Biomechanical analysis of alpine skiers performing giant slalom turns

Over the past few years, technological breakthroughs have helpedcompetitive sports to attain new levels. Training techniques, athletes' management and methods to analyse specific technique and performancehave sharpened, leading to performance improvement. Alpine skiing is not different. The objective of the present work was to study the technique of highy skilled alpine skiers performing giant slalom, in order to determine the quantity of energy that can be produced by skiers to increase their speed. To reach this goal, several tools have been developed to allow field testing on ski slopes; a multi cameras system, a wireless synchronization system, an aerodynamic drag model and force plateforms have especially been designed and built. The analyses performed using the different tools highlighted the possibility for several athletes to increase their energy by approximately 1.5 % using muscular work. Nevertheless, the athletes were in average not able to use their muscular work in an efficient way. By offering functional tools such as drift analysis using combined data from GPS and inertial sensors, or trajectory analysis based on tracking morphological points, this research makes possible the analysis of alpine skiers technique and performance in real training conditions. The author wishes for this work to be used as a basis for continued knowledge and understanding of alpine skiing technique. - Le sport de compétition bénéficie depuis quelques années des progrès technologiques apportés par la science. Les techniques d'entraînement, le suivi des athlètes et les méthodes d'analyse deviennent plus pointus, induisant une nette amélioration des performances. Le ski alpin ne dérogeant pas à cette règle, l'objectif de ce travail était d'analyser la technique de skieurs de haut niveau en slalom géant afin de déterminer la quantité d'énergie fournie par les skieurs pour augmenter leur vitesse. Pour ce faire, il a été nécessaire de developer différents outils d'analyse adaptés aux contraintes inhérentes aux tests sur les pistes de skis; un système multi caméras, un système de synchronisation, un modèle aérodynamique et des plateformes de force ont notamment été développés. Les analyses effectuées grâce à ces différents outils ont montré qu'il était possible pour certains skieur d'augmenter leur énergie d'environ 1.5 % grâce au travail musculaire. Cependant, les athlètes n'ont en moyenne pas réussi à utiliser leur travail musculaire de manière efficace. Ce projet a également rendu possible des analyses adaptées aux conditions d'entraînement des skieurs en proposant des outils fonctionnels tels que l'analyse du drift grâce à des capteurs inertiels et GPS, ainsi que l'analyse simplifiée de trajectoires grâce au suivi de points morphologiques. L'auteur espère que ce travail servira de base pour approfondir les connaissances de la technique en ski alpin.

Analyse des besoins du système de prise en charge des addictions en Suisse: Module 1 : revue de littérature

Le but de cette étude est d'explorer et de définir, par une analyse des besoins, si l'offre actuelle en services dans le domaine des addictions est encore adaptée à la situation épidémiologique actuelle des addictions, à l'évolution des types de comportements liés à la dépendance et aux besoins des clients. Il s'agit en particulier de répondre aux questions suivantes: Existe-t-il actuellement des besoins en traitement pour lesquels il n'existe aucune offre appropriée ? Quels groupes ne sont pas ou sont insuffisamment atteints par l'offre existante? A quels genres de problèmes liés à la dépendance et à quels nouveaux besoins des clients les structures oeuvrant dans le domaine de la dépendance sont-elles confrontées? Quels sont les besoins d'adaptation du système de prise en charge nécessaires concernant soit les groupes-cibles de services, soit les types d'offres - en particulier le besoin en nouveaux concepts/modèles de prise en charge pour répondre à l'évolution des besoins? Comment ces structures font-elles face à l'accroissement de l'usage de multiples substances (multi-consommation)?

Multi-scale systems analysis of plant development : beyond cellular signaling and tissue morphodynamics

Les plantes sont essentielles pour les sociétés humaines. Notre alimentation quotidienne, les matériaux de constructions et les sources énergétiques dérivent de la biomasse végétale. En revanche, la compréhension des multiples aspects développementaux des plantes est encore peu exploitée et représente un sujet de recherche majeur pour la science. L'émergence des technologies à haut débit pour le séquençage de génome à grande échelle ou l'imagerie de haute résolution permet à présent de produire des quantités énormes d'information. L'analyse informatique est une façon d'intégrer ces données et de réduire la complexité apparente vers une échelle d'abstraction appropriée, dont la finalité est de fournir des perspectives de recherches ciblées. Ceci représente la raison première de cette thèse. En d'autres termes, nous appliquons des méthodes descriptives et prédictives combinées à des simulations numériques afin d'apporter des solutions originales à des problèmes relatifs à la morphogénèse à l'échelle de la cellule et de l'organe. Nous nous sommes fixés parmi les objectifs principaux de cette thèse d'élucider de quelle manière l'interaction croisée des phytohormones auxine et brassinosteroïdes (BRs) détermine la croissance de la cellule dans la racine du méristème apical d'Arabidopsis thaliana, l'organisme modèle de référence pour les études moléculaires en plantes. Pour reconstruire le réseau de signalement cellulaire, nous avons extrait de la littérature les informations pertinentes concernant les relations entre les protéines impliquées dans la transduction des signaux hormonaux. Le réseau a ensuite été modélisé en utilisant un formalisme logique et qualitatif pour pallier l'absence de données quantitatives. Tout d'abord, Les résultats ont permis de confirmer que l'auxine et les BRs agissent en synergie pour contrôler la croissance de la cellule, puis, d'expliquer des observations phénotypiques paradoxales et au final, de mettre à jour une interaction clef entre deux protéines dans la maintenance du méristème de la racine. Une étude ultérieure chez la plante modèle Brachypodium dystachion (Brachypo- dium) a révélé l'ajustement du réseau d'interaction croisée entre auxine et éthylène par rapport à Arabidopsis. Chez ce dernier, interférer avec la biosynthèse de l'auxine mène à la formation d'une racine courte. Néanmoins, nous avons isolé chez Brachypodium un mutant hypomorphique dans la biosynthèse de l'auxine qui affiche une racine plus longue. Nous avons alors conduit une analyse morphométrique qui a confirmé que des cellules plus anisotropique (plus fines et longues) sont à l'origine de ce phénotype racinaire. Des analyses plus approfondies ont démontré que la différence phénotypique entre Brachypodium et Arabidopsis s'explique par une inversion de la fonction régulatrice dans la relation entre le réseau de signalisation par l'éthylène et la biosynthèse de l'auxine. L'analyse morphométrique utilisée dans l'étude précédente exploite le pipeline de traitement d'image de notre méthode d'histologie quantitative. Pendant la croissance secondaire, la symétrie bilatérale de l'hypocotyle est remplacée par une symétrie radiale et une organisation concentrique des tissus constitutifs. Ces tissus sont initialement composés d'une douzaine de cellules mais peuvent aisément atteindre des dizaines de milliers dans les derniers stades du développement. Cette échelle dépasse largement le seuil d'investigation par les moyens dits 'traditionnels' comme l'imagerie directe de tissus en profondeur. L'étude de ce système pendant cette phase de développement ne peut se faire qu'en réalisant des coupes fines de l'organe, ce qui empêche une compréhension des phénomènes cellulaires dynamiques sous-jacents. Nous y avons remédié en proposant une stratégie originale nommée, histologie quantitative. De fait, nous avons extrait l'information contenue dans des images de très haute résolution de sections transverses d'hypocotyles en utilisant un pipeline d'analyse et de segmentation d'image à grande échelle. Nous l'avons ensuite combiné avec un algorithme de reconnaissance automatique des cellules. Cet outil nous a permis de réaliser une description quantitative de la progression de la croissance secondaire révélant des schémas développementales non-apparents avec une inspection visuelle classique. La formation de pôle de phloèmes en structure répétée et espacée entre eux d'une longueur constante illustre les bénéfices de notre approche. Par ailleurs, l'exploitation approfondie de ces résultats a montré un changement de croissance anisotropique des cellules du cambium et du phloème qui semble en phase avec l'expansion du xylème. Combinant des outils génétiques et de la modélisation biomécanique, nous avons démontré que seule la croissance plus rapide des tissus internes peut produire une réorientation de l'axe de croissance anisotropique des tissus périphériques. Cette prédiction a été confirmée par le calcul du ratio des taux de croissance du xylème et du phloème au cours de développement secondaire ; des ratios élevés sont effectivement observés et concomitant à l'établissement progressif et tangentiel du cambium. Ces résultats suggèrent un mécanisme d'auto-organisation établi par un gradient de division méristématique qui génèrent une distribution de contraintes mécaniques. Ceci réoriente la croissance anisotropique des tissus périphériques pour supporter la croissance secondaire. - Plants are essential for human society, because our daily food, construction materials and sustainable energy are derived from plant biomass. Yet, despite this importance, the multiple developmental aspects of plants are still poorly understood and represent a major challenge for science. With the emergence of high throughput devices for genome sequencing and high-resolution imaging, data has never been so easy to collect, generating huge amounts of information. Computational analysis is one way to integrate those data and to decrease the apparent complexity towards an appropriate scale of abstraction with the aim to eventually provide new answers and direct further research perspectives. This is the motivation behind this thesis work, i.e. the application of descriptive and predictive analytics combined with computational modeling to answer problems that revolve around morphogenesis at the subcellular and organ scale. One of the goals of this thesis is to elucidate how the auxin-brassinosteroid phytohormone interaction determines the cell growth in the root apical meristem of Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), the plant model of reference for molecular studies. The pertinent information about signaling protein relationships was obtained through the literature to reconstruct the entire hormonal crosstalk. Due to a lack of quantitative information, we employed a qualitative modeling formalism. This work permitted to confirm the synergistic effect of the hormonal crosstalk on cell elongation, to explain some of our paradoxical mutant phenotypes and to predict a novel interaction between the BREVIS RADIX (BRX) protein and the transcription factor MONOPTEROS (MP),which turned out to be critical for the maintenance of the root meristem. On the same subcellular scale, another study in the monocot model Brachypodium dystachion (Brachypodium) revealed an alternative wiring of auxin-ethylene crosstalk as compared to Arabidopsis. In the latter, increasing interference with auxin biosynthesis results in progressively shorter roots. By contrast, a hypomorphic Brachypodium mutant isolated in this study in an enzyme of the auxin biosynthesis pathway displayed a dramatically longer seminal root. Our morphometric analysis confirmed that more anisotropic cells (thinner and longer) are principally responsible for the mutant root phenotype. Further characterization pointed towards an inverted regulatory logic in the relation between ethylene signaling and auxin biosynthesis in Brachypodium as compared to Arabidopsis, which explains the phenotypic discrepancy. Finally, the morphometric analysis of hypocotyl secondary growth that we applied in this study was performed with the image-processing pipeline of our quantitative histology method. During its secondary growth, the hypocotyl reorganizes its primary bilateral symmetry to a radial symmetry of highly specialized tissues comprising several thousand cells, starting with a few dozens. However, such a scale only permits observations in thin cross-sections, severely hampering a comprehensive analysis of the morphodynamics involved. Our quantitative histology strategy overcomes this limitation. We acquired hypocotyl cross-sections from tiled high-resolution images and extracted their information content using custom high-throughput image processing and segmentation. Coupled with an automated cell type recognition algorithm, it allows precise quantitative characterization of vascular development and reveals developmental patterns that were not evident from visual inspection, for example the steady interspace distance of the phloem poles. Further analyses indicated a change in growth anisotropy of cambial and phloem cells, which appeared in phase with the expansion of xylem. Combining genetic tools and computational modeling, we showed that the reorientation of growth anisotropy axis of peripheral tissue layers only occurs when the growth rate of central tissue is higher than the peripheral one. This was confirmed by the calculation of the ratio of the growth rate xylem to phloem throughout secondary growth. High ratios are indeed observed and concomitant with the homogenization of cambium anisotropy. These results suggest a self-organization mechanism, promoted by a gradient of division in the cambium that generates a pattern of mechanical constraints. This, in turn, reorients the growth anisotropy of peripheral tissues to sustain the secondary growth.

Multi-phase post-mortem CT angiography: development of a standardized protocol.

The objective of this work was to develop an easily applicable technique and a standardized protocol for high-quality post-mortem angiography. This protocol should (1) increase the radiological interpretation by decreasing artifacts due to the perfusion and by reaching a complete filling of the vascular system and (2) ease and standardize the execution of the examination. To this aim, 45 human corpses were investigated by post-mortem computed tomography (CT) angiography using different perfusion protocols, a modified heart-lung machine and a new contrast agent mixture, specifically developed for post-mortem investigations. The quality of the CT angiographies was evaluated radiologically by observing the filling of the vascular system and assessing the interpretability of the resulting images and by comparing radiological diagnoses to conventional autopsy conclusions. Post-mortem angiography yielded satisfactory results provided that the volumes of the injected contrast agent mixture were high enough to completely fill the vascular system. In order to avoid artifacts due to the post-mortem perfusion, a minimum of three angiographic phases and one native scan had to be performed. These findings were taken into account to develop a protocol for quality post-mortem CT angiography that minimizes the risk of radiological misinterpretation. The proposed protocol is easy applicable in a standardized way and yields high-quality radiologically interpretable visualization of the vascular system in post-mortem investigations.

Multi-scale support vector algorithms for hot spot detection and modelling

The algorithmic approach to data modelling has developed rapidly these last years, in particular methods based on data mining and machine learning have been used in a growing number of applications. These methods follow a data-driven methodology, aiming at providing the best possible generalization and predictive abilities instead of concentrating on the properties of the data model. One of the most successful groups of such methods is known as Support Vector algorithms. Following the fruitful developments in applying Support Vector algorithms to spatial data, this paper introduces a new extension of the traditional support vector regression (SVR) algorithm. This extension allows for the simultaneous modelling of environmental data at several spatial scales. The joint influence of environmental processes presenting different patterns at different scales is here learned automatically from data, providing the optimum mixture of short and large-scale models. The method is adaptive to the spatial scale of the data. With this advantage, it can provide efficient means to model local anomalies that may typically arise in situations at an early phase of an environmental emergency. However, the proposed approach still requires some prior knowledge on the possible existence of such short-scale patterns. This is a possible limitation of the method for its implementation in early warning systems. The purpose of this paper is to present the multi-scale SVR model and to illustrate its use with an application to the mapping of Cs137 activity given the measurements taken in the region of Briansk following the Chernobyl accident.

Fusion of Multi-Atlas Segmentations with Spatial Distribution Modeling

In recent years, multi-atlas fusion methods have gainedsignificant attention in medical image segmentation. Inthis paper, we propose a general Markov Random Field(MRF) based framework that can perform edge-preservingsmoothing of the labels at the time of fusing the labelsitself. More specifically, we formulate the label fusionproblem with MRF-based neighborhood priors, as an energyminimization problem containing a unary data term and apairwise smoothness term. We present how the existingfusion methods like majority voting, global weightedvoting and local weighted voting methods can be reframedto profit from the proposed framework, for generatingmore accurate segmentations as well as more contiguoussegmentations by getting rid of holes and islands. Theproposed framework is evaluated for segmenting lymphnodes in 3D head and neck CT images. A comparison ofvarious fusion algorithms is also presented.

Gains from switching and evolutionary stability in multi-player matrix games.

In this paper we unify, simplify, and extend previous work on the evolutionary dynamics of symmetric N-player matrix games with two pure strategies. In such games, gains from switching strategies depend, in general, on how many other individuals in the group play a given strategy. As a consequence, the gain function determining the gradient of selection can be a polynomial of degree N-1. In order to deal with the intricacy of the resulting evolutionary dynamics, we make use of the theory of polynomials in Bernstein form. This theory implies a tight link between the sign pattern of the gains from switching on the one hand and the number and stability of the rest points of the replicator dynamics on the other hand. While this relationship is a general one, it is most informative if gains from switching have at most two sign changes, as is the case for most multi-player matrix games considered in the literature. We demonstrate that previous results for public goods games are easily recovered and extended using this observation. Further examples illustrate how focusing on the sign pattern of the gains from switching obviates the need for a more involved analysis.

Le mélanome et les polymorphismes associés au dysfonctionnement du système immunitaire

La recherche biomédicale profite de plus en plus au développement des techniques de séquençage et d'analyse de l'ADN. Les coûts du séquençage ont drastiquement baissés au cours de ces dernières années et les genomes-wides associations studies (GWAS) ont révolutionné l'approche de la recherche génétique en mettant en évidence associations et single-nucleotide-polymorphisms (SNPs) qui pourraient être importantes pour la susceptibilité à développer des maladies dites communes. La majorité des cancers appartiennent à cette définition de maladie commune, ils sont généralement causés par une accumulation de lésions/mutations de l'ADN aboutissant à une perte de contrôle de la prolifération et du cycle cellulaire. Ces mutations peuvent être héréditaires, acquises ou une combinaison des deux. Dans la plupart des cancers communs (cancers qui n'ont pas une hérédité familiale importante) les mutations de l'ADN sont souvent amenées par des facteurs tels que inflammation chronique, tabac, virus, exposition aux radiations, aux agents chimiques. Ceci est le cas pour le mélanome également, un cancer de la peau qui est corrélé à l'exposition des rayons UV solaires ou artificiels. Une hypothèse largement acceptée aujourd'hui est que les tumeurs, à travers leur accumulation progressive de mutations somatiques et d'anomalies chromosomiques, finissent par échapper au contrôle exercé par le système immunitaire. Il est par conséquence imaginable que des polymorphismes naturels puissent renforcer ou affaiblir la capacité du système immunitaire à freiner voir arrêter la progression tumorale.