Thesis (MScEng (Mechanical and Mechatronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: Optical motion capture (Mocap) systems measure 3D human kinematics accurately and at high sample rates. One of the limitations of these systems is that they can only be used indoors. However, advances in inertial sensing have led to the development of inertial Mocap technology (IMCT). IMCT measures kinematics using inertial measurement units (IMUs) attached to a subject's body without the need for external sensors. It is thus completely portable which opens up new horizons for clinical Mocap. This study evaluates the use of IMCT for improving road cycling kinematics. Ten male sub-elite cyclists were recorded with an IMCT system for one minute while cycling at 2, 3.5 and 5.5 W.kg-1 on a stretch of road and on a stationary trainer. A benchmark test was also done where cycling kinematics was measured simultaneously with the IMCT and a gold-standard Vicon optical system. The first goal was to assess the feasibility of conducting field measurements of cycling kinematics. Magnetic analysis results showed that the IMUs near the pedals and handlebars experienced significant magnetic interference (up to 50% deviation in intensity) from ferrous materials in the road bicycles, causing significant errors in kinematic measurement. Therefore, it was found that the IMCT cannot measure accurate full-body kinematics with the subject on a road bicycle. However, the results of the benchmark test with the Vicon showed that the IMCT can still measure accurate hip (root mean square error (RMSE) < 1°), knee (RMSE < 3.5°) and ankle (RMSE < 3°) flexion using its Kinematic Coupling algorithm. The second goal was to determine whether there is a significant difference between road cycling kinematics captured on the road and in a laboratory. The outdoor flexion results were significantly different to the indoor results, especially for minimum flexion (P < 0.05 for all joints). Changes in rider kinematics between high and low power were also found to have significantly more variability on the road (R2 = 0.36, 0.61, 0.08) than on the trainer (R2 = 0.93, 0.89, 0.56) for the hip, knee and ankle joints respectively. These results bring into question the ecological validity of laboratory cycling. Lastly, applications of IMCT for optimizing cycling performance were to be identified. Several aspects of kinematic analysis and performance optimization using the IMCT were evaluated. It was determined that IMCT is most suited for use as a dynamic bicycle fitting tool for analysis of biomechanical efficiency, bilateral asymmetry and prevention of overuse injuries. Recommendations for future work include the elimination of the magnetic interference and integration of the IMCT data with kinetic measurements to develop an outdoor dynamic fitting protocol. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Optiese bewegingswaarnemingstelsels (BWS) meet drie-dimensionele menslike kinematika met hoë akkuraatheid en teen hoë monstertempo's. Een van die nadele van BWS is dat hulle slegs binnenshuis gebruik kan word. Onlangse ontwikkelings in sensor tegnologie het egter gelei na die beskikbaarheid van traagheids-BWS-tegnologie (TBT). TBT gebruik traagheidsmetingseenhede (TMEs) wat aan 'n persoon se liggaam aangeheg kan word om die kinematika te verkry sonder enige eksterne sensore. TBT is dus volkome draagbaar, wat nuwe geleenthede skep vir kliniese bewingsanalises. Hierdie projek evalueer die gebruik van TBT vir die verbetering van fietsry kinematika. Tien kompeterende fietsryers (manlik) was getoets met 'n TBT terwyl hulle teen 2, 3.5 and 5.5 W.kg-1 gery het op 'n pad, en op 'n stilstaande oefenfietsraam. 'n Maatstaftoets was ook uitgevoer waar fietsry-kinematika gelyktydig met die TBT en die Vicon optiese BWS opgeneem was. Die eerste doel van die navorsing was om die moontlikheid te ondersoek of fietsryer kinematika op die pad gemeet kan word. Die resultate toon dat die ferro-magnetiese materiale wat in meeste padfietse voorkom, 'n beduidende magnetiese steuring (tot 50% afwyking in intensiteit) op die TMEs naby die pedale en handvatsels veroorsaak, wat lei tot aansienlike foute in die kinematiese metings. Gevolglik was dit gevind dat die TBT nie volle-liggaam kinematika op 'n fiets kan meet nie. Nogtans, het die resultate van die Vicon maatstaftoets bewys dat die TBT nog steeds akkurate heup (wortel van die gemiddelde kwadraad fout (WGKF) < 1°), knie (WGKF < 4°) en enkel (WGKF < 3°) fleksie kan meet met die “Kinematiese Koppeling” algoritme. Die tweede doel was om te bepaal of daar 'n beduidende verskil tussen die laboratorium en pad fietsry-kinematika is. Die buitelug fleksie data het beduidend verskil van die binnenshuise resultate, veral vir minimum fleksie (P < 0.05 vir alle gewrigte). Veranderinge in fietsryer kinematika tussen hoë en lae krag het ook beduidend meer variasie op die pad (R2 = 0.36, 0.61, 0.08) as op die oefenfietsraam (R2 = 0.93, 0.89, 0.56) vir die heup, knie en enkel gewrigte, onderskeidelik, gehad. Hierdie resultate bevraagteken die ekologiese geldigheid van kinematiese toetse op fietsryers in 'n laboratorium. 'n Laaste doel was om die toepassings van TBT vir die optimering van fietsry kinematika te ondersoek. 'n Verskeidenheid aspekte van die analise en verbetering van fietsry kinematika met die TBT word bespreek. Die gevolgtrekking is dat TBT geskik is vir gebruik as 'n dinamiese instrument vir die analise van biomeganiese doetreffendheid, bilaterale asimmetrie en die voorkoming van beserings. Aanbevelings vir toekomstige werk, sluit in die uitskakeling van die magnetiese inmenging, asook die integrasie van die TBT data met kinetiese metings.

La lombalgie est une douleur de la région lombaire du rachis. Un des moyens communément utilisés pour soulager cette douleur est le port d’orthèses lombaires. Bien que l’efficacité de ces orthèses soit démontrée, leur mode d’action reste mal connu. L’objectif de ce projet est d’analyser ce mode d’action dans le cas de ceintures de soutien lombaire.En lien avec des médecins et un industriel, trois approches ont été mises en œuvre. Premièrement, une approche expérimentale a permis de déterminer les propriétés mécaniques des ceintures de soutien lombaire et d’évaluer la pression appliquée suivant ces propriétés. Secondairement, la pression appliquée par les ceintures a été mesurée par une approche clinique. Cette pression a été liée à la diminution de la douleur engendrée par les ceintures, au bien-être ressenti, à la modification de la posture et à la déformation de la ceinture. Troisièmement, une approche numérique a servi à montrer les paramètres influents sur le soulagement de la douleur.Un des modes d’action des ceintures de soutien lombaire, mis en évidence dans ce projet, est la pression appliquée sur le tronc qui engendre une variation des pressions abdominale et intradiscale, ainsi qu’une modification de la posture. La pression appliquée dépend, entre autres, des caractéristiques mécaniques des ceintures. Les résultats mettent en évidence l’importance de maitriser cette pression appliquée ainsi que la spécificité du patient sur les effets mécaniques des ceintures.Les différentes approches sont complémentaires ; elles sont des moyens de caractérisation des orthèses qui pourraient être utilisés pour d’autres orthèses et également aider au développement de produits. / Low back pain is a pain felt in the lumbar region of the spine. Lumbar orthotics might be used to relieve this pain. Efficacy of lumbar orthotics was proved, but mechanical effects remain unclear. Aim of this project if to analyze these mechanical effects for lumbar belts, a specific lumbar orthotic.In relation with clinicians and manufacturer, three different approaches were developed. First, experimental approach permits to determine mechanical properties of lumbar belts and to evaluate applied pressure related to these mechanical properties. Second, applied pressure by lumbar belts was measured using a clinical approach. This pressure has been related to the decrease in pain, to the wellbeing felt, to the modification of posture and to the lumbar belts strain. Third, numerical approach was used to demonstrate the influential parameters on pain relief.One of mechanical effects of lumbar belts, highlighted in this project, is the pressure applied on the trunk which causes change in abdominal and intradiscal pressure and posture. The applied pressure depends on the mechanical properties of the belts. Results demonstrate the importance of mastering the applied pressure and the specificity of the patient on the mechanical effects of belts. The different approaches are complementary; they are orthotics characterization tools that could be used for others orthotics and also helps in the development of new products.

L’articulation du genou est sujette à de nombreuses pathologies pouvant entraîner des instabilités. Les démarches thérapeutiques incluent communément le port d’orthèses, dans le but de stabiliser ou limiter les mouvements articulaires. Malgré une forte prescription, l’évaluation de ces dispositifs manque encore de standardisation.En lien avec des médecins et des industriels, différents outils ont été développés pour évaluer leur efficacité biomécanique. Un modèle éléments finis d’un membre inférieur appareillé a notamment permis d’étudier l’effet de divers paramètres de conception d’une genouillère sur les pressions exercées et sur sa capacité à limiter un mouvement pathologique. Ce modèle a servi à valider un banc de test pouvant contribuer à l’innovation et la certification. Afin d’appréhender les problèmes de confort, le glissement des orthèses sur la peau a été caractérisé par des mesures de champ. Enfin, leurs actions in vivo ont été mesurées à l’aide d’un arthromètre sur des patients présentant une laxité.Les résultats mettent en évidence l’importance des caractéristiques techniques des orthèses et la spécificité du patient sur leurs niveaux d’action. Ainsi, il est possible de cibler des pathologies en jouant sur certains facteurs. Cependant, comparé aux structures de stabilisation passive (ligaments), le rôle des orthèses s’avère limité aux conditions de faibles sollicitations mécaniques. Néanmoins, leurs effets actifs et proprioceptifs (contrôle neuro-musculaire) seraient également à considérer.Ces outils s’avèrent complémentaires ; ils ouvrent la voie à des démarches d’évaluation standardisées et pourront également aider au développement de nouveaux produits. / The knee joint is vulnerable to various injuries and degenerative conditions, potentially leading to instabilities. Usual treatments involve orthoses, which are medical devices aimed at supporting, aligning or immobilizing the joint. However, the evaluation of these devices lacks standardisation despite high prescription and demand.In relation with clinicians and manufacturers, different tools were developed to assess their biomechanical efficiency. Firstly, a finite element analysis (FEA) of a braced lower limb was used to investigate the effects of brace design on its ability to prevent a pathological motion and understand the force transfer mechanisms. This model provided a basis to validate an experimental surrogate limb with the aim of providing an innovation and certification tool for manufacturers. In an attempt to apprehend comfort issues, full-field measurements of brace migration and FEA of contact pressures were performed. Finally, their in vivo actions were measured on ACL-deficient patients using a laxity testing device.Results highlight the importance of brace technical characteristics and patient-specificity on characterized levels of action and comfort. Furthermore, some key design factors allowed to target devices to particular pathologies. However, when compared to in vivo passive stabilizing structures (ligaments), the efficiency of knee braces was restrained to low load conditions. Nevertheless, these devices may also have a substantial effect on active stabilizing mechanisms such as neuro-muscular control.These tools were found to be complementary and may hopefully pave the way to a standardised procedure for evaluating and developing new designs.