L'objectif de ces travaux est la réalisation d'un dispositif à base de réalité virtuelle an d'assiter le chirurgien orthopédiste lors de la substitution de l'articulation gléno-humérale par une prothèse. Ce dispositif a pour but l'optimisation des débattements de l'articulation prothésée de l'épaule à partir d'un choix de différents scénarios de pose. Les travaux se basent sur de nombreuses thématiques telles que la chirurgie orthopédique, le traitement d'image, l'informatique graphique ainsi que la réalité virtuelle. La démarche choisie comprend une (i) phase de modélisation de la partie osseuse de l'articulation par des formes géométriques simples, ce modèle est paramétrable à partir de radios ou de coupes scanners ; (ii) une phase de simulation des débattements de l'articulation gléno-humérale saine ; ainsi que (iii) une phase de simulation des opérations de coupes et de perçages avec choix des implants prothétiques pour une optimisation des débattements de l'articulation en préopératoire (cette optimisation se fait grâce une comparaison de la cinématique de l'épaule saine avec les diérents scénarios issus de notre simulation préopératoire).

Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde chez les personnes âgées de plus de 65 ans. Parmi les maladies artérielles, l'anévrisme, maladie asymptomatique, est une dilatation localisée et permanente de la paroi d'une artère aboutissant à la formation d'une poche de taille variable. Soumis aux impulsions sanguines, l'anévrisme augmente progressivement et lorsqu'il se rompt, provoque une hémorragie interne pouvant entraîner la mort. Ce projet de recherche concerne le traitement endovasculaire des Anévrismes de l'Aorte Thoracique dont le traitement consiste à déployer une endoprothèse par voie fémorale. Actuellement, les chirurgiens planifient leurs interventions uniquement à partir d'informations issues de l'imagerie médicale. Cette procédure n'est pas totalement fiable et des limites liées à des configurations anatomiques complexes et à la difficulté du geste minimalement invasif persistent. Dans ce contexte, l'objectif est de développer un outil numérique réalisant des simulations virtuelles de ce traitement endovasculaire. Afin d'appréhender le comportement mécanique complexe du tissu artériel, des expérimentations avec une technique de corrélation d'images ont été réalisées sur des prélèvements humains d'aortes thoraciques. Des simulations d'écoulement sanguin dans l'aorte thoracique ont ensuite été réalisées chez un patient sain avec le logiciel OpenFOAM dans lequel un modèle rhéologique prenant en compte les effets viscoélastique et rhéofluidifiant du sang a été développé. En parallèle et en prévision de la modélisation complète de l'acte chirurgical, des calculs numériques sur la montée des outils chirurgicaux dans l'aorte thoracique ont été réalisés en se basant sur des travaux précédents au laboratoire sur la montée des outils dans l'aorte abdominale. L'approche envisagée s'inscrit ainsi dans le cadre des gestes médicaux et chirurgicaux assistés par ordinateur afin de proposer une solution personnalisée opérationnelle pour le choix d'un système de largage et d'une endoprothèse adaptés. / Cardiovascular diseases are the leading cause of death worldwide. Their analysis leads to multidisciplinary problems that require diversity, transversal and complementary approaches. This contribution is part of a research project in Computer Aided Surgery and intends to contribute to the improvement of TEVAR procedures in terms of accuracy and optimization of the operating strategy. In this study, stereocorrelation technique is used to measure the strain field under a human aortic arch in order to identify its mechanical behaviour. Blood flow simulations in the thoracic aorta were then carried out for a healthy patient using the open source OpenFOAM software. A rheological model derived from polymer rheology, considers viscous, shear thinning and other stress overshoot behaviours. In parallel and in anticipation of the complete modeling of the surgical procedure, numerical calculations ofthe rise of the surgical tools in the thoracic aorta were carried out based on previous work in the laboratory regarding the abdominal aorta. This study aims to virtually simulate the whole endovascular stent graft procedure for an aortic aneurysm. This procedure has a high rate of short-term success and its indication compared to open surgery is increasing. Despite many benefits such as reduced blood loss and reduced recovery time, the hindsight is insufficient and there are limitations related to complex anatomical configurations. This procedure therefore needs to be more reliable and secure. In this context, it is important to identify the mechanical behavior of the aorta for further numerical simulations.

Le cancer du sein est le cancer le plus fréquent chez les femmes. Il y a une multitude de solutions proposées concernant une éventuelle intervention médicale pour le cancer du sein ‐ une en particulier est la chirurgie mammaire conservatrice (tumoréctomie). Le but de la tumoréctomie est de parvenir à un contrôle local du cancer, ainsi que de préserver une forme du sein qui satisfait les besoins esthétiques de la femme. Bien que ces objectifs sont généralement atteint, il reste encore parfois des résultats inattendus,tels qu'une tumeur récurrence locale, ou des résultats cosmétiques insuffisants.L'objectif de cette thèse est de proposer une plateforme de calcul, qui contribue à la tumoréctomie. Cela comprend:1) Une étude de la dynamique de croissance des tumeurs du sein.2) Une étude sur la prédiction du contour du sein grâce a la chirurgie virtuelle.3) Un modèle de calcul de la forme finale du sein après cicatrisation. / Breast cancer is the most common cancer among women in the developed as well as the developing countries. There are a plethora of proposed solutions regarding possible medical interventions for breast cancer–one in particular is Breast Conserving Therapy (BCT). BCT comprises of complete surgical excision of the tumor (partialmastectomy), and post-operative radiotherapy for the remaining breast tissue. This is a feasible treatment for most women with breast cancer. The goal of BCT is toachieve local control of the cancer, as well as to preserve breast shape that appeases awoman’s cosmetic concerns. Although these goals are usually achieved, there are still occasional unexpected results, such as reexcision of the tumor due to a positive margin assessment, tumor local recurrence, unsatisfactory cosmetic results, and breastpain. Other than surgical experience and judgment, there are currently no toolswhich can predict the outcome of partial mastectomy on the contour and deformity of the treated breast. The objective of this dissertation is to propose computational framework, which contributes to BCT operations, this was achieve by exploring two areas.On the one hand we developed a multiscale model adapted for breast cancer tumor growth, ductal carcinoma in situ (DCIS). The model features included: nutrients growth limitation, wall degradation enzyme and HER2 chemical expression tumor phenotype. Our model successfully simulate some pattern of DCIS carcinoma.Among the interesting result we showed that the enzyme contributed to a greater tumor size and that when HER2 was over expressed, the growth limiting factor wasthe EGFR. On the other hand, we developed a virtual surgery box to simulate BCT surgery. The box will input MRI patient data and will output cosmetic and functional indicator to rate the impact of the surgery. It appears that stiffness of the tissue, resection radius as well as the lump quadrant location are the most sensitive parameters to the indicators. A healing model was also embedded to simulate the wound closure after resection, this model was stress dependent and illustrate anasymmetric wound closure progression.The tools developed in this research allows a new type of field convergence between the surgery and computation field. At the local level it will allow surgeons and patient to be able to communicate on the pertinence and necessity of performing alumpectomy surgery, enabling to anticipate the possible outcome of the operation.On the global aspect this type of tool gives birth to a new type of field: computational surgery, where computer scientist and surgeons work hand in hand to provide the best and the most reliable service to the patients.