Ce projet de recherche de maîtrise fait partie d'un programme de recherche et de développement appelé « Sur la piste de la performance ». Ce programme vise à améliorer les performances des athlètes en fauteuil roulant de course de l'équipe paralympique canadienne. Les chercheurs du groupe PERSEUS estiment qu'il existe une combinaison optimale des paramètres de configuration selon l'athlète et la discipline. Pour arriver à une telle optimisation de la configuration de l'équipement, le groupe PERSEUS a élaboré une démarche de maximisation du transfert de puissance. Ce projet de maîtrise visait plus particulièrement à contribuer au volet d'optimisation du transfert de puissance par expérimentation via la conception d'un ergomètre qui simulerait les conditions de course auxquelles les athlètes sont soumis sur le terrain. De plus, il devait inclure la conception d'un fauteuil configurable qui permettrait d'évaluer l'effet sur la performance des changements des différents paramètres de positionnement d'un fauteuil roulant de course. À la lumière de l'état de l'art, des essais préliminaires et d'un modèle théorique de simulation de puissance qui détermine les paramètres importants de la course en fauteuil roulant, un concept d'ergomètre à rouleaux d'inertie couplés à un servomoteur a été développé. Cet ergomètre peut recevoir à la fois le fauteuil de l'athlète ou un fauteuil configurable. En dernière étape, une validation expérimentale de l'ergomètre et du fauteuil configurable a été faite avec un athlète de la relève pour des épreuves de 100m et 400m. Cette validation en deux temps confirme que les performances obtenues en laboratoire sur l'ergomètre sont représentatives de celles obtenues sur la piste. Elle confirme aussi que les performances obtenues sur l'ergomètre avec le fauteuil configurable sont représentatives de celles obtenues sur l'ergomètre avec le fauteuil roulant de course de l'athlète.

L’objectif de cette thèse était d'évaluer la force d’impact dans des conditions proches de la pratique des Sports de Combat et des Arts Martiaux (SCAM) à l'aide d'un ergomètre composé d’un bloc-cible instrumenté avec un accéléromètre et un dynamomètre, et monté sur une lame flexible fixée verticalement sur le sol. La force d'impact a été calculée à partir des trois composantes mesurées par le dynamomètre, d'une part, et à partir de l'accélération du bloc-cible, grâce à un modèle mécanique original, d'autre part. Les mesures dynamiques ont été associées à des mesures cinématiques 3D à haute vitesse afin de caractériser les gestes de frappe de quatre boxeurs en situation d'entraînement, et d'en identifier les paramètres d'optimisation : gamme des énergies cinétiques pic et incidente du membre supérieur, gamme des pics de force d’impact, et forces intra articulaires au poignet, au coude et à l'épaule, calculées par dynamique inverse. Parallèlement, l’évaluation mécanique de quelques protections de boxe française (gants et bandages) et de karaté (gants, protège-pieds et protège-tibias) a montré que le test défini par la norme NF EN 13277-2 était insuffisant pour caractériser leurs propriétés amortissantes. Les résultats des mesures en situation et en laboratoire ont mis en évidence la qualité discutable de certains gants de boxe française et l'absence d’effet protecteur des bandages. La Fédération Française de Boxe Française (FFSBFDA) doit encore tirer toutes les conclusions de ces résultats. Les résultats des protections de karaté ont permis à la Fédération Française de Karaté (FFKDA) d'en définir les caractéristiques souhaitables, qui ont été approuvées par la Fédération Mondiale de Karaté (WKF). Au-delà de ces conséquences pratiques, la cible-ergomètre conçue, fabriquée et mise en oeuvre dans cette thèse, et le modèle mécanique associé présentent des avantages expérimentaux et ergonomiques qui ouvrent des perspectives d’évaluation de la force d'impact de nombreuses techniques de frappe utilisées dans les Sports de Combat et les Arts Martiaux. / The purpose of this thesis was to assess the impact force in conditions close to the practice of Fighting Sports and Martial Arts using an ergometer composed of a target-block instrumented with an accelerometer and a dynamometer, and mounted on a flexible lath vertically fixed on the floor. The impact force was computed from the three components measured by the dynamometer, and also from the acceleration of the target-block, using an original mechanical model. The dynamic measurements have been combined with those of a 3-D high speed kinematic analysis in order to characterize the striking movements of four French Boxers in training conditions, and to identify their optimization parameters : range of maximal and incident linear kinetic energies, range of impact force peaks, and joint forces at the wrist, the elbow and the shoulder, computed by inverse dynamics. Concurrently, the mechanical evaluation of some protective gears for French Boxing (gloves and handwraps) and Karate (gloves, leg-protections and shin protections) has shown that the test defined by the NF EN 13277-2 norm was not sufficient for assessing their damping properties. The results of practice and laboratory measurements exhibited the doubtful quality of some French Boxing gloves and the lack of damping effect of handwraps. The French Federation of French Boxing (FFSBFDA) should still draw all the conclusions of these results. The results of the Karate protective gears have allowed the French Karate Federation (FFKDA) to define their desirable characteristics, which have been approved by the World Karate Federation (WKF). Beyond these practical outcomes, the striking ergometer, designed, built and used in this thesis, and the associated mechanical model have / possess experimental and ergonomic advantages, which open wide perspectives for assessing the impact force of many striking techniques used in Fighting Sports and Martial Arts.

RESUME : Le fauteuil roulant manuel (FRM), aide technique utilisée pour compenser des problèmes moteurs, asseoit le patient et induit l'utilisation des bras comme membres moteurs. Cette fonction est non naturelle et occasionne souvent des pathologies spécifiques. L'objectif de ce travail de thèse est d'apporter une contribution scientifique à l'étude de la biomécanique de propulsion en FRM en fournissant des outils de quantification. Ces outils sont une modélisation mécanique des efforts de propulsion, le développement d'un système d'analyse cinématique et la conception d'un FRM instrumenté de terrain, nommé CERAHFIT. Nous avons montré par exemple que le paramètre de résistance au roulement est primordial pour obtenir des modélisations mécaniques réalistes. Notre système d'analyse du mouvement est constitué d'une acquisition vidéo classique associée à un mannequin numérique calqué sur le sujet filmé pour reconstruire son mouvement en trois dimensions. Ce système peut être complété par les acquisitions de CERAHFIT qui permettent de mesurer les efforts au niveau du système de soutien du corps et au niveau des mains-courantes. La prochaine étape sera des acquisitions avec sujets pathologiques dans le but d'obtenir des informations objectives pour conseiller sur les réglages d'un FRM et sa conception.

Les méthodes modernes d'entraînement utilisent des appareillages spécifiques appelés ergomètres sur lesquels, en particulier, des programmes d'entraînement et d'évaluation sont proposés par les entraîneurs. De tels dispositifs favorisent la continuité d'un entraînement pendant les périodes peu favorables à une pratique sportive. De même, lorsque ces outils sont instrumentés, ils apportent à l'entraîneur des informations difficilement accessibles en situation réelle de pratique. Ce travail s'inscrit dans cette problématique scientifique dont l'objet est la conception d'un ergomètre pour la pratique du kayak en ligne. Les travaux réalisés ont conduit à la conception d'un ergomètre kayak capable de reproduire les conditions d'une pratique écologique aussi précisément que possible tant d'un point de vue de la gestuelle (cinématique) que des efforts générés (dynamique) d'une part, de proposer et de valider une instrumentation afin de recueillir l'ensemble des efforts d'interaction kayakiste/ergomètre, d'autre part. De plus, cette instrumentation doit être suffisamment exigeante en termes de poids et d'encombrement pour être installée dans un kayak K1 pour réaliser des mesures in situ. Les moyens mis en œuvre donnent accès aux variables biomécaniques permettant de quantifier les éléments de base de la technique de pagayage qui constituent l'ensemble des facteurs déterminants de la performance (force, endurance, technique, etc.). Scientifiques et entraineurs ont ainsi à leur disposition un outil pour une évaluation objective des performances du kayakiste. Ce travail a été réalisé dans le cadre d'une collaboration entre l'axe RoBioss, le CAIPS et la société SENSIX. / The modern training methods developed during the last 20 years involve specific equipments named ergometer. These devices allow semi-specific training sessions on a sheltered environment to develop strength during unfavorable periods of in situ practice. They are also more and more used by coaches to evaluate athlete’s skills and aptitudes. Ergometers provide numerical information that cannot be easily measured during in situ sessions. This work is a significant contribution of the following scientific problems; firstly the design of a flat-water kayak ergometer that reproduces accurately on-water conditions, both kinematics and forces generated (dynamic) during the throughout the whole kayaking cycle, secondly, to propose and validate an instrumentation to collect every dynamic interactions between the ergometer and kayaker (hands, seat, feet). In addition, this instrumentation must be design in terms of weight, size and watertightness to be installed in a kayak K1 for in situ measurements. This instrumentation quantifies the basic biomechanics parameters of the kayaking performance such as external forces, endurance, technique, etc. As a result, researchers and coaches will be able to evaluate kayakers’ performance using an unbiased device. This work was conducted as part of a scientific collaboration between the RoBioSS research team, CAIPS and SENSIX compagny.

Les patients atteints de sclérose en plaques présentent une majoration de la fatigue perçue et de la fatigabilité. Mais à l’heure actuelle, la fatigabilité chez les patients atteints de sclérose en plaques a été peu étudiée ; son rôle comme facteur limitant des capacités fonctionnelles, ses spécificités par rapport aux sujets sains ou encore sa réponse à des programmes de rééducation restent des questions en suspens. De plus, la fatigabilité a été principalement étudiée lors de contractions isométriques maintenues qui sont peu représentatives des activités de la vie quotidienne des patients, au cours desquelles une part importante des contractions des extenseurs du genou est réalisée en dynamique, en particulier, durant la locomotion.L’objectif de ce travail était de caractériser la fatigue et la fatigabilité des patients atteints de SEP au cours de contractions maximales volontaires isocinétiques concentriques, de connaitre les liens avec les performances locomotrices et d’explorer leurs adaptations à un programme de rééducation combiné. Pour répondre à cet objectif, une évaluation isocinétique associée à une analyse électromyographique lors d’une tâche fatigante de 50 contractions isocinétiques concentriques a été menée.L’originalité de ce travail repose sur l’analyse de la fatigabilité lors d’une tâche concentrique mettant ainsi en évidence le phénomène de tâche dépendance des mécanismes impliqués dans la fatigabilité puisque les résultats vont à l’encontre des précédentes études, réalisées au cours de contractions isométriques, chez les patients atteints de SEP. En effet, nous avons mis en évidence une moindre fatigabilité des patients atteints de SEP par rapport aux sujets sains. La baisse de la performance est expliquée dans les deux populations par une baisse de l’efficacité neuromusculaire sans modification des coactivations. Les résultats ont également souligné l’absence de lien entre la fatigue, la fatigabilité et les performances locomotrices. Par ailleurs, la fatigue est significativement diminuée suite à un programme de rééducation combiné alors que la fatigabilité est augmentée, résultat d’un gain de force à l’état de base sans modification de la force en situation de fatigue. Ce travail est une étape qui met en évidence la nécessité de standardiser les évaluations de la fatigabilité et d’élaborer des protocoles de rééducation visant à diminuer la fatigabilité chez les patients atteints de SEP. / Patients with multiple sclerosis manifest a higher level of perceived fatigue and fatigability. But so far, fatigability in patients with multiple sclerosis has been little studied, its role as a limiting factor of functional abilities, its specificities in comparison with healthy people and also its adaptations to rehabilitation remain unresolved issues. Furthermore, fatigability has been mainly studied during sustained isometric contractions that are unrepresentative of patients’ daily life activities during which a large part of the knee extensor muscles contractions are performed during dynamic contractions, particularly during locomotion. The aim of this study was to characterize fatigue and fatigability of patients with multiple sclerosis during maximal isokinetic concentric voluntary contractions: to explore the relationship with locomotor performance and their adaptations to a rehabilitation combined program. To that aim, an isokinetic assessment associated with an electromyographic analysis was carried out during a fatiguing task of 50 concentric contractions. The originality of this research is based on the analysis of fatigability during concentric contractions that highlights the task dependency of the mechanisms involved in fatigability since the results refute previous studies performed with sustained contractions. Indeed, we showed a lower fatigability in patients with multiple sclerosis compared to healthy subjects. The decrease in performance was explained in the two populations by a decrease of neuromuscular efficiency without change in coactivations. The results highlighted a lack of relationship between fatigue, fatigability and locomotor performance. Furthermore, after a combined rehabilitation program, fatigue was significantly reduced while fatigability was increased, resulting both from a gain of strength in baseline state and a lack of change of strength in fatigued state. This research is a step that highlights the need to standardize fatigability assessments and develop rehabilitation program to reduce fatigability in patients with multiple sclerosis.

La première partie de cette thèse concerne une étude expérimentale des effets de la dénutrition périnatale sur des paramètres locomoteurs chez des rates adultes étudiées aux différents stades de leur cycle ovarien. Pour constituer les groupes expérimentaux, toutes les femelles ont été séparées de leur mère, un jour après la naissance. Les femelles ont alors été aléatoirement distribuées entre les mères pour former des portées contenant 6 (portée normale) ou 12 (grande portée) petits rates ; deux groupes ont ainsi été formés : les portées normales dont les ratons étaient bien nourris puisqu'en petit nombre, groupe N (n=30), et les grandes portées qui ont engendré une sous-alimentation, formant le groupe dénutri, D (n=48). Ces groupes sont restés ainsi constitués du 1er au 21ème jour de vie postnatale. Après sevrage, au 21ème jour, les mères ont été sacrifiées et les rates sevrées ont été placées dans des cages par groupe de six. Du 1er au 21ème jour de vie postnatale plusieurs caractéristiques physiques ont été évaluées pour l'ensemble des animaux. La détermination du cycle ovarien des rates a été réalisée à travers un frottis vaginal entre le 60 et 90 ème jour d'âge. Les lames de verre avec les frottis vaginaux colorés par une coloration classique (mélange hématoxyline-éosine, H.E.) ont été analysées histologiquement. L'activité locomotrice des femelles Wistar arrivées à l'âge adulte a été analysée du 60ème au 65ème jour pendant les phases fertile et non-fertile du cycle ovarien. Ont ainsi été formés quatre groupes : nourri fertile (NF), nourri non-fertile, (NNF), dénutri fertile (DF), dénutri non-fertile (DNF). Pour vérification du développement embryonnaire, après confirmation de l'accouplement, un groupe de femelles des groupes N (n=12) et D (n=8) a été euthanasié avec quinze jours de gestation pour observer l'appareil reproducteur et compter les embryons viables. L'ensemble des paramètres mesurés fait apparaître une atteinte de l'appareil reproducteur pour les femelles du groupe dénutri. L'étude histologique révèle que les femelles du groupe dénutri présentent aux différentes phases du cycle ovarien une pénurie de cellules épithéliales, cornées et de leucocytes. L'étude de l'activité locomotrice démontre une réduction de la distance couverte, de la vitesse moyenne, et de la puissance moyenne pour les rates du groupe N. Les analyses portant sur le développement embryonnaire n'ont pas permis de dégager de différence significative pour les animaux des groupes N et D.<br /> Dans la seconde partie de cette thèse menée à l'Université de Technologie de Compiègne (UTC) - France, nous abordons les effets éventuels du cycle menstruel sur la force, l'activation volontaire et l'excitabilité réflexe du groupe musculaire triceps sural de femmes jeunes. L'étude a été menée sur une population de 9 femmes volontaires (21-38 ans) de différentes nationalités. Ces femmes, sans pathologie du membre inférieur, ont été choisies pour leur cycle menstruel régulier et le fait qu'elles n'utilisaient pas de contraceptif hormonal. Toutes les volontaires ont été soumises à un pré-test pour le réglage des dispositifs et des équipements, et pour les familiariser aux tests expérimentaux. Les expérimentations ont ensuite été réalisées à trois stades du cycle menstruel. Les phases du cycle menstruel ont été déterminées à partir du comptage des jours, phase menstruelle (1° jour des règles), phase ovulaire (15° jour après les règles) et phase lutéale (22° jour après les règles). Deux ergomètres cheville ont été utilisés dont un transportable. L'ergomètre transportable, a été utilisé pour les tests de mesure des propriétés élastiques en conditions passives en position allongée. L'ergomètre fixe est composé d'un fauteuil avec dossier inclinable, fixé sur une structure métallique montée sur rails pour avancer plus ou moins le fauteuil selon les données anthropométriques des sujets. Il permet de réaliser des efforts de flexion plantaire mesurés à l'aide d'un capteur de force. Un marteau à réflexe à commande électromagnétique est placé à l'arrière du pédalier pour la partie du protocole consistant à mesurer le réflexe tendineux. Les tests ont été réalisés dans la suivante séquence : mesures de la force passive et de l'excursion articulaire, du réflexe tendineux, du réflexe de Hoffmann et de la réponse Motrice, mesures des forces et activités du triceps sural en contractions isométriques maximale et sous maximale et des capacités d'activation à partir de la technique de la secousse interpolée. De cette étude neuromécanique, il ressort que la majorité des paramètres mesurés n'ont pas présenté de différence significative selon la phase du cycle à laquelle ils étaient mesurés. Seules la dorsiflexion maximale et l'aire sous la courbe couple passif-angle ont présenté une augmentation significative à la phase ovulatoire, indiquant une plus grande flexibilité de la cheville à ce stade. Cette étude, qui devra être confirmée sur une plus grande population, indique que les mesures qui, en perspective, seront menées chez de jeunes femmes brésiliennes en situation de dénutrition, pourraient l'être sans tenir compte de la phase du cycle menstruel dans laquelle se trouveraient ces femmes lors des mesures.

L'utilisation quotidienne du fauteuil roulant manuel (FRM) entraîne chez certaines personnes âgées, tout comme chez les jeunes et/ou les athlètes handicapés, un surmenage de la structure anatomique des épaules. Ce fait est responsable à la longue de phénomènes dégénératifs et douloureux entraînant des dépenses de santé supplémentaires. Dans un but préventif, les recherches présentées ci-dessous visent à réduire le travail de la ceinture scapulaire au cours de la propulsion du FRM. Une étude épidémiologique préliminaire a révélé l'étendue de ce problème. Par ailleurs l'étude anatomo-pathologique a montré l'inefficacité des soins destinés à diminuer les douleurs d'épaules. La revue bibliographique a aussi révélé les lacunes de la littérature concernant les aspects de la propulsion du FRM par la population âgée et amputée. Dans un premier temps, une chaîne de mesure destinée à appréhender les aspects dynamique, cinématique et électromyographique de la propulsion du FRM, a été développée et validée. Ce dispositif a permis d'étudier la technique de propulsion du FRM par les personnes âgées souffrant ou non de douleurs d'épaules. Les résultats ont révélé certaines causes et conséquences probables de ces douleurs. Ils permettront aux cliniciens d'améliorer la conduite d'un processus de prévention. Ces investigations ont abouti à la mise au point et à la validation d'un prototype de propulsion peu coûteux et adaptable à tous les types de FRM. Ce dispositif innovant met en œuvre une liaison élastique entre la main courante et la roue motrice. Les analyses expérimentales et les résultats cliniques ont révélé l'intérêt de cette invention dans l'amélioration du confort d'utilisation du FRM et dans la réduction des contraintes articulaires du membre supérieur. Les retombées de ce travail sont à caractère scientifique et technologique mais aussi médical, humain et économique.