Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2009-2010 / Les propriétés biomécaniques des tissus produits par génie tissulaire sont une des caractéristiques qui permet d'évaluer leur fonctionnalité. Ces propriétés peuvent dépendre, entre autres, de la méthode de fabrication utilisée lors de l'assemblage des tissus, du type de cellules utilisé lors de la reconstruction des tissus et des facteurs environnementaux cellulaires et tissulaires en présence lors de la culture des tissus. Dans le but de produire des tissus possédant des propriétés optimales pour d'éventuelles applications cliniques, il est important d'analyser et de comprendre le comportement biomécanique des tissus et de développer des méthodes de fabrication qui permettent de les produire de façon fiable et reproductible. L'objectif principal de cette thèse de doctorat était d'optimiser la fabrication des substituts vasculaires et cutanés reconstruits par la méthode d'auto-assemblage, par la compréhension de leur comportement biomécanique. Les travaux ont d'abord été dirigés vers le développement d'une nouvelle méthode de fabrication qui a permis d'augmenter l'efficacité de la production des substituts vasculaires et d'améliorer leurs propriétés mécaniques et viscoélastiques. Par la suite, des travaux ont été réalisés dans le but d'optimiser la production des substituts cutanés. Les résultats obtenus ont démontré qu'il était possible, par de nouvelles méthodes d'assemblage, d'augmenter la surface des substituts cutanés sans influencer leur structure ni leur contractilité. Un autre objectif poursuivi était de déterminer si l'utilisation de diverses sources cellulaires pouvait avoir une incidence sur les caractéristiques structurales et biomécaniques des substituts vasculaires. Ces travaux ont montré que les cellules artérielles et veineuses permettaient de produire des substituts vasculaires adéquats et que ceux produits à partir de cellules artérielles possédaient des propriétés mécaniques et élastiques supérieures à celles de tissus produits à partir de cellules veineuses. Dans le but de poursuivre l'optimisation de la fonctionnalité et des propriétés biomécaniques des tissus reconstruits, des méthodes permettant de stimuler mécaniquement les tissus pendant leur culture ont été développées. L'étude de la structure et des propriétés mécaniques des tissus résultant de cette culture dynamique a démontré une orientation axiale des composantes tissulaires, en plus d'une augmentation de la production des éléments de la matrice extracellulaire et d'une amélioration des propriétés mécaniques des tissus. En conclusion, le développement de ces nouvelles méthodes de fabrication a permis d'optimiser et de mieux définir certaines propriétés biomécaniques des substituts vasculaires et cutanés et a ainsi contribué à en améliorer leur fonctionnalité pour d'éventuelles applications cliniques.

Problématique : Les services ambulanciers représentent le maillon qui assure la prestation des soins préhospitaliers d'urgence par l'utilisation de l'ambulance. L'intervention préhospitalière exige un haut niveau d'efforts physique et mental sous des conditions environnementales variables. Récemment, les revues systématiques soulignent de façon alarmante l'étendue des problèmes de santé chez les techniciens ambulanciers paramédicaux (TAP). Ces derniers ont un taux plus élevé d'accidents causant une blessure et prennent leur retraite plus tôt que les autres travailleurs, incluant ceux du système de santé. Objectifs : Quatre grands objectifs de recherche ont été établis pour cette thèse : 1) Analyser le contexte de travail des techniciens ambulanciers durant l'intervention préhospitalière; 2) Déterminer l'impact temporel d'une situation de travail urgente durant l'intervention préhospitalière; 3) Évaluer les contraintes biomécaniques au dos pendant l'embarquement de la civière hydraulique dans l'ambulance; 4) Étudier les stratégies de travail des techniciens ambulanciers paramédicaux durant l'embarquement de la civière dans l'ambulance. Méthode : À partir d'observations sur le terrain, 58 techniciens ambulanciers paramédicaux ont été filmés en situation de travail (>1100 heures). Au total, 383 interventions préhospitalières ont été réalisées sur 111 quarts de travail. Des questionnaires et des entretiens semi-dirigés ont été réalisés avec les TAP après chaque intervention préhospitalière. Résultats et discussion : 1) Cette étude a permis de montrer que chaque cas est unique (caractéristiques du bénéficiaire, de l'environnement physique et social). Les résultats montrent que 60% des codes (nature du cas) fournis par le Centre de Communication Santé sont demeurés inchangés par les TAP au moment de l'évacuation. Cette étude a également présenté les variations inhérentes au travail des TAP notamment dans la séquence des tâches de l'intervention préhospitalière. 2) Les interventions préhospitalières ayant nécessité un transport urgent (5.4%) ont été de plus courtes durées que celles ayant nécessité des transports immédiats (9.4%) ou non urgents (33.8±6.9 minutes; 43.5±15.2 minutes et 41.8±13.2 respectivement; ps<0.05). Cela est principalement expliqué par la durée des transports (moyenne de 14.8 minutes) qui a été plus courte en situation d'urgence comparativement aux transports immédiats et ceux non-urgents (-5.1 et -4.9 minutes; p<0.08 et p<0.05 respectivement). Les différentes opérations composant chaque protocole de soins ont dicté le rythme de l'intervention préhospitalière. La séquence des opérations était moins rigide chronologiquement en non urgence qu'en situation urgentes ce qui leur permettait plus de flexibilité pour allonger certaines activités. 3) L'analyse biomécanique de l'embarquement de la civière hydraulique montre que 71% des embarquements dépassent les limites sécuritaires de manutention établie à 340 kgf par le NIOSH. Une analyse par régression linéaire a déterminé que les principaux facteurs influençant le chargement interne à L5/S1 des TAP sont la force appliquée aux mains du TAP pour soulever la charge, la posture au dos et aux épaules adoptée par le TAP lors de l'initiation du soulèvement ainsi que le poids du TAP. Les valeurs de la force aux mains ont été influencées par le nombre de TAP lors de l'embarquement (1.8 fois supérieur lorsqu'effectué seul), le poids de la civière hydraulique (30 à 76% de la force appliquée), le poids du bénéficiaire (24 à 70% de la force appliquée) ainsi que la position des équipements sur la civière (0 à 14% de la force appliquée). 4) Tous les TAP ont été en mesure d'entrer la civière et de la sécuriser dans l'ambulance sans blessure apparente. Des stratégies ont été énumérées par les TAP lors des entretiens pour leur permettre à la fois de préserver leur santé (par exemple : communiquer avec son coéquipier et travailler en équipe pour diminuer la charge soulevée) et d'assurer une évacuation de qualité (par exemple : utiliser le superviseur et vérifier le système de retenu avant le soulèvement). Près des trois quarts des embarquements ont nécessité des actions supplémentaires (élévation des épaules et soulèvement additionnel) pour faire entrer la civière jusqu'au système de blocage. Toutefois, certaines stratégies bien que nécessaire pour terminer l'embarquement de la civière semblent avoir des impacts négatifs pour la santé des travailleurs tel que le repositionnement de la civière. Cette opération, souvent effectuée seule, entraîne une perte de temps et demande des efforts physiques importants. Conclusion : Cette thèse est un exemple de réussite d'une collecte de données substantielles jumelant des outils qualitatifs et quantitatifs. / Elle a combiné la démarche ergonomique centrée sur l'activité de travail à celle de la biomécanique dans un milieu non contrôlé (hors laboratoire) où la variabilité est omniprésente et le contexte de travail est imprévisible. La rigueur employée dans la méthodologique et les analyses effectuées a permis de proposer plus d'une vingtaine de pistes de transformation touchant les équipements, le travail d'équipe, la formation et l'environnement physique et social du travail.

La dysfonction du tendon tibial postérieur (DTTP) affecte 3,3% des femmes de plus de 40 ans. Elle se caractérise par une dégénérescence du tendon tibial postérieur (tendinose). La biomécanique de cette population est marquée par une augmentation de l’éversion de l’arrière-pied et du moment de force en inversion à la cheville. L’orthèse plantaire (OP) diminue ces déficits biomécaniques chez la population asymptomatique. Cependant, aucune étude n’a isolé l’effet de l’OP sur la biomécanique du membre inférieur chez cette population. L’objectif de ce projet de recherche était de faire l’état des connaissances sur la DTTP et de mesurer l’effet de trois types d’OP sur la biomécanique de quatorze individus atteints de la DTTP ; OP préfabriquée, OP sur mesure et OP sur mesure varisée avec un biseau médial de 5° et un biseau calcanéen médial de 4 mm. La principale hypothèse était que l’OP sur mesure diminuerait les déficits retrouvés chez la population DTTP comparativement à l’OP préfabriquée. Pour ce faire, une analyse de la cinétique, de la cinématique et de l’activité musculaire à la marche du membre inférieur atteint ont été effectuées. Une diminution de l’angle d'éversion de l'arrière-pied, une diminution du moment d'inversion à la cheville et une augmentation du moment d’abduction du genou ont été observées avec des OP sur mesure par rapport au port de la chaussure et de l’OP préfabriquée (p <0.001). Les OP sur mesures pourraient être plus adaptées que les OP préfabriquées pour optimiser la biomécanique observée à l’articulation de la cheville chez la population DTTP. Cependant, les résultats montrent des effets se répercutant à l’articulation du genou qui pourraient être bénéfiques pour cette population. Une étude clinique, telle qu’un essai contrôlé randomisé, est requise afin de savoir si ces effets biomécaniques se traduiront en bénéfices cliniques pour les individus atteints d’une DTTP. / Posterior tibial tendon dysfunction (PTTD) affects 3.3% of women over the age of 40. It is characterized by the degeneration of the posterior tibial tendon (tendinosis). The biomechanics of this population is marked by an increased eversion of the hindfoot andankle inversion joint moment. Foot orthoses (FO) are more efficient to reduce those biomechanical features in the asymptomatic population. Also, FO reduce the pain associated with PTTD. However, no study has isolated the biomechanical effect of OP on this population. The aim of this research project was to synthesize knowledge on PTTD and determine the effect of three types of FO; prefabricated FO, custom FO and custom-varus FO with a 5 ° medial wedge and a 4 mm medial heel skive on the biomechanics of fourteen individuals with PTTD. The first hypothesis was that both custom FO will reduce the biomechanical deficits observed in PTTD population compared to prefabricated FO. To do so, a quantitative analysis of the gait on the affected lower limb of the kinematic, kinetic and muscular activity was conducted. A decreased in the angles of eversion of the hindfoot,a decreased ankle inversion moment and an increased knee abduction moment wereobserved with both custom FO compared to wearing shoes and prefabricated FO (p<0.001). Custom FO could be more appropriate than prefabricated FO to optimize the biomechanics of the lower limb observed at the ankle joint in PTTD population. However,clinicians should be careful when prescribing custom FO for PTTD since unwanted collateral biomechanical effects can be observed at the knee. A clinical study, such as arandomized controlled trial, is required to find out the clinical impact of those biomechanical effects.

Dans le but d’améliorer le traitement des éventrations, cette thèse porte sur la biomécanique de la paroi abdominale. Plusieurs aspects de son comportement ont été étudiés: de la paroi globale aux constituants, de la paroi passive ex vivo sous chargement contrôlé à la paroi active in vivo sous chargement physiologique et enfin de la paroi saine des volontaires non-malades à la paroi lésée des patients en pré-opératoire. Un protocole a été développé pour évaluer la contribution des composants de la paroi abdominale humaine ex vivo à sa réponse mécanique globale. Les spécimens sont sollicités par pression après dissection successive des différents composants. L’analyse par stéréo-corrélation des déformations de la surface interne a montré que la gaine des rectus abdominis joue un rôle important dans la réponse de la paroi abdominale antérieure. Les examens in vivo ont permis de considérer la paroi abdominale in situ de 11 volontaires non-malades et pour la première fois de patients souffrant d’éventration (n=4) en pré-opératoire. Géométrie externe et interne, élasticité des muscles et raideurs locales ont été mesurées lors d’activités physiologiques. Les paramètres mécaniques mesurés sur les patients restent soit dans l’étendue de mesure des valeurs des volontaires non malades, soit sont plus faibles. Dans le futur, l’inclusion d’autres patients et des examens post-opératoires seront poursuivis. On disposera alors de données quantitatives de la paroi abdominale couvrant l’état sain, lésé et réparé. Des modèles numériques pourront être développés. Ils permettront d’estimer l’influence de paramètres mécaniques et géométriques sur le comportement de la paroi abdominale.

La protection des usagers et la prévention des risques sont des enjeux majeurs de la sécurité routière. La conception des véhicules inclut un grand nombre d’éléments de sécurité passive qui ont pour rôle de minimiser les séquelles corporelles des usagers si l’impact se produit. L’objectif global de cette thèse est donc de mettre en place des protocoles d’essais et d’observer ces comportements internes grâce à une technique d’imagerie récente : l’échographie ultrarapide. Une attention particulière a été portée au comportement interne des organes pleins de l’abdomen, qui sont les organes les plus souvent lésés lors des chocs automobiles. Les protocoles ont d’abord été développés sur le rein. En effet, même si celui-ci n’est pas l’organe le plus fréquemment touché, sa proximité anatomique avec le rein de porc a permis d’utiliser ce dernier pour le développement des méthodes. Puis les travaux se sont portés sur l’abdomen complet. Le modèle cadavérique a été utilisé pour l’ensemble des travaux.

L'analyse du mouvement basée sur des techniques de suivis de marqueurs cutanés s’est largement répandue ces dernières années. Ces méthodes reposent globalement sur un ensemble d’hypothèses simplificatrices permettant d’approcher le fonctionnement de l’objet d’étude : le corps humain. Ainsi, le corps humain est généralement modélisé comme un ensemble de segments rigides liés entre eux par des liaisons mécaniques simples et parfaites. Ces hypothèses ont montré leurs limites dans la prédiction des paramètres décrivant la cinématique et la dynamique articulaire. Un des problèmes provient du mouvement relatif entre les marqueurs cutanés et les os (appelé artéfacts des tissus mous) qui peut atteindre plusieurs centimètres et rend difficilement acceptable l’hypothèse de segments rigides. Les articulations étant des mécanismes complexes comportant un ensemble de structures périarticulaires,l’hypothèse de liaisons mécaniques simples et parfaites semble également très limitative. Le but de cette thèse sera donc de faire un bilan et une synthèse des propositions cherchant à dépasser les hypothèses classiques de modélisation existant dans la littérature et de proposer de nouvelles pistes.

A l’instar des nombreuses études consacrées à l’analyse de la tâche lors de compétitions de football, ces études quantifient pour chaque joueur la distance totale parcourue, la dis- tance, la durée ainsi que la fréquence dan s des zones d’intensité d’activité. Ces différentes études ont permis de mettre en évidence la nature intermittente de l’activité, composée de phases d’activité dont la durée moyenne est inférieure à 6 s. Elles démontrent également la spécificité par poste . Les avants sont plus impliqués dans les activités de haute intensité que les arrières. Cette différence est essentiellement liée à leur participation dans les ac- tivités statiques comme les mêlées et les regrou pements. Les arrières sont quant à eux plus i mpliqués dans les activités de sprint ( e.g. Duthie et coll. 2003 ) . Néanmoins les méthodes d’analyse actuelles présentent des limites pour apprécier la sol- licitation énergétique et la fatigue associée.

Les données biomécaniques sur les enfants sont rares et difficiles à obtenir lors d’expérimentations. Cette recherche s’intéresse à l’évaluation in vivo du comportement mécanique du tronc et des propriétés mécaniques de l’os cortical des côtes. Le comportement mécanique in vivo du tronc de l’enfant et de l’adulte sous charge pendant des manipulations de kinésithérapie respiratoire ont été étudiées. Trois formes typiques de courbes de force en fonction du déplacement ont été observées. Un plus grand décalage en temps entre les courbes de force en fonction du temps et les courbes de déplacement en fonction du temps ont été observés plus fréquemment chez les enfants que chez les adultes, ce qui conduit à différentes formes de courbes de force en fonction du déplacement entre les enfants et les adultes. Parmi les paramètres qui peuvent affecter le comportement mécanique du tronc, les propriétés mécaniques de l’os cortical des côtes ont été étudiées. Dans un premier temps, il a été constaté ex vivo que les propriétés mécaniques de l’os cortical des côtes des adultes sont liées de façon linéaire à la Densité Minérale Osseuse (DMO) mesurée par la tomodensitométrie quantitative (Quantitative Computed Tomography, QCT) et la tomographie périphérique quantitative à haute résolution (High Resolution Peripheral Quantitative Computed Tomography, HR-pQCT). La DMO peut être mesurée par QCT in vivo. Ensuite, les relations entre la DMO et les propriétés mécaniques pour l’adulte ont été appliquées aux enfants, et les propriétés mécaniques de l’os cortical de l’enfant ont pu être estimées. Les propriétés mécaniques ont été trouvées plus élevées dans la partie latérale des côtes que dans les régions antérieures et postérieures. Il a également été constaté que les propriétés mécaniques augmentent au cours de la croissance. Il s’agite la première étude qui a évalué les propriétés des matériaux de l’os cortical des côtes de l’enfant in vivo. Cette étude peut aider à mieux comprendre la réponse mécanique du tronc de l’enfant et les propriétés mécaniques de l’os cortical costal. A court terme, ces résultats mesurés in vivo seront considérés dans des modèles éléments finis du tronc de l’enfant.

Le travail de thèse exposé dans ce manuscrit s'intéresse à la simulation d'un mouvement de manipulation d'objet, plus particulièrement à la saisie suivie de la rotation d'une sphère selon un axe fixe. Le but ici est, à partir d'une analyse de mouvements réels, d'être capable de proposer un algorithme de simulation reproduisant des mouvements comparables aux données expérimentales, en fournissant en entrée le moins d'informations possibles et en essayant d'introduire de la variabilité dans le mouvement simulé. 12 sujets volontaires ont participé à l'expérimentation. Nous leur avons demandé de saisir et de tourner une sphère de 60mm de diamètre avec des amplitudes allant de 45° à 360°, dans les deux sens. L'analyse de ces données expérimentales, complétée par des simulations de l'effet des limites articulaires sur le mouvement nous ont permis d'étudier plusieurs hypothèses sur le contrôle de mouvement telles que l'hypothèse de confort final (" end-state comfort ") et le principe de travail minimum. Une des conclusions majeures est que l'anticipation posturale au moment de saisie semble être expliquée davantage par le confort en fin de mouvement qu'au moment de saisie. Basé sur ces observations, nous proposons un algorithme de simulation avec pour nouveautés la prise en compte de l'espace de mouvements admissibles par les limites articulaires ainsi que l'introduction de la variabilité au choix de la posture de saisie. Les premiers résultats semblent être en accord en grande partie avec les observations expérimentales donnant une base de travail pour aller vers des outils de simulation se rapprochant de plus en plus vers un comportement " humain ".

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du développement des mannequins numériques pour l’évaluation ergonomique de la conception de véhicule, plus particulièrement des commandes automobiles. Il vise à développer des modèles biomécaniques permettant la prise en compte de la dynamique du mouvement et de la force exercée lors d’une tâche pour prédire le mouvement et l’inconfort associé. Ce travail s’est focalisé sur la pédale d’embrayage. Concernant le développement des critères d’inconfort, le concept du mouvement neutre est exploré. Une méthode, basée sur la comparaison entre des mouvements avec des configurations imposées et ceux moins contraintes, est proposée. Elle a permis l’identification de paramètres biomécaniques pertinents et de proposer des indicateurs d’inconfort pour la conception de la pédale d’embrayage. Les relations entre la posture et la force d’appui ont été étudiées expérimentalement en faisant varier le niveau d’effort exercé sur une pédale statique. Nos résultats montrent que la direction d’effort et l’ajustement postural suivent le principe de minimisation des couples articulaires. Par ailleurs l’utilisation d’un critère de minimisation de l’activité musculaire a montré une amélioration de la prédiction de la direction d’effort pour les efforts peu élevés. Les indicateurs d’inconfort proposés dans cette étude fournissent des informations objectives permettant aux ingénieurs de conception de comparer des solutions alternatives de design. Le travail sur les mécanismes de contrôle de l’effort et de la posture constitue, quant à lui, une première étape dans l’optique de prendre en compte la force exercée dans la simulation de posture.