régime obésogène et de la prise en charge de l’obésité sur le tissu osseux chez le rat, ce travail de thèse apporte sa contribution dans la compréhension des mécanismes liant le tissu adipeux et le tissu osseux. / While obesity has long been considered protective of bone tissue, its nutritional management is linked to a concomitant bone loss. In order to access these mechanisms, male rats were given a high fat / high sucrose diet to induce obesity and its resulting metabolic disorders. Then, these rats participated in a well balanced nutritional program combined, or not, with physical activity in order to treat their obesity. Investigations on density, trabecular micro-architecture, cortical quality, biomechanical properties and cellular parameters of bone tissue were performed on rat’s skeleton. Obesity had improved the bone density and cortical parameters of rats. Obesity management had induced mixed effects. The well balanced diet did alter neither the bone density nor biomechanical and cortical parameters despite the presence of alterations in the trabecular micro architecture and some disturbances of bone cellular activity. Exercise by itself had increased the tibia bone mineral density. Our results show that including exercise in obesity management allows increasing the fat mass loss and maintaining the skeleton integrity. By studying the impact of an obesogenic diet and obesity treatment on bone tissue in rats, this study brings its contribution to the understanding of the mechanisms linking adipose tissue and bone tissue.

De nombreuses études concluent que la charge mécanique supportée par le genou, qu’elle soit reliée à l’obésité, aux sports intenses, à une altération biomécanique des structures de l’articulation ou à une exposition à des charges lourdes durant les activités occupationnelles, est considérée comme un facteur de risque important au développement de la gonarthrose. La gonarthrose reliée au travail a été le sujet de nombreuses études et plusieurs d’entre elles ont rapporté une prévalence accrue de la gonarthrose chez les travailleurs de certains domaines en particulier, comme la construction, la pose de plancher, la peinture, l’exploitation minière, l’agriculture et le travail en atelier et en milieu de la santé. Les personnes qui travaillent dans ces métiers sont exposées à des positions ou des activités nuisibles, comme travailler à genoux ou accroupi, monter des escaliers ou des échelles, transporter des changes lourdes et marcher de façon prolongée. Ces gestes surchargent l’articulation du genou, ce qui cause des modifications aux structures de l’articulation du genou ou aux adaptations neuromusculaires de patron de mouvement du genou. Ces modifications structurelles et adaptations neuromusculaires peuvent apporter des changements cinématiques à la marche qui peuvent initier la gonarthrose ou contribuer à sa progression. L’objectif principal de la présente étude était d’analyser l’effet d’une surcharge mécanique sur l’articulation fémoro-tibiale (AF-T) subie au travail lors d’une tâche de marche et comparer le patron cinématique de l’articulation fémoro-tibiale des travailleurs exposés à une surcharge mécanique à celui des travailleurs non exposés. Vingt-quatre travailleurs exposés à une surcharge mécanique et neuf travailleurs non exposés ont participé à l’étude. Les données cinématiques de la marche ont été enregistrées au niveau du genou dans des conditions cliniques en utilisant un système de suivi du mouvement électromagnétique. Les paramètres suivant ont été extraits et utilisés pour la comparaison des groupes : l’angle maximum lors du contact initial, l’angle ii maximum de flexion durant la réponse à la charge, l’angle minimum au moment de l’appui unipodal et l’étendue max-min du cycle. La comparaison des groupes pour les variables cliniques et cinématiques a été effectué par l’utilisation de tests-t bilatéraux (« Student-t tests ») et de tests ANCOVA utilisant le poids et la vitesse comme covariables. Les travailleurs exposés à une surcharge mécanique présentaient un plus grand angle de flexion de l’articulation fémoro-tibiale au contact initial, durant la réponse au chargement et à la phase unipodale et ils ont démontré une étendue d’angle moindre que les travailleurs non exposés. Nous croyons que les données cinématiques de la marche peuvent donner des idées sur les facteurs biomécaniques qui pourraient prédisposer les travailleurs au développement ou à la progression de la gonarthrose. Une meilleure compréhension de ces facteurs pourrait être un premier pas vers le développement d’une intervention plus efficace pour cette population. / Many studies agree that mechanical knee loading, either related to obesity, intense sports, biomechanical alteration of the knee or exposition to heavy load occupational activities, is an important factor in knee OA development. Work related knee OA has been the focus of numerous studies, many of them reporting increased knee OA prevalence in workers involved in particular occupational fields such as construction, floor layer, painting, mining, agriculture, shop assistant and health care employees. Persons working in these occupations are exposed to noxious positions or activities such as kneeling, squatting, climbing stairs or ladders, carrying heavy load and prolonged walking. These gestures overload the knee joint, resulting in modifications of the knee joint structures or in neuromuscular adaptations of the knee movement pattern. These structural modifications and neuromuscular adaptations can bring about gait kinematic changes that can either initiate knee OA or contribute to its progression. The main objective of this study was to analyze the effect of mechanical overloading on the tibial-femoral joint suffered during walking tasks at work and compare the kinematics gait tibial femoral joint of workers exposed to knee overloading (KO workers) to that of non-knee overloaded workers (non-KO workers). Twenty four KO workers and 9 non-KO workers participated to the study. Gait kinematic data were recorded at the knee in a clinical setting using an electromagnetic motion tracking system. The following parameters were extracted and used for group comparison: knee angle at initial contact, peak knee flexion angle during loading response and angle range. Group comparison for clinical and kinematic variables of interest was performed with Student-t and ANCOVA tests. KO workers had greater knee flexion angle at initial contact, during loading response and single limb support, and they demonstrated a lower angle range than non-KO workers. iv We believe that gait kinematic data can suggest biomechanical factors that could predispose workers to the development or progression of knee OA. A better understanding of these factors could be a first step toward more efficient intervention within the population.

La sécurité automobile est l’une des principales considérations lors de l’achat d’un véhicule. Avant d’ être commercialisée, une voiture doit répondre aux normes de sécurité du pays, ce qui conduit au développement de systèmes de retenue tels que les airbags et ceintures de sécurité. De plus, des ratings comme EURO NCAP et US NCAP permettent d’évaluer de manière indépendante la sécurité de la voiture. Des essais catapultes sont entre autres effectués pour confirmer le niveau de protection du véhicule et les résultats sont généralement basés sur des valeurs de référence des dommages corporels dérivés de paramètres physiques mesurés dans les mannequins.Cette thèse doctorale présente une approche pour le traitement des données d’entrée (c’est-à-dire des paramètres des systèmes de retenue définis par des experts) suivie d’une classification des essais catapultes frontaux selon ces mêmes paramètres. L’étude est uniquement basée sur les données du passager, les données collectées pour le conducteur n’ étant pas assez complètes pour produire des résultats satisfaisants. L’objectif principal est de créer un modèle qui définit l’influence des paramètres d’entrées sur la sévérité des dommages et qui aide les ingénieurs à avoir un ordre de grandeur des résultats des essais catapultes selon la législation ou le rating choisi. Les valeurs biomécaniques du mannequin (outputs du modèle) ont été regroupées en clusters dans le but de définir des niveaux de dommages corporels. Le modèle ainsi que les différents algorithmes ont été implémentés dans un programme pour une meilleur utilisation quotidienne. / Safety is one of the most important considerations when buying a new car. The car has to achievecrash tests defined by the legislation before being selling in a country, what drives to the developmentof safety systems such as airbags and seat belts. Additionally, ratings like EURO NCAP and US NCAPenable to provide an independent evaluation of the car safety. Frontal sled tests are thus carried outto confirm the protection level of the vehicle and the results are mainly based on injury assessmentreference values derived from physical parameters measured in dummies.This doctoral thesis presents an approach for the treatment of the input data (i.e. parameters ofthe restraint systems defined by experts) followed by a classification of frontal sled tests accordingto those parameters. The study is only based on data from the passenger side, the collected datafor the driver were not enough completed to produce satisfying results. The main objective is tocreate a model that evaluates the input parameters’ influence on the injury severity and helps theengineers having a prediction of the sled tests results according to the chosen legislation or rating.The dummy biomechanical values (outputs of the model) have been regrouped into clusters in orderto define injuries groups. The model and various algorithms have been implemented in a GraphicalUser Interface for a better practical daily use.