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Chaque nouvelle innovation d’imagerie médicale a été exploitée pour les sciences anthropologiques. Depuis le début des années 2000, la microtomodensitométrie permet d’aller de plus en plus loin dans l’investigation non invasive des tissus osseux, trabéculaires notamment. Elle fournit un niveau de détail comparable aux images histologiques tout en permettant des analyses tridimensionnelles. Ainsi la microarchitecture osseuse trabéculaire, extrêmement sensible aux contraintes biomécaniques ou pathologiques, présente un fort potentiel pour identifier des changements comportementaux, mais aussi pour mieux comprendre les processus pathologiques ou pour les identifier plus précocement. La démonstration de l’intérêt des analyses microarchitecturales pour l’étude des populations du passé se fera à travers plusieurs exemples : du développement locomoteur des enfants à l’analyse de plusieurs conditions pathologiques. Each medical imaging innovation has been exploited for the anthropological sciences. Since the early 2000s, microcomputed tomography allows to go further in the non-invasive investigation of bone tissue, especially the trabecular one. It provides a level of detail comparable to histological images while allowing three-dimensional analyses. Thus, trabecular bone microarchitecture, which is extremely sensitive to biomechanical or pathological constraints, has great potential for identifying behavioural changes, but also for a better understanding of pathological processes or for detecting them at an earlier stage. The interest of microarchitectural analyses for the study of populations of the past will be demonstrated through several examples: from the locomotor development of children to the analysis of several pathological conditions.

Embedded systems are ubiquitous in our everyday life. Those embedded systems, by their nomadic nature, are particularly sensitive to the so-called fault injection attacks. For example, an attacker might inject a physical perturbation in an integrated circuit to compromise the security features of the system. Originally used to compromise cryptographic systems, those attacks can now target any kind of system. Notably, those attacks enable to compromise the execution of a program. In this manuscript, we introduce a new security property to protect the execution of instructions in the microarchitecture: execution integrity. From this property, we describe the concept of SCI-FI, a counter-measure that ensures the protection of the whole instruction path thanks to code, control-flow and execution integrity properties. We build SCI-FI around a bit vector that we call pipeline state and that is composed of microarchitecture control signals. Two modules interact around the pipeline state to ensure the security properties. The first module computes a signature from the pipeline state to ensure code and control-flow integrity and partially execution integrity. The second module completes the execution integrity support in the microarchitecture thanks to a redundancy mechanism. We also propose a solution for indirect branches and interrupts that are required to design embedded systems. We implement two versions of SCI-FI, one built around a cryptographic primitive which provides the best security level and another lighter one built around a CRC to maximize the performances. We integrate SCI-FI into a 32 bits RISC-V processor, and we modify the LLVM compiler. We analyze the security provided by our two implementations and we show that SCI-FI, even with the lightweight implementation, is robust against state-of-the-art attacker. Finally, we evaluate the performances of our implementations through an ASIC synthesis and through the execution of the benchmark suite Embench-IoT. We show that SCI-FI has comparable performances to state-of-the-art counter-measures while ensuring a new security property: execution integrity.; Les systèmes embarqués numériques sont omniprésents dans notre environnement quotidien. Ces systèmes embarqués, par leur caractère nomade, sont particulièrement sensibles aux attaques dites par injection de fautes. Par exemple, un attaquant peut injecter une perturbation physique dans un circuit électronique pour compromettre les fonctionnalités de sécurité du système. Originellement utilisées pour compromettre des systèmes cryptographiques, ces attaques permettent aujourd'hui de cibler n'importe quel type de système. Ces attaques permettent notamment de compromettre l'exécution d'un programme. Dans ce manuscrit, nous introduisons une nouvelle propriété de sécurité pour protéger l'exécution des instructions dans la microarchitecture: l'intégrité d'exécution. À partir de cette propriété, nous décrivons le concept de SCI-FI, une contre-mesure qui assure la protection de l'intégralité du chemin d'instructions en assurant l'intégrité du code, du flot de contrôle et d'exécution. Pour cela, nous construisons un vecteur de bits que nous appelons pipeline state à partir de signaux de contrôle dans la microarchitecture. À partir du pipeline state, deux modules s'articulent pour assurer les propriétés de sécurité. Le premier module calcule une signature à partir du pipeline state assurant ainsi l'intégrité du code, du flot de contrôle et une partie de l'intégrité d'exécution. Le second module complète l'intégrité d'exécution dans la microarchitecture en utilisant un mécanisme de redondance. Nous proposons également le support et la sécurisation des branchements indirects et des interruptions, nécessaires pour la conception de systèmes embarqués. Nous réalisons deux imPlémentations de SCI-FI, l'une construite sur une primitive cryptographique assurant un niveau de sécurité maximal et l'autre plus légère construite sur une fonction CRC privilégiant les performances. Pour cela, nous intégrons SCI-FI dans un processeur RISC-V 32 bits et modifions la chaîne de compilation LLVM. Nous réalisons une analyse de sécurité des différents éléments qui composent SCI-FI dans chaque implémentation. Nous montrons ainsi que SCI-FI, même avec l'implémentation privilégiant les performances, est robuste face à un attaquant disposant de moyens d'injection de fautes à l'état de l'art. Enfin, nous évaluons les performances de nos implémentations par une synthèse dans un flot de conception ASIC et par l'exécution en simulation de la suite de test Embench-IOT. Nous montrons ainsi que SCI-FI a des performances équivalentes aux contre-mesures de l'état de l'art tout en assurant une propriété de sécurité supplémentaire, l'intégrité d'exécution.

Processors are electronic components omnipresent in our daily lives. They are in our smartphones, computers, web servers etc. Processors are responsible for executing the different operations and then have access to system data. For many years, studies have shown the isolation issue between users of the same processor. By executing code, it becomes possible for an attacker to influence the execution or recover information from another user. This threat has grown until the discovery in 2018 of Spectre and Meltdown, complex attacks targeting the most modern processors. This thesis aims to rethink processor designs to efficiently implement security constraints. It particularly focuses on the implementation of protections against timing attacks. The first explored axis is the role of the instruction set. Initially, it mainly has a functional role: it defines the instructions usable by the software and implemented by the hardware. It represents the interface between these two worlds. Its modification can allow a communication between hardware and software about security. The strategy developed in this thesis is the use of contextualisation, allowing each piece of information to be associated temporally and spatially to a security domain. The second axis is the modification of the processor microarchitecture itself. Based on the information received, the hardware must be able to respect the security constraints. Generic design principles have been defined to modify the processor's internal mechanisms, and particularly shared resources. They are based on three methods: static allocation, partitioning and flush. To evaluate these principles, two processors are modified. They implement different mechanisms that can generate information leakage. The results show that this approach is efficient to isolate different executions on the same processor. For the simultaneous sharing of the processor, a trade-off must be considered between performances and the cost of the implemented mechanisms. Future works should aim at studying this compromise at the hardware level, but also the adaptation of the software to this new instruction set.; Les processeurs sont des composants électroniques omniprésents dans notre quotidien. On en retrouve dans nos téléphones, nos ordinateurs, les serveurs internet etc. Ils sont notamment responsables de l'exécution des calculs et ont donc accès aux données du système. Depuis de nombreuses années, des travaux ont montré des problèmes d'isolation entre les utilisateurs d'un même processeur. En exécutant du code, il devient possible pour un attaquant d'influer sur l'exécution ou de retrouver des informations d'un autre utilisateur. Cette menace s'est amplifiée jusqu'à la découverte en 2018 de Spectre et Meltdown, des attaques complexes et affectant une grande majorité des processeurs modernes. Cette thèse vise à repenser la conception des processeurs pour mettre en place efficacement de nouvelles contraintes de sécurité. Elle s'intéresse plus particulièrement à la mise en place de protections contre les attaques par variations temporelles. Le premier axe exploré est le rôle du jeu d'instructions. Initialement, celui-ci a principalement un rôle fonctionnel: il définit les instructions utilisables par le logiciel et réalisées par le matériel. Il représente l'interface entre ces deux mondes. En le modifiant, il devient donc possible pour le logiciel d'indiquer ses contraintes de sécurité au matériel qui doit alors s'adapter. La stratégie adoptée dans cette thèse est la contextualisation, qui permet d'associer temporellement et spatialement chaque information à un domaine de sécurité. Le second axe exploré est la modification de la microarchitecture du processeur elle-même. À partir des informations reçues, le matériel doit être capable de respecter les contraintes de sécurité. Des principes de conception génériques ont donc été définis pour modifier les mécanismes internes du processeur, et notamment la gestion des ressources partagées. Ils s'articulent autour de trois méthodes: allocation statique des ressources, partitionnement et effacement des traces. Pour évaluer ces principes, deux processeurs ont été modifiés. Ils implémentent différents mécanismes susceptibles de générer des fuites d'informations. Les résultats montrent que cette approche est efficace pour isoler des exécutions différentes sur un processeur. Dans le cas du partage simultané du processeur, on observe un compromis au niveau des implémentations possibles entre les performances visées et le coût des mécanismes utilisés. La suite de ces travaux concerne l'étude de ce compromis au niveau matériel, mais aussi l'adaptation du logiciel à ce nouveau jeu d'instructions.

Ces deux ouvrages représentent l’aboutissement de colloques tenus respectivement en 2014 à Paris (INHA) – Microarchitectures médiévales – et en 2015 à Chartres (Centre international du vitrail) – Qu’est-ce que l’architecture gothique ? À première vue, l’« échelle », pour reprendre l’un des mots-clés du sous-titre du premier, sépare les deux publications : la « micro » architecture, miniature ou miniaturisée, s’opposant au monumental. Dans le contexte des années 1970, sous la plume de François...

Fragility fractures represent a public health problem for elderly. The assessment of the bone strength and of the risk of fracture by the gold standard method (Dual X-ray Absorptiometry - DXA) has certain limitation. Other methods such as specific finite element modeling have shown good prediction of bone strength, but it is not possible to confirm that they do better than the density measured by DXA to estimate the risk of fracture. Thus, the aim of this thesis was to evaluate whether some numerical parameters (such as meshing, boundary conditions, imaging, areas of interest, material law, failure criterion) could improve fracture prediction. The entire work was based on previous ex vivo experiments on 30 left radii reproducing as faithfully as possible a fall and leading to two distinct groups: the fractured and the unfractured. Then, the predictive ability of a micro-finite element model on a 9 mm section of the distal radius created using the High Resolution peripheral Quantitative Computed Tomography (82 µm isotropic) was evaluated by a sensitivity analysis. Different loading conditions were simulated, and no significant improvement was found on the fracture risk prediction. The area of interest was then enlarged to an 8 cm section of bone from a lower resolution scanner (150 µm isotropic). On these homogenized finite element models, different material laws as well as different fracture criteria were tested. No significant improvement was once again found on the fracture prediction compared to DXA. This study provides original data on the creation of numerical models dedicated to further improvements of fracture risk prediction., Les fractures de fragilité représentent un problème de santé publique pour les personnes âgées. L'évaluation de la résistance osseuse et du risque de fracture par la méthode de référence (absorption biphotonique à rayons X, DXA) présente certaines limites. D’autres méthodes comme la modélisation spécifique en éléments finis a montré de bonnes prédictions de la résistance osseuse, mais n’améliorent pour le moment pas l’estimation du risque de fracture par rapport à la DXA. L'objectif de cette thèse était donc de faire évoluer certains paramètres de simulations numériques (type de maillage, conditions aux limites, type d’imagerie, zones d’intérêt, loi matériau, critère de rupture) afin d’évaluer l’évolution de la prédiction de fracture. Pour ce fait, le travail s’est basé sur des expérimentation ex vivo réalisé en amont sur 30 radius gauches reproduisant le plus fidèlement une chute et conduisant à deux groupes distincts : les fracturés et les non fracturés. Puis, la capacité de prédiction d’un modèle micro-éléments finis sur une section de 9 mm de radius distal créé en utilisant un scanner à très haute résolution (82 µm isotropique) a été évaluée par une analyse de sensibilité. Différentes configurations de chargements ont été simulées et aucune amélioration significative n’a été trouvé sur la capacité de prédiction de fracture. La zone d’intérêt fut ensuite élargie à une section de 8 cm d’os à partir d’un scanner à plus basse résolution (150 µm isotropique). Sur ces modèles éléments finis homogénéisés, différentes loi matériaux ainsi que différents critères de rupture ont été testés en ne montrant toujours pas d’amélioration significative sur la prédiction de fracture par rapport à la DXA. Cette étude propose des données originales sur la création de modèles numériques pour l’amélioration de la prédiction du risque de fracture.

The importance of subchondral bone in the pathogenesis and management of osteoarthritis retain the interest of clinicians and the scientific community. Indeed, there are strong links between the subchondral bone and the cartilage, maintaining the integrity of the latter resting on the subchondral bone to provide mechanical and nutritional support. Here, we investigated the relationship between bone and cartilage structures and vascular supply in human osteoarthritis.We collected 37 osteoarthritic tibial plates taken after total knee arthroplasty. In these same plates, several carrots were removed and scanned by microtomography. The resulting projections were reconstructed, then manually segmented to separate the subchondral bone from the trabecular bone and a microarchitectural analysis was done on both bone structures. The samples were decalcified, cut into 4 μm sections, stained in HES and classified into 6 groups according to the OARSI scale. The surface of the subchondral bone and the thickness and surface of the articular cartilage were measured. The number of vessels in the subchondral region was counted by two different operators and a VEGF immunofluorescent staining was performed. Finally, cartilage, subchondral and trabecular bone were used to measure ribonucleic and protein markers related to vascularization, innervation and inflammation.The microconstructure of the bone has evolved as osteoarthritis worsens. The subchondral bone has thickened and become more porous. Bone volume fraction, trabecular thickness, spacing and number of trabeculae were positively correlated with the OARSI score. A significant decrease in the number of blood vessels was observed in the last stage of osteoarthritis. Finally, ribonucleic and protein markers related to vascularization, innervation and inflammation were modulated during the development of the pathology. Taken together, our data show dynamic interaction and support structures between subchondral bone and cartilage. Understanding of signaling pathways, the biochemical unity of cartilage in the joints and intercellular communication between cartilage and subchondral bone can lead to the development of more effective strategies for treating patients with osteoarthritis., L'importance de l'os sous-chondral dans la pathogenèse et la prise en charge de l'arthrose intéresse les cliniciens et la communauté scientifique. En effet, il existe des liens forts entre l'os sous-chondral et le cartilage, maintenant l'intégrité de ce dernier reposant sur l'os sous-chondral pour fournir un support mécanique et un soutien nutritionnel. Ici, nous avons étudié la relation entre les structures osseuses et cartilagineuses et l'approvisionnement vasculaire dans l'arthrose de la humaine.Nous avons recueilli 37 plateaux tibiaux arthrosiques prélevés après arthroplastie totale du genou. Dans ces mêmes plateaux, plusieurs carottes ont été prélevées et scannés par microtomographie. Les projections résultantes ont été reconstruites, puis segmentées manuellement pour séparer l'os sous-chondral de l'os trabéculaire et une analyse microarchitecturale a été développée sous les deux structures osseuses. Les échantillons ont été décalcifiés, coupés en sections de 16 heures, colorés dans de l'HES et classés en 6 groupes selon l'échelle OARSI. La surface de l'os sous-chondral et l'épaisseur et la surface du cartilage articulaire ont été cultivées. Le nombre de vaisseaux dans le sous-chondral a été compté par deux opérateurs différents et une coloration immunofluorescente avec du VEGF a été effectuée. Enfin, le cartilage, l'os sous-chondral et trabéculaire ont été utilisés pour mesurer les marqueurs ribonucléiques et protéiques liés à la vascularisation, l'innervation et l'inflammation.La microstructure de l'os a évolué au fur et à mesure que l'arthrose s'aggrave. L'os sous-chondral s'est épaissi et est devenu plus poreux. La fraction volumique osseuse, l'épaisseur trabéculaire, l'espacement et le nombre de trabécules ont été corrélés positivement avec le score OARSI. Une diminution significative du nombre de vaisseaux sanguins a été observée au dernier stade de l'arthrose. Enfin, les marqueurs ribonucléiques et protéiques liés à la vascularisation, à l'innervation et à l'inflammation ont été modulés au cours du développement de la pathologie. Pris ensemble, nos données montrent une interaction et des structures de soutien dynamiques entre l'os sous-chondral et le cartilage. La compréhension des voies de signalisation, l'unité biochimique du cartilage dans les articulations et la communication intercellulaire entre le cartilage et l'os sous-chondral peuvent mener à l'élaboration de stratégies plus efficaces pour traiter les patients souffrant d'arthrose.

The importance of subchondral bone in the pathogenesis and management of osteoarthritis retain the interest of clinicians and the scientific community. Indeed, there are strong links between the subchondral bone and the cartilage, maintaining the integrity of the latter resting on the subchondral bone to provide mechanical and nutritional support. Here, we investigated the relationship between bone and cartilage structures and vascular supply in human osteoarthritis.We collected 37 osteoarthritic tibial plates taken after total knee arthroplasty. In these same plates, several carrots were removed and scanned by microtomography. The resulting projections were reconstructed, then manually segmented to separate the subchondral bone from the trabecular bone and a microarchitectural analysis was done on both bone structures. The samples were decalcified, cut into 4 μm sections, stained in HES and classified into 6 groups according to the OARSI scale. The surface of the subchondral bone and the thickness and surface of the articular cartilage were measured. The number of vessels in the subchondral region was counted by two different operators and a VEGF immunofluorescent staining was performed. Finally, cartilage, subchondral and trabecular bone were used to measure ribonucleic and protein markers related to vascularization, innervation and inflammation.The microconstructure of the bone has evolved as osteoarthritis worsens. The subchondral bone has thickened and become more porous. Bone volume fraction, trabecular thickness, spacing and number of trabeculae were positively correlated with the OARSI score. A significant decrease in the number of blood vessels was observed in the last stage of osteoarthritis. Finally, ribonucleic and protein markers related to vascularization, innervation and inflammation were modulated during the development of the pathology. Taken together, our data show dynamic interaction and support structures between subchondral bone and cartilage. Understanding of signaling pathways, the biochemical unity of cartilage in the joints and intercellular communication between cartilage and subchondral bone can lead to the development of more effective strategies for treating patients with osteoarthritis.; L'importance de l'os sous-chondral dans la pathogenèse et la prise en charge de l'arthrose intéresse les cliniciens et la communauté scientifique. En effet, il existe des liens forts entre l'os sous-chondral et le cartilage, maintenant l'intégrité de ce dernier reposant sur l'os sous-chondral pour fournir un support mécanique et un soutien nutritionnel. Ici, nous avons étudié la relation entre les structures osseuses et cartilagineuses et l'approvisionnement vasculaire dans l'arthrose de la humaine.Nous avons recueilli 37 plateaux tibiaux arthrosiques prélevés après arthroplastie totale du genou. Dans ces mêmes plateaux, plusieurs carottes ont été prélevées et scannés par microtomographie. Les projections résultantes ont été reconstruites, puis segmentées manuellement pour séparer l'os sous-chondral de l'os trabéculaire et une analyse microarchitecturale a été développée sous les deux structures osseuses. Les échantillons ont été décalcifiés, coupés en sections de 16 heures, colorés dans de l'HES et classés en 6 groupes selon l'échelle OARSI. La surface de l'os sous-chondral et l'épaisseur et la surface du cartilage articulaire ont été cultivées. Le nombre de vaisseaux dans le sous-chondral a été compté par deux opérateurs différents et une coloration immunofluorescente avec du VEGF a été effectuée. Enfin, le cartilage, l'os sous-chondral et trabéculaire ont été utilisés pour mesurer les marqueurs ribonucléiques et protéiques liés à la vascularisation, l'innervation et l'inflammation.La microstructure de l'os a évolué au fur et à mesure que l'arthrose s'aggrave. L'os sous-chondral s'est épaissi et est devenu plus poreux. La fraction volumique osseuse, l'épaisseur trabéculaire, l'espacement et le nombre de trabécules ont été corrélés positivement avec le score OARSI. Une diminution significative du nombre de vaisseaux sanguins a été observée au dernier stade de l'arthrose. Enfin, les marqueurs ribonucléiques et protéiques liés à la vascularisation, à l'innervation et à l'inflammation ont été modulés au cours du développement de la pathologie. Pris ensemble, nos données montrent une interaction et des structures de soutien dynamiques entre l'os sous-chondral et le cartilage. La compréhension des voies de signalisation, l'unité biochimique du cartilage dans les articulations et la communication intercellulaire entre le cartilage et l'os sous-chondral peuvent mener à l'élaboration de stratégies plus efficaces pour traiter les patients souffrant d'arthrose.

National audience; Nous présentons Simty, un processeur massivement multi-threadé qui assemble dynamiquement des instructions SIMD à partir de code scalaire multi-thread. Il exécute le jeu d'instructions RISC-V (RV32-I). Contrairement aux processeurs SIMD ou SIMT existants tels que les GPU, Simty accepte du code binaire compilé pour des processeurs généralistes sans nécessiter la moindre extension du jeu d'instructions ni modification du compilateur. Le processeur est décrit en RTL synthétisable. Un prototype sur FPGA valide le passage à l'échelle jusqu'à 64 warps ou 64 threads par warp.

National audience; Nous présentons Simty, un processeur massivement multi-threadé qui assemble dynamiquement des instructions SIMD à partir de code scalaire multi-thread. Il exécute le jeu d'instructions RISC-V (RV32-I). Contrairement aux processeurs SIMD ou SIMT existants tels que les GPU, Simty accepte du code binaire compilé pour des processeurs généralistes sans nécessiter la moindre extension du jeu d'instructions ni modification du compilateur. Le processeur est décrit en RTL synthétisable. Un prototype sur FPGA valide le passage à l'échelle jusqu'à 64 warps ou 64 threads par warp.

Les techniques employées pour améliorer le débit d'instructions des microprocesseurs peuvent avoir un impact sur la prédictibilité des exécutions et l'exploitation du parallélisme peut introduire un surcoût lié à leur gestion. Ce mémoire propose une approche de conception d'une microarchitecture processeur visant à résoudre ces deux problématiques conjointement. Il sera montré expérimentalement qu'il est possible d'obtenir un temps d'exécution et un temps de réponse déterministe sans impacter le taux d'utilisation du processeur. Il sera aussi montré que cette approche permet d'éliminer le coût en performance des changements de contexte et de l'ordonnancement multi-tâches. Master [120] : ingénieur civil électricien, Université catholique de Louvain, 2016

Medical imaging and 3D reconstructions are used increasingly by anthropologists; they allow both investigating and preserving internal structures. Study of trabecular bone microarchitecture allows understanding variability of human skeleton at a smaller scale. This variability is observed and characterized in terms of normal growth and maturation according to age and sex, and for several pathological conditions. μCT scans of proximal metaphysis of humerus from 43 immature individuals (coming from 3 identified skeletons collections and representing all periods of age development) and 8 paleopathological cases (corresponding to 5 different etiologies) have been analyzed to quantify bone microarchitecture. Our results show that this microarchitecture varies during and between different phases of growth. Correlations with age are highlighted, even if they do not sufficiently explain the observed variability in order to represent specific age estimators; it nevertheless appears that the variations observed between the different volumes of interest could characterize different periods of growth. The measured variables showed significant sex differences only during the adolescence period, but they cannot be used, in the present state, for sex determination. The study of the trabecular bone microarchitecture of pathological individuals attests of the abnormal development of bone and therefore of their pathological status.; L’imagerie médicale et la 3D, en pleine expansion dans le champ de l'anthropologie biologique, permettent d’explorer les structures internes tout en les préservant. L’étude de la micro-architecture osseuse trabéculaire permet d’appréhender la variabilité de l'os humain à une échelle jusqu'à présent peu explorée. Dans le cadre de cette recherche, cette variabilité est analysée et caractérisée en termes de croissance et de maturation, en fonction des critères individuels d’âge et de sexe, ainsi que dans des contextes pathologiques variés. Les images microtomodensitométriques des métaphyses humérales proximales de 43 sujets immatures (provenant de 3 collections ostéologiques de référence et couvrant l’ensemble des âges du développement) et celles de 8 cas paléopathologiques (représentant 5 étiologies différentes) ont été analysées pour quantifier la micro-architecture osseuse trabéculaire. Nos résultats montrent que cette micro-architecture varie pendant et entre les différentes phases de la croissance. Des corrélations avec l’âge sont mises en évidence, si elles n’expliquent pas suffisamment la variabilité observée pour en faire des estimateurs d'âge précis, il apparaît néanmoins que les variations relevées entre les différents volumes d’intérêt pourraient caractériser différentes périodes de la croissance. Les variables mesurées présentent des différences sexuelles significatives pendant l’adolescence, mais ne peuvent pas en l'état être utilisées pour la diagnose sexuelle. L'étude de la microarchitecture trabéculaire osseuse des sujets pathologiques atteste d’un développement anormal de l’os et donc du statut pathologique de l’individu observé.

Medical imaging and 3D reconstructions are used increasingly by anthropologists; they allow both investigating and preserving internal structures. Study of trabecular bone microarchitecture allows understanding variability of human skeleton at a smaller scale. This variability is observed and characterized in terms of normal growth and maturation according to age and sex, and for several pathological conditions. μCT scans of proximal metaphysis of humerus from 43 immature individuals (coming from 3 identified skeletons collections and representing all periods of age development) and 8 paleopathological cases (corresponding to 5 different etiologies) have been analyzed to quantify bone microarchitecture. Our results show that this microarchitecture varies during and between different phases of growth. Correlations with age are highlighted, even if they do not sufficiently explain the observed variability in order to represent specific age estimators; it nevertheless appears that the variations observed between the different volumes of interest could characterize different periods of growth. The measured variables showed significant sex differences only during the adolescence period, but they cannot be used, in the present state, for sex determination. The study of the trabecular bone microarchitecture of pathological individuals attests of the abnormal development of bone and therefore of their pathological status., L’imagerie médicale et la 3D, en pleine expansion dans le champ de l'anthropologie biologique, permettent d’explorer les structures internes tout en les préservant. L’étude de la micro-architecture osseuse trabéculaire permet d’appréhender la variabilité de l'os humain à une échelle jusqu'à présent peu explorée. Dans le cadre de cette recherche, cette variabilité est analysée et caractérisée en termes de croissance et de maturation, en fonction des critères individuels d’âge et de sexe, ainsi que dans des contextes pathologiques variés. Les images microtomodensitométriques des métaphyses humérales proximales de 43 sujets immatures (provenant de 3 collections ostéologiques de référence et couvrant l’ensemble des âges du développement) et celles de 8 cas paléopathologiques (représentant 5 étiologies différentes) ont été analysées pour quantifier la micro-architecture osseuse trabéculaire. Nos résultats montrent que cette micro-architecture varie pendant et entre les différentes phases de la croissance. Des corrélations avec l’âge sont mises en évidence, si elles n’expliquent pas suffisamment la variabilité observée pour en faire des estimateurs d'âge précis, il apparaît néanmoins que les variations relevées entre les différents volumes d’intérêt pourraient caractériser différentes périodes de la croissance. Les variables mesurées présentent des différences sexuelles significatives pendant l’adolescence, mais ne peuvent pas en l'état être utilisées pour la diagnose sexuelle. L'étude de la microarchitecture trabéculaire osseuse des sujets pathologiques atteste d’un développement anormal de l’os et donc du statut pathologique de l’individu observé.

The aetiologies of secondary osteoporosis are multiple and often intricated, we studied in humans and in animals some of them: iatrogenic osteoporosis induced by glucocorticoids (GCs) and aromatase inhibitors, disuse osteoporosis and osteoporosis associated with systemic mastocytosis. We developed a murine model of glucocorticoid-induced osteoporosis to study the effects of GCs on the long bones and the mandible. We confirmed that GCs exposure leads to a reduction of trabecular bone at the tibia and showed for the first time in the mouse that GCs decrease the alveolar bone. We studied apoptosis of osteoblasts and osteocytes under GCs by cytodynamic method and we didn't find any increase in apoptosis but morphological modifications of osteocytes under Dexamethasone. In another study, we studied by microCT the effects of disuse induced by botulinum toxin on the muscle and bone at the tibia in growing rats. We showed that disuse leads to a rapid muscle and bone loss, a decrease of the growth in thickness but has no effect on the growth in length and doesn't modify the shape of tibia. In a clinical study we described the bone effects of systemic mastocytosis by analyzing the microarchitectural parameters after transiliac bone biopsy in 60 patients. Lastly, we showed in a 3 year prospective study the bone effects of aromatase inhibitors in a series of 497 women. We showed that 20% of the women have already at least one osteoporotic vertebral fracture at the beginning of aromatase inhibitor. After 3 years of treatment, the patients without osteoporosis have a low risk of bone loss and of osteoporotic fracture. Treatment with bisphosphonates blocks bone loss but does not prevent new vertebral fractures occurrence.; Les étiologies des ostéoporoses secondaires sont multiples et souvent intriquées, nous avons étudié chez l'homme et chez l'animal certaines d'entre elles : les ostéoporoses iatrogènes induites par les glucocorticoïdes (GCs) et les inhibiteurs de l'aromatase, l'ostéoporose d'immobilisation et l'ostéoporose associée aux mastocytoses systémiques. Nous avons développé un modèle murin d'ostéoporose cortisonique pour étudier le retentissement des GCs sur les os longs et la mandibule. Nous avons confirmé que les GCs entraînent une réduction du volume osseux trabéculaire des tibias et montré pour la première fois chez la souris qu'ils diminuent le volume d'os alvéolaire. Nous avons ensuite étudié l'apoptose des ostéoblastes et des ostéocytes sous GCs en cytodynamique, la Dexaméthasone à 10-6 M n'augmente pas l'apoptose mais induit des modifications morphologiques des cellules. Dans un autre modèle animal nous avons étudié par microtomographie-X les effets d'une immobilisation prolongée sur le muscle et le tissu osseux des tibias chez le rat en croissance. Nous avons montré que cette immobilisation entraîne une perte musculaire et osseuse trabéculaire et corticale très rapide, une réduction de la croissance en épaisseur mais sans retentissement sur la croissance en longueur des tibias ni modification de leur forme. Chez l'homme, nous avons décrit le retentissement osseux des mastocytoses systémiques par analyse des paramètres microarchitecturaux après biopsie osseuse transiliaque chez 60 patients. Enfin, nous avons étudié prospectivement sur 3 ans le retentissement osseux des inhibiteurs de l'aromatase dans une cohorte de 497 femmes. A l'instauration du traitement 20% des femmes ont déjà au moins une fracture vertébrale ostéoporotique. Après 3 ans de traitement les patientes indemnes d'ostéoporose initialement ont un risque de perte osseuse et de fracture faible. L'administration de bisphosphonates stoppe la perte osseuse mais ne prévient pas complètement la survenue de nouvelle fracture vertébrale.

The aetiologies of secondary osteoporosis are multiple and often intricated, we studied in humans and in animals some of them: iatrogenic osteoporosis induced by glucocorticoids (GCs) and aromatase inhibitors, disuse osteoporosis and osteoporosis associated with systemic mastocytosis. We developed a murine model of glucocorticoid-induced osteoporosis to study the effects of GCs on the long bones and the mandible. We confirmed that GCs exposure leads to a reduction of trabecular bone at the tibia and showed for the first time in the mouse that GCs decrease the alveolar bone. We studied apoptosis of osteoblasts and osteocytes under GCs by cytodynamic method and we didn't find any increase in apoptosis but morphological modifications of osteocytes under Dexamethasone. In another study, we studied by microCT the effects of disuse induced by botulinum toxin on the muscle and bone at the tibia in growing rats. We showed that disuse leads to a rapid muscle and bone loss, a decrease of the growth in thickness but has no effect on the growth in length and doesn't modify the shape of tibia. In a clinical study we described the bone effects of systemic mastocytosis by analyzing the microarchitectural parameters after transiliac bone biopsy in 60 patients. Lastly, we showed in a 3 year prospective study the bone effects of aromatase inhibitors in a series of 497 women. We showed that 20% of the women have already at least one osteoporotic vertebral fracture at the beginning of aromatase inhibitor. After 3 years of treatment, the patients without osteoporosis have a low risk of bone loss and of osteoporotic fracture. Treatment with bisphosphonates blocks bone loss but does not prevent new vertebral fractures occurrence., Les étiologies des ostéoporoses secondaires sont multiples et souvent intriquées, nous avons étudié chez l'homme et chez l'animal certaines d'entre elles : les ostéoporoses iatrogènes induites par les glucocorticoïdes (GCs) et les inhibiteurs de l'aromatase, l'ostéoporose d'immobilisation et l'ostéoporose associée aux mastocytoses systémiques. Nous avons développé un modèle murin d'ostéoporose cortisonique pour étudier le retentissement des GCs sur les os longs et la mandibule. Nous avons confirmé que les GCs entraînent une réduction du volume osseux trabéculaire des tibias et montré pour la première fois chez la souris qu'ils diminuent le volume d'os alvéolaire. Nous avons ensuite étudié l'apoptose des ostéoblastes et des ostéocytes sous GCs en cytodynamique, la Dexaméthasone à 10-6 M n'augmente pas l'apoptose mais induit des modifications morphologiques des cellules. Dans un autre modèle animal nous avons étudié par microtomographie-X les effets d'une immobilisation prolongée sur le muscle et le tissu osseux des tibias chez le rat en croissance. Nous avons montré que cette immobilisation entraîne une perte musculaire et osseuse trabéculaire et corticale très rapide, une réduction de la croissance en épaisseur mais sans retentissement sur la croissance en longueur des tibias ni modification de leur forme. Chez l'homme, nous avons décrit le retentissement osseux des mastocytoses systémiques par analyse des paramètres microarchitecturaux après biopsie osseuse transiliaque chez 60 patients. Enfin, nous avons étudié prospectivement sur 3 ans le retentissement osseux des inhibiteurs de l'aromatase dans une cohorte de 497 femmes. A l'instauration du traitement 20% des femmes ont déjà au moins une fracture vertébrale ostéoporotique. Après 3 ans de traitement les patientes indemnes d'ostéoporose initialement ont un risque de perte osseuse et de fracture faible. L'administration de bisphosphonates stoppe la perte osseuse mais ne prévient pas complètement la survenue de nouvelle fracture vertébrale.

The osseous diseases related to ageing, such as osteoarthritis or osteoporosis, constitute a true problem of public health. The increase of the bone turn over, and the imbalance between bone formation and resorption, due to the deficiency in estrogens following menopause, contribute to the apparition of osteoporosis. This disease is characterized by a loss of bone mineral density (DMO) and by a degradation of bone microarchitecture which involve an increased risk of fracture. In front of this phenomenon, it is important to develop new products directing toward the promotion of osseous health. Collagen plays an important part in our body, especially on the osseous structure and the cartilage. Consequently it seems interesting to look for the use of collagen or hydrolyzed collagen to limit osseous degeneration. The objective of this study was to demonstrate the beneficial effect of the peptides derived from the intake of hydrolyzed collagen on bone metabolism. We supposed that these peptides mimes the action of the ones issue from the degradation of the type I collagen of the bone matrix on bone cells. We carried out a first experimental approach to check if there could be an effect of hydrolyzed collagen on the bone growth. The cell model used to realize this study is a primary culture of osteoclasts and osteoblasts. We studied cell growth and differenciation. Consequently to this work, we chose a C3H/HeN mouse model which has undergone ovariectomy inducing hormonal deficiency then bone mass density decrease. We followed different bone parameters: DMO, formation and resorption markers, and bone microarchitecture. Our results showed that the intake in a continuous or accurate way of hydrolyzed collagen modulates the osteoblasts activity. This effect induces an increase of the bone turn over formation of the femoral cortical area. This phenomenon induces an increase of bone strength in growing mice or a better bone elasticity in mature mice. Moreover, we noticed a potential effect of hydrolyzed collagen intake to prevent bone lost. Theses results confirm the interest of the intake of hydrolyzed collagen in order to maintain bone health.; Les maladies osseuses liées au vieillissement, telles l'arthrose ou l'ostéoporose, constituent un problème de santé publique. L'augmentation du renouvellement osseux, et le déséquilibre entre la formation et la résorption osseuse en faveur de la résorption consécutive à la chute d'œstrogènes au moment de la ménopause contribuent à l'apparition de l'ostéoporose. Cette maladie est caractérisée par une perte de densité minérale osseuse (DMO) et une altération de la microarchitecture osseuse qui entraînent une augmentation du risque de fracture. Face à ce phénomène, il est important de mettre en oeuvre des stratégies préventives, notamment en développant de nouveaux produits favorisant la santé osseuse. Le collagène joue un rôle important dans l'organisme, spécialement au niveau de la structure osseuse et du cartilage. Dans ce contexte, se pose la question d'un effet possible du collagène ou des hydrolysats de cette molécule pour limiter les effets de la dégénérescence osseuse. L'objectif ce de travail est de démontrer l'effet bénéfique des peptides issus du collagène hydrolysé sur le métabolisme osseux en faisant l'hypothèse que ces peptides sont capables de mimer l'action de ceux issus de la dégradation du collagène de type I de la matrice cellulaire osseuse. Nous avons réalisé une première approche expérimentale pour vérifier s'il pourrait y avoir un effet du collagène hydrolysé sur la croissance osseuse. Nous avons utilisé pour cela des cultures mixtes ostéoclastes/ostéoblastes et étudié la croissance cellulaire ainsi que la différenciation cellulaire. Suite à ce travail, nous avons choisi un modèle de souris C3H/HeN subissant une ablation des ovaires afin de provoquer une chute hormonale et donc une perte de densité osseuse et nous avons confirmé l'effet obtenu in vitro sur ce modèle. Nous avons suivi plusieurs paramètres osseux : la DMO, les marqueurs de formation/résorption et la microarchitecture osseuse. Nos résultats montrent que les peptides, issus de l'ingestion en prise aiguë ou continue de collagène hydrolysé, modulent l'activité ostéoblastique entraînant un remodelage osseux plus important et favorise la formation osseuse au niveau de la zone corticale fémorale. Il en résulte une augmentation de la résistance osseuse à la cassure des os des souris en croissance ou une meilleure élasticité des os des souris matures. De plus, nos résultats suggèrent un effet préventif de la prise de collagène sur la perte de densité osseuse. Ces résultats mettent en lumière dans les modèles expérimentaux mis en oeuvre l'intérêt de l'ingestion du collagène hydrolysé pour le maintien de la santé osseuse.

Osteoporosis is characterized by altered bone quality and compromised bone strength leading to increased fracture risk. Measurement of areal bone mineral density (BMD) using dual-energy X-ray absorptiometry (DXA) is the most widely used index of bone strength. However, BMD alone can only account for 40 to 70% of the variation of bone strength. This study aimed to determine: 1/ the respective role of cortical and trabecular microarchitecture to vertebral mechanical behavior, 2/ the role of trabecular microarchitecture heterogeneity and 3/ the mechanical behavior of a vertebra after simulated mild fracture and its determinants. Our data imply that measurements of cortical thickness and curvature as well as determination of trabecular microarchitecture heterogeneity enhance prediction of vertebral fragility. We found marked variation in the post-fracture load-bearing capacity following simulated mild vertebral fractures. Bone microarchitecture, but not bone mass, was associated with post-fracture mechanical behavior of vertebrae., L’ostéoporose est une maladie du squelette caractérisée par une dégradation de la qualité osseuse conduisant à une majoration du risque fracturaire. Le seul examen permettant actuellement de prédire ce risque est l’ostéodensitométrie à double rayonnement X (DXA) par la mesure de la densité minérale osseuse (DMO). Cependant, la DMO seule ne rend compte que de 40 à 70% de la variation de la résistance mécanique osseuse. Les 3 buts ce travail étaient : 1/ d’évaluer les rôles respectifs de la microarchitecture corticale et trabéculaire dans le comportement mécanique vertébral, 2/ d’évaluer le rôle propre de l’hétérogénéité de la microarchitecture trabéculaire et 3/ de décrire le comportement mécanique vertébral post-fracturaire et d’en identifier les déterminants. Nous montrons que la mesure de l’épaisseur de la corticale antérieure et de son rayon de courbure ainsi que la détermination de la variation régionale de la microarchitecture trabéculaire améliorent significativement la prédiction du risque fracturaire. Il existe une variation marquée du comportement mécanique vertébral après une fracture de grade 1 de Genant. La microarchitecture osseuse, et non la masse osseuse, explique les propriétés mécaniques vertébrales plastiques et élastiques post-fracturaires.

Osteoporosis is characterized by altered bone quality and compromised bone strength leading to increased fracture risk. Measurement of areal bone mineral density (BMD) using dual-energy X-ray absorptiometry (DXA) is the most widely used index of bone strength. However, BMD alone can only account for 40 to 70% of the variation of bone strength. This study aimed to determine: 1/ the respective role of cortical and trabecular microarchitecture to vertebral mechanical behavior, 2/ the role of trabecular microarchitecture heterogeneity and 3/ the mechanical behavior of a vertebra after simulated mild fracture and its determinants. Our data imply that measurements of cortical thickness and curvature as well as determination of trabecular microarchitecture heterogeneity enhance prediction of vertebral fragility. We found marked variation in the post-fracture load-bearing capacity following simulated mild vertebral fractures. Bone microarchitecture, but not bone mass, was associated with post-fracture mechanical behavior of vertebrae., L’ostéoporose est une maladie du squelette caractérisée par une dégradation de la qualité osseuse conduisant à une majoration du risque fracturaire. Le seul examen permettant actuellement de prédire ce risque est l’ostéodensitométrie à double rayonnement X (DXA) par la mesure de la densité minérale osseuse (DMO). Cependant, la DMO seule ne rend compte que de 40 à 70% de la variation de la résistance mécanique osseuse. Les 3 buts ce travail étaient : 1/ d’évaluer les rôles respectifs de la microarchitecture corticale et trabéculaire dans le comportement mécanique vertébral, 2/ d’évaluer le rôle propre de l’hétérogénéité de la microarchitecture trabéculaire et 3/ de décrire le comportement mécanique vertébral post-fracturaire et d’en identifier les déterminants. Nous montrons que la mesure de l’épaisseur de la corticale antérieure et de son rayon de courbure ainsi que la détermination de la variation régionale de la microarchitecture trabéculaire améliorent significativement la prédiction du risque fracturaire. Il existe une variation marquée du comportement mécanique vertébral après une fracture de grade 1 de Genant. La microarchitecture osseuse, et non la masse osseuse, explique les propriétés mécaniques vertébrales plastiques et élastiques post-fracturaires.

The goal of this study was the modelization of the frequency-dependence of the ultrasonic backscatter coefficient in cancellous bone. A twofold theoretical approach was adopted: the analytical theoretical model of Faran for spherical and cylindrical elastic scatterers and the scattering model for a weakly scattering medium, in which the backscatter coefficient is related to the autocorrelation function of the propagating medium. The ultrasonic backscatter coefficient was measured in 19 bone specimens (human calcaneae) in the frequency range 0.4-;1.2 MHz. The autocorrelation function was computed from the 3D micro-architecture measured using synchrotron radiation microtomography. The frequency dependence of the experimental and modeled (autocorrelation) backscatter coefficients were f3,38±0,31 and f3,48±0,26 for the experimental and the autocorrelation-based models respectively. The frequency dependence of the theoretical (Faran) backscatter coefficients were f2,89±0,06 and f3,91±0,04 respectively, corresponding to Rayleigh scattering (mean trabecular thickness (71 ± 18 μm). These results suggest that the spherical or cylindrical Faran models are not accurate in predicting the backscatter response of trabecular bone and that the modeling by short cylinder or by ellipsoid objects might be more appropriate. On the other hand, a good agreement was found between experimental results for the backscatter coefficients derived using the autocorrelation function. This opens new routes for the investigation of the interaction between ultrasound and bone structure., L'objectif de cette étude est de modéliser la variation en fréquence du coefficient de rétrodiffusion de l'os trabéculaire. Une double approche théorique a été adoptée dans le cadre de la diffusion simple: modèle analytique de Faran pour des diffuseurs sphérique ou cylindrique élastiques, et modèle de rétrodiffusion en milieu faiblement diffusant reliant le coefficient de rétrodiffusion à la fonction d'autocorrélation du milieu. Le coefficient de rétrodiffusion a été mesuré pour 19 échantillons osseux (calcanéums humains) entre 0,4 et 1,2 MHz. La modélisation de la fonction d'autocorrélation s'est appuyée directement sur la microarchitecture tridimensionnelle des échantillons déterminée par microtomographie par rayonnement synchrotron. La variation en fréquence du coefficient de rétrodiffusion est f3,38±0,31 pour les données expérimentales et f3,48±0,26 pour le modèle d'autocorrélation. Pour les tailles de travées osseuses diffusantes présentes (71 ± 18 μm), les modèles de Faran cylindrique et sphérique donnent des variations en fréquence respectivement de f2,89±0,06 et f3,91±0,04 (diffusion de Rayleigh). Ces résultats révèlent l'insuffisance d'une modélisation sphérique ou cylindrique des travées osseuses et suggèrent qu'une modélisation par des structures cylindriques courtes ou ellipsoïdales pourrait être tentée. La modélisation à partir de la fonction d'autocorrélation donne des résultats proches des données expérimentales, ce qui ouvre des perspectives intéressantes pour la compréhension de l'interaction entre les ultrasons et la structure osseuse.