Cette étude a pour objectif principal la description de mécanismes d’adaptation impliquant le membre inférieur sain au cours de la marche en fonction de différents réglages de la prothèse. Une analyse tridimensionnelle de la marche, incluant la cinétique du genou et de la hanche en première moitié d’appui, a été réalisée chez 15 sujets témoins et 17 patients amputés tibiaux unilatéraux dans trois conditions de rotation transverse du pied prothétique : alignement initial (AI) ; alignement initial modifié de 6° en rotation externe ou de 6° en interne (RI). Les patients ont rapporté la marche la plus confortable en condition AI et la moins confortable en condition RI. En condition AI, lors de la mise en charge, le travail total exercé par le genou du membre sain est significativement supérieur à celui exercé par le membre prothétique et par le groupe témoin et le travail exercé par la hanche du côté sain est supérieur par rapport au groupe témoin. Il en résulte que le travail total sommé des deux articulations principales du membre inférieur sain est significativement supérieur à celui exercé par le membre prothétique et le groupe témoin. En condition inconfortable RI, le travail total exercé par le genou et la hanche du membre sain est davantage augmenté par rapport à la condition AI ayant pour conséquence l’augmentation de l’asymétrie dynamique entre les deux membres inférieurs. Ces résultats suggèrent une fonction de compensation du membre sain en réponse à la modification d’un alignement de la prothèse. Cette étude ouvre la perspective d’une exploration simplifiée de la dynamique des genoux qui pourrait constituer un outil utilisable pour régler les prothèses. / The aim of this study was to describe adaptive mechanisms involving the intact limb during gait according to different prosthetic alignments. Three-dimensional gait analysis was conducted in 15 healthy subjects and 17 unilateral transtibial amputees in three conditions of prosthetic foot transverse rotation: initial alignment; initial alignment (IA) altered either by 6° of external rotation or by 6° of internal rotation (IR). Patients reported best comfort of gait in IA condition and discomfort in IR condition. In IA condition, during loading response of the intact limb, total knee work was increased compared to prosthetic limb and control group and total hip work was increased compared to control group. In addition, the sum of the total work exerted by the knee and hip joints in the intact limb was higher than in the prosthetic limb and in the control group. In uncomfortable IR condition, the total work exerted by the knee and the hip of the intact limb was further increased compared to IA condition, as well as the inter-limb dynamic asymmetry. These results suggest compensatory function of the intact limb in response to alteration of prosthetic alignment. This study opens the perspective of a simplified assessment of knee dynamics which in the process of adjusting prostheses.

La paralysie cérébrale (PC) cause souvent d’importants troubles de la marche. Suite à un examen clinique et une analyse quantifiée de la marche (AQM), ces troubles peuvent être traités par une chirurgie orthopédique, dite multi-sites, au cours de laquelle plusieurs corrections chirurgicales sont faites simultanément à différents niveaux des membres inférieurs. Les améliorations cinématiques apportées par ce traitement, bien que parfois très efficaces, demeurent à ce jour difficilement prévisibles. L’objectif de cette thèse est de simuler par apprentissage statistique supervisé l’effet de la chirurgie sur les signaux de marche, notamment les signaux cinématiques.Ce simulateur vise à montrer le résultat probable de la marche postopératoire afin d’aider à la décision chirurgicale. Une base de données constituée de 134 enfants atteints de PC, ayant été opérés et ayant eu au moins une AQM avant et après la chirurgie, a été exploitée. Les signaux cinématiques ont été prétraités et les données cliniques manquantes ont été imputées.Des caractéristiques des données prétraitées ont été extraites en utilisant différentes méthodes telles que l’approximation des courbes, la sélection de variables et la réduction de dimension par analyse en composantes principales. Ensuite des régressions ont été faites en utilisant différentes méthodes telles que la régression multilinéaire, la régression non linéaire avec des réseaux de neurones et l’apprentissage par ensembles. Les différentes méthodes testées ont été comparées entre elles, ainsi qu’avec d’autres méthodes trouvées dans la littérature. Il s’agit de la première fois que l’effet de la chirurgie sur la marche paralysée cérébrale est simulé de façon quantitative pour des nombreuses combinaisons chirurgicales et des nombreux patterns de marche. / Cerebral Palsy frequently leads to gait troubles. After a physical examination and a Clinical Gait Analysis (CGA), these walking troubles are usually treated by orthopedic surgery, called single event multi-level surgery (SEMLS), in which several surgical corrections are simultaneously done at different levels of the lower limbs. Kinematic improvements obtained by this treatment are sometimes very efficient, but at this moment they remain difficultly predictable. The objective of this thesis is to simulate the effect of surgery on gait parameters, using supervised statisticalmachine learning. The purpose of the simulator is to show the most likely gait outcome in order to improve decision-making in SEMLS. The database was composed of 134 children with cerebral palsy that have undergone surgery and have had at least one CGA before and after the treatment. Gait signals were preprocessed and physical examination missing data were imputed. Features of the preprocessed data were extracted using different techniques such ascurve fitting, variable selection and dimensionality reduction. Then regressions were performed utilizing different methods such as multiple linear regression, feedforward neural networks and ensemble learning. The tested methods and their performances were compared between them andto other methods in the literature. This work represents the first time that the effect of surgery on cerebral palsy gait is quantitatively simulated for a large number of surgical combinations and numerous different gait patterns.

Introduction : L’influence de l’Index de Masse Corporelle (IMC) sur la récupération des paramètres de la marche après prothèse totale de hanche (PTH) et de genou (PTG) est méconnue. Peu d' étude se sont intéressées à l'influence de l’IMC sur la récupération des amplitudes articulaires actives à la marche (AAA) ou de la vitesse de marche après PTH et PTG. Notre objectif était d’évaluer cet impact en préopératoire et en post-opératoire par une évaluation clinique et biomécanique. Notre hypothèse était que l’obésité (IMC>30kg/m2) serait un facteur péjoratif de récupération des paramètres de marche.Matériel et méthodes : Après avoir effectué une revue systématique de la littérature sur la récupération fonctionnelle après prothèses totales du membre inférieur (PTH et PTG) afin de nous assurer de l’originalité de notre travail et de sa pertinence nous avons réalisé 2 études prospectives indépendantes : en incluant 76 PTH chez des patients coxarthrosiques d’une part et 79 PTG chez des patients gonarthrosiques d’autre part. Tous les patients bénéficiaient d’une analyse quantifiée de la marche en préopératoire et en post-opératoire (à 6 mois pour les PTH et à un an pour les PTG). Un groupe de témoins sains appariés suivait le même protocole. La vitesse de la marche, l’AAA de hanche et de genou, ainsi que des scores fonctionnels et de qualité de vie étaient évalués, pour tous les paramètres le gain était calculé. Les patients étaient répartis en 2 groupes : patients non-obèses (G1) : IMC<30 et patients obèses (G2) : IMC≥30 dans chacune des cohortes. Des t-tests appariés étaient utilisés pour évaluer (1) les différences pré- et post-opératoires entre G1 et G2, puis les différences de gain entre G1 et G2. Enfin une régression linéaire uni- et multivariée recherchait les associations entre l’IMC, la vitesse de la marche et les AAA.Résultats Pour les 2 cohortes : en préopératoire, la vitesse de la marche et les AAA étaient significativement plus bas chez les obèses. En post-opératoire la vitesse de la marche et les AAA étaient significativement plus bas pour tous les patients opérés d’une PTG ou d’une PTH comparativement au groupe témoin. En pré-opératoire les obèses étaient plus symptomatiques. Une différence significative était retrouvée entre G1 et G2 concernant l’amélioration de la douleur en faveur des obèses (sur le gain de WOMAC douleur pour les PTG et d’EVA pour les PTH). Pour tous les autres paramètres les gains n’étaient pas différents entre G1 et G2. La régression uni- et multivariée ne montrait pas de relation significative entre la vitesse de la marche, les AAA et l’IMC.Conclusion : L’IMC n’a pas d’effet délétère direct sur la récupération des paramètres de marche après une PTH ou une PTG. En effet malgré une symptomatologie pré-opératoire plus forte les patients obèses présentent une amélioration comparable en termes de gain aux patients non-obèses. Cependant les paramètres de marche post-opératoire après une PTH ou une PTG demeurent significativement plus bas que ceux des témoins et ce quel que soit l’IMC des patients opérés, sans récupération ad integrum clinique ou biomécanique de leur fonction de la hanche ou du genou. Ainsi l’obésité semble présenter un effet similaire sur la récupération des paramètres de marche après une PTH ou une PTG. / Introduction : Body Mass Index (BMI) impact on gait recovery after total hip and total knee arthroplasty (THA and TKA) remains misunderstood. Few studies have analyzed the influence of BMI on the recovery of hip and knee range of motion (ROM) during gait or walking speed after THA and TKA. Our objective was to assess this impact preoperatively and post-operatively using both 3D gait analysis and clinical assessment. Our hypothesis was that obesity (BMI> 30kg /m2) would be a negative factor in the recovery of gait parameters.Material and methods: After conducting a systematic review of the literature on functional recovery after total prostheses of the lower limb (THA and TKA) to ensure the originality of this work and its relevance we conducted 2 independent prospective studies: including 76 THA in hip osteoarthritis patients on the one hand and 79 TKA in knee osteoarthritis patients on the other hand. All patients had a quantified gait analysis of preoperatively and postoperatively (at 6 months for THA and 1 year for TKA). A control group of matched healthy people followed the same protocol. The gait speed, ROM hip and knee, as well as functional and quality of life scores were evaluated, for all parameters the gain was calculated. Patients were divided into 2 groups in each cohort: non-obese patients (G1): BMI <30kg/m2 and obese patients (G2): BMI≥30kg/m2. Paired t-tests were used to evaluate the pre- and post-operative differences between G1 and G2, then the differences in gain between G1 and G2. Finally, a uni- and multivariate linear regression sought associations between BMI, gait speed, and ROM.Results: In both cohorts: preoperatively, gait speed and ROM were significantly lower in obese patients. Postoperatively, walking speed and ROM were significantly lower for all patients undergoing TKA or THA compared with the control group. Preoperatively obese patients were more symptomatic. A significant difference was found between G1 and G2 regarding pain improvement in favor of the obese (on the gain of WOMAC pain for TKA and analogic pain scale for THA). For all other parameters the gains were not different between G1 and G2. Uni- and multivariate regression showed no significant relationship between gait speed, ROM and BMI.Conclusion: BMI has no direct negative effect on recovery of walking parameters after THA or TKA. Indeed despite a higher preoperative symptomatology obese patients show a comparable improvement in terms of gain to non-obese patients clinically and biomechanically. However, postoperative gait parameters after THA or TKA remain significantly lower than those of controls, regardless of the BMI of patients without full clinical or biomechanical recovery. Though, obesity appears to have a similar effect on the gait parameters recovery after THA or TKA.

L'Analyse Quantifiée de la Marche (AQM) est un examen permettant d'identifier et de quantifier les défauts de marche d'un patient à partir de données biomécaniques. L'interprétation de cet examen, conduisant à l'explication des défauts de marche, est ardue. Parmi ces défauts, la marche digitigrade est un des plus courants et pour lequel l'identification des causes demeure difficile. Ce travail propose de fournir une aide à l'interprétation des données de l'AQM pour la marche digitigrade. Afin d'atteindre cet objectif, une méthode d'Extraction de Connaissances à partir de Données (ECD) est utilisée en combinant un apprentissage automatique non-supervisé et supervisé, pour extraire objectivement des connaissances intrinsèques et discriminantes des données de l'AQM. L'apprentissage non-supervisé (c-moyennes floues) a permis d'identifier trois patrons de marche digitigrade à partir de la cinématique de la cheville provenant d'une base de données de plus de 2500 AQM (Institut Saint-Pierre, Palavas, 34). L'apprentissage supervisé est utilisé pour expliquer ces trois patrons de marche par des mesures cliniques sous la forme de règles induites à partir d'arbres de décision flous. Les règles les plus significatives et interprétables (12) sont sélectionnées pour créer une base de connaissances qui est validée au regard de la littérature et des experts. Ces règles peuvent servir d'aide à l'interprétation des données de l'AQM pour la marche digitigrade. Ce travail ouvre différentes perspectives de recherche allant de la généralisation de la méthode utilisée à la création d'un simulateur de marche pathologique.

La paralysie cérébrale est la principale cause des troubles de la locomotion chez l’enfant, touchant 2 à 3 enfants pour 1000 naissances. Elle se définit comme un trouble du mouvement et de la posture causant des limitations fonctionnelles dues à une lésion sur un cerveau en développement. La spasticité, la co-contraction excessive, la faiblesse musculaire ainsi que les difformités osseuses limitent l’autonomie de ces enfants. Leur marche est plus lente et plus instable comparée celle des enfants ayant un développement typique. Récemment, les exosquelettes (e.g., Lokomat®) pour la réadaptation de la marche ont montré leur efficacité chez l’adulte avec des troubles neuromoteurs. Néanmoins, les preuves appuyant l'efficacité d'une telle modalité d’entrainement chez les enfants avec paralysie cérébrale restent insuffisantes. En plus de son éventuelle pertinence pour la réadaptation locomotrice, le Lokomat® offre la possibilité d’évaluer certaines fonctions motrices (i.e., la force musculaire, la spasticité). Cependant, ces outils d’évaluation ne sont guère utilisés en raison du manque d’information quant à leurs fiabilités. L’objectif de cette thèse était d’évaluer la pertinence d’utilisation des orthèses robotisées « Lokomat® » à la fois pour l’évaluation des fonctions motrices et la réadaptation de la marche chez des patients avec des troubles neuromoteurs notamment la paralysie cérébrale. Pour répondre à notre objectif général, trois objectifs spécifiques ont été définis afin de : (1) évaluer l’efficacité de la réadaptation locomotrice robotisée pour l’amélioration des paramètres de la marche chez des enfants avec paralysie cérébrale ; (2) évaluer les qualités psychométriques des outils intégrés dans le Lokomat® mesurant la spasticité et la force isométrique afin de déterminer leurs pertinences pour un usage clinique régulier ; et (3) proposer une approche systématique basée sur l’électromyographie pour la personnalisation des réglages du Lokomat® afin de favoriser un entrainement optimal où nous avons ciblé les extenseurs de la hanche. Réalisée dans un contexte de « Living Lab » impliquant le patient, les parents, des cliniciens et des chercheurs, notre première étude a permis d’établir un protocole d’entrainement au Lokomat® réaliste (2 séances/semaines pour 12 semaines) et transférable en clinique et d’en vérifier l’efficacité. Cette intervention sur 24 patients a conduit à une amélioration de la force isométrique des membres inférieurs (+25-74%) ainsi qu’une amélioration des capacités de la marche telles que la vitesse de marche (+20%), la longueur du pas (+14%) et l’endurance (+24%). Les améliorations de la force musculaire et de l’endurance ont été maintenues au suivi après 6 mois. De plus, nos résultats ont mis en évidence des effets positifs, quel que soit le niveau de sévérité (niveaux « GMFCS - Gross Motor Function Classification System » II à IV). Dans la deuxième et troisième études, la fiabilité de deux outils intégrés dans le Lokomat® (L-FORCE et L-STIFF) mesurant respectivement la force musculaire et la spasticité des membres inférieurs a été mesurée à l’aide des coefficients de corrélation intraclasse (CCI) et de l’erreur type de mesure (ETM). La fiabilité intra- et inter-évaluateur du L-FORCE était bonne à excellente (CCI = 0,70 - 0,87 et ETM = 11,9 - 22,5%) pour la mesure de la force isométrique des fléchisseurs et extenseurs de la hanche et du genou chez des enfants avec paralysie cérébrale. La fiabilité intra-évaluateur du L-STIFF était modérée à excellente (CCI = 0,49 – 0,89 ; ETM = 7 – 16%) alors que la fiabilité inter-évaluateur était faible à bonne (CCI = 0,32 – 0,70 ; ETM = 6 - 39%). Ces deux outils ont ainsi une fiabilité intra- et inter-évaluateur supérieure à celle des tests cliniques conventionnels pour la mesure de la force isométrique et de la spasticité chez des enfants avec paralysie cérébrale avec une évaluation dans une position plus proche de celle de la marche. Enfin, notre quatrième étude est une preuve de concept d’une approche systématique basée sur l’électromyographie pour personnaliser et optimiser les réglages du Lokomat® visant à maximiser l’activité électromyographique des extenseurs de la hanche chez deux adultes ayant subi un accident vasculaire cérébral. Nous avons pu ainsi définir des paramètres personnalisés pour un entrainement ciblé au Lokomat à l’aide d’un protocole faisable et simple à déployer. Les deux cas présentés dans l’étude suggèrent un bénéfice significatif pour le renforcement musculaire des extenseurs de la hanche (+43 et 114 %) ainsi qu’une amélioration de l’endurance (+37% et +150%) et de la capacité de déplacement (évolution de l’échelle « Modified Functional Ambulation Classification » de 4 à 7). En conclusion, les résultats de nos travaux motivent l'utilisation d’orthèse robotisée – Lokomat pour la réadaptation locomotrice des enfants avec paralysie cérébrale. Cette approche fournit un environnement d’entrainement standardisé et permet une évaluation objective et globalement fiable des changements de la force et de la spasticité des membres inférieurs. Enfin, afin de donner plus de possibilités motrices à ces patients, l’optimisation des thérapies au Lokomat semble tout à fait réalisable et simple à mettre en place (i.e., en ayant recours à basée sur l’électromyographie et nécessitant seulement deux sessions Lokomat supplémentaires). / Cerebral palsy is the leading cause of childhood gait limitations, affecting 2 to 3 children per 1000 births. It is defined as a movement and posture disorder that causes functional limitations due to the damage of the immature brain. Spasticity, excessive co-contraction, muscle weakness and bone deformities limit the autonomy of these children. Their walking is slower and more unstable compared to that of typically developing children. Recently, exoskeletons for gait rehabilitation (e.g., Lokomat®) have been shown to be effective in adults with neuromotor disorders. However, evidence supporting the effectiveness of such a training modality in children with cerebral palsy remains insufficient. In addition to its apparent relevance for gait rehabilitation, the Lokomat® offers the possibility of evaluating certain motor functions (i.e., muscle strength, spasticity). However, these tools are not used due to the lack of information on the reliability of its measurements. The objective of this thesis was to assess the relevance of the use of robotic orthoses « Lokomat® » for the assessment of motor functions and for gait rehabilitation in patients with neuromotor disorders, such as cerebral palsy. To respond to our general objective, three specific objectives have been defined in order to: (1) provide information on the applicability and effectiveness of robotic locomotor rehabilitation for improving gait parameters in children with cerebral palsy; (2) evaluate the psychometric qualities of the Lokomat® integrated tools measuring spasticity and isometric force in order to determine their suitability for regular clinical use; and (3) propose a systematic approach based on electromyography to personalize Lokomat's settings to promote optimal training for hip extensor strength. Carried out in a « Living Lab » context involving the patient, parents, clinicians and researchers, our 1st study established a realistic Lokomat® training protocol (2 sessions / weeks for 12 weeks) that can be easily transferred to the clinic. This intervention on 24-patients led to significant improvement in the lower limb isometric strength (25-74%) and walking capacities such as walking speed (+20%), step length (+14%) and endurance (+24%). Improvements in muscle strength and endurance had sustained when measured at a 6-month follow-up. In the same study, our results showed that robotic training had a positive effect on muscle strength and gait capacity whatever the level of severity (GMFCS levels II-IV). In the second and third studies, the reliability of the two integrated tools of the Lokomat® (L-FORCE and L-STIFF) assessing muscle strength and spasticity respectively was measured using intraclass correlation coefficient (ICC) and standard error of measurement (SEM). The intra- and inter-tester reliability of the L-FORCE tool was good to excellent (ICC = 0,70 - 0,87 et SEM = 11,9 - 22,5%) for measuring isometric strength of hip and knee flexors and extensors in children with cerebral palsy. For the L-STIFF tool, the intra-tester reliability was moderate to excellent (ICC = 0.49 – 0.89, SEM = 7 – 16%) while the inter-tester reliability was acceptable to good (ICC = 0.32 – 0.70, SEM = 6 - 39%). These two tools have thus greater intra- and inter-tester reliability than conventional clinical tests for measuring isometric strength and spasticity in children with cerebral palsy. Finally, our fourth study is a proof of concept of a systematic approach based on electromyography to personalize and optimize the Lokomat® settings that aim to maximize muscle activity of hip extensors in two post-stroke patients. We were able to set personalized parameters for a targeted Lokomat® training using an easily implementable protocol. It only took two test sessions to determine these settings. The two cases presented in the study showed a significant increase in muscle strength of the hip extensors (+43 and 114 %) as well as improvement in endurance (+37% and +150%) and mobility (from 4 to 7 on the Modified Functional Ambulation Classification). In conclusion, the results of our studies support the use of the Lokomat® robotic orthosis for gait rehabilitation in children with cerebral palsy. This approach provides a standardized training environment and allows an objective and mostly reliable assessment of changes in strength and spasticity of the lower limb. Finally, optimization of Lokomat® training appears to be feasible and easy to implement (i.e., based on electromyography and with only two additional Lokomat® training sessions).