La prise en charge thérapeutique de la fatigue musculaire par le biais d’exercices physiques vise à améliorer la qualité de vie et implique habituellement des exercices unilatéraux ou l’électrostimulation neuromusculaire pour compenser une fonction musculaire altérée aussi bien chez les personnes saines ou dites vulnérables (e.g. atteintes d’une pathologie ou d’un traumatisme). La fatigue musculaire est une réduction de la capacité de production maximale de force, induite par l’exercice, que la tâche puisse être maintenue ou non (Bigland-Ritchie et al. 1983; Gandevia 2001; Enoka and Duchateau 2008). L’objectif général de cette thèse était d’étudier les stratégies d’activation neuromusculaire lors de la fatigue musculaire, de l’endurance musculaire et sur la performance musculaire au cours et/ou après des contractions volontaires et évoquées électriquement chez des personnes saines ou vulnérables tels que des enfants atteints d’infirmité motrice cérébrale (IMC) et des patients atteints de dystrophie musculaire facio-scapulo-humérale (DMFSH). / The clinical care of muscle fatigue with exercise therapies aim at quality of life improvement and usually involve unilateral exercises or neuromuscular electrical stimulation to compensate impaired muscle function in both healthy and health-compromised people. Muscle fatigue is a decline in maximal force production, induced with exercising, whether or not the task can be maintained (Bigland-Ritchie et al. 1983a; Gandevia 2001a; Enoka and Duchateau 2008). The overall objective of this thesis was to study the effect of neuromuscular activation strategies during muscle fatigue, endurance and muscle performance after voluntary and electrically evoked contractions in healthy and health-compromised populations such as children with cerebral palsy (CP) and patients with facioscapulohumeral muscular dystrophy (FSHD).

La prise en charge thérapeutique de la fatigue musculaire par le biais d'exercices physiques vise à améliorer la qualité de vie et implique habituellement des exercices unilatéraux ou l'électrostimulation neuromusculaire pour compenser une fonction musculaire altérée aussi bien chez les personnes saines ou dites vulnérables (e.g. atteintes d'une pathologie ou d'un traumatisme). La fatigue musculaire est une réduction de la capacité de production maximale de force, induite par l'exercice, que la tâche puisse être maintenue ou non (Bigland-Ritchie et al. 1983; Gandevia 2001; Enoka and Duchateau 2008). L'objectif général de cette thèse était d'étudier les stratégies d'activation neuromusculaire lors de la fatigue musculaire, de l'endurance musculaire et sur la performance musculaire au cours et/ou après des contractions volontaires et évoquées électriquement chez des personnes saines ou vulnérables tels que des enfants atteints d'infirmité motrice cérébrale (IMC) et des patients atteints de dystrophie musculaire facio-scapulo-humérale (DMFSH).

La déchirure musculaire est la première cause de blessure chez les athlètes. De nombreuses études décrivent ce traumatisme musculaire sans parvenir à en identifier clairement la chronologie et ses circonstances. L’objectif de la thèse est de décrire le phénomène de déchirure musculaire avec la méthode des éléments discrets, en s’appuyant sur des essais expérimentaux pour valider les modèles numériques. Dans une première partie, une revue de littérature permet d’acquérir les propriétés mécaniques des différents éléments constituant le complexe musculo-tendineux afin de pouvoir en réaliser un modèle macroscopique. Dans une deuxième partie, la modélisation du complexe musculo-tendineux est réalisée. La validation du comportement mécanique en traction passive du modèle proposé est réalisée en comparaison des travaux de L-L. Gras sur le muscle sternocléidomastoïdien humain. L’influence des paramètres morphologiques sur le comportement mécanique global est ensuite étudiée. La rupture fait l’objet de la troisième partie. Une modélisation de l’ensemble {tendon d’Achille/triceps sural} est réalisée et soumise à un test de traction passif jusqu’à rupture. La validation des résultats est faite vis-à-vis des essais expérimentaux réalisés sur cet ensemble musculaire provenant de pièces anatomiques humaines. L’étape suivante s’attache à modéliser la contraction musculaire, implémentée au niveau des fibres musculaires. Une validation du comportement actif du complexe musculo-tendineux est réalisée. Cette dernière étape, combinée à la traction destructive permet d’étudier la faisabilité de modéliser la déchirure par la méthode des éléments discrets, mais également d’étudier les structures endommagées et les mécanismes de rupture. Cela ouvre des possibilités d’utilisation cliniques de ce modèle pour comprendre et prévenir des blessures par déchirure musculaire. / Tearing of the muscle-tendon complex is a common sport-related injury for athletes. Many studies reported description of this traumatism but mechanisms leading to such an injury are still unclear as are the site of mechanical failure and involved structures. The aim of the thesis is to describe the phenomenon of the muscle-tendon-complex’s tear using the discrete element method and validating the numerical model with experimental data. In the first part, a literature review explains the different properties of the muscle-tendon complex main components’ in order to model it at the macroscopic scale. In the second part, the muscle-tendon complex is modeled. Validation of the mechanical behavior in passive tensile test is proposed by comparison with experimental data from L.-L. Gras on human sternocleidomastodeus muscle. Then, the different influences of morphometric parameters on the mechanical behavior of the complex are investigated. The third part focuses on the rupture. A model of the complex set of {Achilles tendon/surae triceps} is built and a tensile test until rupture is applied. Model validity is assessed by comparison with in vitro experiments from human cadavers. The fourth part focuses on the muscular activation, implemented inside fibers’ behavior. Validity of its active behavior is investigated. This fifth and last presents the enrichment with destructive tensile test. This added test allows first to study the feasibility to model the tear with the discrete element method; and second to focus on damaged structures and rupture’s mechanisms. This offers possibilities for clinical applications of this model to understand and prevent injuries caused by a tear of the muscle-tendon complex

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)

Avec le besoin de développer un organe artificiel remplaçant le doigt humain dans le cas d'un déficit et la nécessité de comprendre le fonctionnement de ce système physiologique, un modèle physique inverse du système doigt, permettant de chercher les activations neuronales à partir du mouvement, est nécessaire. Malgré le grand nombre d'études dans la modélisation de la main humaine, presque il n'existe aucun modèle physique inverse du système doigt majeur qui s'intéresse à chercher les activations neuronales. Presque tous les modèles existants se sont intéressés à la recherche des forces et des activations musculaires. L'objectif de la thèse est de présenter un modèle neuromusculo-squelettique du système doigt majeur humain permettant d'obtenir les activations neuronales, les activations musculaires et les forces musculaires des tous les muscles agissants sur le système doigt d'après l'analyse du mouvement. Le but de ce type des modèles est de représenter les caractéristiques essentielles du mouvement avec le plus de réalisme possible. Notre travail consiste à étudier, modéliser et à simuler le mouvement du doigt humain. L'innovation du modèle proposé est le couplage entre la biomécanique et les aspects neurophysiologiques afin de simuler la chaine inverse complet du mouvement en allant des données dynamiques du doigt aux intentions neuronales qui contrôlent les activations musculaires. L'autre innovation est la conception d'un protocole expérimental spécifique qui traite à la fois les données sEMG multicanal et les données cinématiques d'après une procédure de capture de mouvement. / With the need to develop an artificial organ replacing the human finger in the case of a deficiency and the need to understand how this physiological system works, an inverse physical model of the finger system for estimating neuronal activations from the movement, is necessary. Despite the large number of studies in the human hand modeling, almost there is no inverse physical model of the middle finger system that focuses on search neuronal activations. Al most all existing models have focused on the research of the muscle forces and muscle activations. The purpose of the manuscript is to present a neuromusculoskeletal model of the human middle finger system for estimating neuronal activations, muscle activations and muscle forces of all the acting muscles after movement analysis. The aim of such models is to represent the essential characteristics of the movement with the best possible realism. Our job is to study, model and simulate the movement of the human finger. The innovation of the proposed model is the coupling between the biomechanical and neurophysiological aspects to simulate the complete inverse movement chain from dynamic finger data to neuronal intents that control muscle activations. Another innovation is the design of a specific experimental protocol that treats both the multichannel sEMG and kinematic data from a data capture procedure of the movement.

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La modélisation du système musculo-squelettique est un outil permettant l'amélioration des connaissances du fonctionnement biomécanique des structures ostéo-articulaires et musculo- tendineuses. Nos travaux de recherche portent sur le développement d'une méthodologie de modélisation personnalisée, volumique, déformable et à capacité contractile du système musculo- squelettique du membre inférieur, intégrant l'ensemble des outils, le plus possible automatisés, de construction (basée sur l'imagerie médicale), de simulation (en couplage avec un modèle multi-corps dynamique) et d'analyse (comme la cartographie des raideurs locales dans le muscle) nécessaires à leur mise en œuvre dans le cadre d'études orthopédiques / Musculo-skeletal modeling can update our knowledge concerning the biomechanical behavior of the osteoarticular and musculotendinous structures. This research work is focus on the development of methodology and tools for the generation of a personalized model of the lower limb musculoskeletal system, taking account of the deformable and contractile behavior of the muscles. This workflow automatically builds the model dataset (from medical imagery), performs the simulations (coupled with a multibody dynamic model), and offers specific analysis tools (as local stiffness mapping in the active muscle) required for various orthopedic studies

Les travaux présentés dans ce mémoire ont pour but, à long terme, l'élaboration d'un outil interactif pour la chirurgie linguale, basé sur un modèle biomécanique tridimensionnel de la langue, et permettant à la fois d'évaluer les conséquences d'une chirurgie sur la mobilité linguale et de favoriser le planning et le guidage per-opératoire du geste chirurgical. Les études conduites à ce jour visent à étudier la faisabilité d'un tel outil.<br />La première partie de ce mémoire est consacrée à une description approfondie du modèle utilisé. Après une présentation de l'anatomie du conduit vocal et du contexte clinique, la géométrie du modèle est décrite avec précision (structure interne du modèle de langue et représentation des structures osseuses et molles du conduit vocal) ainsi que les hypothèses effectuées tant sur le plan de la modélisation biomécanique à l'aide d'un modèle hyperélastique que du contrôle moteur basé sur le modèle lambda du point d'équilibre. L'extraction de la filière aérique est alors introduite de même que le modèle de synthèse utilisé.<br />La seconde partie est centrée sur les résultats obtenus en parole naturelle et en parole pathologique. Les simulations réalisées ont permis de montrer que ce modèle était capable de générer les voyelles orales du français, avec des caractéristiques acoustiques proches des valeurs généralement observées et des formes de langue satisfaisantes. Des simulations similaires sont également présentées pour deux cas de chirurgie linguale : une hémiglossectomie et une résection élargie du plancher buccal.