Dissertations / Theses on the topic 'Tissu conjonctif – Modèles mathématiques'

Cette thèse porte sur l'hypothèse que des interactions mécaniques locales simples entre un nombre limité de composants puissent régir l'émergence de l'architecture 3D des tissus biologiques. Pour explorer cette possibilité, nous développons deux modèles mathématiques. Le premier, ECMmorpho-3D, vise à reproduire un tissu conjonctif non-spécialisé réduit à la matrice extra-cellulaire, c'est-à-dire à un réseau 3D de fibres interconnectées dynamiquement. Le second, ATmorpho-3D, est obtenu par ajout de cellules sphériques apparaissant et croissant spontanément dans ce réseau de fibres afin de modéliser la morphogenèse du tissu adipeux, un tissu conjonctif spécialisé ayant une grande importance sur le plan biomédical. Pour analyser les données produites par ces deux modèles, nous construisons un outil générique permettant de visualiser en 3D des systèmes composés d'un mélange d'éléments sphériques (cellules) et de bâtonnets (fibres) et de détecter automatiquement dans de tels systèmes des amas d'objets sphériques séparés par des bâtonnets. Cet outil peut également être utilisé pour traiter des images biologiques issues de microscopie en 3D, permettant ainsi une comparaison directe entre les structures in vivo et in silico. L'étude des structures produites par le modèle ECMmorpho-3D via des simulations numériques montre que ce modèle peut générer spontanément différents types d'architectures, que nous identifions et caractérisons grâce à notre outil d'analyse. Une analyse paramétrique approfondie nous permet d'identifier une variable émergente, le nombre de liens par fibre, qui explique et, dans une certaine mesure, prédit le devenir du système modélisé. Une analyse temporelle révèle que l'échelle de temps caractéristique de ce processus d'auto-organisation est fonction de la vitesse de remodelage du réseau et que tous les systèmes suivent la même trajectoire évolutive. Enfin, nous utilisons le modèle ATmorpho-3D pour explorer l'influence de cellules sphériques sur l'organisation d'un réseau de fibres dynamique, en prenant comme référence le modèle ECMmorpho-3D. Nous montrons que le nombre de cellules influence l'alignement local des fibres mais pas l'organisation globale du réseau. Par ailleurs, les cellules s'organisent spontanément en amas entourés de feuillets de fibres, dont les caractéristiques morphologiques sont très proches de celles des structures cellulaires in vivo. De plus, la distribution des différentes morphologies d'amas cellulaires est similaire dans les systèmes in silico et in vivo. Ceci suggère que le modèle est capable de produire des morphologies réalistes non seulement à l'échelle d'un amas mais aussi à l'échelle du système entier, en reproduisant les variabilités structurelles observées dans les échantillons biologiques. Une analyse paramétrique révèle que la proportion de chaque morphologie dans un système in silico est gouvernée principalement par les capacités de remodelage du réseau de fibres, pointant le rôle essentiel des propriétés de la matrice extra-cellulaire dans l'architecture et le fonctionnement du tissu adipeux (ce qui concorde avec plusieurs constatations biologiques ainsi que des résultats antérieurs en 2D). Le fait que ces modèles mathématiques très simples puissent générer des structures réalistes corrobore notre hypothèse selon laquelle l'architecture des tissus biologiques pourrait émerger spontanément à partir d'interactions mécaniques locales entre les composants du tissu, indépendamment des phénomènes biologiques complexes se déroulant dans ce tissu. Ce travail ouvre de nombreuses perspectives quant à notre compréhension des principes fondamentaux gouvernant la manière dont l'architecture d'un tissu émerge durant l'organogenèse, est maintenue au cours de la vie et peut être affectée par diverses pathologies. Les applications potentielles vont de l'ingénierie tissulaire à la possibilité de promouvoir la régénération chez les mammifères adultes
In this thesis, we investigate whether simple local mechanical interactions between a reduced set of components could govern the emergence of the 3D architecture of biological tissues. To explore this hypothesis, we develop two mathematical models. The first one, ECMmorpho-3D, aims at reproducing a non-specialised connective tissue and is reduced to the Extra-Cellular Matrix (ECM) component, that is a 3D dynamically connected fibre network. The second, ATmorpho-3D, is built by adding to this network spherical cells which spontaneously appear and grow in order to mimic the morphogenesis of Adipose Tissue (AT), a specialised connective tissue with major biomedical importance. We then construct a unified analysis framework to visualise, segment and quantitatively characterise the fibrous and cellular structures produced by our two models. It constitutes a generic tool for the 3D visualisation of systems composed of a mixture of spherical (cells) and rod-like (fibres) elements and for the automatic detection of in such systems of clusters of spherical objects separated by rod-like elements. This tool is also applicable to biological 3D microscopy images, enabling a comparison between in vivo and in silico structures. We study the structures produced by the model ECMmorpho-3D by performing numerical simula- tions. We show that this model is able to spontaneously generate different types of architectures, which we identify and characterise using our analysis framework. An in-depth parametric analysis lead us to identify an intermediate emerging variable, the number of crosslinks per fibre, which explains and partly predicts the fate of the modelled system. A temporal analysis reveals that the characteristic time-scale of the organisation process is a function of the network remodelling speed, and that all systems follow the same, unique evolutionary pathway. Finally, we use the model ATmorpho-3D to explore the influence of round cells over the organisation of a fibre network, taking as reference the model ECMmorpho-3D. We show that the number of cells can influence the local alignment of the fibres but not the global organisation of the network. On the other hand, the cells inside the network spontaneously organise into clusters with realistic morphological features very close to those of in vivo structures, surrounded by sheet-like fibre bundles. Moreover, the distribution of the different morphological types of clusters is similar in in silico and in vivo systems, suggesting that the model is able to produce realistic morphologies not only on the scale of one cluster but also on the scale of the whole system, reproducing the structural variability observed in biological samples. A parametric analysis reveals that the proportion in which each morphology is present in an in silico system is governed mainly by the remodelling characteristic of the fibres, pointing to the essential role of the ECM properties in AT architecture and function (in agreement with several biological results and previous 2D findings). The fact that these very simple mathematical models can produce realistic structures supports our hypothesis that biological tissues architecture could emerge spontaneously from local mechanical inter- actions between the tissue components, independently of the complex biological phenomena taking place around them. This opens many perspectives regarding our understanding of the fundamental principles governing how biological tissue architecture emerges during organogenesis, is maintained throughout life and can be affected by various pathological conditions. Potential applications range from tissue engineering to therapeutic treatment inducing regeneration in adult mammals

Actuellement, les mesures objectives des caractéristiques mécaniques et physiques du tissu sont obtenues par plusieurs technologies et méthodologies, en particulier, par celle du KES-F (Kawabata's Evaluation System for Fabrics). Cependant le KES-F est un bon outil qui est devenu dominant pour l'évaluation du comportement du tissu. Cet outil mesure 16 paramètres de Kawabata. Dans une section de ce travail, nous développons un modèle physique de simulation du comportement dynamique du drapé du tissu tenant compte de ses propriétés spéciales telles que, la structure discontinue, et le comportement hautement anisotrope, non linéaire et hystérétique en utilisant des représentations rhéologiques et en se basant sur notre concept de machines virtuelles de Kawabata. Le modèle est gouverné par l'équation du mouvement de Newton et considère que l'objet simulé est discrétisé en un ensemble de particules qui interagissent: Les forces prises en considération dans notre modèle "système de particules" sont réparties en deux catégories: les forces internes (traction, cisaillement, flexion et dissipation) toutes calculées' dans les deux directions orthogonales chaîne et trame et les forces externes ( gravité, vent, contact. . . ). Ensuite, les équations dérivées du calcul de forces sont intégrées à l'aide d'une méthode numérique. . . [etc. ]

Les études récentes en toxicologie oculaire se sont beaucoup intéressées aux effets toxiques des conservateurs contenus dans les préparations ophtalmologiques, en particulier du chlorure de benzalkonium. Or, le programme REACH avec la limitation de l’utilisation d’animaux de laboratoire en toxicologie impose de revoir les outils classiques d’évaluation de la toxicité oculaire et de développer de nouvelles approches. En outre, les principales études in vitro réalisées jusqu’à présent utilisaient comme modèle la lignée épithéliale conjonctivale de Chang présentant l’inconvénient d’un mélange avec des cellules tumorales HeLa. Nous avons donc validé l’utilisation d’une nouvelle lignée qui ne présente pas ce risque, la lignée IOBA-NHC, puis illustré l’utilisation de cette lignée par l’étude des effets d’un nouveau collyre sans conservateur de la famille des dérivés des prostaglandines, le tafluprost en unidoses. Cependant, les lignées conjonctivales sont un modèle unicellulaire en monocouche qui ne reproduit pas les conditions structurelles de l’in vivo, et qui ne permet pas d’évaluer les interactions faisant intervenir d’autres types cellulaires comme les mucocytes et surtout les cellules inflammatoires. Ainsi, nous avons complété la partie expérimentale de ce travail par l’illustration de l’utilisation d’un modèle d’épithélium cornéen reconstitué en trois dimensions, et par l’étude d’un modèle de coculture entre des cellules épithéliales en lignée et des lymphocytes, le développement de nouveaux outils toxicologiques permettant une meilleure compréhension des phénomènes physiopathologiques impliqués au niveau de la surface oculaire dans la toxicité des conservateurs
During the past ten years, several toxicological studies on ocular surface focused on the effects of ophthalmologic medications that contain preservatives, particularly benzalkonium chloride. Although, the REACH program, with the limitation of the use of laboratory animals, supports the replacement of classic toxicological tools, i. E. The Draize test, and the development of new strategies. In addition, the widely used Wong-Kilbourne derivative of Chang conjunctiva-derived cell line has been criticized owing to a possible contamination with HeLa tumoral cells. In the present work, we validated the new IOBA-NHC cell line for toxicological studies, showing similar toxicological profiles of BAC on both cell lines. To illustrate our findings, we further studied the effects of the preservative-free formulation of tafluprost, a new prostaglandin analog, on IOBA-NHC cells. However, these monolayer cell models do not take into account the structural properties of cornea in vivo. In addition, unlike on any epithelial cell model, other cell types like goblet and inflammatory cells that interact with epithelial cells play also a major role in the ocular surface protection in vivo. Thus, we hereby reported a new application of a 3D-reconstituted corneal epithelial model, i. E. The analysis of BAC-preserved and unpreserved antiallergic eye drops on this model, and the development of a coculture model between epithelial cells and lymphocytes. Indeed, these new approaches seem to be extremely relevant for the understanding of ocular surface physiopathology, particularly in relation with preservative toxicity

Les images acquises avec un tomodensitomètre à double énergie (DECT) fournissent la détermination du numéro atomique effectif et de la densité électronique. L'objectif de ce mémoire est de développer un modèle d'identifiation de tissu applicable en curiethérapie, le modèle de tissu réduit à trois éléments, basé sur ces quantités et de le comparer avec une méthode existante dans la littérature, le calcul de la distance de Mahalanobis. Les deux modèles sont appliqués à des images DECT du fantôme de calibration Gammex RMI 467 et pour un sous-ensemble de tissus. Les distributions de dose sont calculées avec des simulations numériques Monte Carlo avec une source point ayant le spectre d'énergie de l'iode 125. Le modèle de tissu réduit à trois éléments reproduit les distributions de dose de référence et peut être utilisé comme étant une méthode d'identifiation de tissu valide pour effectuer un calcul de dose à partir d'images DECT.
Clinical Dual-Energy Computed Tomography (DECT) images provide the determination of the effective atomic number and the electronic density. The purpose of this study is to develop a new assessment model of tissues, named the reduced three elements tissue model, for dose calculations from DECT images in brachytherapy and compare it to a known identification method, assignment through the Mahalanobis distance. Both models are applied to DECT scans of the Gammex RMI 467 phantom and for a subset of 10 human tissues. Dose distributions are calculated from Monte Carlo simulations with a point source having the energy spectrum of 125I. The reduced three elements tissue model provides dose equivalence to reference tissues and is equivalent to the calculation of the Mahalanobis distance. The model constructed can be used as a scheme to assess tissues from DECT images for dose calculation.

L'objet essentiel de cette recherche est d'appréhender la valeur heuristique du modèle hexagonal régulier émanant des théories des lieux centraux. Le lien entre le modèle hexagonal régulier, les principes d'organisation et les concepts des théories des lieux centraux est d'abord examiné. Une attention particulière est donnée à la théorie de la centralité et aux autres travaux de Walter Christaller, ainsi qu'à la théorie des régions économiques d’August Losch. Une vue d'ensemble des théories des lieux centraux plus récentes et des applications du modèle hexagonal sur des trames urbaines régionales est fournie. Le modèle hexagonal sur des trames urbaines régionales est fournie. (seuls les nœuds et les arêtes sont significatifs), soit comme un pavage (la forme et le contenu sont significatifs). La seconde partie traite du maillage hexagonal. Sur l'exemple de la France, il apparait que le modèle géométrique régulier ne s'adapte pas à la structure et à l'organisation de la trame urbaine. La troisième partie, fondée sur les recherches effectuées par Georges Nicolas sur la Suisse occidentale, atteste la même inadéquation pour le pavage hexagonal. Il est donc proposé de substituer une grille polygonale et adaptable à la traditionnelle mosaïque hexagonale régulière
The main aim of this research is to look into the heuristic value of the regular hexagonal patterns as these appear in central place theories. The link between regular hexagonal patterns, principles of organization, and concepts of central place theories is first examined. Particular attention is given to the theory of centrality and other works by Walter Christaller, and to the theory of economic regions proposed by August Losch. An overview of more recent theories of central places and applications of hexagonal patterns on urban webs in regional settings is provided. The regular hexagonal pattern can be conceived either as a mesh (only nodes and edges are significant), or as a grid which actually contains people and functions. The second part deals with the regular hexagonal tesselation. Using the example of France, the regular geometric pattern is shown not to fit the structure and organization of the urban web. The third part, based upon Georges Nicolas research on Western Switzerland, confirms the same lack of fit for the regular hexagonal grid. For this reason, an adaptable polygonal grid is proposed as a substitute for the traditional and regular hexagonal tesselations. (abstract by Peter R. Gould and Sylvie Adam)

L'élastographie consiste à mesurer quantitativement l'élasticité des tissus afin de remplacer le contrôle tactile souvent exercé par les médecins. Ce contrôle tactile, connu sous le nom de palpation, a pour but d'estimer qualitativement l'élasticité des tissus. L'élastographie est motivée par la grande différence d'élasticité observée entre les tissus sains et les tumeurs dans lesquelles l'élasticité peut être jusqu'à 30 fois plus grande. L'élasticité devient alors un paramètre important dans la caractérisation des tissus mous. Dans les tissus mous, l'élasticité est pilotée par l'élasticité de cisaillement qui est mise en jeu lors de la propagation des ondes de cisaillement. Leur étude peut donc permettre de quantifier des informations tactiles. Nous proposons ici de développer des outils numériques pour l'étude théorique de la propagation d'onde de cisaillement dans un milieu élastique. Une évolution de la technique d'élastographie impulsionnelle, basée sur l'utilisation d'un nouveau type de transducteur ultrasonore associé à un système d'acquisition ultrasonore multivoie, est aussi proposée. La validation de ce dispositif et des algorithmes correspondants est ensuite réalisée sur fantômes. Nous développons un nouveau type de milieux modèles, un mélange de copolymère dans l'huile, imitant les propriétés mécaniques et acoustiques des tissus mous pour l'élastographie. Enfin, nous réalisons une comparaison de la mesure d'élasticité obtenues en élastographie impulsionnelle avec celle obtenue en élastographie par résonance magnétique afin d'étudier les différences possibles entre ces techniques de plus en plus utilisées pour le diagnostic de la fibrose hépatique
Elastography is to quantitatively measure the elasticity of tissue to replace the tactile control often exercised by physicians. This tactile control known as palpation, aims at qualitatively estimate the elasticity of tissues. Elastography is motivated by the large difference of elasticity observed between normal tissues and tumors in which elasticity can be up to 30 times greater. Elasticity becomes an important parameter in the characterization of soft tissues. In soft tissues, elasticity is driven by the shear elasticity, which is involved in the propagation of shear waves. Their study can thus help quantify the tactile information. We propose to develop computational tools for the theoretical study of shear wave propagation in elastic medium. An evolution of the transient elastography technique, based on the use of a new type of ultrasonic transducer combined with an ultrasonic multichannel acquisition system, is also proposed. The validation of this system and corresponding algorithms are then performed on phantoms. We develop a new kind of material models, a mixture of copolymer-in-oil, mimicking the mechanical and acoustic properties of soft tissues for elastography. Finally, we conduct a comparison of the measurement of elasticity obtained by transient elastography with that obtained by magnetic resonance elastography to study possible differences between these techniques increasingly used for the diagnosis of liver fibrosis

Le tissu adipeux est traditionnellement décrit comme étant constitué de lobules : des entités de formes ovoïdales composées de cellules et de vaisseaux et faiblement connectées entre elles.Récemment, il a été montré qu’un potentiel métabolique spécifique (le browning) co-localise avec cette organisation en lobules au sein d’un même tissu. Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons à décrire plus précisément l’organisation structurelle et fonctionnelle du tissu adipeux selon plusieurs aspects. Dans un premier temps, on s’attache à segmenter les lobules du tissu adipeux en utilisant une méthode de traitement d’image originale. Nous mettons en évidence une organisation 3D complexe et suivant plusieurs échelles. En particulier, il semble que le potentiel de browning soit également lié à une organisation structurelle particulière en clusters de lobules. Dans un second temps, à partir d’imagerie 3D, nous reconstruisons le réseau vasculaire entier du tissu adipeux et réalisons une simulation d’écoulements sanguins micro-vasculaires. Plusieurs hétérogénéités structurelles et fonctionnelles sont alors mises en valeurs à l’aide d’une analyse en communautés qui composent le tissu adipeux (par algorithme de clustering). Ces résultats confirment l’existence d’une zone centrale fortement vascularisée et qui se démarque également comme étant le lieu d’une perfusion sanguine d’intensité différente. Dans une dernière partie, nous abordons la question de transferts thermiques entre vaisseaux sanguins suivant des géométries simples mais pertinentes. Nous réalisons une étude systématique des paramètres adimensionnels clés du problème et mettons en évidence un invariant des échanges de chaleur : un optimum à faible nombre de Péclet (convection de même ordre que la diffusion). Nous introduisons également une méthode de calibration de paramètres effectifs dans le contexte des modèles homogénéisés de température à travers des tissus vascularisés.

L'ostéoporose est un problème majeur de santé publique (150000 fractures par an en France), qui se traduit par une diminution de la masse et de la « qualité » osseuse entraînant une augmentation du risque fracturaire. Basés uniquement sur une mesure de densité minérale osseuse, les moyens cliniques actuels de diagnostic de cette pathologie apparaissent insuffisants pour quantifier précisément la résistance mécanique de l'os. Dans cette optique, il est primordial de pouvoir évaluer non seulement l'évolution de masse osseuse au cours du temps, mais également ses propriétés mécaniques tant macro que micro. Cette thèse est consacrée au développement d'un modèle numérique de remodelage osseux intégrant des paramètres mécano-biologiques permettant de simuler à la fois la dégradation d'une microstructure d'os trabéculaire au cours du temps ainsi que son adaptation mécanique. Une modification de ces paramètres permet de simuler des cas pathologiques avec ou sans traitements anti-ostéoporotiques. Le remodelage est ensuite couplé au processus de mécanotransduction, en intégrant l'influence du chargement mécanique sur la réponse cellulaire. Différents cas de chargement ont été ainsi modélisés, en particulier faible chargement tel que l'alitement, ou surchargement tel que la pratique d'activités sportives. L'hyperminéralisation ainsi que l'hétérogénéité du tissu osseux ont été intégrés au modèle et leur influence sur la localisation des sites de remodelage a été également analysée. Les résultats des simulations obtenus à partir de microarchitectures d'os humain sur plusieurs années sont encourageants car ils concordent avec les observations cliniques
Osteoporosis is characterized by a low bone mass density but also an alteration of mechanical properties. The clinical diagnostic is made from the measure of the bone mineral density (BMD) but this examen seems insufficient to quantify bone resistance. In this work, a numerical model of cancellous bone degradation, aging and mechanical adaptation is proposed. Based on hypermineralization, this model simulates the cancellous bone remodeling process over many years. This model allows to predict the behavior of cancellous adaptation in a mechanical low loading case for instance. Results are similar to clinicial tendancy

Contexte : Le tissu biologique mou présente une organisation structurelle extrêmement complexe et est le siège de nombreux phénomènes d'échanges. De nombreuses applications s'étendant du diagnostic clinique à l'ingénierie tissulaire nécessitent la connaissance du comportement mécanique du tissu. A cette fin, de nombreuses approches plus ou moins satisfaisantes sont développées. Elles s'efforcent toutes de tenir compte de manière plus ou moins systématique de la microstructure du milieu. La considération du tissu biologique comme un milieu micromorphe donne des résultats probants dans sa particularisation au milieu micropolaire appliquée au tissu osseux. Il est donc fort probable que des résultats du genre soient obtenus pour d'autres tissus. Notre travail était orienté vers le tissu cardiaque et la problématique de l'infarctus ischémique. Dans ce contexte, il nous a semblé que la particularisation de comportement la mieux adaptée est celle d'un milieu à microdilatation. Travail réalisé : Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse est essentiellement numérique. Il a pour objectif de mettre en lumière les particularités de la réponse à une sollicitation extérieure d'un échantillon de milieu à microdilatation. Cette étape est essentielle pour l'analyse future des résultats d'expériences qui seront menées. Il a également pour objectif d'étudier les potentialités du modèle vis-à-vis du tissu cardiaque en considérant l'infarctus ischémique et la perte associée de la capacité d'éjection de volume sanguin. Les outils numériques d'analyse de tels milieux sont en plein développement. Il nous a fallu développer notre propre outil basé sur la LPI-BEM (Local Point Interpolation - Boundary Element Method). Du fait de la similitude des équations de champs associées, la validité de la stratégie numérique mise en oeuvre est testée sur le cas d'un matériau piézoélectrique. Ce choix n'est pas innocent car, dans l'avenir la considération du milieu piézoélectrique à microdilatation permettra d'analyser le cas d'une sollicitation électrique du tissu. Les détails de cette stratégie numérique originale sont consignés dans le chapitre 2 du mémoire. Le chapitre 3 est consacré à l'analyse de la robustesse de la méthode et aux particularités de la réponse d'un milieu à microdilatation. Le quatrième chapitre est consacré à l'application au tissu cardiaque. En se limitant au cas de petites déformations, on montre que le modèle est bien adapté à la représentation du comportement du tissu cardiaque. En effet, assimilant le ventricule gauche à une structure tubulaire, la fraction d'éjection du ventricule gauche (critère clinique d'insuffisance cardiaque) est fortement diminuée en présence d'une zone infarcie. Cette dernière est modélisée comme une région à frontière diffuse où les points matériels ont perdu leur capacité de « respirer ». Ces résultats sont prometteurs. Ils encouragent à poursuivre dans cette voie en prenant en compte le caractère anisotrope du tissu et en se plaçant dans le cadre des grandes déformations
Background: A soft biological tissue is subjected to numerous exchange phenomena and has an extremely complex structural organization. The knowledge of its mechanical behavior is required in many applications ranging from clinical diagnostic to tissue engineering. To achieve this goal, more or less satisfactory approaches are developed. They all seek to take into account in a more or less systematic manner the microstructure of the medium. Assuming that the biological tissue is a particular micromorphic medium (micropolar medium) leads to good results in the case bone tissue. It is therefore likely that the results of this kind will be obtained for other tissues. Our interest is on the heart tissue and the problem of ischemic heart attack. In this context, it seemed that the most appropriate behavior particularization is that of a microdilatation medium. Work done: The work presented in this thesis is essentially numerical. It aims to highlight the features of the response of microdilatation medium to an external mechanical load. This step is essential for the analysis of the experimental results to be conducted in the future. The work also aims to investigate the potentialities of the model with respect to the heart tissue regarding heart attack and the associated loss of the ability to eject sufficient blood volume. The numerical tools for the analysis of such media are in increasing development. We had to develop our own tool based on the LPI-BEM (Local Point Interpolation - Boundary Element Method). Because of the similarity of the associated field equations, the validity of the numerical strategy is assessed in the case of a piezoelectric material. This choice is not innocent because the piezoelectric medium with microdilatation will allow analyzing the case of an electrical solicitation of the tissue. The details of this original numerical approach are given in Chapter 2 of the thesis. Chapter 3 is devoted to the analysis of the robustness of the method and to the peculiarities of the response of a microdilatation medium. The fourth chapter is devoted to the application to the cardiac tissue. By limiting the study to the case of small strains, it is shown that the model is well suited to the representation of the behavior of cardiac tissue. Indeed, considering the left ventricle as a tubular structure, the left ventricle ejection fraction (clinical criterion of the heart failure) is greatly reduced in the presence of an infarcted area. The latter is modeled as a zone with diffuse boundary where the material points have lost their ability to "breath". These results are promising and encourage further investigations in this direction by taking into account the anisotropic nature of the tissue in a geometrically nonlinear context

Les fonctions biologiques sont le résultat de l'interaction de beaucoup de processus, avec différents objectifs, complexités, niveaux de hiérarchie, et changements de conditions que modifient le comportement de systèmes. Nous utilisons des équations différentielles ou dynamiques plus générales, et systèmes stochastiques de transition pour décrire la dynamique de changements des modèles. La composition, réconciliation et réutilisation des modèles nous permettent d'obtenir des descriptions de systèmes biologiques complètes et compatibles et leur combiner. Notre spécification de systèmes hybrides avec BioRica assure l'intégrité de modèles, et implémente notre approche. Nous appliquons notre approche pour décrire in-silico deux systèmes: la dynamique de la fermentation du vin, et des décisions cellulaires associées à la formation de tissu d'os
The main aim of this thesis is to develop an approach that allows us to describe biological systems with theoretical sustenance and good results in practice. Biological functions are the result of the interaction of many processes, that connect different hierarchy levels going from macroscopic to microscopic level. Each process works in different way, with its own goal, complexity and hierarchy level. In addition, it is common to observe that changes in the conditions, such as nutrients or environment, modify the behavior of the systems. So, to describe the behavior of a biological system over time, it is convenient to combine different types of models: continuous models for gradual changes, discrete models for instantaneous changes, deterministic models for completely predictable behaviors, and stochastic or non- deterministic models to describe behaviors with imprecise or incomplete information. In this thesis we use the theory of Composition and Hybrid Systems as basis, and the BioRica framework as tool to model biological systems and analyze their emergent properties in silico.With respect to Hybrid Systems, we considered continuous models given by sets of differential equations or more general dynamics. We used Stochastic Transition Systems to describe the dynamics of model changes, allowing cofficient switches that control the parameters of the continuous model, and strong switches that choose different models. Composition, reconciliation and reusing of models allow us to build complete and consistent descriptions of complex biological systems by combining them. Compositions of hybrid systems are hybrid systems, and the refinement of a model forming part of a composed system results in a refinement of the composed system. To implement our approach ideas we complemented the theory of our approach with the improving of the BioRica framework. We contributed to do that giving a BioRica specification of Hybrid Systems that assures integrity of models, allowing composition, reconciliation, and reuse of models with SBML specification.We applied our approach to describe two systems: wine fermentation kinetics, and cell fate decisions leading to bone and fat formation. In the case of wine fermentation, we reused known models that describe the responses of yeasts cells to different temperatures, quantities of resources and toxins, and we reconciled these models choosing the model with best adjustment to experimental data depending on the initial conditions and fermentation variable. The resulting model can be applied to avoid process problems as stuck and sluggish fermentations. With respect to cell fate decisions the idea is very ambitious. By using accurate models to predict the bone and fat formation in response to activation of pathways such as the Wnt pathway, and changes of conditions affecting these functions such as increments in Homocysteine, one can analyze the responses to treatments for osteoporosis and other bone mass disorders. We think that here we are giving a first step to obtain in silico evaluations of medical treatments before testing them in vitro or in vivo

Ce travail de thèse traite du développement d’une maille en titane imprimée en 3D pour le comblement des grands défauts osseux. La perte de substance osseuse intervient lors de traumatismes importants ou de chirurgies ablatives (dues à des infections ou à des cancers). Lorsque le défaut atteint un stade critique, la régénération osseuse est impossible et on assiste à une perte de fonction. Il faut alors recourir à des chirurgies reconstructrices comme par exemple la reconstruction mandibulaire. Aujourd’hui, la chirurgie communément pratiquée pour reconstruire la mandibule est la reconstruction par lambeaux libres de fibula, laquelle demande un investissement en temps et en ressource colossale pour des résultats mitigés avoisinant les 10% de taux d’échec. En nous basant sur la littérature internationale, nous avons développé une maille en titane imprimée en 3D pour remplacer l’autogreffe de fibula et ainsi limiter les effets secondaires liés au site donneur tout en offrant aux cellules mésenchymateuses des conditions optimales à la colonisation osseuse. D’un point de vue mécanique, cela consiste à abaisser la rigidité native du titane (110GPa) à une rigidité comprise entre 0,1 et 1 GPa. Pour réaliser cette maille, nous avons mis en place une méthodologie de design qui nous a permis d’innover en mettant au point un système de reprise de charge. Ce système de reprise de charge permet d’adapter la réponse de l’implant en fonction de l’intensité de la sollicitation, ce qui permet de combiner une rigidité faible et une résistance à l’effort élevée. Les différentes itérations de design ont été testées par éléments finis, jusqu’au motif final, lequel a été caractérisée lors de tests mécaniques réels en compression, en traction et en flexion. Remplissant la majorité du cahier des charges, nous avons ensuite mis au point une étude animale, laquelle sera réalisée ultérieurement. Enfin, cette étude a permis de mettre en évidence certaines limitations de l’impression 3D métallique, principalement liés aux surfaces non supportées que nécessitent la reprise de charge. Cette maille très prometteuse est aujourd’hui en cours d’optimisation pour permettre d’être rapidement mise à la disposition des patients
The work detailed in this thesis is about a titanium 3D printed mesh for large bone defects. Large bone defects are often due to surgical resections, performed after a cancer or an infection. When the defect reach a critical size, bone regeneration is impossible and it often leads to the loss of function. When it happened, the wound need to be cured using reconstructive surgery. The mandibular reconstruction is one of the most performed reconstructive surgery. Nowadays, we reconstruct the mandible with the fibula free flap technique, which require huge amount of time and resources for mixed results (around 10% failure rate). Based on the international literature, we developed a titanium 3D printed mesh to replace the fibula autograft and limit its side effect while offering to mesenchymal cells optimal growing environment. On the mechanical point of view, this environment requires to decrease the titanium initial rigidity from 110GPa to a range between 0.1 and 1GPa. In order to achieve that goal, we have developed a design methodology that lead us to innovation. We developed a load restauration system that allow us to combine low rigidity and high resistance. In order to find the final design, we used finite element modeling. Then, the final design have been tested mechanically in compression, traction and flexion. Because most of the requirements were reached, we designed an animal study which should take place in the next years. Eventually, we discovered some limitation for metallic 3D printing, essentially due to unsupported areas required for the load restauration. This innovative mesh is today optimized in order to be rapidly given to patients in the need

Le disque intervertébral est probablement le plus extraordinaire des tissus du vivant, principalement en raison de propriétés inhabituelles dépendantes du temps, fortement influencées par l'environnement biochimique et par la charge mécanique appliquée. L'établissement de relations structure-propriété précises pour le tissu de l’annulus fibrosus du disque intervertébral est fondamental afin d’obtenir une modélisation fiable de la colonne vertébrale humaine. La difficulté provient de la multi-axialité et de l'anisotropie de la réponse tissulaire ainsi que de la dépendance régionale d'une structure hiérarchique complexe interagissant avec l'environnement biochimique. De plus, l’annulus fibrosus présente un comportement transversal unique dépendant du temps pour lequel une représentation constitutive complète n'est pas encore développée. Un modèle constitutif chimio-viscoélastique à base physique prenant en compte l’architecture de l’annulus fibrosus et son environnement biochimique a ainsi été proposé. Des modèles numériques d'échantillons de l’annulus fibrosus et d'unités vertébrales fonctionnelles lombaires (disque et vertèbres adjacentes) ont été développés en tenant compte de la matrice interlamellaire reliant les lamelles renforcées de fibres. A l'échelle de l'échantillon, les capacités du modèle sont vérifiées par des comparaisons avec des observations expérimentales pour diverses conditions en termes d'osmolarité, de vitesse de déformation et de multi-axialité tout en considérant la dépendance régionale. Nos résultats démontrent le rôle déterminant de la matrice interlamellaire dans la réponse multi-axiale du disque. Les différents scénarios appliqués aux unités lombaires démontrent les capacités prédictives multi-axiales encourageantes de notre approche, ce qui en fait un outil prometteur pour la prédiction à long terme du comportement de la colonne vertébrale humaine, y compris la dépendance à l'âge
The intervertebral disc is probably the most extraordinary tissue that the nature produces, mainly for its unusual time-dependent properties strongly influenced by the biochemical environment and the applied mechanical loading. Establishing accurate structure-property relationships for intervertebral disc annulus fibrosus tissue is a fundamental task for a reliable computer simulation of the human spine. The difficulty emanates from the multi-axiality and the anisotropy of the tissue response along with regional dependency of a complex hierarchic structure interacting with the biochemical environment. In addition, the annulus fibrosus exhibits an unusual time-dependent transversal behavior for which a complete constitutive representation is not yet developed. A physically-based chemo-viscoelastic constitutive model that takes into account an accurate disc annulus structure in relation with the biochemical environment is proposed. Numerical models of annulus specimens and lumbar functional spinal units (one disc and the adjacent vertebrae) are designed while taking into consideration the interlamellar matrix connecting the fibers-reinforced lamellae. At the specimen scale, the model capabilities are verified by experimental comparisons under various conditions in terms of osmolarity, strain-rate and multi-axiality while considering the regional dependency. Our results highlight the determinant role of the interlamellar matrix in the disc multi-axial response. The different scenarios applied to lumbar units show encouraging multi-axial predictive capabilities of our approach making it a promising tool for human spine behavior long-term prediction including age-dependency

Le vieillissement musculaire, en tant qu'entité pathologique, est connu sous le nom de sarcopénie. Il est défini comme une réduction de la force musculaire accompagnée d'une perte de masse musculaire et d'un déclin des fonctions physiques. Les méthodologies actuellement utilisées en pratique clinique pour évaluer cette maladie liée au vieillissement sont plutôt limitées pour saisir les caractéristiques de ce déclin à l'échelle macroscopique: mesure de la force et de la masse musculaire. Cependant, diagnostiquer la sarcopénie en mesurant uniquement ces deux paramètres n'est pas assez précis et ne permet pas de détecter une perte précoce de la fonction musculaire. Il est plus fiable d'exploiter des changements musculaires à l’échelle microscopique: tels que la perte des unités motrices (l'unité motrice (UM) est constituée d'un motoneurone et de toutes les fibres musculaires squelettiques innervées par ses terminaisons axonales), l'atrophie des fibres, le désordre de la commande neuronale, et l’infiltration intramusculaire des cellules adipeuses. Ainsi, des études récentes, basées sur la technique d'électromyographie de surface (sEMG), ont démontré le grand potentiel de cette technique en tant que biomarqueur pour détecter les premiers signes de muscles sarcopéniques. En effet, le signal sEMG est la réponse électrique de l'activation musculaire gérée par le système nerveux central (SNC). Il est mesuré de manière non invasive à la surface de la peau à l'aide d'électrodes de surface et peut être efficacement corrélé à la réponse mécanique de l'activation musculaire. De plus, les modèles mathématiques du signal sEMG peuvent former une alliance utile avec les mesures expérimentales et le traitement du sEMG pour identifier et/ou quantifier les bio-indicateurs (c'est-à-dire les paramètres anatomiques et neuronaux des muscles) d'un vieillissement musculaire sain, précoce, accéléré ou sarcopénique. Dans cette thèse, nous avons utilisé un modèle électrique optimisé décrivant l'activité électrique du muscle à la surface de la peau à l'aide de la technique d'électromyographie à haute densité (HD-sEMG). Ce modèle est développé précédemment dans notre laboratoire de recherches. Le temps de calcul réduit de ce modèle est l'élément clé majeur pour effectuer l'identification des indicateurs de vieillissement à l'aide de méthodes inverses et de la technique HD-sEMG. Cependant, cette identification nécessite des méthodes préalables telles que l'analyse de sensibilité et d'identifiabilité. De plus, lors de l'utilisation de ce modèle, nous avons observé d'importantes limitations telles qu'un manque de réalisme physiologique (par exemple, les territoires des UM et le nombre de fibres par muscle), de personnalisation (par exemple, le même schéma de recrutement neuronal pour les sujets jeunes et âgés) et de simplicité (par exemple, l'ajustement de 50 paramètres de modèle en fonction de l'âge et du sexe). Ces limitations restreignent l'utilisation de ce modèle dans le diagnostic du vieillissement musculaire. Par conséquent, l'objectif de cette thèse est de remédier à ces limitations et de fournir un modèle plus réaliste et simple à utiliser pour évaluer le vieillissement musculaire. Dans ce travail, nous proposons d'abord une méthode d’analyse de sensibilité de Morris améliorée (IMSA) appliquée au modèle développé. Cette analyse a été réalisée sur des sujets simulés jeunes et âgés (à faible et à fort niveau de contractions). Grâce à cette IMSA, nous avons réussi à mettre en évidence et avec précision les paramètres/facteurs neuromusculaires influents pour chaque catégorie d'âge, à chaque niveau de force et pour chaque descripteur statistique calculée à partir des signaux HD-sEMG. De plus, grâce à l'IMSA, nous avons mis en évidence les limitations du modèle mentionnées précédemment. Pour remédier à ces limitations, nous avons modifié le schéma du modèle pour le rendre plus facile à manipuler, avec moins de risques d'erreurs et d'incohérences
The muscle aging, as a disease entity, is known as Sarcopenia. It is defined as a reduction of muscle strength/force accompanied by a loss of muscle mass and a decline in physical functions. The current methodologies used in clinical practice to assess this aging disease, are rather limited to capture the features of this decline at the macroscopic scale. Factors such as the loss of Motor Units (motor unit (MU) is made up of a motoneuron and all the skeletal muscle fibers innervated by the neuron's axon terminals), the atrophy of fibers and the disorder of the neural recruitment pattern are shown to have a clear influence on muscular function. However, diagnosing sarcopenia by only measuring the muscle strength and/or muscle mass is not enough accurate and cannot alert an early loss of muscular function. The inner scales (MU and fiber scale age-related changes) reflecting that loss of muscle mass and strength during aging are more interesting to exploit. Thus, recent studies, based on the surface electromyography (sEMG) technique, have demonstrated the great potential of this technique to be used as a biomarker to detect early signs of sarcopenic muscles. In fact, the sEMG signal is the electrical response of the muscle activation managed by the Central Nervous System (CNS). It is measured with a noninvasive manner at the skin surface using surface electrodes and can be correlated efficiently to the mechanical response of muscle activation. Moreover, mathematical models of sEMG signal can form a useful alliance with sEMG experimental measures and processing to identify and/or quantify bio-indicators (i.e., anatomical, and neural muscle parameters) of a healthy, early, accelerated or sarcopenic muscle aging. In this thesis work, we have used a fast and optimized electrical model describing the electrical activity of the muscle at the skin surface using High Density sEMG technique (HD-sEMG), developed in our laboratory team. The reduced computational time of this model is the major key feature to perform the identification of aging indicators using inverse methods and HD-sEMG technique. However, this identification needs pre-aided-methods such as the sensitivity and the identifiability analysis. Moreover, when dealing with this model, we have observed important limitations such as lack of physiological realism (e.g., MUS territories and the number of fibers per muscle), personalization (e.g., same recruitment pattern for young and elder subject), and simplicity (e.g., adjustment of 50 model parameters according to age and gender). These limitations restrain the use of this model in muscle aging diagnosis. Therefore, we aimed in this thesis to address the limitations of this model and deliver more realistic and user-friendly model to evaluate muscle aging. Therefore, in this work, we first propose an Improved Morris Sensitivity Analysis (IMSA) applied on the developed model. This analysis was performed on young and elder simulated subjects (at low and high force level). Using this IMSA, we success to spotlight with accuracy the influential neuromuscular parameters/factors for each age category, at each force level, and for each statistic feature computed over the HD-sEMG signals. Furthermore, using IMSA, we have outlined the model inaccuracies and limitations mentioned above. To address these limitations, we have modified the model schema implementation to be easier to manipulate (user-friendly model), with less error and inconsistency risks. Only the age and the gender of subject became needed as model entries to initiate a simulation of HD-sEMG signals. All other parameters necessary in simulations are then estimated through "statistical" models. The statistical models employ regression analysis to estimate the relation Parameter versus Age. A bibliographic research reporting these morphological and structural changes according to age, gender, and Biceps Brachii muscle was done

La ville est une agrégation urbaine permettant d’offrir divers services à ses citadins. Elle constitue un système complexe qui dépend de plusieurs facteurs sociaux et économiques. La configuration de l’espace influence d’une manière importante l’accessibilité aux différentes fonctionnalités de la ville. L’analyse spatiale de la structure urbaine est réalisée sur les villes afin d’étudier les caractéristiques de l’espace et pouvoir évaluer son potentiel fonctionnel. L’enjeu de la thèse est de proposer une approche d’analyse spatiale qui prenne en compte les différents aspects structurels et sémantiques de la ville. Un modèle basé sur les graphes a été proposé pour représenter le réseau de transport multimodal de la ville qui garantit l’accessibilité aux différents points d’intérêt. Les super-réseaux ont été utilisés pour intégrer la possibilité d’un transfert intermodal dans le modèle de transport par des liens d’interdépendance entre les sous-graphes associés aux différents modes de transport. L’aspect temporel a été représenté dans le modèle par des attributs spécifiant les contraintes temporelles caractérisant le parcours de chaque noeud et chaque arc tels que le temps d’exploration, le temps d’attente et le temps requis pour les pénalités routières. L’aspect fonctionnel est introduit par le concept d’activité. Nous avons proposé un modèle conceptuel qui vise à modéliser les différents éléments contextuels qui peuvent affecter la planification et l’exécution des activités urbaines tels que le cadre spatio-temporel et le profil de l’utilisateur. Ce modèle conceptuel de données a été enrichi par un système de gestion de connaissances qui vise à représenter des informations sur les comportements des individus dans le cadre d’une activité selon les profils et le contexte spatio-temporel. Nous nous basons sur des données collectées dans le cadre d’une enquête de déplacement pour l’extraction de connaissances à l’aide d’algorithmes de classement et de recherche de motifs séquentiels. Les connaissances extraites sont représentées par un système de gestion de règles permettant la planification contextuelle de l’activité à partir d’un programme d’activité adapté à un profil donné, des itinéraires assurant la réalisation de l’activité sont générés en formant un réseau d’activité contextuel. L’algorithme de recherche d’itinéraires s’appuie sur l’algorithme A* qui permet, à travers une fonction heuristique, la réduction de la complexité de la recherche en prenant en compte l’aspect temporel de l’activité et la structure multimodale de réseau. L’expérimentation de l’approche a été réalisée sur quatre villes Françaises dans l’objectif de générer des réseaux thématiques associés aux différentes activités réalisées par des profils différents. L’aspect fonctionnel représenté dans ces réseaux fait l’objet d’une analyse spatiale qui consiste à étudier la configuration de l’espace tout en prenant en compte l’usage contextuel des utilisateurs. L’analyse est basée sur les opérateurs de centralité définis par la syntaxe spatiale ainsi que des opérateurs d’étude de couverture des réseaux thématiques originaux
The city is an urban aggregation allowing to offer diverse services to his city-dwellers. She establishes a complex system which depends on several social and economic factors. The configuration of the space influences in a important way the accessibility to the various features of the city. The spatial analysis of the urban structure is realized on cities to study the characteristics of the space and be able to estimate its functional potential. The aim of the thesis is to propose an approach to spatial analysis which takes into account the various structural and semantic aspects of the city. A model based on the graphs was proposed to represent the multimodal transport network of the city which guarantees the accessibility to the various points of interest. Super-networks were used to integrate the possibility of an intermodal transfer into the model of transport by links of interdependence between the sub-graphs associated to the various means of transportation. The temporal aspect was represented in the model by attributes specifying the temporal constraints characterizing the itinerary of every node and every edge such as the time of exploration, the waiting time and the time required for the road penalties. The functional aspect is introduced by the concept of activity. We proposed a conceptual model which aims to model the various contextual elements which can affect the planning and the execution of the urban activities such as the spatiotemporal frame and the profile of the user. This model was enriched by knowledge management which aims to represent information about individual behaviors. The extracted knowledge are represented by a management system of rules allowing the contextual planning of the activity

Le socket prothétique (dit aussi emboiture prothétique), élément d'interface essentiel entre le moignon du patient et le dispositif prothétique, est le plus souvent le lieu où se définit le degré de réussite prothétique. C'est la partie la plus critique de la prothèse, personnalisée pour s'adapter au membre résiduel unique de l'amputé. Sans une forme et un ajustement approprié du socket, la prothèse devient inconfortable, voire inutilisable, et provoque des douleurs et des problèmes de peau. La production prothétique actuelle manque encore de normes numériques universelles pour concevoir un socket. La pratique actuelle est coûteuse et repose sur les raffinements manuels du technicien orthopédiste, et la qualité de l'ajustement est strictement corrélée à ses compétences ainsi qu'aux retours subjectifs du patient lors des phases d’essai de la prothèse fabriquée. La thèse vise à mener une analyse approfondie d'une conception optimale de l'emboîture prothétique en étudiant un processus alternatif de conception assistée par ordinateur. Ce processus est entièrement basé sur le modèle virtuel du membre résiduel du patient et repose sur le calcul de l’interaction emboîture-moignon. Un calcul rapide est favorable dans ce cas, c'est pourquoi nous proposons d'utiliser le système Mass-Spring (MSS) au lieu de la méthode FE largement utilisée pour modéliser les tissus mous du membre résiduel. Une nouvelle configuration du modèle MSS est proposée pour respecter la propriété de non compressibilité des tissus mous en ajoutant des « ressorts correctifs » non linéaires. Le modèle numérique doit être généré à partir du modèle scanné du moignon. À cette fin, nous proposons un schéma de fusion de quatre capteurs de profondeur à bas coût pour un scan rapide et économique avec des techniques de réduction des erreurs. Enfin, le membre résiduel virtuel est utilisé dans la phase de conception du socket. Une méthode de conception paramétrique est proposée et étudiée. Le problème de conception est transformé en problème de satisfaction des contraintes dérivées du calcul inverse de l'interaction socket-moignon. L'approche inverse a été choisie pour éliminer le besoin d'une formulation de contact coûteuse. Ce fait conduit à des calculs rapides, et par conséquent, permet de fournir des retours numériques en temps réel pendant le processus de conception. Le système a été implémenté pas programmation C++ avec une interface graphique où les retours numériques sont donnés sous forme d’une carte de radar. La validation a été faite en comparant les résultats de notre système avec la sortie des simulations FE. Le système a été implémenté avec une interface graphique conviviale et virtuellement testé et validé numériquement. Ce système réduit les limites des pratiques actuelles. Cependant, de nombreux travaux sont encore en cours pour affiner et développer le système et le valider par des expériences cliniques
The prosthetic socket, an essential interface element between the patient's stump and prosthetic device, is most often the place where the degree of prosthetic success is defined. It is the most critical part of the prosthesis, customized to fit with the unique residual limb of the amputee. Without a proper socket shape and fit, the prosthesis becomes uncomfortable, or even unusable, and causes pain and skin issues. The state-of-the-art prosthetic production is still missing universal numerical standards to design a socket. The current practice is expensive and relies on the manual refinements of the orthopedic technician, and the fit quality strictly correlates with his skills as well as the subjective feedback of the patient. The thesis aims to conduct a deep analysis of an optimal design of the prosthetic socket by studying and developing an alternative computer-aided design process. This process is fully based on the virtual model of the patient’s residual limb and relies on the calculation of the socket-stump interaction. A fast calculation is favorable in this case, that’s why we propose to use the Mass-Spring System (MSS) instead of the widely used FE method to model the soft tissues of the residual limb. A new configuration of the MSS model is proposed to respect the non-compressibility property of the soft tissues by adding non-linear “Corrective Springs”. The numeric model is to be generated from the scanned model of the stump. For this purpose, we propose a fusion scheme of four RGB-Depth sensors for a rapid and low-cost scan with error reduction techniques. Finally, the virtual residual limb is used in the socket designing phase. A parametric design method is proposed and investigated. The design problem is transformed into a constraint-satisfaction-problem whose constraints are derived from the inverse calculation of the stump-socket interaction. The inverse approach has been chosen to eliminate the need for expensive contact formulation. This fact leads to rapid calculations, and consequently, allows to provide real-time numerical feedback during the designing process. The validation was done by comparing the results of our system with the output of FE simulations. The system has been implemented with a user-friendly graphical interface and virtually tested and numerically validated. This system reduces the limitations of the current practices. However, a lot of works is still ahead to refine and develop the system and validate it with clinical experiments

Le visage humain joue un rôle important dans la communication interpersonnelle. La dysfonction du visage ou le défigurement due aux traumatismes ou pathologies peuvent entraver les activités sociales normales. Le traitement chirurgical est souvent nécessaire. De nos jours, le résultat du traitement chirurgical et l’état d’établissement ne sont estimé qu’avec les méthodes qualitatives telles que l’observation visuelle et la palpation. Dans l’attente de fournir des critères quantitatifs, cette thèse a pour l’objectif de modéliser la mimique faciale utilisant MEF (Méthode d’Éléments Finis) sur la base des données d’IRM (Imagerie par Résonance Magnétique). Un modèle sujet-spécifique du visage a été construit sur la base de la segmentation des données IRM ; il contient des parties osseuses, muscles de la mimique (p.ex. le muscle grand zygomatique), les tissues mous sous-cutanées et la peau. L’identification des tissus mous biologiques a été réalisée via des essais de traction bi-axiale et la modélisation numérique. Ensuite, le modèle géométrique a été maillé pour effectuer des calculs EF simulant trois mouvements mimiques du visage (sourire, prononciation du son « Pou » et « O »). Les muscles ont été modélisés comme un matériau quasi-incompressible, transversalement isotrope et hyperélastique, avec la capacité d’activation. Des informations pertinentes (p.ex. l’amplitude de contraction du muscle) utilisées dans la simulation ont été extraites de la mesure des données d’IRM. Il est à noter que les mêmes données expérimentales d’IRM telles qu’ils ont utilisées dans la modélisation ont été prises comme une référence de validation pour les résultats de simulation. Cette étude peut être appliquée cliniquement dans l’évaluation du traitement faciale et le rétablissement postopérative
Human face plays an important role interpersonal communication. Facial dysfunction or disfigurement due to trauma or pathologies may impede normal social activities. Surgical treatment is often necessary. Nowadays, treatment outcome and rehabilitation condition are estimated only by qualitative methods, such as visual observation and palpation. In expectation of providing quantitative criteria, this thesis proposes to model facial mimics using FEM (Finite Element Method) on the basis of MRI (Magnetic Resonance Imaging) data. A subject-specific face model was reconstructed based on segmentation of MRI data; it contains bony parts, mimic muscles (e.g. zygomaticus major muscle), subcutaneous soft tissues and skin. Identification of biological soft tissues was conducted through bi-axial tension tests and numerical modeling. Then the geometric model was meshed to conduct FE calculations simulating three facial mimic movements (smile, pronunciation of sound “Pou” and “O”). Muscle was modeled as quasi-incompressible, transversely-isotropic, hyperelastic material, with activation ability. Relevant information (e.g. contraction amplitude of muscle) used in simulation was extracted from measurement of MRI data. It is to be noted that the same experimental MRI data as used in modeling was taken as validation reference for simulation results. This study can be applied clinically in evaluation of facial treatment andpostoperative recovery

Cette thèse traite de la modélisation du remodelage osseux. Nous présentons tout d'abord un modèle général continu tenant compte de la réponse cellulaire à un stimulus mécanique. Ce modèle est appliqué à des géométries 2D et 3D macroscopiques afin de se rapprocher des problématiques réelles, ainsi que sur des géométries mésoscopiques d'os trabécullaires en 2D. Cependant la complexité du remodelage osseux ne permet pas d'avoir une approche unique de modélisation. Ainsi, dans un second temps, le cas particulier du remodelage osseux orthodontique est étudié. Un nouveau modèle spécifique est développé tenant compte de l'influence du ligament parodontal sur le remodelage osseux, et intégrant l'influence du taux d'oxygène qui contrôle les évolutions de densités cellulaires. Des données expérimentales in vitro sont extraites de la littérature et servent de données d'entrées du modèle développé afin d'obtenir l'évolution de la densité osseuse alentours d'une racine dentaire cylindrique en 3D
This work deals with modelization of bane remodeling. We present first a madel thal accounts for the cellular res panse to a mechanical stimulus in a general case at a continuous scale. This madel is applied to 2D and 3D geometries at macroscopic scale to mimic real cases, as weil as 2D trabecular-type geometries at mesoscopic scale. However, the complexity of bane remodeling does not allow a unique approach. Th us, the thesis work is focused on the particular case of orthodontie bane re mode ling. A new specifie madel is developed accounting for the influence of the periodontal ligament on orthodontie bane remodeling by integrating the oxygen concentration effect controling the evolutions of cellular densities. The cellular experimental data in vitro are extracted from the literature, and serve as input data of the developed madel in arder to ablain the evolution of bane density around the root of a 3D cylindrical tooth

Des méthodes micromécaniques spécifiques ont été développées pour la détermination du comportement effectif de matériaux cellulaires dotés d’une architecture discrète à l’échelle microscopique. La méthode d’homogénéisation discrète a été appliquée à des structures tissées monocouches ainsi qu’à l’os trabéculaire. La topologie discrète initiale de ces milieux est remplacée à l’échelle mésoscopique par un milieu effectif anisotrope micropolaire, qui rend compte des effets d’échelles observés. Ces méthodes d’homogénéisation permettent d’accéder à des propriétés classiques et non classiques dont la mesure expérimentale est souvent difficile. Des modèles 3D ont été développé afin de décrire la rupture fragile et ductile de l’os trabéculaire, incorporant des effets de taille des surfaces d’écoulement plastique. Nous avons construit par des analyses éléments finis de la microstructure de l’os trabéculaire un milieu de substitution 3D homogène, orthotrope de type couple de contraintes, sur la base d’une équivalence en énergie. Les tissus osseux ont la capacité d’adapter leur densité locale et leur taille et forme aux stimuli mécaniques. Nous avons développé des modèles de remodelage interne et externe dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles, aux échelles cellulaire et macroscopique. Finalement, le remodelage interne anisotrope a été couplé à l’endommagement de fatigue, dans le cadre de la théorie continue de l’endommagement
A methodology based on micromechanics has been developed to determine the effective behavior of network materials endowed with a discrete architecture at the microscopic level. It relies on the discrete homogenization method, which has been applied to textile monolayers and trabecular bones. The initially discrete topology of the considered network materials results after homogenization at the mesoscopic level in anisotropic micropolar effective continuum, which proves able to capture the observed internal scale effects. Such micromechanical methods are useful to remedy the difficulty to measure the effective mechanical properties at the intermediate mesoscopic level scale. The bending and torsion responses of vertebral trabecular bone beam specimens are formulated in both static and dynamic situations, based on the Cosserat theory. 3D models have been developed for describing the multiaxial yield and brittle fracture behavior of trabecular bone, including the analysis of size-dependent non-classical plastic yield. We have constructed by FE analyses a homogeneous, orthotropic couple-stress continuum model as a substitute of the 3D periodic heterogeneous cellular solid model of vertebral trabecular bone, based on the equivalent strain energy approach. Bone tissues are able to adapt their local density and load bearing capacities as well as their size and shape to mechanical stimuli. We have developed models for combined internal and external bone remodeling in the framework of the thermodynamics of irreversible processes, at both the cellular and macroscopic levels. We lastly combined anisotropic internal remodeling with fatigue continuum damage