Les données sur le comportement biomécanique de la paroi abdominale restent limitées. Cette méconnaissance est un facteur limitant pour le développement de modèles numériques de cette région anatomique. L’objectif de cette thèse est d’apporter des données quantitatives sur le comportement biomécanique de la paroi abdominale, en adoptant une approche expérimentale globale allant de l’ex vivo à l’in vivo. Dans un premier temps, un protocole de caractérisation ex vivo est mis au point et validé sur des spécimens porcins, puis appliqué à des échantillons humains. Ce protocole permet de tester une même paroi abdominale sous deux types de sollicitation (pression et contact) dans le domaine élastique. Il permet également d’évaluer l’influence d’une lésion et d’une réparation avec un implant chirurgical, sur la réponse mécanique de la paroi. Des mesures par corrélation d’images 3D réalisées simultanément sur les surfaces internes et externes quantifient les différences de distribution des déformations de la paroi abdominale. Dans un second temps, des examens in vivo sur volontaires permettent de prendre en compte l’activité musculaire. Une raideur locale est ainsi évaluée pour diverses activités physiologiques, raideur qui augmente en fonction du niveau de contraction jusqu’à 6 fois la valeur au repos. En résumé, cette recherche propose une méthodologie pour mieux comprendre le comportement mécanique global de la paroi abdominale. Cette méthodologie peut être déclinée, afin d’étudier l’influence des différents composants de la paroi. Au-delà de cette thèse, ces données contribueront à la construction et la validation d’un modèle numérique de la paroi abdominale.

Loss of balance is a common phenomenon in our society resulting in injuries and even deaths each year. Among other common sources of destabilization such as slips or trips from an obstacle, the public transportation vehicles are a major source of balance-related injuries to its passengers. Accidental data suggest that the passenger casualties in these vehicles are common, especially to the standing and the elderly passengers, mainly due to the sudden acceleration/deceleration changes of the vehicle. These injuries as well as associated discomfort may discourage people from using these means of transport resulting in adverse economic and societal effects. In this context, the security of the standing passengers in these vehicles constitute the main motivation of this work. Recovering balance from an external disturbance is a complex process which involves a set of phenomenon such as the perception of the disturbance, information processing, decision making and its implementation. Even though experimental research in the fields of biomechanics and neurosciences provide us with a fair understanding of these phenomena separately, we are unaware of a global model which represents the reaction of people in response to the external disturbances to their equilibrium. In this context, the objective of this work is to develop such a numerical tool which can be used for the assessment of risks associated with the loss of balance of the standing passengers. The essential feature of this tool is the prediction of the post-disturbance kinematics of the subjects depending upon the disturbance characteristics (magnitude, duration etc.) as well as the active recovery response. Another key feature is the representation of the reaction of different populations, especially the elderly, by integrating age effects in the model. For the development of the tool, mathematical modeling (e.g. simplified body representations) and control ideas are borrowed from the field of biped robotics which explicitly deals with the balance issues of bipeds. Further development is done in view of human balance recovery (BR) characteristics. The resulting BR tool shows reasonable predictive capacity of a human balance recovery response confirmed by the comparison of model predictions with experimental balance recovery data.

Les données sur le comportement biomécanique de la paroi abdominale restent limitées. Cette méconnaissance est un facteur limitant pour le développement de modèles numériques de cette région anatomique. L’objectif de cette thèse est d’apporter des données quantitatives sur le comportement biomécanique de la paroi abdominale, en adoptant une approche expérimentale globale allant de l’ex vivo à l’in vivo. Dans un premier temps, un protocole de caractérisation ex vivo est mis au point et validé sur des spécimens porcins, puis appliqué à des échantillons humains. Ce protocole permet de tester une même paroi abdominale sous deux types de sollicitation (pression et contact) dans le domaine élastique. Il permet également d’évaluer l’influence d’une lésion et d’une réparation avec un implant chirurgical, sur la réponse mécanique de la paroi. Des mesures par corrélation d’images 3D réalisées simultanément sur les surfaces internes et externes quantifient les différences de distribution des déformations de la paroi abdominale. Dans un second temps, des examens in vivo sur volontaires permettent de prendre en compte l’activité musculaire. Une raideur locale est ainsi évaluée pour diverses activités physiologiques, raideur qui augmente en fonction du niveau de contraction jusqu’à 6 fois la valeur au repos. En résumé, cette recherche propose une méthodologie pour mieux comprendre le comportement mécanique global de la paroi abdominale. Cette méthodologie peut être déclinée, afin d’étudier l’influence des différents composants de la paroi. Au-delà de cette thèse, ces données contribueront à la construction et la validation d’un modèle numérique de la paroi abdominale.

Nowadays, digital human models are broadly used in many research domains and industries. A digital human can represent human body characteristics and simulate human behaviors and capacities, thus we can evaluate or predict human performances in a scenario via simulations with digital human models. Currently, ergonomic evaluation of human motions depends largely on kinematic human models and Motion Capture techniques. Dynamic human models and associated control techniques have advantages over kinematic ones in terms of physical feasibility and they may lead to a reduced number of experiments with real human subjects. However, the dynamics-based techniques are very time-consuming when they are applied in complex scenarii, especially when the environment is cluttered. In this context, this thesis aims to explore an efficient dynamics-based method for digital human motion simulation in cluttered environments. The method is aimed to be applied in ergonomic study of daily human activities, such as car-ingress or car-egress motions. At the beginning of this study, we carry out MoCap experiments in which we obtain a set of recorded human motions in some cluttered environments. We learn human motion characteristics and principles in cluttered environments by observing and analyzing the recorded motions. With the help of the obtained heuristic knowledge, we make reasonable hypotheses and choose the main problematics of this research. Then we work on the topic of balance. A simplified digital human model for balance formulation is proposed in which the human is taken as a mass point located at its center of mass (CoM) interacting with the environment via a few supports (contact or grasps). Support feasibility (stability) brings constrains on exterior wrenches applied at supports. The constraints then result in an admissible space for the pseudo-wrench (a 6D vector calculated from position and acceleration of CoM) of the model. The admissible pseudo-wrench space defines a criterion for verifying balance of a digital human model during its motions. The “stability margin” concept associated with this criterion is studied which evaluates robustness (or quality) of a balance state. Thereafter, a hierarchical framework is developed which can realize motion simulations via three levels. Firstly, a global CoM trajectory is generated at a global level. The CoM trajectory is generated by optimization under motion state imposition, balance, geometric and timing constraints. Time durations for transition phases are generated as well. Then at a local level, the trajectories of end-effectors (e.g. foot or hand) and whole-body postures are piecewisely generated under the constraints of inverse kinematics and collision-freeness. The results obtained at the previous two levels are finally used as control references in dynamic simulation. A dynamic controller actuates the dynamic digital human model to realize the generated motion. Approaches at each level of the framework are applied and tested in several scenarii. Eventually, the framework is applied in a car-ingress scenario relying on heuristics of car-ingress motions.

Optimisation du positionnement des implants lors d’arthroplastie totale de hanche primaire La prothèse totale de hanche est considérée comme l’une des plus importantes avancées médicales du XXème siècle. L’objectif de ce travail était d’étudier l’orientation anatomique des structures constituant l’articulation de la hanche et d’ensuite analyser la position des implants des prothèses totales de hanche afin d’améliorer l’implantation des composants prothétiques dans le but de réduire les phénomènes de luxation, usure, fracture et douleurs inhérents à cette chirurgie. Une étude de l’orientation anatomique du ligament transverse de l’acetabulum, du labrum et des cornes a été réalisée. Ensuite nous nous sommes intéressés au composant fémoral avec des études radiographique et tomodensitométriques de l’antéversion fémorale. Nous avons essayé de mesurer l’antéversion fémorale prothétique à partir d’une radiographie de face. Ensuite, nous avons démontré que le scanner était un moyen fiable pour localiser le centre de la tête du fémur en comparaison avec un système Motion Analysis et un bras Faro. Enfin, nous avons mesuré l’antéversion fémorale avant et après PTH ainsi que la situation du centre de tête fémorale avant et après arthroplastie. Le but était d’analyser la possibilité de reproduire, avec une tige prothétique droite, l’antéversion fémorale native. Des applications pratiques de mesure de l’amplitude de mouvement prothétique ont permis de connaître, dans des cas de luxation prothétique, si le positionnement des implants était le facteur causal. Une application clinique a montré qu’en cas de positionnement non optimal de l’implant acétabulaire, l’incidence des fractures d’insert céramique était augmentée.

En Union Européenne les accidents frontaux font 28% des accidents routiers et sont responsables de 49% de mortalité, les fractures thoraciques étant la cause principale de décès. Les modèles en éléments finis du corps humain sont un outil important pour la simulation de chocs réels et la prédiction des risques d'endommagement. Cette thèse a permis de développer un modèle simple en éléments finis de la cage thoracique suffisamment souple d'utilisation et facilement paramétrable. Ce modèle est validé expérimentalement avant d'être utilisé pour une étude paramétrique. Cette étude a permis de caractériser l'influence de différents paramètres structurels et géométriques sur le comportement de la cage thoracique sous chargement dynamique. Le travail réalisé au cours de cette thèse est divisé en trois parties : Modélisation de la cage thoracique entière avec des éléments finis de type poutre dont les propriétés mécaniques sont déterminées à partir d'essais de flexion trois points sur des segments de côtes et complétées par des éléments de la littérature, Validation du modèle dont les résultats sont suffisamment proches des résultats des essais de chargement dynamique antéro-postérieur menés par Vezin et Berthet [Vez09], Etude paramétrique sur l'influence paramètres, géométrie des sections droites et géométrie globale de la cage thoracique (inclinaison des côtes, forme et taille globale de la cage thoracique). A partir de cette étude nous trouvons que le module d'Young et l'épaisseur du cortical ont une influence identique sur la raideur globale de la cage thoracique ainsi que sur la rotation et la déformation des côtes. Avec l'augmentation de ces deux paramètres la rigidité du thorax augmente et le taux de compression maximal diminue. D'autre part les côtes tournent plus et se déforment moins. La raideur des liaisons costo-verterbales a une influence directe sur la rotation latérale qui diminue avec l'augmentation de cette raideur alors que les déformations augmentent ; tandis que la raideur globale de la cage thoracique est légèrement modifiée. L'inclinaison des côtes est le facteur ayant la plus grande influence sur la déformation des côtes et donc sur le risque d'endommagement : plus les côtes sont proches de la direction de chargement la raideur de la cage thoracique augmente et la déformation des côtes augmente.

In recent years, obesity has literally reached epidemic proportions throughout the world. Gastric electrical stimulation is a recent technique that uses an implanted device to stimulate the stomach and produce a feeling of satiety for overweight and obese patients. However, to place the implant, the patient currently needs to undergo an invasive surgical procedure. Endoscopic implantation could be used to place the gastric stimulator in the stomach. This would help moderately and morbidly obese patients that are ineligible for surgery, but such a solution brings new challenges for the development of the gastrostimulator. This thesis is a first step toward a commercial implant, endoscopically implantable and treating obesity. This work mainly focuses on the design and implementation of a first endoscopically implantable prototype, to be validated on animals. This will allow us to prove the feasibility of the project, through a pre-clinical phase on animals. Compared to previous devices, the prototype developed is specifically designed to stimulate the stomach using embedded electrodes. Its design allows endoscopic implantation. Its packaging resists long-term implantation in an acidic environment, hence overcoming the shortcomings of previous gastrostimulators. A flexible and low-cost manufacturing chain is implemented. The prototype is built with discrete components, commercially available, and encapsulated with silicone rubber. This thesis also provides a method to select a silicone rubber for the encapsulation of an electronics circuit. The validation of the prototype is performed on a bench-test, in ex-vivo and in-vivo on three dogs. A new method using surface cutaneous electrodes is introduced to validate the functioning of the stimulator. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Human to computer interaction only using thoughts is no longer a science fiction topic and recent progress made in this field are astounding. This work shows the creation of a novel upper limb pointing movement performance quantification platform (eCAM test) and its validation on a group of healthy subjects. After that, it shows that functional electrical stimulation (FES) enhances these upper limbs movements performance. Furthermore, this work shows that anodal transcranial direct current stimulation (atDCS) of the cerebellum impacts brain rhythms as well as postural tremor on a patient. Also, the MRI data gathered during this work will allow to better understand the underlying mechanisms of tDCS. Following that, it has been shown that the frequency and complexity of a tapping task increase the postural tremor of the contralateral limb. The same effect has been witnessed for neuromuscular fatigue. All these advances allowed us to place the foundations of a multimodal brain computer interface (BCI) based on sensors fusion. A development phase is now required to create this interface and test it on healthy and sick subjects. / Communiquer avec un ordinateur par le biais de la pensée n'est plus un sujet de science-fiction et les progrès effectués dans le domaine sont ahurissants. Ce travail montre la création d'une nouvelle plateforme de mesure de la performance des mouvements de pointage verticaux (eCAM test) ainsi que sa validation sur une cohorte de sujets sains. Suite à cela, il montre que la stimulation électrique fonctionnelle (FES) améliore la performance de ces mouvements des membres supérieurs. En plus il démontre que la stimulation anodale trancranienne en courant continu (atDCS) du cervelet a un effet sur les rythmes des signaux cérébraux ainsi que sur le tremblement postural d'un patient. De plus des données IRM recueillies durant ce travail permettront de mieux cerner les mécanismes d'action de la stimulation tDCS. Suite à cela, il a été montré que la fréquence et la complexité d'une tâche de tapping augmentent le tremblement postural du membre controlatéral. Le même effet est constaté pour la fatigue musculaire. Toutes ces avancées installent les fondements à la création d'une interface cerveau-machine multimodale basée sur la fusion de senseurs. Une phase de développement est maintenant nécessaire pour établir cette interface et la tester sur des sujets sains et malades. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’endoscopie flexible a considérablement évolué au cours des cinquante dernières années. D’une procédure purement diagnostique, elle est aujourd’hui principalement thérapeutique. Des procédures telles que dilatation, implantation de prothèse et polypectomie sont pratiquées quotidiennement dans des centres qualifiés.Depuis toujours l’apposition tissulaire est pratiquée par les chirurgiens pour réaliser des anastomoses et des sutures. L’apposition de séreuse à séreuse, créant un attachement permanent par la cicatrisation, ne s’est développée que récemment en endoscopie. Pour réaliser cela, de nouveaux outils devaient être créés. L’idée principale pour permettre d’apposer et de suturer des tissus est d’obtenir un système de triangulation permettant de travailler perpendiculairement à l’axe de l’endoscope.En collaboration avec les ingénieurs de la faculté polytechnique de notre Université, un nouveau système de triangulation a été créé. Au début complexe et manipulé par un système robotique, il a ensuite été simplifié pour devenir mécanique et rigide.Cette plateforme pouvant être assemblée à l’intérieur du corps permet la réalisation de sutures endoluminales, sans équivalent actuel parmi les dispositifs médicaux disponibles. Cela nous a permis de mener des études scientifiques pour tester la validité, la sécurité et enfin l’efficacité de ce dispositif, ainsi que de concevoir et d’améliorer la technique dans une indication bariatrique, et de rechercher de nouvelles indications.La première partie de notre travail a révélé la performance de la réduction gastrique dans la prise en charge des patients obèses. La procédure a initialement été conçue et testée sur des animaux, puis une première étude de sécurité chez l’homme a été menée. Cette étude a mis en évidence la sécurité de la technique mais a également fourni des résultats préliminaires en termes d’efficacité. Une deuxième étude multicentrique d’efficacité a ensuite été menée sur 51 patients. Les résultats de cette étude ont été positifs en termes de perte de poids et de sécurité de la technique. Ensuite, pour évaluer l’efficacité intrinsèque de la procédure, une étude randomisée a été menée. Actuellement tous les patients ont été inclus. Le suivi à 1 an n’est pas encore disponible mais les résultats préliminaires à 6 mois sont discutés.Ayant ce nouveau dispositif à notre disposition, nous nous sommes intéressés à d’autres indications. La première concernait le traitement des diverticules œsophagiens, une maladie bénigne et difficile à traiter, que nous avons abordée initialement avec un traitement utilisant des aimants pour l’apposition des tissus. Cependant le système de sutures, initialement développé, a été modifié et utilisé avec succès dans cette indication. Parmi les autres indications explorées figurent le syndrome de l’anse afférente et la reprise de poids post Bypass gastrique. Ces études sont toujours en cours.La résection en paroi complète est une autre indication que nous avons évaluée. Dans cette indication particulière, nous avons effectué une première étude de sécurité et de faisabilité animale, qui nous a permis, via des ajustements de matériel, de démarrer une étude chez l’homme. Le premier patient traité avec succès ayant déjà été rapporté.Nous évaluons actuellement d’autres indications telles que le traitement des comorbidités associées à l’obésité (Diabète de type 2 et NASH) ou la prise en charge du reflux gastro-œsophagien.En résumé, ce travail rend compte des différentes études cliniques issues du développement, avec nos collègues ingénieurs, d’un nouveau dispositif médical. Il illustre les différentes étapes nécessaire pour établir la sécurité et l’efficacité d’une nouvelle procédure qui pourrait représenter un changement de paradigme dans la gestion de l’obésité, mais montre également comment un nouveau concept peut représenter un intérêt pour d’autres indications rares et nouvelles. / Doctorat en Sciences médicales (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Chez les personnes post-AVC (Accident Vasculaire Cérébral), spasticité, faiblesse et toute autre coactivation anormale proviennent de limitations dans la régulation de la gamme des seuils des réflexes d'étirement. Nous avons voulu savoir si les déficits dans les influences corticospinales résiduelles contribuaient à la limitation de la gamme des seuils et au développement de la spasticité chez les patients post-AVC. La stimulation magnétique transcranienne (SMT) a été appliquée à un site du cortex moteur où se trouvent les motoneurones agissant sur les fléchisseurs et extenseurs du coude. Des potentiels évoqués moteurs (PEM) ont été enregistrés en position de flexion et d'extension du coude. Afin d'exclure l'influence provenant de l'excitabilité motoneuronale sur l'évaluation des influences corticospinales, les PEM ont été suscités lors de la période silencieuse des signaux électromyographiques (EMG) correspondant à un bref raccourcissement musculaire juste avant l'enclenchement de la SMT. Chez les sujets contrôles, il y avait un patron réciproque d'influences corticospinales (PEM supérieurs en position d'extension dans les extenseurs et vice-versa pour les fléchisseurs). Quant à la plupart des sujets post-AVC ayant un niveau clinique élevé de spasticité, la facilitation corticospinale dans les motoneurones des fléchisseurs et extenseurs était supérieure en position de flexion (patron de co-facilitation). Les résultats démontrent que la spasticité est associée à des changements substantiels des influences corticospinales sur les motoneurones des fléchisseurs et des extenseurs du coude. / In post-stroke patients, spasticity, weakness and abnormal coactivation result from limitations in the range of regulation of stretch reflex thresholds. We investigated whether the deficits in residual corticospinal influences contribute to the limitation in the regulation of those thresholds and as a result to spasticity in post-stroke subjects. A single-pulse transcranial magnetic stimulation (TMS) was applied to the site of the motor cortex projecting to motoneurons of elbow flexors and extensors. Responses to TMS (motor evoked potentials or MEPs) were recorded at a flexion and an extension position of the elbow joint. To exclude the influence of background motoneuronal excitability on the evaluation of corticospinal influences, MEPs were elicited during the electromyographic (EMG) silent period produced by brief muscle shortening prior to TMS. In control subjects, corticospinal facilitation of flexor motoneurons was usually larger whereas that of extensor motoneurons was smaller during actively maintained flexion than when the extension position was maintained (reciprocal pattern of position-related changes in flexor and extensor MEPs). In most post-stroke subjects with high clinical spasticity scores, corticospinal facilitation of both flexor and extensor motoneurons was greater at the actively established flexion position (co-facilitation pattern). Results show that spasticity is associated with substantial changes in the corticospinal influences on flexor and extensor motoneurons. Corticospinal co-facilitation of the two groups of motoneurons may be related to the necessity to overcome resistance of spastic muscles during active changes in the elbow joint angle.