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La physique pour comprendre et soigner le vivant

La physique joue un rôle essentiel dans la compréhension des mécanismes du vivant et a également des applications dans le domaine médical, en fournissant des outils de diagnostic et de thérapie de pointe.

Collées - serrées
Collées - serrées

© Nicolas HARMAND / Sylvie HENON / David PEREIRA / MSC / CNRS Images

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En s’appuyant sur des expériences, des observations et des modélisations physiques, il est possible d’établir les principes d'organisation des systèmes vivants aux différentes échelles afin de comprendre et connaître les lois de l'évolution.

D’autres défis de la compréhension du vivant sont abordés par des approches physiques. Par exemple, l’étude de l’interaction des ondes avec la matière vivante permet de proposer de nouvelles techniques d’imagerie et de diagnostic. Connaître et caractériser l’activité du vivant par des techniques de quantifications physiques (énergie, mouvement) trouve des applications dans des enjeux de société comme la frugalité et la durabilité, mais aussi dans le biomimétisme, la bio-inspiration, la transformation ou la conversion.

Des techniques telles que la microscopie de fluorescence, l’IRM (imagerie par résonance magnétique) et la TEP (tomographie par émission de positons) permettent d’explorer la structure et la fonction des tissus biologiques à un niveau microscopique, offrant ainsi une compréhension approfondie des mécanismes physiologiques et pathologiques. Alors que la microscopie de fluorescence repose sur l’utilisation de molécules fluorescentes, la TEP passe par une détection de photons gamma émis par des traceurs radioactifs administrés à un patient. L’IRM repose elle sur l’interaction entre les atomes d’hydrogène présents dans les tissus corporels et un champ magnétique puissant. En effet, l’apport de la physique est aussi lié à la production de champs magnétiques de plus en plus précis et intenses.

Ces avancées technologiques ne se limitent pas au diagnostic : elles ont également révolutionné les traitements. L’hadronthérapie, par exemple, utilise des particules lourdes pour cibler précisément les tumeurs, minimisant les dommages aux tissus sains. De plus, les nanoparticules offrent la possibilité de délivrer des médicaments directement aux cellules malades, réduisant ainsi les effets secondaires indésirables. Par exemple, la nanomédecine parvient à encapsuler des médicaments dans une nanoparticule et à la guider vers le site cancéreux, on parle alors de nanomédicaments. 

Pour personnaliser davantage les soins de santé, les modèles « patient-spécifiques » et les modèles biomécaniques sont en plein essor. Ils utilisent des données de diagnostic pour créer des simulations informatiques des patients, permettant aux médecins de planifier des interventions chirurgicales précises et efficaces. Ces modèles calculables sont particulièrement utiles pour les interventions complexes, telle que la protonthérapie pour les tumeurs des yeux.

En somme, la physique du vivant révolutionne la médecine en améliorant la précision du diagnostic, en introduisant des thérapies innovantes et en facilitant la planification d'interventions personnalisées. La biomécanique, quant à elle, nous apporte une meilleure connaissance du corps humain et permet l’amélioration des performances.

Mots clés : système vivant, médecine, imagerie médicale, diagnostic, thérapie innovante.

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Voici une colonie de cellules de rein, cantonnée à une surface parfaitement définie de 365 micromètres. Elle est observée en microscopie confocale à fluorescence couplée à un marquage des cellules par immunofluorescence. En cyan, le noyau cellulaire, en jaune-orangé, le pourtour des cellules. À l’image des bulles formant une mousse de savon, ces cellules épithéliales ont la particularité d’être solidement assemblées entre elles, formant une barrière de protection entre l’intérieur et l…

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Collées - serrées
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Microscope de fluorescence pour la visualisation et la micromanipulation de molécules en cellules vivantes. Grâce à ce dispositif, il est possible d'introduire des nanoparticules fonctionnalisées au sein de cellules humaines en culture et de manipuler ces billes au moyen de champs magnétiques. On est ainsi capable de localiser ces nanoparticules au sein de cellules et de créer des perturbations locales dont l'effet est mesuré.

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Microscope de fluorescence pour la visualisation et la micromanipulation de molécules en cellules vi
20220113_0001
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Neurone dans une tranche d’hippocampe d'un modèle de souris, dans laquelle le récepteur du glutamate GluA2 est "étiqueté" de manière à pouvoir marquer un neurone isolé. En magenta, le marquage de GluA2, sur les dendrites du neurone. En vert, la protéine fluorescente verte (GFP) soluble qui marque le corps cellulaire et l’axone. Le neurone est imagé avec un microscope à feuille de lumière, une technologie d’imagerie haute-résolution. Ce nouveau modèle animal, les techniques de marquage et cette…

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Neurone imagé grâce à une "boîte à outils" pour explorer la communication entre les neurones
20170139_0015
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Etude du méristème apical caulinaire (sur la tige) d’une Arabette des dames, "Arabidopsis thaliana", en miscroscopie confocale à fluorescence. Le groupe de cellules situées au centre sont des cellules "souches", les cellules en périphérie ont la capacité de se différencier et ainsi de former les futures fleurs. Les fleurs d'une plante se développent de manière séquentielle, généralement l'une après l'autre. Chez l'Arabette, il faut compter environ 12 heures entre chaque nouvelle initiation de…

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Etude d'un méristème apical caulinaire en miscroscopie confocale à fluorescence
20210141_0008
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Analyse en immunofluorescence de placenta humain sur un microscope bi-photonique. L’équipe "Immunologie de la grossesse et des cellules souches" étudie différents aspects de l’immunologie de la reproduction afin de comprendre les conséquences de l’inflammation sur l’homéostasie de l’endomètre et sur le déroulement de la grossesse. Ses travaux de recherche visent à élucider l’impact de l’inflammation, stérile ou en réponse à l’infection virale, sur le développement de pathologies placentaires et…

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Analyse en immunofluorescence de placenta humain sur microscope bi-photonique, à INFINITy
20210141_0009
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Microscope bi-photonique. Ce microscope permet une imagerie intravitale multiphotonique profonde de haute résolution des explants de placentas humains. L’équipe "Immunologie de la grossesse et des cellules souches" étudie différents aspects de l’immunologie de la reproduction afin de comprendre les conséquences de l’inflammation sur l’homéostasie de l’endomètre et sur le déroulement de la grossesse. Ses travaux de recherche visent à élucider l’impact de l’inflammation, stérile ou en réponse à l…

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Microscope bi-photonique, au laboratoire INFINITy
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Portrait de Valentina Emiliani, lauréate de la médaille d'argent du CNRS 2021, directrice de recherche, responsable de l'équipe Microscopie à modulation du front d'onde à l'Institut de la vision, spécialisée dans la microscopie optique pour le vivant. " Après plusieurs années de recherche sur les propriétés optiques des structures à effet quantique, mes recherches sont aujourd'hui centrées sur le développement de méthodes optiques pour le contrôle des neurones par…

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Médaille d'Argent 2021 : Valentina Emiliani, chercheuse en physique
20160023_0001
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Reconstruction tridimensionnelle de cellules (neuroblastomes) dopaminergiques humaines dont on visualise les lysosomes (en vert) et le noyau (en bleu), après incubation avec des nanoparticules acidifiantes de PLGA (en rouge). Les lysosomes sont responsables de la dégradation de molécules et micro-organismes indésirables dans le cytoplasme des cellules. Lorsque leur fonction est altérée, les déchets s'accumulent dans les neurones, entraînant des dysfonctions cellulaires et la mort de la cellule…

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Neuroblastomes dopaminergiques humains après incubation avec des nanoparticules acidifiantes
20220014_0008
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Contrôle de la position de la source d'ions et en particulier de sa fente d'extraction à travers l'aimant (en bleu) du séparateur d'isotopes Sidonie. Le faisceau d'isotopes produit par la source est accéléré puis envoyé dans un aimant qui dévie les trajectoires des isotopes en fonction de leurs masses. La fente, placée au plan focal du séparateur, permet de sélectionner l'isotope purifié désiré pour le déposer ensuite sur un support (la cible). Sidonie a été construit en 1969 à l’université d…

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Contrôle de l'installation de la source d’ions du séparateur d’isotopes Sidonie, à l’IJCLab
20220014_0019
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Simulation d’un examen d’imagerie de la thyroïde avec un fantôme anthropomorphique, lors de l’évaluation de la caméra ambulatoire Thidos. Cette caméra détecte le rayonnement gamma émis par les radioisotopes (isotopes radioactifs) utilisés en radiothérapie, directement au lit du patient, pour contrôler la dose délivrée. L’irathérapie utilise l’iode radioactif pour traiter certaines maladies de la thyroïde. Le patient reçoit un médicament radiopharmaceutique composé d’iode 131 capable de cibler…

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Simulation d’un examen d’imagerie avec la caméra ambulatoire Thidos, à IJCLab
20110001_0701
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Sonde 3D de l'échographe Aixplorer. C'est le premier échographe ultrarapide qui utilise les principes du retournement temporel et de l'imagerie multi-ondes pour réaliser une image de l'élasticité du corps humain. Il permet de diagnostiquer précocément les tumeurs profondes ou imperceptibles à la palpation. Les applications sont très nombreuses et concernent les organes suivants : sein, foie, prostate, thyroïde, coeur, muscle, oeil, peau...

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Sonde 3D de l'échographe Aixplorer. C'est le premier échographe ultrarapide qui utilise les principe
20090001_0143
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Vue de la Caméra TEP-CT (General Electric VCT HD RX), utilisant la technique d'imagerie par émission de positons, couplée à un scanner à rayon X. Cette machine est utilisée pour faire de l'imagerie anatomique et fonctionnelle dans les domaines de l'oncologie, la neurologie et la cardiologie. Réalisation de l'acquisition des images du protocole dédié en oncologie.

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Vue de la Caméra TEP-CT (General Electric VCT HD RX), utilisant la technique d'imagerie par émission
20190060_0006
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Nouveau prototype démonstrateur de lecteur miniaturisé permettant la mesure du taux de cystatine C. Ce prototype est une version simplifiée du dispositif portable d’analyses biologiques produit par MagIA Diagnostics. Il est développé par Orphée Cugat, lauréat de la médaille de l’Innovation 2019 du CNRS, et le G2Elab dans le cadre du projet région CYSTATINE. Il a pour objectif de permettre l’autocontrôle à domicile du patient insuffisant rénal chronique. La cystatine C est une protéine de type…

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Prototype de lecteur miniaturisé du taux de cystatine C
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Pour Pierre Nassoy, l'intéressant naît des rencontres. De disciplines d'abord : le directeur de recherche CNRS applique des approches de physico-chimie au vivant. De compétences ensuite : « Pour réussir un projet de valorisation, il faut une recherche porteuse mais aussi des volontés pour la développer. On ne fait rien seul. », assure-t-il. Au Laboratoire photonique numérique & nanosciences (CNRS/Institut d'optique Graduate School/Université de Bordeaux) à Talence, il s'intéresse aux thérapies…

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Médaille de l'innovation 2022 : Pierre Nassoy, recherche et valorisation main dans la main
20130001_0829
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Partie supérieure des électrodes accélératrices du cyclotron du projet Cyrcé (le cyclotron pour la recherche et l'enseignement), après le conditionnement de la machine. Lorsque la machine est fermée, l'emboîtement des électrodes forme un circuit résonnant haute fréquence. A ce stade, le cylotron est raccordé électriquement, hydrauliquement et toutes les sécurités sont en place. Cyrcé est le nouvel accélérateur de particules de l'Institut pluridisciplinaire Hubert Curien. Il vise à déterminer de…

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Partie supérieure des électrodes accélératrices du cyclotron du projet Cyrcé
20130001_0830
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Inspection de l'intérieur du cyclotron du projet Cyrcé (le cyclotron pour la recherche et l'enseignement). A ce stade, le cylotron est raccordé électriquement, hydrauliquement et toutes les sécurités sont en place. Cette inspection se déroule après la phase de conditionnement nécessaire à son bon fonctionnement, avant sa mise en route définitive. Cyrcé est le nouvel accélérateur de particules de l'Institut pluridisciplinaire Hubert Curien. Il vise à déterminer de nouveaux radioéléments pour…

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Inspection de l'intérieur du cyclotron du projet Cyrcé
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Portrait de Vincent Baylé, lauréat de la Médaille de Cristal 2020 du CNRS, ingénieur de recherche en microscopie et traitement d'images, spécialiste en microscopie et traitement d'images au sein de l'équipe Signalisation cellulaire et endocytose du laboratoire Reproduction et développement des plantes

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Médaille de Cristal 2020 : Vincent Baylé, ingénieur de recherche en microscopie et traitement d'images
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A l'occasion de la remise de la médaille de l'innovation 2019 du CNRS, retour sur le parcours d'Orphée Cugat, chercheur en génie électrique. Chercheur CNRS au Laboratoire de génie électrique de Grenoble, il explore le magnétisme dans les milli- et microsystèmes. Inventeur-né, Orphée Cugat a d'abord été formé comme ingénieur généraliste aux Arts et Métiers, il s'oriente finalement vers une thèse, puis effectue un post-doctorat en Irlande. À Grenoble, son groupe amorce le développement de…

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Orphée Cugat, lauréat de la Médaille de l'innovation 2019
20110001_1752
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Vue globale d'un appareil de thérapie du cerveau par ultrasons, avec guidage IRM. L'appareil de thérapie (en noir) est situé à l'intérieur d'un imageur par résonance magnétique (IRM). L'imageur est utilisé pour permettre un choix précis de la cible et pour contrôler le traitement en temps réel, grâce à des séquences de mesure de température. Les câbles permettent de piloter les 512 capteurs élémentaires de thérapie. Ce dispositif de thérapie du cerveau par ultrasons permet de concentrer un…

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Vue globale d'un appareil de thérapie du cerveau par ultrasons, avec guidage IRM. L'appareil de thér
20110001_1782
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Image TEP (tomographie par émission de positons) du corps entier au radiotraceur F18-FDG, obtenue chez un patient sain. Cette image montre comment le radiotraceur (analogue du glucose) se "fixe" sur les différents organes, au prorata de leur consommation de glucose. En particulier, on observe une très forte concentration de traceur dans le cerveau, qui consomme beaucoup de glucose, dans le coeur (à gauche car le patient est vu de dos), mais aussi dans la vessie du fait de l'élimination urinaire…

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Image TEP (tomographie par émission de positons) du corps entier au radiotraceur F18-FDG, obtenue ch
20110001_1775
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Image TEP/TDM (tomographie par émission de positons couplée à un scanner) au radiotraceur F18-FDG réalisée chez un patient présentant une tumeur hépathique. En rouge orangé : le signal TEP (consommation de glucose par les tissus), en niveaux de gris : le signal TDM (densité des tissus). La consommation anarchique de glucose au sein de cette tumeur se traduit par un hypersignal correspondant à une hyperfixation du F18-FDG.

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Image TEP/TDM (tomographie par émission de positons couplée à un scanner) au radiotraceur F18-FDG ré
20110001_1779
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Image synthétique (dite image paramétrique) issue de trois examens TEP/TDM (tomographie par émission de positons couplée à un scanner) au radiotraceur F18-FDG (analogue du glucose), réalisés sur un patient atteint d'un cancer du poumon, non à petites cellules, traité par chimiothérapie. L'image synthétise les informations issues des trois examens : avant le traitement, après 12 et 23 semaines de traitement. Outre les zones tumorales en vert, montrant que de grosses tumeurs répondent à la…

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Image synthétique (dite image paramétrique) issue de trois examens TEP/TDM (tomographie par émission
20180051_0079
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Prototype de scanner TONUS avec deux axes de mouvements pour usage pédiatrique, au Laboratoire de mécanique et d'acoustique (LMA). A l’inverse d’une échographie classique dont le rendu est « opérateur-dépendant », ce dispositif va créer une image en coupe transversale détaillant très précisément le membre scanné. L'appareil est équipé de huit transducteurs (capteurs), à raison d'un tous les 45°, spécialement dédiés à l’examen des tissus osseux d’enfants. La fausse jambe utilisée pour l…

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20180051_0079
Prototype de scanner TONUS (Tomographie numérique ultrasonore) à deux axes de mouvement
20110001_1115
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Extraction des principaux réseaux de faisceaux de substance blanche cérébrale chez l'homme à partir d'images d'IRM (imagerie par résonance magnétique) de diffusion. Cette technique d'imagerie biomédicale permet d'étudier in vivo des fibres de substance blanche et donc de réaliser des diagnostics pour diverses pathologies : sclérose en plaques, schizophrénie, troubles de la conscience.

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Extraction des principaux réseaux de faisceaux de substance blanche cérébrale chez l'homme à partir
20230056_0003
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Examen de neuroimagerie avec l'échographe numérique 3D à super résolution de la start-up Resolve Stroke. Cette technologie d’imagerie médicale permet de visualiser les vaisseaux en 3D de façon sûre pour le patient. L’un de ses atouts est la résolution de l’image, dix fois supérieure à celle d’une échographie Doppler. Cette avancée s’appuie sur les travaux du Laboratoire d’imagerie biomédicale (LIB) qui ont permis de dépasser la barrière de la diffraction pour l'échographie. Elle rend possible l…

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Examen de neuroimagerie avec l'échographe numérique 3D à super résolution de Resolve Stroke
20230013_0010
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Mesure des mouvements de traction d'un grimpeur et analyse de sa performance en puissance et en coordination. Les prises horizontales en bois sur lesquelles le grimpeur se suspend à la force de ses bras, permettent de mesurer la puissance musculaire avec laquelle il se propulse en hauteur. Les graduations servent de points de repères pour le grimpeur, afin d'avoir un objectif à atteindre. Des caméras disposées autour du mur d'escalade enregistrent la position de chaque marqueur réfléchissant et…

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Mesure des mouvements de traction d'un grimpeur et analyse de sa performance
20230013_0023
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Étude du mouvement d'une grimpeuse sur un prototype de mur d'escalade de vitesse miniaturisé. Ce mur est équipé de prises avec des capteurs de force. Des caméras disposées autour du mur d'escalade enregistrent la position de chaque marqueur réfléchissant placé sur la sportive et la restituent dans un modèle 3D. La combinaison de ces données permet l'étude de la capacité d'application de la force, de la coordination, du schéma mental et d'appui des grimpeurs. À terme, ce prototype servira de…

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Étude du mouvement d'une grimpeuse sur un prototype de mur d'escalade de vitesse miniaturisé
20190059_0004
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Julien Jouffroy, un des fondateurs de l’association ANTS, s’entraîne sur un vélo stationnaire à simulation électrique fonctionnelle (SEF) permettant de mobiliser les membres inférieurs paralysés. L’association ANTS (Advanced Neuro-rehabilitation Therapies & Sports) a pour principal objectif de rendre accessible la pratique physique aux personnes porteuses d’un handicap neurologique moteur et d’ainsi contribuer à l’amélioration de leur santé et de leur qualité de vie. C’est dans cette optique qu…

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20190059_0004
Vélo stationnaire à SEF universel pour personnes en situation de handicap moteur
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A l'occasion de la remise de la médaille de l'innovation 2019 du CNRS, retour sur le parcours de Vance Bergeron, chercheur en physique. Titulaire d'une thèse en chimie de l'université californienne de Berkeley. Après quelques années chez Rhône-Poulenc, il intègre le CNRS en 2000. Vance Bergeron se lance ensuite dans les systèmes de décontamination biologique de l'air par plasmas froids. Il participe à la création de la société Airinspace, dont il devient le conseiller scientifique, qui équipe…

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Vance Bergeron, lauréat de la Médaille de l'innovation 2019
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Après un accident qui l'a rendu tétraplégique, le physicien Vance Bergeron décide, avec l'aide de son ancien doctorant Amine Metani, de consacrer ses recherches à la stimulation électrique fonctionnelle. Une technologie qui agit sur les champs électromagnétiques pour stimuler les zones spécifiques des muscles. Ensemble, ils créent la start-up Circles qui développe des solutions innovantes pour permettre aux personnes handicapées moteur de reprendre une activité sportive. Les chercheurs ont…

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Circles
20200003_0063
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Cycliste sur un vélo d'entraînement dans le cadre d'une étude biomécanique de son mouvement. Il a été équipé de capteurs électromyographiques et de marqueurs réfléchissants. Les premiers enregistrent l’activité neuromusculaire (les contractions musculaires causées par les commandes électriques du système nerveux central), afin de comprendre la coordination musculaire nécessaire au mouvement, orchestrée par le névraxe. Les marqueurs sont utilisés pour la capture optique du mouvement (motion…

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Etude biomécanique du mouvement d’un cycliste
20200003_0064
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Visualisation, en temps réel, des mesures prises sur un cycliste dans le cadre d'une étude biomécanique de son mouvement. A gauche, la description cinématique du mouvement (le patron). Les points correspondent aux marqueurs réfléchissants placés sur les articulations du cycliste. Des caméras captent le rayonnement qu'ils leur renvoient, et suivent ainsi la trajectoire des marqueurs. A droite, les données de vitesse de pédalage (créneaux verts) et les données d'activation musculaire issues de…

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20200003_0064
Etude biomécanique du mouvement d’un cycliste
20200003_0047
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Espace d'entraînement d'escalade muni d'une SmartBoard, une prise d'escalade d'entraînement instrumentée et connectée, développée sur la base de recherches en biomécanique de l'Institut des sciences du mouvement (ISM). Elle quantifie les performances d'un grimpeur : ses capteurs mesurent la force exercée par les doigts sur les sites de préhension (les deux bacs supérieurs et les réglettes de différentes profondeurs). Les données sont traitées par une application permettant de caractériser le…

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Test d'une SmartBoard
20200003_0007
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Sportif courant sur un tapis roulant avec chambre à air antigravité lors d'une étude biomécanique sur l’adaptation de l'orchestration musculaire de la course à pied en condition de simulation hypogravitaire, comparable à la gravité sur Mars ou la Lune. En abaissant la pression dans cette chambre, on simule un état de gravité réduit, diminuant ainsi le poids du participant. Des capteurs électromyographiques couplés à des centrales inertielles ont été posés sur les muscles sollicités, pour…

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20200003_0007
Mesure de l'activité neuromusculaire d'un coureur en condition de simulation hypogravitaire
20200003_0006
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Sportif courant sur un tapis roulant avec chambre à air antigravité lors d'une étude biomécanique sur l’adaptation de l'orchestration musculaire de la course à pied en condition de simulation hypogravitaire, comparable à la gravité sur Mars ou la Lune. En abaissant la pression dans cette chambre, on simule un état de gravité réduit, diminuant ainsi le poids du participant. Des capteurs électromyographiques couplés à des centrales inertielles ont été posés sur les muscles sollicités, pour…

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Mesure de l'activité neuromusculaire d'un coureur en condition de simulation hypogravitaire
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Le 'Cybathlon' est une compétition pour personnes en situation de handicap équipées de technologies actives et robotiques qui a lieu tous les quatre ans en Suisse. Suivez la préparation de Christophe Huchet, ancien sportif paralympique à la tête de la délégation française, qui sera équipé d'une prothèse du bras motorisée spécialement conçue pour lui.

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Cybathlon, championnat pour sportifs augmentés
20200021_0008
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Validation expérimentale d’une loi de commande dite CCC (Compensation Cancellation Control) pour le pilotage d'une prothèse robotique de poignet avec une personne non amputée équipée à l'aide d'une orthèse, réalisant une épreuve du Cybathlon. Cette compétition destinée aux athlètes handicapés autorise l’utilisation de technologies d’assistance bionique. La prothèse n'est ici pas directement pilotée par le sujet mais cherche de façon autonome à annuler les mouvements de compensation du sujet…

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20200021_0008
Validation d’une loi de commande CCC pour le pilotage d'une prothèse robotique
20200021_0009
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Validation expérimentale d’une loi de commande dite CCC (Compensation Cancellation Control) pour le pilotage d'une prothèse robotique de poignet avec une personne non amputée équipée à l'aide d'une orthèse, réalisant une épreuve du Cybathlon. Cette compétition destinée aux athlètes handicapés autorise l’utilisation de technologies d’assistance bionique. La prothèse n'est ici pas directement pilotée par le sujet mais cherche de façon autonome à annuler les mouvements de compensation du sujet…

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20200021_0009
Validation d’une loi de commande CCC pour le pilotage d'une prothèse robotique
20210137_0009
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Utilisation interne/pas d'usage commercial

Saisir un stylo, enfoncer un clou, insérer une carte de crédit, visser une ampoule… Ancien sportif paralympique de haut niveau et pilote de l’équipe française Smart ArM, Christophe Huchet s’entraîne ici pour le Cybathlon 2020. Ces Jeux Olympiques hors normes sont organisés depuis 2016, tous les 4 ans, pour les personnes en situation de handicap équipées de technologies actives et robotiques. L’athlète est équipé d’une prothèse de bras, spécialement conçue pour lui, qui est l’une des seules de…

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20210137_0009
Une prothèse plus intuitive
20200013_0002
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Résultats d'une simulation numérique dynamique du comportement biomécanique du pied humain. Un modèle haute résolution d'un pied humain, incluant les principaux os et les corps mous, est mis en mouvement pour simuler la marche ou la course afin d'étudier des paramètres biomécaniques internes. Ces trois images permettent de visualiser la pression plantaire (pression de contact, en haut à gauche), les contraintes et déformations dans les ligaments (en haut à droite) et les pressions de contact…

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Résultats d'une simulation numérique dynamique du comportement biomécanique du pied humain
20120001_0606
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Modélisation 3D d'une cheville, utilisant la technique des éléments finis en régime instationnaire. Les chercheurs établissent un modèle numérique en phase de marche ou de course, pour mettre en évidence, entre autres, les contraintes osseuses (en rouge sur l'écran). Un maillage du volume est établi à partir de données scanner et IRM. L'objectif est la connaissance interne des conditions du mouvement et la prévention du mauvais geste.

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Modélisation 3D d'une cheville, utilisant la technique des éléments finis en régime instationnaire.
20130001_2067
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Simulation numérique dynamique du comportement biomécanique du pied humain. Visualisation des contraintes internes, des contraintes planes pour les ligaments et de la pression plantaire, lors d'une séquence de marche. L'objectif de ces recherches est de mieux comprendre la répartition des efforts (forces d'impact, forces musculaires) dans le pied lors des mouvements quotidiens (marche, course), afin de réduire les traumatismes potentiels. Ces résultats de simulation sont obtenus en utilisant un…

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Simulation du comportement biomécanique du pied humain
20130001_2066
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Modélisation du mouvement d'un homme (de face et de dos) lors du démarrage ou de l'arrêt brutal d'un bus ou d'un métro. Lorsque son équilibre est perturbé, le sujet réalise de grands mouvements de bras. Lors de cette expérience, le sujet est debout sur une plateforme motorisée. Des marqueurs réfléchissant pour la "motion capture" sont placés sur différentes articulations, de manière à pouvoir réaliser une reconstruction "stroscopique" du mouvement. Cette expérimentation permet d'étudier le…

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Modélisation du mouvement d'un homme à l'équilibre perturbé
20200068_0001
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Flux vectoriel obtenu par imagerie ultrasonore en synthèse d'ouverture : données de simulation numérique des écoulements de sang dans une bifurcation carotidienne. Une image similaire a remporté le défi en estimation du flux par imagerie ultrasonore en synthèse d'ouverture, lors du congrès IEEE International Ultrasonics Symposium 2018 à Kobe, Japon.

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Simulation numérique des écoulements de sang dans une bifurcation carotidienne
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Les masques font désormais partie de notre quotidien. Mais que valent-ils vraiment ? Quelle est la matière la plus efficace pour stopper les gouttelettes ? Sur le site de l'Ecole Polytechnique de Saclay, l'équipe de recherche menée par Christophe Josserand, spécialisée dans la physique des flux en contact avec des surfaces, mène actuellement des expériences pour mieux caractériser l'efficacité des différents types de masques utilisés en barrière contre le Covid-19. Grâce à la…

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Masques anti-Covid face à la physique (Les)
20210120_0005
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Installation d’un filtre sur une soufflerie environnementale produisant un brouillard contrôlé constitué de très petites gouttelettes (4 microns), développée par le LadHyX. L’objectif est de mesurer sa capacité d’absorption. Dans les filtres constitués de fibres entrecroisées, comme les textiles ou les intissés, les gouttelettes capturées s’accumulent progressivement au niveau des jointures entre les fibres jusqu’à former un film liquide obstruant. C’est l’une des raisons pour lesquelles les…

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Installation d’un filtre sur un dispositif permettant de mesurer sa capacité d’absorption
20180051_0055
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Expérience de psychophysique en cabine audiométrique. Des personnes normo-entendantes ou possédant un implant cochléaire se prêtent à des expériences de comparaison de sons dans une cabine isolée acoustiquement de l’extérieur. Trois boîtes numérotées 1, 2 et 3 vont s’allumer à l’écran chacune à leur tour et un son va être joué. Seul dans la pièce, le sujet doit indiquer laquelle des boîtes 2 ou 3 a produit le son le plus proche de celui de la boîte 1. Quand les patients sont implantés, pour les…

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Expérience de psychophysique en cabine audiométrique
20210120_0018
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Dispersion du flux d’air expiré par un individu. Cette image a été obtenue grâce à la strioscopie, une technique permettant de visualiser les écoulements d’air provoqués par une source de chaleur, comme le souffle de cet individu. Une équipe du LadHyX spécialisée dans les interactions entre les textiles et les liquides étudie le fonctionnement des masques utilisés durant l’épidémie de covid-19. Lorsque nous respirons, nous émettons un flux d’air constitué de microgouttelettes qui, dans le cas d…

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Dispersion du flux d’air expiré par un individu, observé grâce à la strioscopie
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Dispositif élémentaire de démonstration d'une illusion tactile. Il prouve que la perception des formes, lors du toucher actif, est due en grande partie aux variations des forces d'interaction des doigts avec un objet, non aux déplacements relatifs de ces doigts explorant sa surface. Ce dispositif est composé d'une plaque dans laquelle sont insérés deux aimants. Lorsque le doigt, posé sur une petite plateforme, se déplace et passe sur l'un des aimants, cela créé une sensation de bosse ou de…

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Dispositif de stimulation tactile
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Expérience de stimulation tactile, pendant laquelle des vibrations mécaniques aléatoires sont envoyées dans une phalange du doigt, dont l'extrémité est en contact avec une surface. Les propriétés spectrales du signal vibratoire peuvent être ajustées. Lorsqu'elles ressemblent à celles provenant des phénomènes de friction doigt-surface, le cerveau ne peut plus distinguer l'origine des vibrations, au cours d'un mouvement glissant. Quand le mouvement s'arrête, le cerveau attribue à nouveau l…

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Dispositif de stimulation tactile
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Dispositif élémentaire de démonstration d'une illusion tactile. Il prouve le caractère fondamentalement ambigu des données tactiles cutanées. Un doigt est posé sur les dents d'un peigne en plastique, perturbées par un petit écarteur. Lors du déplacement du peigne, le doigt subit des déformations locales qui donnent la sensation de pics, donc d'une surface en relief. Ce type de dispositif est utilisé dans le cadre de la recherche fondamentale sur le sens du toucher et pour la mise au point de…

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Dispositif de stimulation tactile
20210098_0026
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Test d'H-Ring, une interface haptique portable développée par l’Irisa. H-Ring est capable de déformer localement la peau de son utilisateur, grâce à une ceinture actionnée par deux moteurs qui comprime ou étire la peau au bout de son doigt. En fournissant des sensations tactiles supplémentaires pendant l’interaction avec un objet réel, la recherche a montré que l'on peut modifier la perception physique de cet objet. Ainsi, en comprimant la peau au moment exact où l’utilisateur actionne le…

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20210098_0026
Test de l'interface haptique portable H-Ring modifiant la perception physique d'objets réels
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Imaginez : vous êtes dans un monde virtuel, vous vous promenez dans un verger et vous souhaitez cueillir une pomme. Au moment où vous l'attrapez, vous la sentez dans votre main, pour de vrai. Faire entrer le toucher dans la réalité virtuelle, c'est le projet de recherche du laboratoire IRISA à Rennes. Claudio Pacchierotti et ses collègues sont spécialistes de l'haptique, c'est-à dire la science qui étudie le toucher. Leur recherche a deux approches : d'une part ils utilisent…

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Quand le toucher s'invite dans la réalité virtuelle
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Les deux électrodes de l'électroglottographe sont placées autour du cou d'une locutrice. Le signal électroglottographique (EGG) se présente sous la forme d'une onde caractérisée par une modulation rapide, synchrone avec le cycle d'ouverture et de fermeture des plis vocaux, ainsi qu'une modulation lente, dépendante des mouvements du larynx. L'électroglottographe fournit une mesure précise et fiable de la fréquence de vibration des plis vocaux (fréquence fondamentale liée perceptivement à la…

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Les deux électrodes de l'électroglottographe sont placées autour du cou d'une locutrice. Le signal é
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Dans la recherche sur les maladies cardiovasculaires, le physico-chimiste Cédric Chauvierre (Inserm) s'inspire de la longue molécule de polysaccharide qui donne à l'algue marine toute sa souplesse et sa solidité pour remplacer des artères défectueuses. Ces vaisseaux artificiels doivent résister à des variations de pression importantes et être biocompatibles. Plusieurs essais sur un modèle animal s'avèrent concluants. Les cellules du rat recolonisent même ce matériau poreux qu'elles…

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Des vaisseaux marins
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Le papillon morpho est en passe de devenir un acteur important de la transition énergétique grâce à l'étonnante structure de ses ailes qui inspire les physiciens tel Serge Berthier, professeur à l'Institut des nanosciences de Paris. Lorsque la température s'élève au-dessus de 40°C, les ailes irradient des infrarouges, ce qui permet de faire baisser la température... et accessoirement de donner au papillon cette magnifique couleur bleue. Un phénomène, étudié en photonique, qui…

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Un papillon solaire
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Personnel de l’équipe BIOTIC (Biomécanique des Interactions et de l’Organisation des Tissus et des Cellules) du LMGC dont l'activité est centrée sur l’étude biomécanique des tissus humains, notamment les tissus mous, et des cellules qui les composent. Les travaux de l’équipe s’articulent autour de deux axes interconnectés, la caractérisation des comportements ainsi que sur la rhéologie des tissus et des cellules, et l’étude de leur évolution dans le temps. Les travaux sont basés sur l’imagerie…

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Chercheurs de l’équipe BIOTIC du LMGC
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Test de perçage d’un vaisseau synthétique. Après sa préparation, découpe et mise à plat, le vaisseau synthétique est percé avec une aiguille. Différents lots de vaisseaux biologiques de compositions différentes sont ainsi soumis à des tests de perçage. Ces tests sont effectués dans le cadre du programme de prématuration VENUS. Ce programme a pour objectif de réaliser des vaisseaux synthétiques de petit calibre pour l'apprentissage de la microchirurgie vasculaire, nerveuse et lymphatique, à…

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Test de perçage d’un vaisseau synthétique
20180076_0043
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Insertion d’une bille d’alginate dans un "puits", dispositif expérimental simulant la croissance de cellules de cartilage par pression mécanique. Une fois les puits fermés, la bille d’alginate est immergée dans un liquide. Deux pompes péristaltiques mettent ensuite sous pression le fluide au dessus de la bille alors que le fluide en dessous reste à pression atmosphérique. Ainsi, la bille s'enfonce dans le convergent et est sollicitée en compression et traction. Le dispositif mis au point ici…

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Simulation de la croissance de cellules de cartilage par pression mécanique
20180076_0057
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Test filmé de perçage d’un vaisseau synthétique. Après avoir été préparé, découpe et mis à plat, le vaisseau synthétique est percé avec une aiguille. Différents lots de vaisseaux biologiques de compositions différentes sont ainsi soumis à des tests de perçage. Le programme de prématuration VENUS a pour objectif de réaliser des vaisseaux synthétiques de petit calibre pour l'apprentissage de la microchirurgie vasculaire, nerveuse et lymphatique, à partir de substituts synthétiques biomimétiques…

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Test filmé de perçage d’un vaisseau synthétique
20180076_0049
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Bille d’alginate déformée suite à une pression mécanique. La bille d’alginate est insérée dans un "puits", dispositif expérimental simulant la croissance de cellules de cartilage par pression mécanique. Elle est immergée dans un liquide. Deux pompes péristaltiques mettent ensuite sous pression le fluide au dessus de la bille alors que le fluide en dessous reste à pression atmosphérique. Ainsi, la bille s'enfonce dans le convergent et est sollicitée en compression et traction. Ce dispositif…

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Bille d'alginate déformée suite à une pression mécanique
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Observation, à l’aide d’une caméra et d’un système d’éclairage particulier, de la déformation d’une bille d’alginate subissant une pression mécanique. La bille d’alginate est insérée dans un "puits", dispositif expérimental simulant la croissance de cellules de cartilage par pression mécanique. Elle est immergée dans un liquide. Deux pompes péristaltiques mettent ensuite sous pression le fluide au dessus de la bille alors que le fluide en dessous reste à pression atmosphérique. Ainsi, la bille…

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Observation de la déformation d’une bille d’alginate subissant une pression mécanique
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Gonflement d’une membrane synthétique de faible dimension simulant des vaisseaux biologiques. Ce gonflement est réalisé par la mise sous pression de la membrane. Des mesures par stéréo-corrélation d'images numériques permettent d’analyser et de modéliser les déformations et l’évolution dans le temps de cette membrane modèle. Le but de l'étude est d’identifier le comportement mécanique sous chargement multiaxial de membranes biologiques ou synthétiques de petites dimensions. L’objectif à terme…

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Mise sous pression d'une membrane avec mesure par stéréo-corrélation d'images numériques
20160036_0004
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Plateforme expérimentale de caractérisation des propriétés mécaniques de biomatériaux du et pour le vivant. Au centre du dispositif, un tissu biologique est testé dans une machine de traction DMA (Dynamic mechanical analysis). L'échantillon est plongé dans un bain de liquide thermorégulé permettant de reconstituer des conditions similaires à celles de l'intérieur du corps humain. Les données acquises pendant le test sont visualisées sur un premier écran. Les images enregistrées par deux caméras…

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Plateforme expérimentale de caractérisation des propriétés mécaniques de biomatériaux
20130001_2001
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Déformation d'une cellule cancéreuse humaine observée en microscopie confocale. Son noyau (en bleu) est déposé sur un matériau composé d'alignements de piliers de taille micrométrique. Le rouge marque la présence d'actine, le bleu, la présence d'ADN et le vert, la présence de myosine II. Les chercheurs étudient le comportement de ce type de cellules vis-à-vis de différents matériaux modèles microstructurés, susceptibles d'être implantés chez l'homme. Ils s'intéressent en particulier à la…

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Déformation d'une cellule cancéreuse humaine observée en microscopie confocale. Son noyau (en bleu)
20130001_2000
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Déformation d'une cellule cancéreuse humaine observée en microscopie confocale. Son noyau (en bleu) est déposé sur un matériau composé d'alignements de piliers de taille micrométrique. Le rouge marque la présence d'actine, le bleu, la présence d'ADN et le vert, la présence de sun1. Les chercheurs étudient le comportement de ce type de cellules vis-à-vis de différents matériaux modèles microstructurés, susceptibles d'être implantés chez l'homme. Ils s'intéressent en particulier à la manière dont…

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Déformation d'une cellule cancéreuse humaine observée en microscopie confocale. Son noyau (en bleu)
20130001_2003
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Surface d'un matériau composé d'alignements de piliers de taille micrométrique, sur laquelle ont été déposées 3 cellules cancéreuses humaines qui se sont déformées. Cette image a été obtenue par microscopie électronique à balayage. Les chercheurs étudient le comportement de ce type de cellules vis-à-vis de différents matériaux modèles microstructurés, susceptibles d'être implantés chez l'homme. Ils s'intéressent en particulier à la manière dont les cellules identifient et réagissent à la…

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Surface d'un matériau composé d'alignements de piliers de taille micrométrique, sur laquelle ont été
20170105_0001
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Cellules souches embryonnaires stimulées mécaniquement avec un tireur magnétique. Ce dispositif permet à la fois de former et de stimuler mécaniquement un agrégat de cellules, dans lesquelles ont été incorporées des nanoparticules magnétiques. Les deux micro-aimants, dont l’un est mobile, encadrent le corps embryoïde obtenu et la stimulation cyclique peut être adaptée selon le type de tissu que l’on souhaite obtenir. Les chercheurs ont en effet pu observer que lorsque la stimulation impose des…

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Cellules souches embryonnaires stimulées mécaniquement avec un tireur magnétique
20170103_0016
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Cellules T naïves (en vert) confinées dans des micropuits (en rouge) remplis de fibres de collagène (en blanc). Leur suivi dynamique est réalisé en microscopie non linéaire. Outre l'avantage de pouvoir imager en profondeur dans les tissus, la microscopie non linéaire ou microscopie deux photons donne accès non seulement aux contrastes fluorescents par marquage des échantillons, mais également à des contrastes supplémentaires intrinsèques ne nécessitant pas de marquages. Contrairement aux…

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Cellules T naïves confinées dans des micropuits remplis de fibres de collagène

CNRS Images,

Nous mettons en images les recherches scientifiques pour contribuer à une meilleure compréhension du monde, éveiller la curiosité et susciter l'émerveillement de tous.