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Marielle Defontaine a d’abord travaillé comme ingénieur biomédical à l’université technologique de Compiègne. Après un DEA obtenu dans cette même université, elle vient travailler au CHU de Tours comme ingénieur de recherche hospitalière au sein de l’unité Inserm U930 et entreprend une thèse en 1991 sur la tomographie ultrasonore, sous la direction de Léandre Pourcelot, qu’elle soutient en 1995.

Fin 1993, elle est sollicitée par Marc Lethiecq et Marc Baldini pour poursuivre les recherches sur la mise au point d’un appareil de mesure de la densité osseuse pour les vols spatiaux habités en partenariat avec l’ESA (Agence spatiale européenne) et Matra Marconi Space dans le cadre du programme Euromir 95.

En 2014, elle fonde l’entreprise RheaWave avec Hélène Moreschi, qui commercialise la technologie de métrologie acoustique mise au point pour la recherche spatiale. Elles obtiennent toutes les deux le grand prix du jury national d’aide à la création d’entreprise innovante pour cette initiative.