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Les céramiques bioinertes (zircone, alumine), sont utilisées dans des dispositifs médicaux pour l’orthopédie et l’odontologie. Leurs surfaces peuvent avoir plusieurs fonctions : fixation du dispositif dans le milieu vivant (ex : implants dentaires), rôle tribologique (prothèses articulaires)… Dans tous les cas, ces surfaces sont traitées pour maximiser leur performance, mais ces modifications peuvent entrainer des conséquences négatives. Ainsi, le 2e chapitre montre qu’introduire de la rugosité par sablage joue sur l’intégrité mécanique et sur la stabilité à long terme de l’alumine, de la zircone et d’un composite alumine-zircone. Par ailleurs, dans les prothèses articulaires, la lubrification joue un rôle fondamental pour minimiser l’usure et donc augmenter la durée de vie moyenne des implants, permettant en outre de favoriser l’adsorption de protéines réduisant le contact direct entre les deux surfaces glissantes. La chimie des surfaces (y compris la présence de contamination) peut modifier ces aspects. Dans le 3e chapitre de ma thèse j’ai étudié l’effet de la contamination et des différentes techniques de nettoyage permettant de la réduire sur la mouillabilité des matériaux typiquement utilisés dans les prothèses de hanche, et sur l’adsorption de protéines à leurs surfaces. Finalement, les cellules utilisent les protéines en surface comme points de fixation et identification. Les implants avec une surface capable de recruter plus de protéines aidant à l’adhésion des cellules auront plus des chances d’être intégrés que des implants recrutant des protéines qui empêchent l’adhésion. Dans le 4e chapitre, j’ai exploré un nouveau concept de modification de surface de la zircone consistant en un greffage d’organosilanes directement sur sa surface, de manière à prouver le potentiel de cette technique à améliorer l’ostéointegration sans diminuer la performance mécanique. / Bioinert ceramics (zirconia, alumina) are used in medical devices in orthopedics and dentistry. Their surfaces may provide different functions: fixation of the device in the living tissue (e.g. dental implants), tribological role(joint substitutions),… In all cases the surfaces are treated to maximize their performance, but this modifications may entail negative consequences. The use of roughness to promote osseointegration of implants is a common practice, especially on dental implants. Roughening is often conducted by mechanical treatments, the most common being sandblasting. Therefore, chapter 2 focus on the implications of roughening by sandblasting on the mechanical behaviour of zirconia, alumina and a zirconia-alumina composite, and the differences between them. The work brought in chapter 3 was carried out entirely during a six-month secondment at CeramTec GmbH. In a bearing couple, lubrication mechanisms are complex and wettability and proteins play a yet-to understand role. The study compared the wettability of different materials, their ability to welcome protein adsorption and the effect of different cleaning procedures on wettability measurements and protein adsorption. Finally, the influence of the surface on cell activity is not driven exclusively by roughness: chemical modifications of the surface may enhance the perception of cells for the surface, and by careful tuning of the surface properties one may achieve a better integration without the downsides of roughness. In chapter 4, we explored a novel modification of zirconia, based on known techniques in chemistry, which introduces molecules with special functional groups capable of rendering the surface friendlier for cell adhesion, and opening the window for new exciting developments in the field of bioinert ceramics.

L'imagerie optique biomédicale est confrontée aux phénomènes d'absorption et de diffusion de la lumière par les tissus qui atténuent et brouillent le signal au cours de sa propagation. La Tomographie de Cohérence Optique (OCT) filtre les photons balistiques par interférométrie en lumière temporellement incohérente. En particulier, l'approche Plein Champ atteint une résolution de 1 µm, mais sa profondeur de pénétration ne dépasse pas 1 mm. Il est donc impossible d'imager les organes internes in vivo et in situ : il faut pour cela disposer d'un instrument doté d'un endoscope, ce qui n'avait pas été réalisé à ce jour. Nous proposons un système d'OCT Plein Champ avec endoscope flexible qui repose sur le couplage de deux interféromètres, l'un extérieur à la sonde et l'autre situé à l'extrémité de la sonde en contact avec le tissu. Ainsi la sonde est entièrement passive et le signal interférométrique qui la traverse n'est pas perturbé par l'environnement. Sa flexibilité lui permettrait d'imager des organes internes comme le colon. Cependant l'utilisation d'un faisceau de plusieurs milliers de fibres optiques fait apparaître un signal d'interférence parasite dû aux phénomènes de couplage inter-coeurs et inter-modes. Des solutions sont proposées pour s'en affranchir et permettre l'imagerie d'échantillons de tissus. En imagerie par endoscopie rigide deux systèmes sont comparés, avec un ou deux interféromètres, et une sonde composée de lentilles à gradient d'indice. Cette sonde peut imager directement au contact des zones comme la peau, ou en pénétrant l'organe à la manière d'une aiguille, par exemple dans le sein. Elle est assez performante pour être utilisée in vivo sur la peau.

L'initiation de la cavitation dans un milieu aqueux se traduit par l'apparition d'une ou plusieurs inclusions gazeuses micrométriques. Elle peut être obtenue acoustiquement par activation de nucléi, et est alors nommée nucléation acoustique de bulles. Nous nous intéressons à la nucléation induite par excitation brève (quelques cycles) et de forte amplitude (ordre du MPa). Les bulles, créés par la dépression acoustique, sont transitoires (dissolution). Les propriétés des tissus biologiques en terme de nucléation de bulles sont peu connues. Elles sont accessibles acoustiquement, car la formation d'une bulle engendre l'apparition d'un nouveau diffuseur, détectable activement (échographie). De plus, chaque évènement de cavitation conduit à une émission acoustique, enregistrable en écoute passive. Ce travail de thèse utilise l'imagerie ultrasonore ultrarapide (acquisition simultanée à forte cadence sur un réseau de transducteurs) afin de détecter et étudier les évènements de cavitation. D'une part, la nucléation de bulles isolées et leur détection passive à travers le crâne permettent, via le retournement temporel, d'optimiser la focalisation adaptative pour une thérapie ultrasonore non invasive du cerveau. D'autre part, la formation de bulles dans les tissus biologiques diffusants (muscle) et leur dissolution sont détectées avec une grande sensibilité en combinant détection passive et active. Des expérimentations in vivo sur encéphale de mouton, et in vitro sur sang animal montrent de plus le caractère aléatoire de la nucléation dans les tissus biologiques, et le recourt à des pressions négatives fortes (< -12MPa) pour observer son occurrence in vivo.

Les entraîneurs en sports acrobatiques disposent de peu d’outils permettant d’améliorer leur compréhension des saltos vrillés et la performance des athlètes. L’objectif de ce mémoire était de développer un environnement graphique de simulation numérique réaliste et utile des acrobaties aériennes. Un modèle composé de 17 segments et de 42 degrés de liberté a été développé et personnalisé à une athlète de plongeon. Un système optoélectronique échantillonné à 300 Hz a permis l’acquisition de huit plongeons en situation réelle d’entraînement. La cinématique articulaire reconstruite avec un filtre de Kalman étendu a été utilisée comme entrée du modèle. Des erreurs quadratiques moyennes de 20° (salto) et de 9° (vrille) entre les performances simulées et réelles ont permis de valider le modèle. Enfin, une formation basée sur le simulateur a été offerte à 14 entraîneurs en sports acrobatiques. Une augmentation moyenne de 11 % des résultats aux questionnaires post-test a permis de constater le potentiel pédagogique de l’outil pour la formation. / Coaches need tools to better understand the mechanics of twisting somersaults and improve their knowledge and their athletes’ performance. The aim of this thesis was to provide them with a computer simulation model of aerial movements. An elite diver was modelled as a 17-segment 42-degree of freedom angle-driven model. The model was personalised to the diver so that simulation outputs could be compared with her actual performance. Input data were recorded by a 17-camera motion capture system sampled at 300 Hz. The joint angle time histories were reconstructed using an extended Kalman filter. The model was successfully evaluated and shown to produce realistic movements, with overall root-mean-square error of 20° (somersault) and 9° (twist) between reconstructed body kinematics and the corresponding simulations for eight dives. Finally, a workshop based on the simulation was offered to coaches and showed potential to improve their knowledge since the mean post-test result was increased by 11 %.

Le présent mémoire porte sur la conception et le développement de deux antennes RF utilisées en imagerie par résonance magnétique. Ces antennes ont pour but de guider le futur développement d’une plateforme d’imagerie multi-animal qui servira les chercheurs du nouveau CRCHUM. Plus spécifiquement, ces antennes ont été conçues pour l’imagerie du proton à 1.5T. La première utilise une birdcage de type lowpass pour la partie émettrice et utilise 8 éléments de surface pour la partie réceptrice. La seconde antenne est une birdcage de type lowpass polarisée circulairement qui est utilisée à la fois pour l’émission et pour la réception. Cette dernière a présenté de bonnes performances, générant des images avec un SNR élevé et avec une bonne homogénéité, la rendant une bonne candidate pour la future plateforme. La première a présenté quelques problèmes au niveau de la désyntonisation de la birdcage et du couplage entre les éléments. Dans le cas où ces problèmes venaient à être surmontés, cette antenne aurait l’avantage de pouvoir utiliser des techniques d’imagerie parallèle et possiblement d’avoir un SNR plus élevé. / This master thesis focuses on the design and development of two RF coils used in magnetic resonance imaging. These coils are designed to guide the future development of a multi-animal imaging platform that will serve researchers of the new CRCHUM. More specifically, these coils were designed for proton imaging at 1.5T. The first uses a lowpass birdcage as transmitter and uses 8 surface elements for the receiving part. The second coil is a circularly polarized lowpass birdcage which is used both for transmission and for reception. The latter presented good performances, generating images with high SNR and good homogeneity, making it a good candidate for the future platform. The first one presented a few problems at the detuning of the birdcage and the coupling between the elements. In the case where these problems would be overcome, this coil would have the advantage of being able to use parallel imaging techniques and possibly to have a higher SNR.

Les prothèses myoélectriques modernes peuvent être dotées de plusieurs degrés de liberté ce qui nécessite plusieurs signaux musculaires pour en exploiter pleinement les capacités. Pour obtenir plus de signaux, il nous a semblé prometteur d'expérimenter si les 6 compartiments du biceps brachial pouvaient être mis sous tension de façon volontaire et obtenir ainsi 6 signaux de contrôle au lieu d'un seul comme actuellement. Des expériences ont donc été réalisées avec 10 sujets normaux. Des matrices d'électrodes ont été placées en surface au-dessus du chef court et long du biceps pour recueillir les signaux électromyographiques (EMG) générés par le muscle lors de contractions effectuées alors que les sujets étaient soit assis, le coude droit fléchi ~ 100 ° ou debout avec le bras droit tendu à l'horizontale dans le plan coronal (sur le côté). Dans ces deux positions, la main était soit en supination, soit en position neutre, soit en pronation. L'amplitude des signaux captés au-dessus du chef court du muscle a été comparée à ceux obtenus à partir du chef long. Pour visualiser la forme du biceps sous les électrodes l'imagerie ultrasonore a été utilisée. En fonction de la tâche à accomplir, l'activité EMG a était plus importante soit dans un chef ou dans l'autre. Le fait de pouvoir activer préférentiellement l'un des 2 chefs du biceps, même si ce n'est pas encore de façon complètement indépendante, suggère que l'utilisation sélective des compartiments pourrait être une avenue possible pour faciliter le contrôle des prothèses myoélectriques du membre supérieur. / The latest myoelectric prostheses have several degrees of freedom and therefore require a large number of myoelectric signals to fully exploit their capabilities. Muscle compartments, which are intra-muscular subdivisions innervated by an individual muscle nerve branch, can be exploited to provide additional independent muscle control sites to operate such prostheses. This research presents a work to investigate the activation of the 6 biceps brachii compartments in healthy subjects to see if they have the ability to activate those compartments voluntarily. Therefore, electromyographic (EMG) signals were recorded from an array of seven and ten pairs of equally spaced surface electrodes positioned across the short and long head of the biceps of ten healthy subjects. The EMG signals are collected in two positions: 1) with the subject seated, right elbow flexed ~100°, and 2) with the subject standing with the right arm extended horizontally in the coronal plane (90°shoulder abduction). In both positions, the hand is either fully supinated, neutral, or fully pronated. The average root mean square value of the EMG signals obtained from the pairs of electrodes positioned over the short head are compared with the average obtained for the other pairs placed over the biceps long head. Ultrasound imaging also used to visualize the long and short heads of the biceps in flexed and extended arm while the hand was in different postures. Depending on the task to be accomplished, activity was larger in one head or in the other. Being able to activate either head of the biceps, while not yet completely independently, suggests that the selective use of compartments could be a possible avenue for controlling upper limb myoelectric prostheses.

Cette thèse s’intéresse à définir de nouvelles méthodes cliniques d’investigation permettant de juger de l’impact de l’avance en âge sur la motricité. En particulier, cette thèse se focalise sur deux principales perturbations possibles lors de l’avance en âge : la chute et l’altération de la marche.Ces deux perturbations motrices restent encore mal connues et leur analyse en clinique pose de véritables défis technologiques et scientifiques. Dans cette thèse, nous proposons des méthodes originales de détection qui peuvent être utilisées dans la vie courante ou en clinique, avec un minimum de contraintes techniques. Dans une première partie, nous abordons le problème de la détection de la chute à domicile, qui a été largement traité dans les années précédentes. En particulier, nous proposons une approche permettant d’exploiter le volume du sujet, reconstruit à partir de plusieurs caméras calibrées. Ces méthodes sont généralement très sensibles aux occultations qui interviennent inévitablement dans le domicile et nous proposons donc une approche originale beaucoup plus robuste à ces occultations. L’efficacité et le fonctionnement en temps réel ont été validés sur plus d’une vingtaine de vidéos de chutes et de leurres, avec des résultats approchant les 100% de sensibilité et de spécificité en utilisant 4 caméras ou plus. Dans une deuxième partie, nous allons un peu plus loin dans l’exploitation des volumes reconstruits d’une personne, lors d’une tâche motrice particulière : la marche sur tapis roulant, dans un cadre de diagnostic clinique. Dans cette partie, nous analysons plus particulièrement la qualité de la marche. Pour cela nous développons le concept d’utilisation de caméras de profondeur pour la quantification de l’asymétrie spatiale au cours du mouvement des membres inférieurs pendant la marche. Après avoir détecté chaque pas dans le temps, cette méthode réalise une comparaison de surfaces de chaque jambe avec sa correspondante symétrique du pas opposé. La validation effectuée sur une cohorte de 20 sujets montre la viabilité de la démarche. / This thesis is concerned with defining new clinical investigation method to assess the impact of ageing on motricity. In particular, this thesis focuses on two main possible disturbance during ageing : the fall and walk impairment. This two motricity disturbances still remain unclear and their clinical analysis presents real scientist and technological challenges. In this thesis, we propose novel measuring methods usable in everyday life or in the walking clinic, with a minimum of technical constraints. In the first part, we address the problem of fall detection at home, which was widely discussed in previous years. In particular, we propose an approach to exploit the subject’s volume, reconstructed from multiple calibrated cameras. These methods are generally very sensitive to occlusions that inevitably occur in the home and we therefore propose an original approach much more robust to these occultations. The efficiency and real-time operation has been validated on more than two dozen videos of falls and lures, with results approaching 100 % sensitivity and specificity with at least four or more cameras. In the second part, we go a little further in the exploitation of reconstructed volumes of a person at a particular motor task : the treadmill, in a clinical diagnostic. In this section we analyze more specifically the quality of walking. For this we develop the concept of using depth camera for the quantification of the spatial and temporal asymmetry of lower limb movement during walking. After detecting each step in time, this method makes a comparison of surfaces of each leg with its corresponding symmetric leg in the opposite step. The validation performed on a cohort of 20 subjects showed the viability of the approach. / Réalisé en cotutelle avec le laboratoire M2S de Rennes 2

En salle d’opération, les tâches de l’anesthésiste sont nombreuses. Alors que l’utilisation de nouveaux outils technologiques l’informe plus fidèlement sur ce qui se passe pour son patient, ces outils font que ses tâches deviennent plus exigeantes. En vue de diminuer cette charge de travail, nous avons considérer l’administration automatique d’agents anesthésiques en se servant de contrôle en boucle fermée. À cette fin, nous avons développé un système d’administration d’un agent anesthésique (le propofol) visant à maintenir à un niveau optimal la perte de conscience du patient pendant toute la durée d’une chirurgie. Le système comprend un ordinateur, un moniteur d’anesthésie et une pompe de perfusion. L’ordinateur est doté d’un algorithme de contrôle qui, à partir d’un indice (Bispectral IndexTM ou BIS) fournit par le moniteur d’anesthésie détermine le taux d’infusion de l’agent anesthésiant. Au départ, l’anesthésiste choisit une valeur cible pour la variable de contrôle BIS et l’algorithme, basé sur système expert, calcule les doses de perfusion de propofol de sorte que la valeur mesurée de BIS se rapproche le plus possible de la valeur cible établie. Comme interface-utilisateur pour un nouveau moniteur d’anesthésie, quatre sortes d’affichage ont été considérés: purement numérique, purement graphique, un mélange entre graphique et numérique et un affichage graphique intégré (soit bidimensionnel). À partir de 20 scenarios différents où des paramètres normaux et anormaux en anesthésie étaient présentés à des anesthésistes et des résidents, l’étude des temps de réaction, de l’exactitude des réponses et de la convivialité (évaluée par le NASA-TLX) a montré qu’un affichage qui combine des éléments graphiques et numériques était le meilleur choix comme interface du système. Une étude clinique a été réalisée pour comparer le comportement du système d’administration de propofol en boucle fermée comparativement à une anesthésie contrôlée de façon manuelle et conventionnelle où le BIS était aussi utilisé. Suite à l’approbation du comité d’éthique et le consentement de personnes ayant à subir des chirurgies générales et orthopédiques, 40 patients ont été distribués également et aléatoirement soit dans le Groupe contrôle, soit dans le Groupe boucle fermée. Après l’induction manuelle de propofol (1.5 mg/kg), le contrôle en boucle fermée a été déclenché pour maintenir l’anesthésie à une cible de BIS fixée à 45. Dans l’autre groupe, le propofol a été administré à l’aide d’une pompe de perfusion et l’anesthésiste avait aussi à garder manuellement l’indice BIS le plus proche possible de 45. En fonction du BIS mesuré, la performance du contrôle exercé a été définie comme excellente pendant les moments où la valeur du BIS mesurée se situait à ±10% de la valeur cible, bonne si comprise de ±10% à ±20%, faible si comprise de ±20% à ±30% ou inadéquate lorsque >±30%. Dans le Groupe boucle fermée, le système a montré un contrôle excellent durant 55% du temps total de l’intervention, un bon contrôle durant 29% du temps et faible que pendant 9% du temps. Le temps depuis l’arrêt de la perfusion jusqu’à l’extubation est de 9 ± 3.7 min. Dans le Groupe contrôle, un contrôle excellent, bon, et faible a été enregistré durant 33%, 33% et 15% du temps respectivement et les doses ont été changées manuellement par l’anesthésiste en moyenne 9.5±4 fois par h. L’extubation a été accomplie après 11.9 ± 3.3 min de l’arrêt de la perfusion. Dans le Groupe boucle fermée, un contrôle excellent a été obtenu plus longtemps au cours des interventions (P<0.0001) et un contrôle inadéquat moins longtemps (P=0.001) que dans le Groupe contrôle. Le système en boucle fermée d’administration de propofol permet donc de maintenir plus facilement l’anesthésie au voisinage d’une cible choisie que l’administration manuelle. / In the operating room, the anaesthetist performs numerous tasks. New technological tools better inform him about the state of the patient but render his task more demanding. To alleviate the anaesthetist workload, we have considered the automatic administration of anesthetic drugs using closed-loop control. In this respect, we have developed a system for the administration of an anesthetic agent (propofol) in order to maintain loss of consciousness at an optimal level throughout a surgery. The system comprises a computer, an anaesthesia monitor and an infusion pump. A control algorithm installed on the computer determines the infusion rate of the hypnotic drug based on the Bispectral IndexTM (BIS) provided by the monitor. At first, the anaesthetist chooses a target value for the control variable BIS and the algorithm, which consists of an expert system, calculates the infusion doses of propofol in order to steer the measured BIS value closer to the target value. For the user-interface of a novel anaesthesia monitor, four display types were considered: purely numeric, purely graphical, a mixed graphical and numerical and a bi-dimensional integrated graphical display. Based on 20 different scenarios where normal and abnormal anaesthesia parameters were presented to anaesthetists and residents, the study of the reaction time, response accuracy and user-friendliness (assessed by the NASA-TLX) showed that a mixed graphical and numerical display is the best preferred for the interface of the system. A clinical study was conducted in order to compare the behaviour of the system of administering propofol in closed-loop to manually controlled anaesthesia guided by BIS. After Institutional Review Board approval and written consent, 40 patients undergoing orthopaedic or general surgery were randomly assigned to 2 groups of equal size. After manual propofol induction (1.5 mg/kg), closed loop control was used to maintain anesthesia at a target BIS of 45 (Closed-loop group); in the other group, propofol was administered manually using a syringe pump by an experienced anaesthesiologist in order to maintain a target BIS of 45 as closely as possible (Control group). The performance of the system was defined as excellent, good, poor or inadequate, when the BIS was within 10%, between 10 and 20%, between 20 and 30% or outside 30% of the target BIS, respectively. In the Closed-loop group, the system showed excellent control during 55% of the total anaesthesia time, good control during 29% of the time and poor control during 9% of the time. The time from the end of infusion to extubation was 9 ± 3.7 min. In the Control group, excellent, good and poor control were noted during 33%, 33% and 15% of the time, respectively and doses were changed 9.5 ± 4 times per h. Extubation was achieved after 11.9 ± 3.3 min from the end of infusion. In the Closed-loop group, excellent control of anesthesia occurred significantly more often (P<0.0001) and inadequate control less often than in the Control group (P=0.001). The present system of administering propofol in closed-loop maintains the anesthesia level closer to a given target than manual administration.