Le cross-linking du collagène cornéen (CXL) est une cornéoplastie mini-invasive reposant surun concept biomécanique difficile à objectiver physiquement et dont les preuves del’efficacité thérapeutique sont d’interprétation complexe. Les principes, les nuances et lesrésultats du CXL sont colligés dans cette thèse afin de valider l’intérêt du modèleexpérimental choisi pour tester la pertinence de notre travail de recherche sur l’élastographiecornéenne par ondes de cisaillement.Notre cheminement expérimental a abouti au choix du modèle de CXL trans-épithélial (TCXL)assisté par iontophorèse (I-CXL), réalisé in vivo, sur oeil de lapin. Les mesuresélastographiques obtenues après euthanasie ont ainsi pu démontrer une modificationsignificative du profil d’élasticité de la cornée après CXL, testé successivement de manièredynamique et statique.Nos résultats confirment donc l’efficacité biomécanique instantanée du I-CXL et donnent uneidée plus précise de la valeur de la photo-polymérisation du tissu cornéen isolée desphénomènes liés à la cicatrisation. Les enjeux technologiques de l’élastographe cornéen paranalyse des ondes de cisaillement ont pu être définis afin de développer une stratégie de miseen oeuvre d’un système pertinent pour la pratique clinique. / Corneal collagen cross-linking (CXL) is a kind of minimaly invasive corneoplasty mainlybased on a biomechanical concept, which is very difficult to measure physically, and whichthe therapeutic efficacy understanding is complex.Principles, different protocols and resultsare summarized in this thesis in order to illustrate the usefulness of the experimental modelchosen in our experimentations about elastographic corneal shear wave imaging.The pathway of our experimental work have led to the choice of trans-epithelial CXL (TCXL)assisted by iontophoresis (I-CXL), performed in vivo, on rabbits eyes. Elastographicmeasurements we obtained after animals euthanasia have shown a significant change of thecorneal elasticity profile after CXL, successively tested in a dynamic and in a static fashion.Our results do confirm the biomechanical efficacy of the I-CXL procedure and give a moreprecise idea of the sole photo-polymerization effect by avoiding any confounding healingconcern. Technological issues for corneal elastography with shear wave imaging have beenraised in this thesis to develop a realistic strategy for the launch of a clinically useful device.

La paralysie obstétricale du plexus brachial (POPB) est une paralysie du membre supérieur qui survient à la naissance et peut entraîner une déformation de l'articulation et un fonctionnement anormal de l'épaule. Bien que le traitement de la POPB tente de restaurer la fonction de l'épaule, la pathomécanique sous-jacente n'est pas encore clairement comprise. Les modèles computationnels sont efficaces pour fournir de telles informations, mais il n'existe aucun modèle d'articulation de l'épaule pédiatrique pour comprendre la POPB. Ainsi, ce travail de recherche a pour but de construire un framework combinant les avancées dans les domaines de la modélisation statistique de forme (MSF) et de la modélisation musculo-squelettique multi-corps (MCM). Due à l’insuffisance des données dans la cohorte pédiatrique, ce cadre a été mis en place pour l'articulation de l'épaule adulte. Pour cela, la précision de la MSF a été illustrée en prédisant 1) la forme de l'omoplate pré-morbide, et 2) les régions d'insertion musculaire sur l'omoplate et l'humérus. Cette méthode a ensuite été intégrée aux modèles MCM pour l'épaule adulte pour souligner l’importance des modèles spécifique-patient pour l’usage clinique. Pour le second objectif de cette thèse, j'ai développé un modèle MCM pédiatrique du complexe articulaire de l'épaule en utilisant le logiciel OpenSim. Grâce aux approches de cinématique et dynamique inverse, le modèle a permis de déterminer les différences de dynamique articulaires entre le côté sain et le côté pathologique. Les travaux futurs seront axés sur l’extension du travail réalisé pour la population pédiatrique afin de comprendre la pathomécanique de POPB. / Obstetrician Brachial Plexus Palsy (OBPP) is a common birth injury in children leading to shoulder joint deformity and abnormal function. While the management of OBPP disorder focuses on restoring the shoulder joint function, the underlying pathomechanics is not clearly understood yet. Computational models are effective to provide such insights, however, there is no pediatric shoulder joint model to understand the OBPP disorder. Thus, the global aim of this research work was to build a computational framework combining the advances in statistical shape modeling (SSM) and multi-body musculoskeletal modeling (MSKM) domains. Due to a lack of sufficient data in the pediatric cohort, I first developed the framework for adult shoulder joint. For this, I illustrated the accuracy of SSM in predicting 1) missing part of the scapula, and 2) muscle insertion regions on scapula and humerus bones. This method was then integrated with adult shoulder MSKMs to show the differences between generic and subject specific constructs. For the second aim of this thesis, I developed a pediatric MSKM of the shoulder joint complex using OpenSim software. Pediatric MSKM represented scapulothoracic, sternoclavicular, acromioclavicular, and glenohumeral joints with 13 degrees of freedom, and actuated by 52 musculotendon actuators representing 14 shoulder muscles. Using inverse kinematics and inverse dynamics approaches, the model was used to determine the differences in joint kinematics, and joint dynamics between healthy and unhealthy side of a single OBPP subject. Future work is focused on completing the framework on pediatric population and understanding the pathomechanics of OBPP.

L’objectif général de cette thèse était d’analyser les effets d’une modification expérimentale de la capacité-posturo-cinétique (CPC) sur l’organisation biomécanique de l’initiation de la marche (IM) chez le jeune adulte. L’hypothèse générale était qu’une altération de la CPC a un effet négatif sur la stabilité et/ou la performance motrice et, qu’à l’inverse, une amélioration de la CPC a un effet positif. Pour tester cette hypothèse, trois expérimentations ont été réalisées, chacune ayant pour objet de modifier une composante spécifique de la CPC en lien avec le contexte clinique. Dans une première expérimentation, les effets d’une fatigue bilatérale aigue des Tibialis Anterior, muscles impliqués dans les ajustements posturaux anticipateurs (APA) de l’IM, étaient analysés. Les résultats ont montré que lorsque l’IM était réalisée en condition de fatigue, le recul anticipateur du centre des pressions et la vitesse du centre de gravité lors du décollement du pied étaient réduits, malgré une augmentation de la durée des APA. En conséquence, la performance motrice (vitesse maximale du centre de gravité/longueur du pas) était réduite. Les résultats d’une étude complémentaire ont montré que les sujets restaient cependant capables d’atteindre le même niveau de performance qu’en condition « sans fatigue » lorsque la consigne expérimentale l’exigeait. Dans une deuxième expérimentation, les effets d’une hypomobilité unilatérale du genou induite par un port d’attelle ont été investigués. En condition de port d’attelle, l'amplitude des APA médio-latéraux, ainsi que la stabilité étaient augmentées comparativement à la condition contrôle (IM sans port d’attelle). En revanche, la performance motrice était réduite. Là encore, lorsque la consigne expérimentale l’exigeait, les sujets étaient capables d’atteindre le même niveau de performance motrice qu’en condition contrôle, mais au détriment de la stabilité. Enfin, dans une troisième expérimentation, les effets d’une augmentation de la mobilité de la chaîne posturale, induite par une manipulation vertébrale de type HVLA étaient analysés. Les participants étaient répartis dans groupe expérimental (subissant la manipulation HVLA) et un groupe témoin (subissant une manipulation neutre). Les résultats ont mis en évidence un gain de mobilité du rachis de 20% suite à ce type de manipulation, suggérant une amélioration de la CPC. De façon surprenante, l’amplitude des APA et la performance motrices étaient réduites dans le groupe expérimental uniquement. En conclusion, l’ensemble de ces résultats suggère que lorsque la CPC est modifiée expérimentalement, le SNC priorise la protection corporelle, le maintien de la stabilité posturale ou le maintien de la performance motrice, en fonction de la consigne expérimentale et de la contrainte appliquée au niveau du système musculo-squelettique. / The main objective of this thesis was to assess the effects of an experimental modification of the posturo-kinetic capacity (PKC) on the biomechanical organization of gait initiation (GI) in young adults. The general hypothesis was that an alteration of PKC has a negative effect on stability and / or motor performance and that conversely, an improvement in PKC has a positive effect. To test this hypothesis, three experimentations were conducted. Each of them aimed at modifying a specific component of the PKC related to the clinical context. In a first experimentation, the effects of acute bilateral fatigue of Tibialis Anterior, muscles involved in the anticipatory postural adjustments (APA) of GI, were analyzed. Results showed that when the GI was performed in fatigue condition, the anticipatory backward of the center of pressure as well as the speed of the center of gravity during the detachment of the foot were reduced, despite an increase in the duration of APA. As a consequence, the driving performance (maximum center of gravity speed / step length) was reduced. Results of a complementary study showed that the subjects were nevertheless able to reach the same level of performance as in "no fatigue" condition when the experimental set point required it. In a second experimentation, the effects of unilateral hypomobility of the knee induced by orthosis were investigated. In orthosis condition, both mediolateral APA amplitude and stability were increased, compared to control condition (GI without orthosis). However, motor performance was reduced. Again, when the experimental set point required it, the subjects were able to achieve the same level of motor performance as under control conditions, but to the detriment of stability. Finally, in a third experimentation, the effects of an increase of postural chain mobility induced by HVLA-type (High-Velocity, Low-Amplidude) vertebral manipulation were assessed. The participants were divided into experimental group (with HVLA manipulation) and a sham group (with neutral manipulation). The results showed a spinal mobility gain of 20% following this type of manipulation, suggesting an improvement of the PKC. Surprisingly, APA amplitude and motor performance were reduced in the experimental group only. To conclude, all these results suggest that when PKC is experimentally modified, the CNS prioritizes body protection, maintenance of the postural stability or maintenance of the motor performance, depending on experimental conditions and constraints applied on musculoskeletal system.

Cette thèse propose une approche interdisciplinaire originale du traitement du mouvement humain corps-complet grâce à l'utilisation couplée d'approches issues de la biomécanique, du contrôle moteur et de la robotique. Les méthodes biomécaniques sont utilisées pour l'enregistrement, le traitement et l'analyse du mouvement humain. L'approche << Uncontrolled Manifold >> du contrôle moteur est étendue à l'étude des mouvements hautement dynamiques. Ceci permet de déterminer si d'éventuelles tâches dynamiques sont contrôlées et stabilisées par le cerveau, puis d'inférer une organisation hiérarchique des tâches motrices. Le formalisme de l'espace des tâches utilisé en robotique pour la génération de mouvement corps-complet ainsi que la hiérarchie des tâches extraites dans l'étude du contrôle moteur sont utilisés pour simuler des mouvements humains hautement dynamiques. Cette approche permet de mieux comprendre le mouvement humain et de générer des mouvements inspirés de l'humain pour d'autres systèmes anthropomorphes tel que des robots ou avatars. La discipline du Parkour, impliquant des actions hautement dynamiques tels que des sauts et des techniques d'atterisage, est choisie pour illustrer l'approche proposée. / This thesis proposes an original and interdisciplinary approach to the treatment of whole-body human movements through the synergistic utilization of biomechanics, motor control and robotics. Robust methods of biomechanics are used to record, process and analyze whole-body human motions. The Uncontrolled Manifold approach (UCM) of motor control is extended to study highly dynamic movements processed in the biomechanical study, in order to determine if hypothesized dynamic tasks are being controlled stably by the central nervous system. This extension permits also to infer a hierarchical organization of the controlled dynamic tasks. The task space formalism of motion generation in robotics is used to generate whole-body motion by taking into account the hierarchy of tasks extracted in the motor control study. This approach permits to better understand the organization of human dynamic motions and provide a new methodology to generate whole-body human motions with anthropomorphic systems. A case study of highly dynamic and complex movements of Parkour, including jumps and landings, is utilized to illustrate the proposed approach.

Parmi les blessures sportives reliées au genou, 20 % impliquent le ligament croisé antérieur (LCA). Le LCA étant le principal stabilisateur du genou, une lésion à cette structure engendre une importante instabilité articulaire influençant considérablement la fonction du genou. L’évaluation clinique actuelle des patients ayant une atteinte au LCA présente malheureusement des limitations importantes à la fois dans l’investigation de l’impact de la blessure et dans le processus diagnostic. Une évaluation biomécanique tridimensionnelle (3D) du genou pourrait s’avérer une avenue innovante afin de pallier à ces limitations. L’objectif général de la thèse est de démontrer la valeur ajoutée du domaine biomécanique dans (1) l’investigation de l’impact de la blessure sur la fonction articulaire du genou et dans (2) l’aide au diagnostic. Pour répondre aux objectifs de recherche un groupe de 29 patients ayant une rupture du LCA (ACLD) et un groupe contrôle de 15 participants sains ont pris part à une évaluation biomécanique 3D du genou lors de tâches de marche sur tapis roulant. L’évaluation des patrons biomécaniques 3D du genou a permis de démontrer que les patients ACLD adoptent un mécanisme compensatoire que nous avons intitulé pivot-shift avoidance gait. Cette adaptation biomécanique a pour objectif d’éviter de positionner le genou dans une condition susceptible de provoquer une instabilité antérolatérale du genou lors de la marche. Par la suite, une méthode de classification a été développée afin d’associer de manière automatique et objective des patrons biomécaniques 3D du genou soit au groupe ACLD ou au groupe contrôle. Pour cela, des paramètres ont été extraits des patrons biomécaniques en utilisant une décomposition en ondelettes et ont ensuite été classifiés par la méthode du plus proche voisin. Notre méthode de classification a obtenu un excellent niveau précision, de sensibilité et de spécificité atteignant respectivement 88%, 90% et 87%. Cette méthode a donc le potentiel de servir d’outil d’aide à la décision clinique. La présente thèse a démontré l’apport considérable d’une évaluation biomécanique 3D du genou dans la prise en charge orthopédique de patients présentant une rupture du LCA; plus spécifiquement dans l’investigation de l’impact de la blessure et dans l’aide au diagnostic. / The anterior cruciate ligament (ACL) is involved in approximately 20% of all sports-related knee injuries. An injury to the ACL, the primary stabilizer of the knee, will lead to knee joint instability and functional impairment. Unfortunately, current clinical assessments of ACL-deficient patients present limitations with respect to the investigation of the impact of the injury on knee function. A 3D knee biomechanical assessment could provide innovative information to overcome these drawbacks. The main objective of the doctoral theses is to demonstrate the role of biomechanics in (1) the investigation of the impact of the injury on knee function and in (2) the diagnostic process. Twenty-nine ACL-deficient patients and a control group of fifteen healthy participants took part in a 3D knee biomechanical assessment during treadmill walking. By assessing the 3D knee biomechanical patterns of each group we observed that ACL-deficient patients adopted a gait compensatory mechanism: the Pivot-shift avoidance gait. The explanation for this adaptative strategy is to avoid placing the knee in a position biomechanically favorable to anterolateral rotatory instability during gait. Furthermore, an automatic classification method capable of distinguishing ACL deficient patients from an asymptomatic population was developed. Features were extracted from the 3D knee biomechanical patterns using a wavelet decomposition method and then classified by the nearest neighbour rule. The proposed classification method obtained a level of accuracy, sensitivity and specificity of 88%, 90% and 87% respectively. This method shows great potential as a diagnostic aid in a clinical setting. This thesis demonstrates that biomechanics plays a substantial role in the management of ACL injuries by improving the understanding of the impact of the injury on knee function and by its capacity to serve as a diagnostic aid.

La planche coréenne est une discipline de cirque exigeante d’un point de vue technique. Il s’agit d’une longue planche à bascule sur laquelle deux acrobates, placés à chaque extrémité, se catapultent continuellement pour effectuer des sauts acrobatiques. Les acrobates utilisent une technique spécifique pour le décollage et l’atterrissage. La planche coréenne, comme tout équipement de cirque, n’a pas de standard de fabrication et il existe une grande variété de planches. Les acrobates, les entraîneurs et les concepteurs d'équipements bénéficieraient d’avoir plus d'informations sur la biomécanique de la performance et sur la mécanique de la planche, afin d'améliorer le développement des techniques acrobatiques et la conception des planches. L’objectif de la thèse était de mieux comprendre l’interaction entre l’équipement de cirque et la performance acrobatique en planche coréenne. À cet égard, les quatre objectifs spécifiques étaient de : (1) Établir l’influence de la hauteur de saut, du participant, de la planche et de la technique de réception sur les forces d’impact et les taux de chargement; (2) Quantifier l’influence de plusieurs facteurs biomécaniques cinématiques sur la hauteur de saut; (3) Déterminer la différence de contribution musculaire et de durée des phases du mouvement entre acrobates débutants et acrobates élites; et (4) Caractériser mécaniquement différentes planches et mettre en évidence la contribution du renvoi de flexion de la planche sur la hauteur de sauts. Cette thèse présente l’ensemble des travaux effectués pour lier les caractéristiques de la planche au mouvement de l’acrobate. En effet, le mouvement de l’acrobate, sauter à grande hauteur, génère des forces élevées sur la planche lors de la réception, ce qui met en mouvement la planche. L’équipement ensuite permet un transfert de force vers l’acrobate qui s’élance. Finalement, ce dernier doit utiliser une technique optimale avec une synchronisation et une contribution musculaire précis, afin de gagner une hauteur suffisante pour la performance. Nos différentes études ont permis de montrer que le facteur qui influence le plus les forces d’impact et le taux de chargement lors de la réception est la hauteur de saut (40% d’influence relative). La force maximale mesurée est de 13.5 fois le poids corporel de l’acrobate, ce qui peut représenter un risque de blessure. La hauteur de saut est en majorité influencée par la vitesse verticale du centre de masse de l’acrobate-partenaire qui se réceptionne, de la vitesse verticale de la planche et de l’amplitude des hanches lors du décollage. Ces deux derniers paramètres peuvent être contrôlés par les acrobates ou les concepteurs de planche coréenne. Nous démontrons, de plus, que les acrobates débutants sont plus longs dans la préparation au décollage, le décollage et l’atterrissage comparativement aux acrobates experts. Cependant, il n’y avait pas de différence claire entre les débutants et les professionnels quant à l’activité musculaire lors du décollage et atterrissage, ce qui indique que la temporalité est sûrement plus importante que l’activité musculaire. Nous trouvons aussi que le renvoi de flexion (énergie élastique de la planche) est non négligeable (46 % d’influence relative) et contribue donc à la hauteur de saut. Finalement, le paramètre mécanique le plus important pour quantifier et comparer les planches est la raideur. Les quatre planches de l’étude ont une raideur qui varie entre 12.2 kN/m et 19.6 kN/m. Ce paramètre peut probablement guider les futures conceptions de planche. Collectivement, ces quatre études mettent en évidence que la synchronisation temporelle du mouvement des acrobates et du mouvement de la planche est l’élément crucial dans cette discipline. / Korean teeterboard is a technically demanding circus discipline. The apparatus resembles a seesaw, and two acrobats take turns jumping vertically, performing complex acrobatic figures and landing back on the apparatus. Acrobats use a specific technique during take-off and landing. Furthermore, like most circus equipment, there are no standards regarding the design of the teeterboard and there is a wide variety of teeterboards. Acrobats, trainers and equipment’s designers would benefit to know more about the relationship between the biomechanics of the performance and the mechanics of the board. This understanding would help improving acrobatic techniques and optimize the design of teeterboards. The purpose of the thesis was to better understand the interaction between the circus equipment and the acrobats’ performance in Korean teeterboard. To this end, this thesis was divided into four specific goals: (1) Define the influence of the jump height, the teeterboard and the landing technique on impact forces and loading rates; (2) Quantify the influence of various kinematic factors to the jump height; (3) Determine the differences between expert and novice acrobats with respect to muscular contribution and duration of the phases of the movement ; and, (4) mechanically characterize different types of teeterboards and highlight the contribution of the recoil effect to the jump height. This thesis covers the work carried out to link the characteristics of the teeterboard to the movement of the acrobat. The movement of the acrobat, i.e., jumping at high height, generates high forces during landing, which set in motion the board. The equipment then enables the transfer of this force to the other acrobat taking-off. This acrobat should use an optimal technique with a precise timing and muscular contribution, to gain sufficient height for their performance. This body of work demonstrated that the most important factor influencing the impact forces and loading rates was jump height (40% of relative influence). Maximal recorded force was 13.5 times the acrobat’s bodyweight, raising concerns about risk of injury. Jump height was mainly influenced by the vertical velocity of the center of mass of the acrobat landing, the vertical velocity of the teeterboard and the hip range of motion at take-off. The last two parameters can be controlled by acrobats, trainers, or designers of Korean teeterboard. We also found that novice acrobats are longer in the following phases: preparation for take-off, take-off, and landing. However, there was no clear difference in muscular amplitude during take-off and landing between novice and professional acrobats. This indicates that timing may be more important than muscular amplitude. We showed that recoil effect (elastic strain energy of the board) strongly contributed to the jump height (46% of relative influence). Finally, the most important mechanical parameter to quantify and compare teeterboards was the stiffness. The stiffness of the four teeterboards analyzed in this study ranged from 12.2 kN/m to19.6 kN/m. This result can guide future designs of teeterboard. The results from this thesis highlight the fact that temporal synchronization of the movement from both acrobats and the movement of the board is crucial in this discipline.

Les études neurophysiologiques de la prise de décision, traditionnellement ancrées dans des principes neuro-économiques, ont évoluées pour inclure une variété d’aires du cerveau. Partant d’abord du lobe frontal associé aux jugements de valeur, le champ s’est élargi pour inclure d’autres types de décisions incluant les décisions perceptuelles et les décisions incarnées qui impliquent notamment les aires sensorimotrices du cerveau. La théorie moderne de la prise de décision modèle l’activité neurale dans ces régions comme une compétition entre les différents stimuli et actions considérés par un individu. Cette compétition est résolue lorsque l’activité neurale associée à un stimulus ou une action choisie atteint un seuil critique. Toutefois, il reste à éclaircir comment ce modèle s’applique aux décisions effectuées alors que l’individu est déjà engagé dans une activité. Dans ce mémoire nous examinons ce type de décision chez des sujets humains dans une tâche de suivi continu. Des cibles « choix » apparaissaient sur un écran pendant que le sujet suivait de la main une cible qui se déplaçait doucement en continu. Le sujet pouvait ignorer ces cibles choix, ou abandonner la cible suivie pour toucher une cible choix, dans quel cas la cible sélectionnée devenait la nouvelle cible à suivre du doigt. Tel qu’attendu, nous avons observé que les sujets favorisaient les cibles plus proches, plus grandes, et les cibles alignées avec l’axe du mouvement. Toutefois nous avons été surpris de constater que les sujets ignoraient les coûts énergétiques du mouvement, tel que modélisés. Un biais pour minimiser les coûts du mouvement fut réintroduis lorsque la tâche fut divisée en séries de mouvements point-à-point, plutôt qu’un mouvement continu. Même si nous ne pouvons expliquer ce résultat surprenant, nous espérons qu’il inspire de futures études utilisant le paradigme expérimental de décision durant l’action. / Neurophysiological studies of decision-making have expanded over decades to involve many brain areas. The field broadened from neuroeconomics, mainly concerned with frontal regions, to perceptual or embodied decision-making involving several sensorimotor areas where neural activity is linked to the stimuli and actions necessary for the decision process. Current models of decision-making envision this neural activity as a competition between different actions that is resolved when enough activity favors one over the other. However, it is unclear how such models can explain decisions often present in natural behavior, where deliberation takes place while already engaged in an action. In this thesis, we examined the choices human subjects made as they were engaged in a continuous tracking task. While they were manually tracking a target on a flat screen, subjects were occasionally presented with a new target to which they could freely choose to switch, whereupon it became the new tracked target. As expected, we found that subjects were more likely to move to closer targets, bigger targets, or targets that were aligned to the direction of movement. However, we were surprised that subjects did not choose targets that minimized energetic cost, as calculated by a biomechanical model of the arm. A biomechanical bias was restored when the continuous movement was broken up into a series of point to point movements. While we cannot yet explain these findings with certainty, we hope they will inspire further studies using decide-while-acting paradigms.

La compréhension des propriétés biomécaniques de la tête du nerf optique (TNO) est cruciale pour la gestion de conditions telles que le glaucome et le Syndrome Neuro-Oculaire Lié à l'Espace (SNOE). Cette thèse propose d’utiliser l'imagerie par tomographie de cohérence optique vidéo à haute fréquence (V-OCT) traitée avec des algorithmes de traitement d'image existants pour évaluer quantitativement la déformation pulsatile de la TNO due aux cycles cardiaques. Cette méthode est utilisée afin d’investiguer deux phénomènes: la réponse biomécanique de la TNO dans les conditions terrestres; et la réponse du TNO dans l'environnement de microgravité de l'espace. Le premier segment de cette thèse présente une nouvelle méthode non-invasive pour mesurer le déplacement pulsatile de la TNO via l'OCT vidéo (V-OCT), offrant des progrès significatifs dans la quantification des propriétés biomécaniques de l'œil in vivo. Une validation approfondie de cette technique, à la fois numérique et expérimentale, a confirmé la sensibilité de l'algorithme aux déformations induites, sa robustesse face à divers niveaux de bruit, et sa répétabilité. Deux groupes d’individus, sains et myopes, ont été évalués sous différentes conditions de contrainte physiologique. La déformation pulsatile des tissus de la TNO a été capturée quantitativement et représentée sous forme de cartes de déformation, montrant la sensibilité de la méthodologie aux déformations induites et la robustesse aux interférences de bruit élevé. Pour les sujets dont les yeux ont une longueur axiale de moins de 25mm, des différences notables de déformation pulsatile médiane ont émergé entre les positions primaires et en abduction de l'œil, avec une reproductibilité confirmée via des coefficients de corrélation intra-classe élevés. Ayant validé la méthode, elle a donc a été appliquée à une cohorte de glaucomateux pour examiner l'impact de la réduction de la pression intraoculaire (PIO) sur le déplacement pulsatile de la TNO. Chez les patients atteints de glaucome primaire à angle ouvert (GPAO), en particulier ceux sans myopie axiale, les interventions abaissant la PIO ont conduit à une réduction significative de la pulsation de la TNO. Cependant, les patients glaucomateux myopes n'ont affiché aucun changement substantiel, suggérant une relation nuancée entre la modulation de la PIO et la biomécanique de la TNO. Une étude de cohorte n’a révélé aucune différence marquée dans la pulsation de la TNO à travers divers degrés de gravité du glaucome. Pourtant, la déformation pulsatile a été corrélée à l'épaisseur de la couche de fibres nerveuses rétiniennes et à des mesures hémodynamiques spécifiques, soulignant les interconnexions complexes entre la biomécanique et l'hémodynamique oculaires. La dernière partie de cette thèse aborde les modifications de la rigidité oculaire chez les astronautes avant et après des vols spatiaux prolongés. En analysant les données de 26 yeux de 13 astronautes, la recherche a démontré des réductions significatives de la rigidité oculaire, de la pression intraoculaire et de l'amplitude du pouls oculaire après la mission. Ces découvertes explorent des effets précédemment inconnus de la microgravité sur les propriétés mécaniques de l'œil, améliorant notre compréhension du SNOE. Cette étude, tout en approfondissant notre compréhension des complexités biomécaniques et hémodynamiques de la TNO, démontre le potentiel du V-OCT comme outil pour le diagnostic et le suivi des conditions du nerf optique. Les techniques et les perspectives acquises ici posent également les bases pour de futures explorations prometteuses à la fois pour les patients atteints de glaucome et pour les astronautes. / The eye is a semi-rigid sphere with complex biomechanical properties. Chronic disease or stress like space flight can interfere with these properties, leading to vision loss. Noninvasive measurements of the biomechanical properties of the optic nerve head (ONH) could provide better tracking and management of conditions such as glaucoma and Space-Related Neuro-Ocular Syndrome (SANS). This thesis proposes to use high-frequency optical coherence tomography video imaging (V-OCT) with existing image processing algorithms to quantitatively evaluate the pulsatile displacement of the ONH due to cardiac cycles. This methodology is applied across two streams of research: examining the ocular biomechanical response of the ONH under terrestrial conditions; and the ONH deformation in the microgravity environment of space. The first section of this thesis introduces a non-invasive method to measure ONH pulsatile displacement via video-based OCT (V-OCT), quantifying biomechanical eye properties in vivo. A thorough validation of this technique, both numerically and experimentally, confirmed the algorithm’s sensitivity to induced deformation, robustness against various noise levels, and repeatability. Two groups, healthy and myopic individuals, underwent assessment under different physiological strain conditions. Pulsatile ONH tissue deformation was quantitatively captured and represented as deformation maps. For those subjects with eyes with an axial length of less than 25mm, notable median pulsatile displacement differences were found between primary and abducted eye positions. Reproducibility was confirmed via high intraclass correlation coefficients. Building on this foundation, the method was applied to a cohort of glaucoma patients to examine the impact of IOP reduction on ONH pulsatile displacement. In primary open-angle glaucoma (POAG) patients, particularly those without axial myopia, IOP-lowering interventions significantly reduced ONH pulsation. However, myopic glaucoma patients displayed no substantial changes, suggesting that myopic status moderates the relationship between IOP modulation and ONH biomechanics. This pilot study was expanded to a larger cross-sectional cohort study (N=176), revealing a decrease in ONH pulsatile displacement in people with early and moderate glaucoma compared to controls. . In addition, pulsatile displacement correlated with retinal nerve fiber layer thickness and specific hemodynamic measures, showing that ocular biomechanics and hemodynamics are closely linked. The last section of the thesis investigates ocular rigidity alterations in astronauts before and after extended space flights. Analyzing data from 26 eyes of 13 astronauts, significant reductions in ocular rigidity were observed; similarly, intraocular pressure and ocular pulse amplitude were reduced post-mission. These findings reveal previously undocumented microgravity effects on the eye's mechanical properties, improving our comprehension of SANS. This thesis demonstrates the potential of V-OCT as a tool for the diagnosis and assessment of the progression of optic nerve conditions. By gaining a deeper understanding of the biomechanical and hemodynamic intricacies of the ONH, we lay the groundwork for future explorations that hold promise for both glaucoma patients and astronauts.

La paralysie cérébrale est le trouble neuromoteur le plus fréquent chez l’enfant, représentant 2,3 cas sur 1000 naissances. La paralysie cérébrale se caractérise par des troubles du mouvement et de la posture, causés par une lésion sur le cerveau en développement. Comparativement aux enfants ayant un développement typique, les enfants avec la paralysie cérébrale présentent une capacité réduite à marcher, réduisant leur autonomie et leur participation dans divers contextes et environnements. Le contrôle moteur limité des enfants avec la paralysie cérébrale a été associé à leur capacité altérée à adapter simultanément le mouvement de plusieurs articulations (p. ex. trouble de coordination interarticulaire). Ce contrôle moteur altéré est associé à une marche variable et instable (p. ex. plus grande variabilité inter-cycle). Cependant, il y a un manque de connaissances sur les stratégies motrices utilisées par les enfants avec la paralysie cérébrale pour contrôler leur marche dans des contextes où la stabilité de la marche est compromise. Les analyses quantifiées de la marche sont des évaluations cliniques en laboratoire, favorisant une meilleure prise de décision thérapeutique. Cependant, lors de ces analyses, l’enfant doit marcher sur une surface nivelée, sans irrégularité. Cette condition contrôlée et favorisant l’évaluation de la capacité maximale n’est pas représentative de la marche réelle de l’enfant dans ses déplacements quotidiens. L’évaluation de la marche sur des surfaces irrégulières est une évaluation plus écologique qui permettrait de mieux comprendre les défis rencontrés par l’enfant dans son quotidien, permettrait de détecter des troubles moteurs qui étaient non apparents dans des conditions facilitantes, et pourrait favoriser une meilleure décision clinique. Ainsi, l’objectif général de cette thèse est de mieux comprendre l’intérêt d’utiliser des surfaces irrégulières pour évaluer les troubles de la marche de l’enfant avec une paralysie cérébrale. Pour ce faire, trois objectifs spécifiques ont été définis : (1) Établir l’état actuel des connaissances sur les adaptations biomécaniques de la marche sur des surfaces irrégulières de l’enfant avec une paralysie cérébrale. (2) Étudier la coordination interarticulaire des membres inférieurs et sa variabilité de l’enfant avec une paralysie cérébrale sur une surface régulière et des surfaces irrégulières. (3) Étudier les paramètres spatiotemporels de la marche et leur variabilité inter-cycle sur une surface irrégulière de l’enfant avec une paralysie cérébrale. Pour ce faire, 17 enfants avec la paralysie cérébrale et 17 enfants avec un développement typique ont été recrutés. Les analyses quantifiées de la marche ont été réalisées dans le laboratoire d’analyse de la marche du Centre de réadaptation Marie Enfant du CHU Sainte-Justine. Lors des analyses, il était demandé à l’enfant de marcher 4 allers-retours sur la surface de laboratoire et sur 2 surfaces irrégulières (niveau d’irrégularité moyen et élevé). La position des marqueurs positionnés sur l’enfant était enregistrée par 12 caméras optoélectroniques. Les paramètres cinématiques, soit les angles articulaires de la hanche, du genou et de la cheville, et la coordination interarticulaire, ainsi que les paramètres spatiotemporels ont été calculés. La première étude réalisée est une revue de portée qui a permis de mettre en lumière le manque de connaissances sur l’effet du niveau d’irrégularité sur les adaptations biomécaniques de la marche de l’enfant avec la paralysie cérébrale. La deuxième étude a exploité une base de données du laboratoire Aschau en Allemagne, et s’est intéressée aux stratégies de coordination interarticulaire et à sa variabilité chez l’enfant avec et sans la paralysie cérébrale sur une surface régulière. Une stratégie de coordination genou-hanche plus rigide (synchronisée) a été remarquée chez les enfants avec la paralysie cérébrale, comparativement aux enfants avec un développement typique. De plus, cette dernière met en lumière la relation positive entre l’altération du contrôle moteur (coordination interarticulaire synchronisée) et la pathologie de la marche de l’enfant avec la paralysie cérébrale (augmentation du Gait Profile Score). La troisième étude était basée sur la collecte de données réalisée au centre de réadaptation Marie Enfant et a permis d’identifier des troubles moteurs qui sont non apparents lors de la marche sur une surface de laboratoire, notamment une diminution de l'extension de la hanche en fin de phase d'appui et une stratégie de coordination genou-hanche trop rigide (synchronisée) pendant la phase d’oscillation. Basée sur la même collecte de données, la quatrième étude a mis en évidence une plus grande adaptation des paramètres spatiotemporels de la marche (c.-à-d. la largeur de pas et la variabilité de la vitesse, de la cadence et du ratio de marche) chez l’enfant avec une paralysie cérébrale, comparativement à l’enfant avec un développement typique, lors de la marche sur une surface irrégulière. À ce jour, il s’agit des premiers travaux à avoir exploré les stratégies du contrôle moteur de l’enfant avec la paralysie cérébrale pour adapter la marche sur des surfaces irrégulières, ainsi qu’à avoir quantifié l’effet du niveau d’irrégularité de la surface parcourue. En conclusion, les résultats de ces travaux de thèse mettent de l’avant les avantages potentiels d’intégrer les surfaces irrégulières aux analyses cliniques de la marche afin de réaliser des évaluations plus écologiques, notamment en détectant des troubles de la marche qui sont non apparents sur une surface régulière de laboratoire. / Cerebral palsy is the most common neuromotor disorder in children, affecting 2.3 out of every 1000 births. It is characterized by movement and posture disorders caused by an injury to the developing brain. Compared to typically developing children, children with cerebral palsy have a reduced ability to walk, which decreases their autonomy and participation in various contexts and environments. The limited motor control of children with cerebral palsy has been related to their impaired ability to simultaneously coordinate the movement of multiple joints (e.g., inter-joint coordination disorder). This altered motor control is associated with variable and unstable walking (e.g., increased inter-cycle variability). However, there is a lack of knowledge about the motor strategies used by children with cerebral palsy to control their walking in contexts where stability is compromised. Quantified gait analyses are clinical evaluations conducted in laboratories that promote better therapeutic decision-making. However, during these analyses, the child walks on a flat, regular surface. This controlled condition, which facilitates the assessment of maximum capacity, does not represent the child’s actual walking in daily life. Evaluating gait on irregular surfaces is a more ecological assessment that would better understand the challenges faced by the child in daily life, detect motor disorders not apparent in facilitating conditions, and promote better clinical decision-making. Thus, the objective of this thesis is to better understand the benefit of using irregular surfaces to assess gait disorders in children with cerebral palsy. To achieve this, three objectives have been defined: (1) Establish the current state of knowledge on the biomechanical adaptations of walking on irregular surfaces in children with cerebral palsy. (2) Study the inter-joint coordination of the lower limbs and its variability in children with cerebral palsy on regular and irregular surfaces. (3) Investigate the spatiotemporal parameters of gait and their intercycle variability on an irregular surface in children with cerebral palsy. For this purpose, 17 children with cerebral palsy and 17 typically developing children were recruited. Quantified gait analyses were conducted in the gait laboratory of the Marie Enfant Rehabilitation Centre at CHU Sainte-Justine. During the analyses, the child was asked to walk back and forth four times on the laboratory surface and on two irregular surfaces (medium and high irregularity levels). The position of markers placed on the child was recorded by 12 optoelectronic cameras. Kinematic parameters, such as the joint angles of the hip, knee, and ankle, inter-joint coordination, and spatiotemporal parameters were calculated. The first study conducted was a scoping review that highlighted the lack of knowledge on the effect of irregularity levels on the biomechanical adaptations of gait in children with cerebral palsy. The second study utilized a database from the Aschau laboratory in Germany and focused on the inter-joint coordination strategies and their variability in children with and without cerebral palsy on a regular surface. A more rigid (synchronized) knee-hip coordination strategy was observed in children with cerebral palsy compared to typically developing children. Additionally, this study highlighted the positive relationship between impaired motor control (synchronized inter-joint coordination) and the gait pathology of children with cerebral palsy (increased Gait Profile Score). The third study was based on data collected at the Marie Enfant Rehabilitation Centre and identified motor disorders that were not apparent during walking on a laboratory surface, notably reduced hip extension at the end of the stance phase and a too rigid (synchronized) knee-hip coordination strategy during the swing phase. Based on the same data collection, the fourth study demonstrated greater adaptation of spatiotemporal gait parameters (i.e., step width and variability of speed, cadence, and walking ratio) in children with cerebral palsy compared to typically developing children when walking on an irregular surface. To date, these are the first works to have explored motor control strategies in children with cerebral palsy to adapt walking on irregular surfaces, as well as to have quantified the effect of surface irregularity level. In conclusion, the results of this thesis highlight the potential benefits of integrating irregular surfaces into clinical gait analyses to conduct more ecological evaluations, particularly in detecting gait disorders that are not apparent on a regular laboratory surface.

Les trampolinistes repoussent continuellement les limites de leur sport en présentant de nouvelles acrobaties lors des compétitions. La complexité de la biomécanique impliquée dans les acrobaties complique la création de nouvelles acrobaties qui soient à la fois réalistes et sécuritaires. Malheureusement, l’essai-erreur de techniques acrobatiques innovantes comporte des risques pour les athlètes. Pour éviter les blessures, les entraîneurs commencent souvent par enseigner des techniques génériques à leurs athlètes, puis les guident empiriquement dans une personnalisation ou une amélioration étape par étape de ces techniques. Cette méthode peut être chronophage et ne pas toujours produire des résultats optimaux. La simulation prédictive est une alternative numérique sécuritaire, offrant aux entraîneurs des techniques acrobatiques performantes, sécuritaires et innovantes. À ce jour, les études qui ont investigué les techniques acrobatiques en utilisant la simulation prédictive n’ont considéré que quelques degrés de liberté, n’ont pas pris en compte le besoin d’information visuelle des athlètes et n’ont pas évalué l’impact de la morphologie des athlètes sur les techniques acrobatiques, limitant le transfert des techniques vers le terrain. Cette thèse visait à approfondir la connaissance sur les techniques acrobatiques aériennes pour améliorer la performance des trampolinistes canadiens grâce à un projet MITACS impliquant À nous le podium, Gymnastique Canada et l’Institut National du Sport du Québec. Cinq objectifs spécifiques ont été définis : (1) évaluer l’amélioration de la performance de vrille apportée par l’utilisation de mou- vements de bras tridimensionnels (3D) au lieu de bidimensionnels (2D), (2) identifier les techniques les plus efficaces pour les saltos vrillés se terminant en position carpée en incluant des contraintes de non-collision, (3) évaluer l’impact des caractéristiques anthropométriques sur les techniques acroba- tiques optimales, (4) évaluer le comportement visuomoteur des trampolinistes élites et sous-élites lors de saltos vrillés en utilisant un oculomètre et (5) identifier des techniques acrobatiques efficaces et sécuritaires en incluant des objectifs visuels. La première étude a comparé la vrille créée en utilisant des mouvements de bras optimaux 2D et 3D. Un problème de commande optimale a été formulé pour maximiser la vrille lors d’un salto arrière tendu en utilisant l’abduction/adduction des bras avec (3D) et sans (2D) changements de plan d’élévation. L’utilisation de mouvements de bras 3D a permis de générer jusqu’à 4,9 vrilles au lieu de 2,94 avec les techniques 2D. Pour des performances similaires, nous avons également observé que les techniques 3D étaient plus simples et nécessitaient moins d’efforts que les techniques 2D. Cette étude a introduit un principe d’entraînement : une performance de vrille optimale peut être atteinte en déplaçant le bras dans un plan formé par les axes de vrille et du moment cinétique, appelé best tilting plane. Dans une deuxième étude, des techniques de durée minimale pour une, deux ou trois vrilles avant de carper ont été générées avec et sans contrainte de non-collision. Nous avons montré que les contraintes de non-collision modifient les techniques optimales sans augmenter de manière significative la durée des mouvements (une vrille : p=0,69, deux vrilles : p=0,85, trois vrilles : p=0,07). Cette étude suggère que les athlètes pourraient générer jusqu’à trois vrilles lors d’un salto avant de terminer en position carpée, une acrobatie qui n’a encore jamais été réalisée en compétition. Cette étude a mis en évidence une stratégie de vrille 3D efficace : un mouvement circulaire des hanches. En testant cette stratégie avec une athlète élite féminine, nous avons observé une amélioration significative de sa performance. Dans une troisième étude, nous avons évalué les techniques optimales de double salto avant en position carpée se terminant avec 11/2 ou 21/2 vrilles générées en utilisant les paramètres inertiels des segments de 18 athlètes acrobatiques. Cinq, trois et deux stratégies de vrilles ont été identifiées à partir de la cinématique du bras droit, du bras gauche et des hanches, respectivement. L’utilisation de ces stratégies différait dépendamment de l’anthropométrie considérée et l’amplitude d’exécution des stratégies a varié jusqu’à 27%. Cette étude a introduit une méthode pour estimer le potentiel de vrille de chaque athlète afin d’aider les entraîneurs à faire des choix éclairés de techniques acrobatiques et à fournir des instructions appropriées à des athlètes d’une grande diversité corporelle. Dans une quatrième étude, nous avons caractérisé le comportement du regard des trampolinistes en comparant les stratégies utilisées par huit élites et neuf sous-élites lors de quatre acrobaties. Les trampolinistes étaient équipés de 17 centrales inertielles et d’un oculomètre portatif. Nous avons observé que le comportement visuomoteur des deux groupes était similaire, avec seulement une différence révélée : les élites ont fait plus de fixations que les athlètes sous-élites (p=0,033). Cette étude a également révélé une stratégie visuelle spécifique au sport que nous avons appelée détection du mouvement propre, qui consiste à ne pas bouger les yeux pendant les rotations rapides de la tête. La stratégie de détection du mouvement propre était principalement utilisée durant la phase de vrille des acrobaties. Enfin, dans la cinquième étude, nous avons généré des techniques acrobatiques optimales qui permettraient aux athlètes d’utiliser l’information visuelle pour corriger leurs erreurs d’exécution. Pour atteindre ce but, des objectifs imitant le comportement du regard des trampolinistes identifié dans la quatrième étude ont été inclus dans la fonction coût du problème de commande optimale. La pertinence de ces objectifs a été confirmée puisque les techniques acrobatiques générées étaient similaires à la technique d’une athlète élite. Cette étude a révélé que les athlètes modifient l’instant d’initiation de leur vrille pour permettre de voir plus longtemps la toile du trampoline. Dans cette étude, nous avons été les premiers à solliciter l’avis d’entraineurs et de juges pour évaluer la pertinence des techniques simulées. Les juges ont préféré les techniques optimales a la technique dune athlete elite (salto arrière tendu incluant une vrille : -0.13 contre -0.22, double salto arrière carpé incluant 2 vrilles : -0.13 contre -0.43 point de déduction selon le code de pointage). En conclusion, cette thèse a contribué à augmenter le réalisme des techniques générées par simulation prédictive en incluant un degré de liberté supplémentaire à l’épaule, des contraintes de non-collision, des objectifs visuels et les paramètres inertiels des segments de plusieurs athlètes. Des implications pratiques pour l’entraînement ont été extraites des tech- niques optimales générées pour le salto arrière vrillé tendu, le salto vrillé avant se terminant en position carpée et le double salto avant carpé se terminant en vrille. Des principes d’entraînement émergeant des simulations ont été testés sur des athlètes réels avec succès. Ces principes seront transférés sur le terrain au cours du prochain cycle olympique. / Trampolinists continuously push the sport’s limits by presenting novel acrobatics in com- petitions. The complex biomechanics involved in trampoline acrobatics makes it challenging for coaches to create new, feasible, and safe acrobatics. Unfortunately, trial-and-error of innovative acrobatic techniques is risky for athletes. To avoid injuries, coaches often start by teaching established generic techniques to their athletes and then empirically guide them in a step-by-step personalization or enhancement of the techniques. This method can be time-consuming and may not always yield optimal results, as safety must be ensured at each step. Predictive simulation is a safe numerical alternative, providing coaches with efficient, safe, and innovative acrobatic techniques. Currently, studies investigating acrobatic techniques using predictive simulation have considered only a few degrees of freedom and have not considered the athletes’ need for visual feedback nor the impact of the athletes’ morphology on the acrobatic techniques, limiting the transferability of the techniques to the field. This thesis aimed to deepen the knowledge relative to aerial acrobatic techniques to increase trampolinists’ performance, especially in Canada, thanks to a MITACS project involving Own the Podium, Gymnastics Canada and Institut National du Sport du Québec. Five specific objectives were defined: (1) assess the twist creation performance improvement brought by using three- dimensional (3D) instead of two-dimensional (2D) arm movements; (2) identify the most efficient techniques for twisting somersaults ending in pike position by including non-collision constraints; (3) assess the impact of anthropometry characteristics on optimal acrobatic techniques; (4) assess the visuomotor behavior of elite and sub-elite trampolinists during twisting somersaults using eye-tracking; and (5) identify efficient and safe acrobatic techniques by including visual objectives. The first study compared the twist rotation created using optimal 2D and 3D arm movements. An optimal control problem was stated to maximize the twist rotation during a straight backward somersault using arm abduction/adduction with (3D) and without (2D) changes in plane of elevation. Using 3D arm movements allowed for generating up to 4.9 twists instead of 2.94 using 2D techniques. For similar performances, we also observed that 3D techniques were simpler and required less effort than 2D techniques. This study introduced a coaching principle: optimal twisting performance can be achieved by moving the arm in a plane formed by the twisting and angular momentum axes, termed as the best tilting plane. In a second study, minimum duration techniques for one, two, or three twists before piking were generated with and without a non-collision constraint. We showed that non-collision constraints modified the optimal techniques without significantly increasing movement duration (one twist: p=0.69, two twists: p=0.85, three twists: p=0.07). This study suggests that athletes could generate up to three twists during a forward somersault ending in pike position, an acrobatic that has never been performed in competition. This study highlighted an efficient 3D twisting strategy, namely, a circular motion of the hips. When we tested this strategy with one elite female athlete, we saw a significant performance improvement. In the third study, we assessed the differences in optimal techniques of double forward somersault in pike position ending with 11/2 or 21/2 twists generated using the segment inertial parameters of 18 acrobatic athletes. Five, three, and two twisting strategies were identified from the kinematics of the right arm, left arm, and hips, respectively. The usage of these strategies differed depending on the anthropometry considered, and the execution amplitude of the techniques varied up to 27%. This study introduced a method to estimate each athlete’s twist potential to help coaches make enlightened choices regarding acrobatic techniques. This study should help coaches provide appropriate instructions to athletes on a wide range of body diversity. In the fourth study, we characterized the gaze behavior of trampolinists by comparing the strategies used by eight elites and nine sub-elites during the execution of four acrobatics. Trampolinists were equipped with 17 inertial measurement units and a wearable eye-tracker. We observed a similar visuomotor behavior between both groups, with only one difference revealed: elites did more fixations than sub-elite athletes (p=0.033). This study also revealed a unique sport-specific visual strategy that we termed self-motion detection, which consists of not moving the eyes during fast head rotations. Self-motion detection was mainly used during the twisting phase of the acrobatics. Finally, in the fifth study, we generated optimal acrobatic techniques that would allow athletes to use visual feedback to correct execution errors. To achieve this goal, objective terms mimicking the gaze behavior of trampolinists identified in the fourth study were included in the optimal control problem cost function. The relevance of these objective terms was confirmed as the acrobatic techniques generated were closer to an elite athlete’s technique. This study revealed that athletes modify the timing of their twist rotation to allow seeing the trampoline bed longer. In this study, we were the first to seek the opinions of coaches and judges to evaluate the relevance of the simulated techniques. Judges preferred the optimal techniques to an elite athlete’s technique (straight backward somersault including one twist: -0.13 vs -0.22, piked double backward somersault with two twists: -0.13 vs -0.43 point deducted according to the code of points). In conclusion, this thesis helped increase the realism of techniques generated through predictive simulations by including an additional degree of freedom at the shoulder, non-collision constraints, visual objectives, and segment inertial parameters from multiple athletes. Practical implications for coaching were extracted from the optimal techniques generated for the straight backward twisting somersault, the forward twisting somersault ending in pike position, and the double forward pike somersault ending with twists. Some coaching principles emerging from the simulations were successfully tested with real athletes. These principles will be transferred to the field during the upcoming Olympic cycle.