Le complexe articulaire de l'épaule est extrêmement sollicité au cours de la pratique du tennis. Le service, notamment, impose des contraintes mécaniques importantes et requiert des positions articulaires extrêmes plaçant l'épaule dans des situations à risque de blessures. La pratique intensive du tennis conduit à des adaptations musculo-squelettiques et fonctionnelles qui seraient bénéfiques à la performance. Cependant, il est difficile de savoir quand elles deviennent excessives ou déséquilibrées ce qui augmenterait les risques de blessures. Alors que la détection des futurs talents commence dès 5-6 ans, peu d'informations sur les caractéristiques de leur épaule, des facteurs de risque de blessures et de la pathomécanique spécifique sont actuellement disponibles. De telles connaissances seraient utiles pour optimiser leur prise en charge par les entraîneurs. L'objectif de ce travail de thèse était de caractériser l'épaule du jeune joueur de tennis, d'identifier des facteurs de risque de blessures et décrire la pathomécanique de l'épaule en lien avec le service du tennis. Afin de caractériser l'épaule du jeune joueur de tennis, 67 joueurs de tennis asymptomatiques âgés de 7 à 13 ans ont été répartis en trois groupes en fonction de leur âge biologique. En comparant les amplitudes articulaires et les forces des muscles de l'épaule, il a été observé que ces caractéristiques musculo-squelettiques s'adaptaient dès le plus jeune. Par la suite, afin d'identifier des facteurs de risque de blessures à l'épaule, ces mêmes caractéristiques ont été comparées entre 31 joueurs avec antécédent de douleur et 60 joueurs asymptomatiques. Les joueurs avec antécédent de douleur présentaient une plus grande amplitude de rotation de l'articulation glénohumérale ainsi qu'une faiblesse des muscles rotateurs externes de l'articulation glénohumérale et des muscles fixateurs de la scapula. Cependant, il restait difficile de savoir si ces maladaptations étaient la cause ou la conséquence de la blessure à l'épaule. Un suivi longitudinal par les analyses de transitions des profils latents a été réalisé pour apporter un éclairage. Par ailleurs, afin de mieux décrire la pathomécanique de l'épaule en lien avec le service, la cinématique des articulations glénohumérale et scapulothoracique enregistrée lors du service a été comparée entre 13 joueurs sans antécédent de douleur et 15 avec antécédent de douleur. Ces joueurs avec antécédent de douleur modifiaient leur cinématique glénohumérale et scapulothoracique à la fin de la phase d'armer du service afin probablement d'éviter la douleur et de poursuivre leur pratique du tennis. Enfin, l'étude précédente a été complétée par une analyse biomécanique du service avant et après affaiblissement du trapèze inférieur par fatigue avec électrostimulation. La faiblesse des fixateurs de la scapula, décrite chez des joueurs avec antécédent de douleur, conduisait à une cinématique scapulaire inappropriée et une diminution d'activation des muscles antérieurs de l'épaule pouvant mettre en péril les structures anatomiques du complexe articulaire de l'épaule. Ces résultats apportent des informations essentielles pour améliorer la qualité des entraînements et la prévention des blessures à l'épaule chez les jeunes joueurs de tennis. Ils soulignent notamment l'importance d'un travail de renforcement des muscles stabilisateurs de l'épaule (muscles rotateurs de l'articulation glénohumérale et stabilisateurs de la scapula) / The shoulder joint complex is largely involved in the tennis strokes. Particularly, the tennis serve applies high mechanical constraints and requires extreme joint positions making the shoulder vulnerable to injuries. Intensive tennis practice leads to musculoskeletal and functional adaptations that are thought to be beneficial to performance. However, it remains unclear when they become unbalanced or excessive that increases the risk of injury. The prospects are scouted from 5 years old, but little is known on their specific shoulder characteristics, risk factors for injury and pathomechanics. Such knowledge would be useful to optimize their monitoring by coaches. This thesis aimed to characterize the young tennis player's shoulder, identify risk factors for injury and describe the shoulder pathomechanisms related to the tennis serve. To characterize the young tennis player’s shoulder, 67 asymptomatic tennis players aged 7 to 13 years old were divided into three groups according to their biological age. The comparison between our three groups highlighted that the glenohumeral ranges of motion and the shoulder muscle strength adaptions occurred from an early age. Then to bring risk factor for shoulder injuries to light, these parameters were also compared between 31 players with a history of shoulder pain and 60 asymptomatic players. Players with a history of shoulder pain presented a larger glenohumeral joint total rotation range of motion as well as a weakness of the glenohumeral external rotator muscles and the scapular stabilizer muscles. A longitudinal study, using a latent profile transition analysis, was conducted to determine whether the factors previously identified were the cause or consequence of the shoulder injury. Furthermore, in the aim to describe the shoulder pathomechanisms related to the tennis serve motion, the glenohumeral and scapulothoracic kinematics of the tennis serve were compared between 13 players without and 15 with a history of shoulder pain. Players with a history ofshoulder pain adapted their glenohumeral and scapulothoracic kinematics at the end of the cocking phase to probably preserve the sub-acromial space and the rotator cuff tendons during the tennis serve. Finally, the previous study was completed by a study analyzing the shoulder biomechanics of a tennis serve before and after the fatigue of the lower trapezius. The weakness of the scapular stabilizer muscles impaired the scapular kinematics and decreased the activation of the anterior shoulder muscles that may jeopardize the shoulder joint anatomical structures. These findings bring new knowledge to improve the young players monitoring and the injury prevention. Particularly, it highlights the importance to strengthen the stabilizer muscles (glenohumeral external rotator muscles and scapular stabilizer muscles)

L'objet de cette thèse est d'étudier, par EMG transformée en ondelettes, les coordinations musculaires des membres supérieurs lors d'un saut à la perche et d'éléments en barre fixe. Notre travail se propose (1) de comparer les coordinations musculaires inter membres au cours d'un saut et (2) d'identifier leur part relative à la performance. Les activités musculaires (3) perche/barre fixe sont comparées. Ainsi, l'activité musculaire est majeure au début du saut, lorsque la perche se fléchit. Les ultimes actions musculaires sur la perche avant de franchir la barre servent au contrôle de la posture inversée du perchiste. Les exercices en barre fixe révèlent des coordinations musculaires semblables à celles du saut à la perche par la distinction de trois groupes musculaires fonctionnels. Dans le cadre de l'optimisation de la performance, cette thèse a permis d'identifier de nouveaux indicateurs, ainsi que de valider la pratique d'éléments en barre fixe pour l'entraînement des perchistes.

L'objectif de ce travail est de développer les applications du palpeur acoustique, dédié à la mesure d'élasticité des tissus biologiques. La validation de cet outil dans des matériaux d'études étant établie, deux applications in vivo de cet outil sont présentées. Tout d'abord sur les muscles, où la relation linéaire entre l'activité électrique du biceps et son module élastique est démontré. Puis sur la peau, où la grande différence d'élasticité entre le derme et l'hypoderme est observée. Ensuite, cette méthode, connue sous le nom « d'élastographie impulsionnelle », est adaptée selon une approche théorique et expérimentale, à l'estimation de nouveaux paramètres tels, l'anisotropie ou la non linéarité. Ainsi nous montrons que le coefficient d'anisotropie peut atteindre un facteur 16 sur les muscles in vivo et que la grande différence d'ordre de grandeur observée entre les coefficients élastiques du second ordre (m<

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La coactivation est un phénomène musculaire fondamental pour la stabilisation et la protection des articulations lors de contractions volontaires et joue un rôle essentiel dans le contrôle du mouvement. De nombreuses études ont montré que des mécanismes supraspinaux et spinaux contribuent à la régulation de la coactivation musculaire, mais l'implication du cortex moteur primaire (M1) est encore mal connue. Les modulations des oscillations corticales et des interactions cortico-musculaires ont été étudiées lors de contractions isométriques à différents niveaux de forces chez des participants présentant différents niveaux de coactivation musculaire en raison de leur spécialité sportive (entraînement en force (ST) vs. en endurance (ED)). Chez les ST, une moindre coactivation musculaire est associée à une plus grande activation du M1, ce qui pourrait s'expliquer par le contrôle d'un plus grand nombre de muscles, notamment des muscles antagonistes. Grâce à une méthode novatrice pour analyser les interactions cortico-musculaires, nous montrons qu'il existe un couplage entre le M1 est les muscles antagonistes chez l'ensemble des participants et dans toutes les directions de contraction. Cependant, la magnitude des interactions cortico-musculaires avec les muscles antagonistes est plus faible qu'avec les muscles agonistes, ce qui pourrait s'expliquer par une plus grande implication des mécanismes spinaux dans la régulation de la coactivation musculaire. L'estimation des moments musculaires agoniste et antagoniste à l'aide d'un modèle biomécanique EMG-assisté ouvre la perspective d'étudier directement les corrélats cérébraux des moments musculaires. Dans leur ensemble, nos résultats, obtenus à l'aide d'une approche combinant biomécanique et neurosciences, ont mis en évidence l'implication directe du M1 dans la régulation de la coactivation musculaire lors de contractions isométriques volontaires.

L'objectif principal de ce travail de thèse était d'étudier les effets de la majoration du déficit moteur focal du quadriceps, sur les capacités locomotrices de patients hémiparétiques, présentant un genou raide à la marche, communément appelé stiff-knee gait. L'objectif secondaire était d'investiguer les relations entre la fatigue et l'hyperactivité musculaire du quadriceps, chez ces patients. Quatre études ont été menées. La première étude de ce travail a permis de mettre en évidence qu'au début d'une session d'AQM, le pattern de marche des patients hémiparétiques est influencé par une phase d'adaptation, caracterisée par une " marche prudente ", mais que le phénomène de fatigue n'est pas présent en fin d'examen. L'évaluation des effets de la majoration du déficit moteur du quadriceps, suite à un protocole de fatigue, sur les paramètres biomécaniques de la marche des patients hémiparétiques, peut donc être réalisée au moyen de l'AQM sans biais méthodologique. Ainsi, dans les études 2 et 3, la locomotion des patients a été évaluée avant et après une majoration du déficit moteur du quadriceps, induite expérimentalement par deux méthodes: soit pharmaco-induite par l'injection de toxine botulique de type-A (BoNT-A) dans le rectus femoris (RF) hyperactif (étude 2), soit résultante de la contraction répétée des extenseurs de genou, jusqu'à l'apparition de fatigue, par le biais d'un dynamomètre isocinétique (étude 3). Enfin dans l'étude 4, l'effet de la fatigue du quadriceps sur les caractéristiques de la spasticité a été évalué par le biais d'un dynamomètre isocinétique. De manière surprenante, les résultats montrent que la majoration du déficit moteur, d'une partie ou de toute partie du muscle quadriceps, induit des améliorations identiques sur les paramètres biomécaniques de la marche (spatiotemporels, cinématiques et EMG), quelle que soit la méthode utilisée (après injection de BoNT-A ou après fatigue). Une augmentation de la vitesse de marche, une augmentation de la flexion maximale de la hanche et du genou lors de la phase oscillante, ainsi qu'une réduction de l'activité inappropriée du RF, lors des phases pré-oscillante et oscillantes sont conjointement reportées. La réduction des freins mécaniques, liée à la baisse de l'activité musculaire inappropriée, semble être associée à une réorganisation compensatrice du pattern de marche, mise en place afin de contrer les effets néfastes de la majoration du déficit moteur du quadriceps et à l'origine de ces améliorations. De plus, alors que la fatigue musculaire réduit l'activité inappropriée du muscle RF, au cours d'une tache semi-automatique représentée par la marche, ses caractéristiques ne sont pas modifiées, au cours d'un étirement passif, évaluées par le biais d'un dynamomètre isocinétique. Au cours des protocoles de fatigue, la perturbation du système fusimoteur peut avoir modifiée l'excitabilité des fuseaux neuromusculaires, uniquement lors de sa sollicitation en condition dynamique (à la marche). Au regard de l'ensemble de ces résultats, il semble probable que, dans le contexte clinique, la plainte des patients de se sentir plus spastiques et plus vulnérables, en situation de majoration de leur déficit moteur du quadriceps, soit attribuée à une plus grande activité nerveuse d'origine centrale et/ou à une augmentation " effective " de la spasticité, mais présente au niveau d'autres muscles, comme les fléchisseurs plantaires de cheville.

La réalisation d’une action motrice implique l’activation simultanée des muscles agonistes et antagonistes contrôlés par le système nerveux central. Un traumatisme médullaire détériore la moelle épinière, entrainant une déficience motrice et des modifications du contrôle des activations musculaires. Ce travail étudie la réorganisation des activations musculaires, des activations corticales et des interactions corticomusculaires (ICM) d’un groupe traumatisé médullaire cervical (SCI) et d’un groupe contrôle (AB) lors de flexions et d'extensions isométriques autour de l’articulation du coude. En extension, nos résultats ont mis en évidence une altération des capacités de force maximale chez les SCI, associée à une augmentation des activations musculaires, une activation corticale identique aux AB et une diminution de l’implication du M1 dans le contrôle des activations musculaires. En flexion, la force développée, les activations corticales et les ICM étaient similaires chez les SCI et AB, mais les activations antagonistes et la difficulté à inhiber la contraction étaient plus importantes chez les SCI. Pour l’ensemble des participants, les ICM en flexion étaient différentes selon la fonction des groupes musculaires. Ces résultats suggèrent une altération du contrôle cortical des mécanismes inhibiteurs spinaux de la contraction musculaire après un traumatisme médullaire mais indiquent que le cortex moteur reste fonctionnel pour contrôler un acte moteur malgré l’atrophie des muscles extenseurs. Ces résultats pourraient trouver des applications cliniques pour l’élaboration de neuroprothèses nécessitant un contrôle simultané de différents groupes musculaires. / The realization of a motor action involves simultaneous activation of both agonist and antagonist muscles controlled by the central nervous system. Following spinal cord injury, damage to the spinal cord causes both a loss of motor efficiency and changes in the control of muscle activations. In the present work, we studied the reorganization of muscle activations, cortical activations and corticomuscular interactions (ICM) in spinal cord injured (SCI) and able-bodied (AB) participants during voluntary isometric contractions in flexion and extension around the elbow joint. In extension, our results showed altered capacity of maximum force production in SCI participants, associated with increased muscle activations, similar cortical activation and decreased involvement of M1 in the control of muscle activations when compared to AB participants. In flexion, the force capacities, cortical activations and ICM were similar between SCI and AB participants, but the activation of antagonistic muscles and the difficulty to inhibit the contraction were greater in SCI participants. For all participants in flexion, ICM were different depending on the function of the muscle groups. Taken together, these results suggest an alteration of the cortical control of spinal inhibitory mechanisms following a spinal cord injury, but suggest that the motor cortex remain functional to control a motor act despite the atrophy of the extensor muscles. These results could find clinical applications for the development of neuroprotheses involving simultaneous control of different muscle groups.

Le Syndrome de la Douleur Régionale Complexe (SDRC) est une maladie se manifestant par des troubles moteurs et atteint généralement les membres supérieurs. Bien que l'effet positif de la thérapie de miroir sur SDRC ait été prouvé, la tête du patient fixée et orientée en direction du miroir et l'exigence d'ignorer le membre intact limite encore cette thérapie. Dans ce contexte, premièrement la pseudo-haptique est appliquée dans le cas de la thérapie physique pour la main des patients affectés par le SDRC. Ainsi, le premier travail que nous avons effectué était de comprendre comment l'effet pseudo-haptique influence le comportement moteur de la main de l'utilisateur. A cet effet, des tâches de discrimination de rigidité ont été conduites consistant à discriminer la raideur d'un ressort virtuel avec celle de trois ressorts réels de raideurs différentes. Il existe deux types de thérapie pour la réhabilitation des patients atteints de SDRC : kinésiologique et occupationnelle, qui visent à récupérer respectivement les fonctions motrices de base et de travail du membre affecté. Concernant la thérapie kinésiologique, une application fondée sur la technologie Leap Motion et Unity3D a été développée permettant de manipuler la relation entre le mouvement de la main physique de l'utilisateur et le mouvement rendu/virtuel de l’avatar. L’application a été validée par une étude pilote réalisée au CHU de Grenoble avec des patients, des sujets sains et une équipe médicale (docteurs et kinésithérapeutes. Durant les tests, le mouvement rendu de la main est présenté sur l’écran de l’ordinateur: identique, amplifié ou réduit. Le retour des sujets a montré qu’ils n’avaient pas des sensations d’inconfort en utilisant l’application développée. L’équipe médicale, quant à elle, a manifesté un vif intérêt concernant l’utilisation de l’application en thérapie kinésithérapique. A cause de la fonction motrice anormale et de la douleur chronique nous avons tenu compte de l'endurance à la fatigue des patients atteints de SDRC A cet effet, une nouvelle méthode pour l'évaluation de la fatigue de la tâche en démontage fondée sur la dépense d'énergie métabolique et l’estimation de la fatigue musculaire a été proposée. Elle permet d’estimer les niveaux de fatigue associés à des tâches de démontage différentes. La méthode proposée est validée par une série de tests expérimentaux de chargement effectués dans un environnement de RV. D’autre part, les niveaux de fatigue sont évalués en analysant des signaux EMG des muscles impliqués du bras de l’opérateur. Enfin, les résultats analytiques issus du modèle proposé et les résultats expérimentaux obtenus à partir de l'analyse des signaux EMG ont été comparés et montré une très bonne corrélation entre eux. / Complex Regional Pain Syndrome (CRPS) is a disease which companies with motor disorder and is generally affecting the upper limbs. Although the positive effect of mirror therapy on CRPS has been proved, the patient’s fixed head oriented towards the mirror and the requirement of ignoring the intact limb still limits this therapy. In this context, firstly the pseudo-haptics is applied in the case of physical therapy for hand affected CRPS patients. Thus, our first work was to understand how the pseudo-haptic feedback affects the user’s motor behavior of hand. For this purpose, stiffness discrimination tasks were performed consisting in discriminating the stiffness of one virtual spring with three different compared real springs. For rehabilitation of CRPS patients, there are two types of therapy: a kinesiological and an occupational one, respectively aiming at recovering the basic and working motor functions of patient‘s affected limb. For the kinesiological therapy we developed a VR application, based on Leap Motion technology and Unity3D software, allowing to manipulate the relationship between the user’s physical hand motion and the rendered avatar virtual motion. The application was validated by a pilot study performed at University Hospital Center in Grenoble with patients, healthy subjects and medical staff (doctors and kinesitherapists). During the experiments the rendered hand motion on the computer screen, is shown identical, amplified or reduced compared to the users’ real hand motion. Users’ feedback shown that they had no uncomfortable feeling with using the developed application. Medical staff expressed a strongly interest in using the application in the kinesiological therapy. Due to the motor abnormal function and chronic pain, we also considered the fatigue in the muscles during rehabilitation. For this purpose, a new method for disassembly task fatigue evaluation based on metabolic energy expenditure and muscle fatigue estimation is proposed. It is validated by a set of experimental loading tests performed in a specially realized test bench and integrated in a VR environment. The analytical model for mechanical energy expenditure is also proposed allowing to evaluate different fatigue levels. On the other hand, the fatigue levels are evaluated by analyzing the recorded EMG signals on the involved muscles in operator’ arm. The analytical results, calculated based on the proposed model and the experimental results, obtained from the EMG signals analysis, were compared and showed a (very) good correlation between them.

Le contrôle moteur fin et précis des doigts est une habileté importante dans la vie quotidienne pour écrire ou manger par exemple. Ce contrôle moteur est pris en charge par le cortex moteur primaire (M1) qui transmet le signal neuronal à la moelle épinière via la voie corticospinale. Le macaque rhésus est un excellent modèle pour étudier ce système moteur car, comme chez l’humain, il possède cette voie cortico-motoneuronale directe. Bien que les déficits du contrôle moteur de la main suite à des inactivations de M1 aient été étudiés sur des modèles de singes, peu d’études ont décrit les changements musculaires sous-tendant ces déficits. Le but de cette étude était d’évaluer les effets d’une inactivation partielle de M1 sur le comportement et l’activation du patron musculaire du membre supérieur chez le macaque rhésus. Pour ce faire, nous avons effectué des injections intra-corticales de Muscimol, un agoniste du GABA, pour inactiver temporairement l’aire de représentation de la main de M1. Des singes ont été entrainés à réaliser une tâche d’atteinte et de préhension qui requière l’utilisation du pouce et de l’index pour attraper une pastille de nourriture. En parallèle, les activités électromyographiques (EMG) des muscles proximaux et distaux du membre supérieur contralatéral aux sites d’injections ont été enregistrées. L’inactivation partielle de M1 entraine différents déficits moteurs comme une diminution du taux de succès, une perte des mouvements indépendants des doigts, une première flexion de l’index plus lente, et l’apparition de nouvelles stratégies de préhension pour attraper la pastille. Dans le cas de trouble sévère, les singes ont présentés tous ces déficits comportementaux. Ces troubles moteurs étaient sous-tendus par des activités musculaires anormales. En effet, les analyses EMG ont mis en évidence des changements dans les latences et les patrons d’activations musculaires des muscles proximaux et distaux au cours de la phase d’atteinte, d’ajustement et de préhension. Dans le cas de trouble modéré, les patrons d’activations musculaires étaient préservés malgré certain déficits visibles. Cependant, les patrons d’activations musculaires étaient altérés si la tâche demandait une rotation de l’avant-bras et de la main. Ces résultats montrent que les déficits comportementaux et les changements musculaires dépendent de la sévérité des troubles moteurs et/ou de la difficulté de la tâche (i.e. une rotation de l’avant-bras). / Fine digit movements contribute to many different aspects of our daily life and require appropriate muscle coordination. The main pathway through which M1 sends motor commands to spinal motor neurons is via the corticospinal tract. The rhesus macaque, like humans, have this direct corticomotoneuronal pathway of M1, making it a useful model to study this system. Although the effect of M1 inactivation on the control of the hand in term of behavioral changes has been studied in monkeys, little is known of how muscle activation patterns of the upper limb during reaching and grasping in monkeys becomes altered. The goal of this study was to evaluate the effect of a partial inactivation of the primary motor cortex (M1) in rhesus macaques on both behavioral performance and muscle activations. To do so we performed intra-cortical injections of Muscimol, a GABA agonist, to inactivate the hand area of M1. Monkeys performed a reach-to-grasp task that required a precision grip to retrieve a food pellet from a well. Electromyographic (EMG) activity of the proximal and distal muscles of the contralateral upper limb were recorded and quantified relative to the behavioral performance. We found that depending on the severity of the impairment, the Muscimol injection could induce several different movement abnormalities, such as decrease in the success rate, loss of independent finger movements, longer duration of the first flexion of the index finger, and use of alternate types of grasp to retrieve the food pellet. In cases of severe impairment, monkeys displayed all these movement abnormalities concurrently. In addition, we observed that behavioral deficits were associated with muscle discoordination. Indeed, EMG analysis revealed that the latencies and the muscle activation patterns were altered during the reach, hand preshaping and the grasp phases of the movement. These inappropriate EMG activities were visible on both proximal and distal muscles of the upper limb. In cases of mild impairment, monkeys had fewer behavioral deficits, but still showed some changes in the temporal muscle activation patterns. In contrast to the severe cases, the muscle activation patterns were more preserved. Interestingly, in the mild cases, the muscle activation patterns were altered if a rotation of the forearm was required by the task. Thus, we found that behavioral and muscular activation changes were dependent on the severity of the impairment and/or the difficulty of the task (i.e. required a rotation of the forearm).

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