Ce travail est une contribution à la caractérisation mécanique de l’os cortical. Dansce cadre, les méthodes ultrasonores sont des outils puissants pour aider à cette caractérisation.Ainsi, les phénomènes de propagation d’ondes mis en jeu lors des mesurespar les techniques ultrasonores de transmission axiale à la fréquence centrale de 1 MHzsont modélisés. Des méthodes numériques basées sur la méthode des éléments finis sontmises en oeuvre pour résoudre les systèmes d’équations aux dérivées partielles associéesaux conditions aux limites et initiales pour des tissus dont le comportement est supposé(visco-)élastique, anisotrope et/ou hétérogène. L’analyse des résultats de simulation permetde discuter l’influence des divers paramètres, non seulement en termes de propriétésmatérielles mais aussi géométriques, sur la nature des ondes qui se propagent dans lestissus. Nous avons ainsi pu analyse l’impact de ces paramètres sur la vitesse du premiersignal laquelle est considérée comme un indice pertinent pour mesurer la qualité du tissuosseux. Toujours dans le but de caractériser le tissu osseux, et en particulier pour obtenirdes valeurs de propriétés matérielles aussi proches que possible de la réalité, nous avonsdéveloppé une nouvelle méthode basée sur les développements asymptotiques, du typehomogénéisation périodique, pour prédire les modules d’élasticité effective de l’os corticaldu tissu hétérogène. / This work provides some contributions to the mechanical characterization of corticalbone by using ultrasound. Thus, the wave propagation phenomena involved during themeasurements by the ultrasound axial transmission techniques at the the central frequencyof 1 MHz are modeled. The finite element method was used to solve the equations ofwaves propagating in bone tissues whose the behavior is assumed to be (visco)elastic,anisotropic and/or heterogeneous. The analysis of simulation results allows us to discusson the influence of various parameters (not only in terms of material properties butalso geometric features), on the nature of waves that propagates through the tissue. Wewere able to analyze the impact of these parameters on the velocity of the first arrivingsignal which is known as an appropriate index to measure the quality of bone tissue.Another aspect in characterizing the bone tissue has also been considered in which wehave developed a new method based on asymptotic expansions, periodic homogenizationtype, for predicting effective properties of elasticity of heterogeneous cortical bone tissue.

Neste trabalho é proposto um modelo mecanobiológico de remodelagem óssea para a estimativa de variações, provocadas por perturbações mecânicas ou biológicas, na matriz de rigidez estrutural da escala macroscópica e na densidade mineral em uma região do osso. Na cooperação entre as áreas da saúde e da engenharia, como nos estudos estruturais de biomecânica no sistema esquelético, as propriedades mecânicas dos materiais devem ser conhecidas, entretanto os ossos possuem uma constituição material altamente complexa, dinâmica e variante entre indivíduos. Sua dinâmica decorre dos ciclos de absorção e deposição de matriz óssea na remodelagem óssea, a qual ocorre para manter a integridade estrutural do esqueleto e adaptá-lo aos estímulos do ambiente, sejam eles biológicos, químicos ou mecânicos. Como a remodelagem óssea pode provocar alterações no material do osso, espera-se que suas propriedades mecânicas também sejam alteradas. Na literatura científica há modelos matemáticos que preveem a variação da matriz de rigidez estrutural a partir do estímulo mecânico, porém somente os modelos mais recentes incluíram explicitamente processos biológicos e químicos da remodelagem óssea. A densidade mineral óssea é um importante parâmetro utilizado no diagnóstico de doenças ósseas na área médica. Desse modo, para a obtenção da variação da rigidez estrutural e da densidade mineral óssea, propõe-se um modelo numérico mecanobiológico composto por cinco submodelos: da dinâmica da população de células ósseas, da resposta das células ao estímulo mecânico, da porosidade óssea, da densidade mineral óssea e, baseado na Lei de Voigt para materiais compósitos, da rigidez estrutural. Os valores das constantes das equações dos submodelos foram obtidos de literatura. Para a solução das equações do modelo, propõe-se uma implementação numérica e computacional escrita em linguagem C. O método de Runge-Kutta-Dorman-Prince, cuja vantagem consiste no uso de um passo de solução variável, é utilizado no modelo para controlar o erro numérico do resultado do sistema de equações diferenciais. Foi realizada uma avaliação comparativa entre os resultados obtidos com o modelo proposto e os da literatura dos modelos de remodelagem óssea recentes. Conclui-se que o modelo e a implementação propostos são capazes de obter variações da matriz de rigidez estrutural macroscópica e da densidade mineral óssea decorrentes da perturbação nos parâmetros mecânicos ou biológicos do processo de remodelagem óssea. / This Master thesis addresses a mechanobiological model that estimates variations in the bone macroscopic stiffness matrix and mineral density caused by mechanical or biological disturbances in a bone site undergoing the bone remodeling phenomenon. In interdisciplinary studies in health and engineering sciences, as structural biomechanical studies of the skeleton, the mechanical properties of the materials must be known. However, the bone material is highly complex, displays a dynamic behavior and its characteristics vary among individuals. Its dynamic behavior results from the bone matrix deposition and resorption cycles of the bone remodeling phenomenon for the maintenance of the skeletal structural integrity and its adaptation to environmental stimuli, which can be biological, chemical or mechanical. As bone remodeling can change the quantities of the bone material, deviations in the bone mechanical properties are also expected. The literature reports mathematical models that can predict changes in the bone structural stiffness matrix promoted by mechanical stimuli, however, only the newest ones have explicitly included the biochemical processes from bone remodeling. Bone mineral density is an important parameter for the diagnosis of bone diseases, therefore, a mechanobiological numerical model of the bone remodeling phenomenon is proposed for the determination of changes in bone stiffness and mineral density. The method is composed of five modules, namely, bone cells population dynamics, response of bone cells to mechanical stimuli, bone porosity, bone mineral density and bone stiffness calculated by Voigt\'s Law for composite materials. The values of the constants for the equations of the modules were obtained from the literature. A numerical computational code written in C language was implemented, so that the equations of the model could be solved automatically. The Runge-Kutta-Dorman-Prince method, whose advantage is its variable solution step, solved the differential equations ensuring numerically controlled errors for the solutions. A benchmark analysis was conducted using the solutions of the proposed model and the latest bone remodeling models. The model, the numerical method and the code implementation estimated changes in the macroscopic structural stiffness matrix and mineral density of the bone caused by induced disturbances in the mechanical or biological parameters of the bone remodeling process.

Neste trabalho é proposto um modelo mecanobiológico de remodelagem óssea para a estimativa de variações, provocadas por perturbações mecânicas ou biológicas, na matriz de rigidez estrutural da escala macroscópica e na densidade mineral em uma região do osso. Na cooperação entre as áreas da saúde e da engenharia, como nos estudos estruturais de biomecânica no sistema esquelético, as propriedades mecânicas dos materiais devem ser conhecidas, entretanto os ossos possuem uma constituição material altamente complexa, dinâmica e variante entre indivíduos. Sua dinâmica decorre dos ciclos de absorção e deposição de matriz óssea na remodelagem óssea, a qual ocorre para manter a integridade estrutural do esqueleto e adaptá-lo aos estímulos do ambiente, sejam eles biológicos, químicos ou mecânicos. Como a remodelagem óssea pode provocar alterações no material do osso, espera-se que suas propriedades mecânicas também sejam alteradas. Na literatura científica há modelos matemáticos que preveem a variação da matriz de rigidez estrutural a partir do estímulo mecânico, porém somente os modelos mais recentes incluíram explicitamente processos biológicos e químicos da remodelagem óssea. A densidade mineral óssea é um importante parâmetro utilizado no diagnóstico de doenças ósseas na área médica. Desse modo, para a obtenção da variação da rigidez estrutural e da densidade mineral óssea, propõe-se um modelo numérico mecanobiológico composto por cinco submodelos: da dinâmica da população de células ósseas, da resposta das células ao estímulo mecânico, da porosidade óssea, da densidade mineral óssea e, baseado na Lei de Voigt para materiais compósitos, da rigidez estrutural. Os valores das constantes das equações dos submodelos foram obtidos de literatura. Para a solução das equações do modelo, propõe-se uma implementação numérica e computacional escrita em linguagem C. O método de Runge-Kutta-Dorman-Prince, cuja vantagem consiste no uso de um passo de solução variável, é utilizado no modelo para controlar o erro numérico do resultado do sistema de equações diferenciais. Foi realizada uma avaliação comparativa entre os resultados obtidos com o modelo proposto e os da literatura dos modelos de remodelagem óssea recentes. Conclui-se que o modelo e a implementação propostos são capazes de obter variações da matriz de rigidez estrutural macroscópica e da densidade mineral óssea decorrentes da perturbação nos parâmetros mecânicos ou biológicos do processo de remodelagem óssea. / This Master thesis addresses a mechanobiological model that estimates variations in the bone macroscopic stiffness matrix and mineral density caused by mechanical or biological disturbances in a bone site undergoing the bone remodeling phenomenon. In interdisciplinary studies in health and engineering sciences, as structural biomechanical studies of the skeleton, the mechanical properties of the materials must be known. However, the bone material is highly complex, displays a dynamic behavior and its characteristics vary among individuals. Its dynamic behavior results from the bone matrix deposition and resorption cycles of the bone remodeling phenomenon for the maintenance of the skeletal structural integrity and its adaptation to environmental stimuli, which can be biological, chemical or mechanical. As bone remodeling can change the quantities of the bone material, deviations in the bone mechanical properties are also expected. The literature reports mathematical models that can predict changes in the bone structural stiffness matrix promoted by mechanical stimuli, however, only the newest ones have explicitly included the biochemical processes from bone remodeling. Bone mineral density is an important parameter for the diagnosis of bone diseases, therefore, a mechanobiological numerical model of the bone remodeling phenomenon is proposed for the determination of changes in bone stiffness and mineral density. The method is composed of five modules, namely, bone cells population dynamics, response of bone cells to mechanical stimuli, bone porosity, bone mineral density and bone stiffness calculated by Voigt\'s Law for composite materials. The values of the constants for the equations of the modules were obtained from the literature. A numerical computational code written in C language was implemented, so that the equations of the model could be solved automatically. The Runge-Kutta-Dorman-Prince method, whose advantage is its variable solution step, solved the differential equations ensuring numerically controlled errors for the solutions. A benchmark analysis was conducted using the solutions of the proposed model and the latest bone remodeling models. The model, the numerical method and the code implementation estimated changes in the macroscopic structural stiffness matrix and mineral density of the bone caused by induced disturbances in the mechanical or biological parameters of the bone remodeling process.

Le taxon du Pléistocène inférieur Paranthropus robustus, dont l'holotype est le spécimen TM 1517, a été défini en 1938 par le paléontologue R. Broom suite à la découverte d'éléments crâniens et postcrâniens sur le site de Kromdraai, Gauteng, en Afrique du Sud. Depuis, d'autres sites sud-africains ont contribué à l'extension de son hypodigme et fourni la preuve de sa contemporanéité à l'échelle macro-régionale avec des représentants des taxons Australopithecus et Homo. L'identification des hominines étant principalement basée sur l'analyse de la variation morphologique des éléments cranio-dentaires, un enjeu majeur dans l'étude des assemblages fossiles des sites sud-africains concerne donc l'identification et l'attribution taxinomique de restes isolés et/ou fragmentaires du squelette axial et appendiculaire non associés à des éléments cranio-dentaires. Il en résulte que plusieurs aspects fonctionnels et paléobiologiques du squelette postcrânien de P. robustus restent à préciser. Au moyen de la microtomographie à rayons X, de l'imagerie virtuelle et d'analyses quantitatives en deux-trois dimensions, nous avons entrepris un projet de recherche visant à explorer, extraire et les patrons d'organisation endostructurale de spécimens fossiles communément, ou préliminairement, attribués à P. robustus. Sur une base comparative, nous visons à (i) identifier quelques caractéristiques osseuses endostructurales propres à ce taxon, qui pourraient fournir un cadre de référence pour l'attribution de spécimens fossiles isolés; (ii) déconstruire l'environnement biomécanique ayant façonné l'arrangement de l'os cortical et trabéculaire au niveau des articulations du coude, de la hanche et du genou; (iii) évaluer le degré de variation et, dans la mesure du possible, les différences liées au sexe et à l'âge. L'échantillon étudié comprend quatre huméri distaux (TM 1517g, SK 24600, SKX 10924, SKX 34805), cinq fémurs proximaux (SK 82, SK 97, SK 3121, SKW 19, SWT1/LB-2), une patella (SKX 1084), des éléments additionnels échantillonnant l'assemblage TM 1517 (l'ulna proximale TM 1517e, la phalange distale d'hallux TM 1517k) et deux ilia (TM 1605, SK 50) provenant des sites de Kromdraai et Swartkrans. [...] / The Early Pleistocene taxon Paranthropus robustus, represented by the holotype TM 1517, was established in 1938 by the paleontologist R. Broom following the discovery of craniodental and postcranial remains at the cave site of Kromdraai, in Gauteng, South Africa. Since, other Southern African sites have contributed to the extension of its hypodigm, providing evidence for its chronological overlap in the macro-region with representatives of the taxa Australopithecus and Homo. As species identification in the hominin fossil record is commonly based on the comparative assessment of craniodental anatomy and morphological variation, the rarity in the hominin-bearing South African cave assemblages of unambiguously associated craniodental and postcranial remains usually complicates the task of identifying isolated and fragmentary elements from the axial and the appendicular skeleton. Consequently, different functionally- and paleobiologically-related aspects of the P. robustus postcranial skeleton remain poorly known. By means of techniques of high resolution X-ray micro-tomography and virtual imaging coupled with two-three-dimensional quantitative analyses, in this research project we explored, extracted and assessed the patterns of endostructural organisation in some fossil specimens commonly, or tentatively, attributed to P. robustus. On comparative ground, we aim at (i) identifying some endostructural bony features characteristic of this taxon, if any, thus tentatively providing a reference framework for the attribution of isolated fossil specimens; (ii) deconstructing the biomechanical (loading) environment having shaped the cortical and cancellous bone arrangement at the elbow, the hip, and the knee joints; (iii) assessing variation and, whenever possible, sex- and age-related differences. The investigated sample consists of four distal humeri (TM 1517g, SK 24600, SKX 10924, SKX 34805), five proximal femora (SK 82, SK 97, SK 3121, SKW 19, SWT1/LB-2), a patella (SKX 1084), some additional elements from the assemblage labelled TM 1517 (the proximal ulna TM 1517e, the distal hallucial phalanx TM 1517k), and two ilia (TM 1605, SK 50) from the sites of Kromdraai and Swartkrans. [...]

De nos jours, l’étude biomécanique des structures osseuses représentent un enjeu pour différents domaines: accidentologie, prise en charge des pathologies osseuses, confort des personnes âgées, conception de prothèses innovantes, etc. Le but de cette thèse est de fournir des valeurs de référence représentatives de la qualité de l'os enfant en caractérisant des propriétés mécaniques et morphométriques du tissu osseux en croissance à différentes échelles. Les propriétés mécaniques ont été mesurées à 2 échelles différentes – mésoscopique et microscopique – selon 2 modalités expérimentales – spectroscopie à résonance ultrasonore et microindentation. Un autre volet de cette thèse concerne le développement d’une procédure d’analyse morphométrique adaptée au tissu osseux pour le traitement d’images obtenues par micro-tomographie (RX). Mieux connaître le tissu osseux juvénile est indispensable pour développer des modèles dédiés et ainsi mieux comprendre les mécanismes pathologiques caractéristiques de l'os en croissance (fracture en bois vert) pour améliorer le diagnostic et adapter les choix thérapeutiques pour les jeunes patients. / Nowadays, the biomechanical study of bone structures is a challenge for different fields: accidentology, management of bone pathologies, comfort for the elderly, design of innovative prostheses, etc. The aim of this thesis is to provide reference values representative of the quality of child bone by characterizing the mechanical and morphometric properties of growing bone tissue at different scales. Mechanical properties were measured at 2 different scales - mesoscopic and microscopic - in 2 experimental modalities – resonant ultrasound spectroscopy and microindentation. Another part of this thesis concerns the development of a morphometric analysis procedure adapted to bone tissue for the treatment of images obtained by micro-tomography (RX). A better knowledge of juvenile bone tissue is essential to develop dedicated models and thus better understand the pathological mechanisms characteristic of growing bone (greenstick fracture) to improve diagnosis and adapt therapeutic choices for young patients.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, inwieweit die pränatale Knochenentwicklung von der Dexamethasongabe beeinflusst wird. Die Glukokortikoidtherapie ist weit verbreitet und ihre Nebenwirkungen sind hinreichend bekannt. Auch die Wirkung auf den Knochenstoffwechsel wurde intensiv erforscht, allerdings nicht in Bezug auf die pränatale Therapie. Die Verabreichung von Dexamethason zur Vorbeugung des Atemnotsyndroms betrieb man zeitweise sehr intensiv. Mit Zunahme der Forschung auf diesem Gebiet, stellten sich allerdings erhebliche Auswirkungen auf die prä- und postnatale Entwicklung der Kinder heraus. Deswegen ist der Einsatz zur RDS-Prophylaxe heute relativ zurückhaltend. Zu diesem Zweck wurden 30 männliche Nachkommen der Spezies Callithrix jacchus, deren Mütter während der Schwangerschaft zu unterschiedlichen Zeitpunkten eine Dexamethasonapplikation erhielten, untersucht. Es erfolgte eine Einteilung in drei Gruppen: frühe Applikation, späte Applikation und in die Kontrollgruppe. Während der ersten beiden Lebensjahre wurden Körpergröße und Körpergewicht in regelmäßigen Abständen dokumentiert. Im Alter von 2 Jahren wurden die Tiere euthanasiert. Als Untersuchungsobjekte dienten Oberschenkel- und Schienbein-knochen. Es wurden die Kortikalisdicke, die Flächenverhältnisse von Trabekeln, rotem Knochenmark und gelben Fettmark analysiert sowie die Knochendichte ermittelt. Die Ergebnisse zeigen eine deutlich reduzierte diaphysale Kortikalisdicke beider Knochen in der Gruppe mit früher Dexamethasonapplikation. In der späten Appli-kationsgruppe dagegen fand man eine stärker ausgeprägte Kortikalis diaphysal, aber eine reduzierte im metaphysalen Bereich. Diese Schwächung kann besonders im Alter Frakturen im Oberschenkelhals begünstigen, vor allem wenn eine hormonell bedingte Osteoporose als Begleiterkrankung hinzukommt. In beiden Versuchsgruppen kann eine deutliche Schwächung der Knochensubstanz im Bereich der Knie, in diesem Fall die Hauptbelastungszone der Tiere, bedingt durch den Vierfüßlergang, nachgewiesen werden. Der Oberschenkel reagiert auf die Dexamethasonapplikation am sensitivsten. Des Weiteren sind Veränderungen der Flächenverhältnissen aufgetreten. Bei der frühen Applikation von Dexamethason ist eine deutlich reduzierte Anzahl an rotem Knochenmark zu finden, während bei der späten Applikation eine vermehrte Anzahl nachweisbar ist. Dies zeigt, dass Dexamethason auch Auswirkungen auf die Blutbildung und das Immunsystem mit sich bringt. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollten dazu anregen, weiter auf diesem Gebiet zu forschen, da die Anzahl an Publikationen noch limitiert ist. Bezüglich der RDS-Prophylaxe ist über eine strengere Indikationsstellung nachzudenken.

The aim of this thesis was to investigate some methods for quantitative analysis of bone structure, particularly techniques which might ultimately be applied post-operatively following orthopaedic reconstruction operations. Initially it was decided to explore the efficacy of MRI in quantifying the bone structure at high resolution by comparing high resolution MRI against 'gold standards' such as Scanning Electron Microscopy (SEM) and optical histology. This basic study provided a measure of the distortions in the morphological bone parameters derived from MR images due to susceptibility artefacts and partial volume effects. The study of bone architecture was then extended to a model of advanced renal osteodystrophy in a growing rat. For this study, high-resolution micro computed tomography (microCT) was used and as a result of the high resolution images obtained, three new bone morphological parameters were introduced to characterise the bone structure. The desire to study bone architecture post-operatively in hip replacements led to a preliminary study on ex-vivo sheep acetabulae following total hip replacement, to determine the extent that the bone architecture could be investigated around the acetabulum. The motivation for studying the acetabulum was based on the high occurrence of debonding at the bone / prosthesis interface. This study demonstrated the superior nature of 3D MRI over conventional x-ray radiographs in early quantitation of fibrous membranes located between the host bone and the non-metallic implant and/or the bone cement. The presence of such fibrous membranes is strongly indicative of failure of the prosthesis. When using clinical MRI to image post-operative hip replacement, the image quality is severely affected by the presence of the metallic implant. The head of the prosthesis is shaped like a metal sphere and is located in the acetabular cup. This problem was investigated by performing simulations of MR images in the presence of the field perturbation induced by the presence of a metal sphere, with the effects of slice excitation and frequency encoding incorporated into the simulations. The simulations were compared with experimental data obtained by imaging a phantom comprising a stainless steel ball bearing immersed in agarose gel. The simulations were used to predict the effects of changing imaging parameters that influence artefact size and also to show how current metal artefact reduction techniques such as view angle tilting (VAT) work and to identify their limitations. It was shown that 2D SE and VAT imaging techniques should not be used when metallic prosthesis are present due to extreme slice distortion, whereas 3D MRI provided a method that has no slice distortion, although the effects of using a frequency encoding gradient still remain.

L’os est un matériau dont les propriétés évoluent tout au long de la vie en fonction des contraintes environnementales. Aujourd’hui, les modalités d’imagerie permettent aux cliniciens d’évaluer la qualité osseuse chez l’adulte. Malheureusement, ces outils diagnostics ne sont pas adaptés pour l’enfant (nocivité des radiations, anesthésie ou sédation nécessaire), et le développement d’un outil clinique nécessite une bonne connaissance des propriétés du tissu osseux pédiatrique.Peu d’études ont analysé les propriétés du tissu osseux au cours de la croissance. Cette pénurie de données de référence s’explique par la faible quantité d’échantillons disponible pour les essais en laboratoire et par la qualité même de ces échantillons pour la plupart «prélevés» et associés à une pathologie de l’enfant.Les objectifs de ce travail de thèse s’inscrivent dans une logique de compréhension des mécanismes et des propriétés de l’os en croissance. L’intérêt majeur de ce travail est donc d’apporter de nouvelles connaissances sur l’os cortical pédiatrique. Les propriétés mécaniques et tissulaires ont été étudiées via l’utilisation de diverses techniques: la microtomographie, la microradiographie, la FTIRM, la biochimie, la compression, la caractérisation ultrasonore et la nanoindentation. Ce travail a permis de mettre en avant l’évolution de l’os cortical pédiatrique vers un état mature: la structure des fibres de collagène se hiérarchise, le tissu se minéralise. Ces changements dans la structure du tissu osseux lui permettent de se rigidifier. Ces travaux de thèse ont permis de mieux comprendre cette évolution, et vont permettre d’avoir une 1ère base de données sur la fibula infantile. / Bone is a material whose properties change throughout life depending on environmental constraints. Today, imaging modalities allow clinicians to assess bone quality in adults. Unfortunately, these diagnostic tools are not suitable for children (harmful radiation, anesthesia or sedation required). Development of a clinical tool requires a good knowledge of pediatric bone tissue properties.Few studies have analyzed the properties of bone tissue during growth. This lack of reference data is due to the small amount of samples available for laboratory testings and the quality of these samples for the most taken and associated with a child's illness.The aims of this thesis are to understand the growing bone. The major interest of this work is to provide new knowledge on pediatric cortical bone. Mechanical, structural and chemical properties have been studied by the use of various techniques: tomography, microradiography, FTIRM, biochemistry, compression, ultrasonic characterization and nanoindentation.This work allowed to highlight that pediatric cortical bone evolves into a mature state: maturation of collagen cross-links, mineralization of bone tissue. These changes in the structure of the bone allows it to stiffen. This work allows to understand this evolution and will enable to have a first database on child fibula.

L’os est un matériau vivant avec une structure hiérarchique complexe qui lui confère des propriétés mécaniques remarquables. L’os subit perpétuellement des contraintes mécaniques et physiologiques, ainsi sa qualité et sa résistance à la fracture évoluent constamment au cours du temps à travers le processus de remodelage osseux. La qualité osseuse est non seulement définie par la densité minérale osseuse mais également par les propriétés mécaniques ainsi que la microarchitecture. Dans le cadre de la présente thèse, on a développé une modélisation multiéchelle unifiée couplant à la fois les activités cellulaires au comportement mécanique de l'os tenant compte des différents niveaux hiérarchiques de l'os: de l’ultrastructure au remodelage osseux. Ce modèle permet d’étudier le comportement mécano-bibliologique de l’os et de prédire ses propriétés mécaniques apparentes à différentes échelles allant du nanoscopique au macroscopique en fonction des constituants élémentaires de l'os. Pour atteindre cet objectif, une démarche en quatre phases a été adoptée. La première phase consiste à décrire les constituants élémentaires de l’os. La deuxième phase avait pour objectif la modélisation multiéchelle de l'ultrastructure osseuse constituée de trois échelles nanoscopiques (microfibrille, fibrille et fibre) par la méthode des éléments finis et des réseaux de neurones. La troisième phase correspond à la modélisation des échelles micro-macroscopiques de l’os cortical (lamelle, ostéon, os cortical) en utilisant comme paramètres d’entrée les propriétés de la fibre déterminées dans la deuxième phase. Enfin, dans la dernière phase, on a développé un modèle mécano-biologique du remodelage osseux permettant de simuler le processus d'adaptation osseuse tenant compte explicitement des activités biologiques des cellules osseuses. Les propriétés mécaniques prédites par nos algorithmes multiéchelles ont servi pour alimenter le modèle de remodelage. Ce modèle a été implémenté au code de calcul d’éléments finis ABAQUS/Standard à travers sa routine utilisateur UMAT. Finalement, le modèle EF mécano-biologique multiéchelle du remodelage osseux a été appliqué pour simuler différents scénarii de remodelage sur des fémurs humains (2D et 3D). Différents facteurs ont été ainsi analysés tels que l'âge, le genre, l'amplitude des activités physiques, etc. Les résultats obtenus sont conformes (qualitativement) avec les observations cliniques et cohérents avec les différentes études expérimentales. En conclusion: (i) Les modèles unifiés ainsi développés (modèle multiéchelle, modèle mécano-biologique de remodelage osseux) contribuent à l'analyse fine du comportement de l'os humain. (ii) L'application des algorithmes a permis d'effectuer des essais virtuels pour analyser les effets combinés de nombreux facteurs caractérisant la qualité osseuse. / Bone is a living material with a complex hierarchical structure which entails exceptional mechanical properties. Bone undergoes permanent mechanical and physiological stresses, thus its quality and fracture toughness are constantly evolving over time through the process of bone remodeling. Bone quality is not only defined by bone mineral density but also by the mechanical properties and microarchitecture. The current thesis offers a multiscale modeling approach unifying the cell activity to the mechanical behavior, taking into consideration the hierarchical levels of bone, from the ultrastructure to bone remodeling. This model permits to study the mechanobiological behavior and to predict the mechanical properties of the bone at different scales from nano to macro depending on the elementary constituents of bone. To achieve the objective of the current work, an approach of four phases was adopted. The first phase is to describe the basic components of the bone. The second phase concerns the multiscale modeling of the three nanoscopic levels of bone ultrastructure (microfibril, fibril and fiber) by the finite element method and neural networks. The third phase aims to model the micro-macroscopic structures of cortical bone (lamella, osteon, cortical bone) using the fiber properties predicted from the second phase as input parameters. In the last phase, a mechano-biological model of bone remodeling was achieved to simulate the process of bone adaptation explicitly considering the biological activities of bone cells. Mechanical properties predicted by our multiscale algorithms were used to feed the remodeling model. This model has been implemented into the ABAQUS/Standard finite elements code as a user subroutine. Finally, the finite element mechano-biological multiscale model of bone remodeling was applied to simulate different scenarios on human femurs (2D and 3D). Hence, different factors such as: age, gender, physical activities, etc were analyzed. The obtained results are conformed (qualitatively) to clinical observations and consistent with the various experimental studies. In summary, (i) the models portrayed here (multiscale model, mechanical-biological model of bone remodeling) contribute by their unified approach to the realistic modeling of the response of human bone. (ii) The application of the algorithms permits to perform virtual experiments to scrutinize the combined effects of numerous factors dictating the bone quality.

Les données biomécaniques sur les enfants sont rares et difficiles à obtenir lors d'expérimentations. Cette recherche s'intéresse à l'évaluation in vivo du comportement mécanique du tronc et des propriétés mécaniques de l'os cortical des côtes. Le comportement mécanique in vivo du tronc de l'enfant et de l'adulte sous charge pendant des manipulations de kinésithérapie respiratoire ont été étudiées. Trois formes typiques de courbes de force en fonction du déplacement ont été observées. Un plus grand décalage en temps entre les courbes de force en fonction du temps et les courbes de déplacement en fonction du temps ont été observés plus fréquemment chez les enfants que chez les adultes, ce qui conduit à différentes formes de courbes de force en fonction du déplacement entre les enfants et les adultes. Parmi les paramètres qui peuvent affecter le comportement mécanique du tronc, les propriétés mécaniques de l'os cortical des côtes ont été étudiées. Dans un premier temps, il a été constaté ex vivo que les propriétés mécaniques de l'os cortical des côtes des adultes sont liées de façon linéaire à la Densité Minérale Osseuse (DMO) mesurée par la tomodensitométrie quantitative (Quantitative Computed Tomography, QCT) et la tomographie périphérique quantitative à haute résolution (High Resolution Peripheral Quantitative Computed Tomography, HR-pQCT). La DMO peut être mesurée par QCT in vivo. Ensuite, les relations entre la DMO et les propriétés mécaniques pour l'adulte ont été appliquées aux enfants, et les propriétés mécaniques de l'os cortical de l'enfant ont pu être estimées. Les propriétés mécaniques ont été trouvées plus élevées dans la partie latérale des côtes que dans les régions antérieures et postérieures. Il a également été constaté que les propriétés mécaniques augmentent au cours de la croissance. Il s'agite la première étude qui a évalué les propriétés des matériaux de l'os cortical des côtes de l'enfant in vivo. Cette étude peut aider à mieux comprendre la réponse mécanique du tronc de l'enfant et les propriétés mécaniques de l'os cortical costal. À court terme, ces résultats mesurés in vivo seront considérés dans des modèles éléments finis du tronc de l'enfant / Biomechanical data on children, both mechanical behaviors and tissue properties, are rare and difficult to be obtained through biomechanical experiments. This thesis mainly discussed the mechanical behavior of pediatric trunk and mechanical properties of pediatric rib cortical bones in vivo. The mechanical responses of the living and active pediatric and adult trunks during in vivo loading tests were investigated. Three typical shapes of force-displacement curves were observed. Larger time lags between force time histories and displacement time histories were observed more frequently in children than adults, resulting in different shapes of force-displacement curves between children and adults. To better understand the mechanical behavior of pediatric trunk, rib cortical bone mechanical properties were studied. It was found that mechanical properties of adult rib cortical bones were linearly related to Bone Mineral Density (BMD) measured by Quantitative Computed Tomography (QCT) and High Resolution Peripheral Quantitative Computed Tomography (HR-pQCT). The BMD could be measured by QCT in vivo. Then, the mechanical property-BMD relationships were introduced to child population, and the mechanical properties of pediatric rib cortical bones were estimated. The mechanical properties were found higher in the lateral part of the ribs than the anterior and posterior regions. It was also found that the mechanical properties were growing during the growth of children. This is the first study which estimated the material properties of pediatric rib cortical bones in vivo. This study can help to better understand the mechanical response of pediatric trunk and mechanical properties of pediatric rib cortical bones. These results measured in vivo could contribute to improve the biofidelity of pediatric modeling