Le but de ce travail est de déterminer les liens éventuels existant entre la force et l'équilibre agoniste / antagoniste des muscles rotateurs médiaux et latéraux de l'articulation scapulohumérale, et la stabilité scapulo-humérale. La première partie de ce travail est un rappel d'anatomie fonctionnelle, de physiologie articulaire et de biomécanique de l'articulation scapulo-humérale, ainsi que des aspects pathologiques en rapport avec la problématique de sa stabilité et de son exploration. La deuxième partie propose une analyse critique de la technique d'exploration de la force musculaire par dynamométrie isocinétique, afin de déterminer un protocole d'évaluation fiable et reproductible. Ainsi, nous choisissons d'utiliser la position d'évaluation la plus reproductible et la plus adaptée pour l'évaluation de sujets pathologiques : la position assise avec 45° d'abduction dans le plan de la scapula avec correction de la gravité. La troisième partie a pour objet de rechercher, à partir d'études cliniques originales, les liens existant entre la force musculaire des rotateurs médiaux et latéraux de l'épaule et l'instabilité antérieure chronique post-traumatique d'une part, et les adaptations de cette force avec certaines sollicitations sportives d'autre part. Bien qu'un déficit de la force musculaire des rotateurs médiaux et latéraux soit associé à l'instabilité antérieure chronique, nos études ne rapportent pas d'association entre le déséquilibre agoniste/antagoniste et l'instabilité antérieure chronique. Dans le cadre de la pratique de sports sollicitant les membres supérieurs, les adaptations de la force, avec une augmentation de la force des muscles rotateurs médiaux et latéraux du côté dominant, sont inconstantes, et surtout, nos résultats ne rapportent aucun déséquilibre agoniste/antagoniste induit par la pratique sportive. En conclusion, notre travail de thèse met en évidence des adaptations de la force musculaire sans perturbation de l'équilibre agoniste/antagoniste des rotateurs médiaux et latéraux de l'articulation scapulo-humérale, associées à l'instabilité scapulo-humérale ou induites par la pratique de sports sollicitant cette articulation. Prenant en compte les limites de notre expérimentation, on peut faire l'hypothèse que les adaptations physiologiques induites par la pratique sportive n'interviendraient pas comme un mécanisme de désadaptation, ou un facteur de risque prédisposant, à l'origine des pathologies de l'articulation scapulo-humérale. Ainsi, notre conclusion serait que l'équilibre agoniste / antagoniste aurait un rôle protecteur de la stabilité articulaire ; la survenue d'un déséquilibre musculaire agoniste / antagoniste serait alors secondaire à une lésion anatomique et marquerait le signe de son évolution longue et/ou péjorative

Le but de ce travail est d’améliorer les techniques de mesure cinématique tridimensionnelle (3D) afin d’étudier les schémas cinématiques du complexe de l’épaule et du rachis cervical chez des sujets sains et pathologiques. La première partie de ce travail propose un rappel d’anatomie fonctionnelle, une revue de la littérature de la cinématique du complexe scapulo-huméral et une mise au point sur les techniques de mesure de ces deux complexes articulaires. La deuxième partie de ce travail a pour objectif d’évaluer à partir d’études cliniques originales : - la reproductibilité des techniques de mesure des rotations des complexes scapulo-huméral et cervical et d’en proposer une amélioration par une analyse simultanée des translations du barycentre de la scapula ainsi que par la mesure couplée des deux complexes articulaire. - les schémas cinématiques de la scapula dans différents modèles de pathologies ostéo-articulaires au cours de gestes analytiques et fonctionnels. En conclusion, ce travail de thèse met en évidence : une variabilité intra-individuelle dans la capacité à reproduire un mouvement à l’identique avec le membre supérieur et à conserver la même précision dans le repositionnement de la tête. - des mouvements de translation 3D de la scapula, dont certains de grande amplitude, associés aux rotations des mouvements de faible amplitude du rachis cervical associés aux mouvements du membre supérieur en faveur de son rôle proprioceptif. - des schémas cinématiques scapulaires spécifiques : - de la lésion neurologique en cas de scapula alata dynamique. - de la nature fonctionnelle de la tâche en cas de pathologies ostéo-articulaires communes / The aim of this work was to improve the methods of kinematic assessment of the shoulder complex and of the cervical spine in order to improve understanding of scapular and cervical spine kinematics in asymptomatic and symptomatic subjects. The first part of this work provides a reminder of functional anatomy, a literature review of the 3D kinematics of the shoulder complex and issues relating to measurement techniques of both articular complexes. The second part is based on original clinical studies assessing: - the reliability of the measurement techniques of the rotations of both articular complexes and their enhancement by addition of scapular translations and the coupled mobility of the cervical spine and shoulder complexes. - the patterns of scapular kinematic in different ostéo-articular pathologies In conclusion, this work highlights: - intra-individual variability in the ability to reproduce a movement with the upper arm and in the accuracy of repositioning the head . -3D scapular translations (some with large ranges) associated with scapular rotations. - small movements of the cervical spine associated with upper limb movements relating to the proprioceptive role of the cervical. - spine specific scapular kinematic patterns depending on: - neurological lesions in the case of dynamic scapula alata, - the type of movement in common osteo articular pathologies

Le but de ce travail est de déterminer les liens éventuels existant entre la force et l’équilibre agoniste / antagoniste des muscles rotateurs médiaux et latéraux de l’articulation scapulohumérale, et la stabilité scapulo-humérale. La première partie de ce travail est un rappel d’anatomie fonctionnelle, de physiologie articulaire et de biomécanique de l’articulation scapulo-humérale, ainsi que des aspects pathologiques en rapport avec la problématique de sa stabilité et de son exploration. La deuxième partie propose une analyse critique de la technique d’exploration de la force musculaire par dynamométrie isocinétique, afin de déterminer un protocole d’évaluation fiable et reproductible. Ainsi, nous choisissons d’utiliser la position d’évaluation la plus reproductible et la plus adaptée pour l’évaluation de sujets pathologiques : la position assise avec 45° d’abduction dans le plan de la scapula avec correction de la gravité. La troisième partie a pour objet de rechercher, à partir d’études cliniques originales, les liens existant entre la force musculaire des rotateurs médiaux et latéraux de l’épaule et l’instabilité antérieure chronique post-traumatique d’une part, et les adaptations de cette force avec certaines sollicitations sportives d’autre part. Bien qu’un déficit de la force musculaire des rotateurs médiaux et latéraux soit associé à l’instabilité antérieure chronique, nos études ne rapportent pas d’association entre le déséquilibre agoniste/antagoniste et l’instabilité antérieure chronique. Dans le cadre de la pratique de sports sollicitant les membres supérieurs, les adaptations de la force, avec une augmentation de la force des muscles rotateurs médiaux et latéraux du côté dominant, sont inconstantes, et surtout, nos résultats ne rapportent aucun déséquilibre agoniste/antagoniste induit par la pratique sportive. En conclusion, notre travail de thèse met en évidence des adaptations de la force musculaire sans perturbation de l’équilibre agoniste/antagoniste des rotateurs médiaux et latéraux de l’articulation scapulo-humérale, associées à l’instabilité scapulo-humérale ou induites par la pratique de sports sollicitant cette articulation. Prenant en compte les limites de notre expérimentation, on peut faire l’hypothèse que les adaptations physiologiques induites par la pratique sportive n’interviendraient pas comme un mécanisme de désadaptation, ou un facteur de risque prédisposant, à l’origine des pathologies de l’articulation scapulo-humérale. Ainsi, notre conclusion serait que l’équilibre agoniste / antagoniste aurait un rôle protecteur de la stabilité articulaire ; la survenue d’un déséquilibre musculaire agoniste / antagoniste serait alors secondaire à une lésion anatomique et marquerait le signe de son évolution longue et/ou péjorative / The aim of this work is to determine the possible links between strength and agonist/antagonist balance of the shoulder internal and external rotators muscle, and the glenohumeral stability. The first part of this work is a reminder of functional anatomy, joint physiology and biomechanics of the glenohumeral joint, and pathological aspects related to the problem of its stability and its exploration. The second part propose a critical analysis of technical exploration of muscular strength by isokinetic dynamometer to determine a reliable and reproducible protocol. We choose to use the more reliable and more suitable position for evaluation of pathological subject: the seated position with 45° of shoulder abduction in the scapular plane, with gravity corrected. The third part is aimed to research, from original clinical studies, the relationship between shoulder internal and external rotators muscle strength and balance, and shoulder instability on the one hand, and adaptations of this strength with sports practice on the other hand. Although a deficit in rotators muscle strength is associated with recurrent anterior instability, our work reporte no association between agonist/antagonist imbalance and recurrent anterior instability. In overhead sports and sports seeking the upper limbs, adaptations of strength, with a rotator strength increase on the dominant side, are inconsistent, and most importantly, our results reporte no agonist/antagonist imbalance induced by the sports practice. In conclusion, this work highlights adaptations in strength and balance of the shoulder internal and external rotators muscle associated with the glenohumeral joint instability, or induced by the sports practice. Tacking into account the limits of our experiment, we can hypothesis that any physiological adaptations induced by sport practice would not intervene as a pathophysiological mechanisms of desadaptation, or not be considered a risk factor predisposing, to glenohumeral joint diseases. Thus, our conclusion is that the agonist/antagonist balance would have a protective role of the joint stability; the occurrence of a muscle agonist / antagonist imbalance may be secondary to an anatomical lesion and mark the sign of its long and/or pejorative evolution

L’étude de la biomécanique de la locomotion en fauteuil roulant manuel (FRM) a pour objectif de limiter le risque d’apparitions de blessures du membre supérieur, en optimisant la facilité à se déplacer. De nombreuses études ont montré qu’un ajustement des réglages du FRM avait un impact sur la mobilité. Néanmoins, les modèles utilisés dans la littérature pour représenter les interactions « sujet-FRM » et « FRM-environnement » possédaient plusieurs limitations. Ainsi, l’objectif premier de la thèse était la mise en place d’un modèle musculo-squelettique du membre supérieur permettant de modéliser l’interaction entre le sujet et le FRM, en utilisant des méthodes expérimentales adaptées pour appliquer ce modèle. Le second objectif était de construire un modèle mécanique du FRM en mouvement permettant de calculer les forces de réaction entre le sol et les roues du FRM. Le dernier objectif était d’appliquer une procédure d’optimisation numérique des réglages du FRM incluant les modèles développés durant la thèse. Le modèle musculo-squelettique développé a permis d’analyser la biomécanique du membre supérieur lors de la locomotion en FRM chez les sujets recrutés lors des campagnes de mesures. L’optimisation des réglages du FRM a été mise en place à partir du modèle mécanique du FRM, permettant de confirmer l’influence de plusieurs réglages sur la mobilité en FRM. Enfin, des perspectives d’amélioration de la procédure d’optimisation des réglages ont été explorées, à partir d’algorithmes de génération prédictive du mouvement. / The study of manual wheelchair (MWC) locomotion biomechanics aims at lowering the risk of upper limbs injuries, by optimizing mobility. Several studies have showed that adjusting MWC settings had an impact on MWC mobility. However, the models used in the literature to depict the « user-MWC » and « MWC-floor » interactions had several limitations. Thus, the first aim of this thesis was to develop a musculoskeletal model of the upper limbs allowing to describe the « user-MWC » interaction, by using adapted experimental methods to apply this model. The second aim of the thesis was to implement a mechanical model of the MWC allowing to compute ground reaction forces during locomotion. The final aim of the thesis was to apply a numerical optimisation procedure, including the models developed during the thesis, to optimize MWC settings. The musculoskeletal model developed during the thesis allowed to analyze biomechanics of the upper limbs during MWC locomotion among subjects recruited during experimental sessions. The MWC settings optimization was implemented with the mechanical model developed during the thesis and confirmed the influence of various MWC settings on mobility. Eventually, improvement perspectives for the numerical optimization procedure of MWC settings were explored, based on predictive movement generation with optimal control algorithms.

Cette thèse s’est d’abord voulue pratique. La chirurgie de l’épaule est en pleine expansion avec le vieillissement croissant de la population et la pratique de plus en plus généralisée du sport. L’épaule est une articulation complexe. Paradoxalement les progrès techniques en chirurgie sont sans cesse grandissants et renouvelés tandis que l’on tientpour acquis des données anatomiques démontrées il y a longtemps et rapportées jusqu’à nos jours. Nous avons voulu confronter l’anatomie avec les techniques diagnostiques actuelles et voir si cela pouvait avoir un impact sur les pratiques chirurgicales. Nous avons également voulu voir si certaines complications chirurgicales pouvaient s’expliquer par des données anatomiques. Ce qui a orienté nos recherches sont les principaux problèmes actuels en pathologie de l’épaule c’est-à-dire la coiffe des rotateurs et le syndrome sous-acromial. Les observations lors des nombreuses dissections de l’épaule nous ont conduit à ces réflexions : comment la glène est-elle vascularisée?, pourquoi est-elle si fragile?, que se passe-t- il dans l’espace sous acromial?, quelle est l’utilité du ligament coraco-acromial?, quels sont ses rapports avec lesuprapinatus?, pourquoi l’insertion du supraspinatus est-elle fragile et difficile à reconstituer ?, la qualité osseuse de la tête humérale a-t-elle un impact sur la géographie des fractures, les échecs des ostéosynthèses, les descellements prothétiques?, qu’est ce que la chape delto-trapézoidienne? Autant de questions que nous nous sommes posées endisséquant cette articulation très complexe qui est l’épaule. Par ailleurs, l’anatomie classique peut maintenant secompléter non seulement de l’histologie, mais aussi de techniques radiologiques modernes comme l’IRM l, le microCT, le synchrotron, la reconstruction 3D, la modélisation en éléments finis. / I would like to make a practical thesis. Shoulder surgery is growing and growing as the population is ageing and people is doing more and more sports activities. A lot of technical progress were done but there are still a lot of surgical complications. On the other way some very old anatomical ideas are still alive. I want to see with the actual knowledge, if some surgical complications could be explained by anatomy. Subacromial pathology and bone quality remain the two mainproblems of shoulder surgery and pathology. That’s what had suggested to me this study about the shoulder. I was supposed to analyze glenoid bone first .The aim was to know more about arterial supply of glenoid. That was my firststudy (article 1). Then, I was interested in glenoid bone quality. And the second study had appeared. (article 2). During the shoulder dissection, I was looking for the fascia delto-trapezoidal which I didn’t found as described in books. It was my third study. (article 3). Going on I found the coraco-acromial ligament and I was surprised to see the constant portion under the acromial process. And that gave me the idea for the fourth study. (article 4).As I had discovered the very interesting technique of micro-Ct densitometry, I would like to apply it to the humeral head bone. There was the fifth study. (article 5)But, I want to know more and more about bone quality and I went on with the greater tuberosity and especially the area ofsupraspinatus insertion. The insertion and the sub-chondral bone were analyzed. There’s the last but not least study!(article 6). I was really interested in supraspinatus muscle and tendon and I want to follow the course of the muscle as the zone of conflict. I was the subject of study in life as I went through RMI . The muscle was reconstructed as finite element. Then it was possible to describe the zone of conflict with the supraspinatus. Here’s the seventh article. (article 7)

RERUME: Les modèles personnalisés 3D sont de plus en plus demandés pour la planification chirurgicale et les recherches en biomécanique. L’objectif principal de cette thèse cotutelle était d’améliorer la méthode de reconstruction 3D à partir des images radiographies biplanes proposée par Lagacé, Ohl et al., afin que celle-ci puisse être plus facilement utilisée en clinique et qu’elle puisse permettre d’aider à la planification chirurgicale et/ou l’évaluation post-chirurgicale. Le système de radiographie biplane EOS à faible dose d’irradiation est le résultat d’une collaboration entre la société EOS imaging, l’institut biomécanique humaine Georges Charpak d’Arts et Métiers ParisTech, le laboratoire de recherche en imagerie et orthopédie (LIO) de l’école de technologie supérieure de Montréal, Georges Charpak, Jean Dubousset et Gabriel Kalifa (Dubousset et al. 2010). Le principe du détecteur de rayon X est basé sur les travaux développés par le Prof. Charpak, qui réduit significativement la dose de rayonnement comparé à la radiographie standard (Dubousset et al. 2010) Quatorze indices cliniques utilisés plus ou moins couramment en clinique pour le diagnostic et le suivi des pathologies de l’épaule et pour la planification chirurgicale et son évaluation post-opératoire ont été calculé. La justesse est acceptable (biais <1 mm sauf la distance sous acrominale) et une reproductibilité (2 fois écart-type inférieur à 5 mm ou 5° sauf 2 paramètres) qui est similaire à ce qui est présenté dans la littérature. L’approche proposée apporte sur une amélioration de la reconstruction dans un contexte où il serait intéressant qu’elle devienne utilisable en routine clinique. Bien que les améliorations soient encore nécessaires, cette contribution apporte une pierre à l’analyse de l’articulation intacte et pathologique et est prometteuse quant à la possibilité de son implantation dans la routine clinique pour évaluer les interventions chirurgicales en pré- et post-opératoire. / Three-dimensional subject-specific models are increasingly requested for surgical planning and research in biomechanics. The main objective of this cotutelle thesis was to improve the 3D reconstruction method using biplane radiography images proposed by Lagacé, Ohl et al., in order to facilitate its application in clinic, especially to assist surgical planning and/or post-surgical evaluation. The low-dose biplane radiography EOS was used and an improvement to the reconstruction method was proposed. Fourteen clinical indices used more or less routinely in clinical diagnosis for monitoring of shoulder disorders and for surgical planning and postoperative evaluation were calculated and evaluated. The accuracy is acceptable and reproducibility is similar to what is presented in the literature. The proposed approach brings an improvement of reconstruction in a context where it would be interesting for clinical routine use. Although improvements are required, this contribution brings a stone to the analysis of intact and pathological joint and is promising as to the possibility of its presence in the clinical routine for evaluating pre- and post-operative surgery.

Ma thèse vise à contribuer au développement et l’amélioration de la cinématique de la partie supérieure du robot HYDROïD pour des tâches bi-manuelles, tout en basant sur une étude biomécanique de cette partie chez l’être humain.Pour atteindre notre objectif majeur, ce travail adopte dans un premier temps une nouvelle structure hybride de 4 degrés de liberté (ddl) pour le torse du robot, distribués en 3 ddl au niveau lombaire et un ddl au niveau thoracique. Cette structure était identifiée après une analyse de l’espace de travail d’un modèle multi-corps simulant la colonne vertébrale d’un être humain, et une étude d’optimisation de ce modèle permettant la synthèse de la structure envisagée.Dans un second temps, une amélioration de la cinématique du bras du robot a été mise en place, en introduisant la notion de l’épaule complexe au présente structure. Le choix de ce nouveau degré de liberté était le fruit d’une approche systématique pour augmenter l’anthropomorphisme géométrie du bras souhaité vers un bras humain de la même taille.Les 2 structures proposées ont passé par la suite par la phase de conception mécanique tout en respectant les contraintes géométriques et en se basant sur l’énergie hydraulique comme étant l’énergie d’ actionnement de ces systèmes. Enfin, le Modèle Géometrique Inverse (MGI) pour la solution générique du torse a été établi et son adaptation à notre cas particulier a été identifiée. Une solution optimisée pour ce mécanisme basée sur 2 différents critères a ensuite été donnée. / My thesis aims at contributing to the development and improvement of the upper body of HYDROïD robot for bi-manual tasks, while basing on a bio-mechanical study of this part of the human being. To reach our major goal, this work adopts, at first, a novel hybrid structure of 4 degrees of freedom (DOF) for the trunk of the robot, distributed in three DOF at the lumbar level and one DOF at the thoracic level. This structure was identified after an analysis of the work-space of a multi-body model feigning the vertebral column of a human being, and an optimization study of that model allowing the synthesis of the envisaged structure. Secondly, an improvement of the kinematics of the robor arm was organized, by introducing the notion of the shoulder complex in the present structure. The choice of this new degree of freedom was the fruit of a systematic approach to increase the anthropomorphism geometry of the arm wished towards a humanitarian arm of the same size.The two proposed structures crossed afterward by the mechanical design phase while respecting all the geometrical constraints and by using the hydraulic energy as being the type of actuation of these systems. Finally, the Inverse Geometrical Model (IGM) for the generic solution of the trunk was established and its adaptation to our particular case was identified. An optimized solution for this mechanism based on 2 various criteria was then given.