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L’objectif général de ce travail doctoral était de comparer les effets de la fatigue musculaire des quadriceps femoris après un exercice musculaire volontaire (VOL) et un exercice musculaire électroinduit (ES) sur le contrôle postural bipodal, ainsi que sur la fatigue centrale. Les résultats montrent qu’à l’issue d’une tâche fatigante unilatérale ou bilatérale, l’exercice ES dégrade davantage la force usculaire que l’exercice VOL. Cependant, le contrôle postural bipodal est indifféremment perturbépar les deux exercices. En outre, les vitesses de récupération des capacités posturales et de force musculaire ne diffèrent pas à l’issue des exercices. Par ailleurs, l'exercice VOL altère davantage la commande centrale que l'exercice ES (immédiatement à l’issue de l’effort), tandis que celui-ci retarde l’apparition de la fatigue centrale et la maintient plus longuement. Etant donné que l'exercice VOL estinduit par la commande centrale et que l'exercice ES est généré par une stimulation artificielle externe, on peut émettre l’hypothèse que l'exercice VOL produit essentiellement une fatigue supraspinale, tandis que l'exercice ES engendre surtout une fatigue spinale. / The overall objective of this thesis was to compare the effect of fatigue of the quadriceps femoris after fatiguing voluntary contractions (VOL) and fatiguing neuromuscular electrical stimulation (ES) on bipedal postural control, and central fatigue. The results show that after unilateral or bilateral muscle fatigue, the ES exercise affected the muscle strength more than the VOL exercise. However, bipedal postural control was similarly deteriorated for both exercises. Moreover, the recovery speeds of postural control and muscle strength abilities did not differ for the both exercises. In addition, the VOL exercise alters central drive quicker than the ES exercise immediately after their completion while the ES exercise delays and prolongs the central fatigue. As the VOL exercise is induced by central command and the ES exercise is generated by artificial external stimulation, one can hypothesize that the VOL exercise especially produces supraspinal fatigue, while the ES exercise especially engenders spinal fatigue.

L’objectif général de ce travail doctoral était d’étudier les effets de la fatigue (physique et mentale) sur le contrôle postural. Tout d’abord, les effets de la fatigue musculaire du quadriceps fémoral induite par des contractions volontaires et des contractions électro-induites ont été comparés. Les résultats ont montré que des contractions volontaires altéraient davantage le contrôle postural que des contractions électro-induites pour une perte de force musculaire équivalente. Ceci s’expliquerait par la présence d’une fatigue centrale après les contractions volontaires, ainsi qu’une sollicitation différente des fibres musculaires entre les deux modalités de contraction. Des mécanismes compensatoires seraient mis en œuvre après ces deux modalités de contractions fatigantes, mais de façon plus prononcée pour les contractions volontaires. Concernant la fatigue mentale, les effets d’une tâche cognitive exigeante et prolongée sur ordinateur (induisant un état de fatigue mentale) et d’un visionnage de documentaire (tâche contrôle) sur le contrôle postural ont été comparés. De prime abord, la fatigue mentale affecterait le contrôle postural en condition de privation visuelle, en réduisant l’efficacité des stratégies d’attention associatives. De façon surprenante, visionner un documentaire conduirait également à une altération du contrôle postural, potentiellement en raison du maintien prolongé d’une posture assise affaissée. La posture assise pourrait ainsi constituer un facteur confondant dans les protocoles expérimentaux comportant une évaluation posturale. Une analyse statistique de classification en cluster hiérarchique a permis de mettre en évidence des sensibilités différentes au sein des individus à l’égard de la tâche mentalement fatigante. Le niveau de fatigue mentale serait associé au niveau de dégradation du contrôle postural sur un support stable avec les yeux ouverts. La réalisation d’une tâche cognitive prolongée exigeant une attention visuelle soutenue face à un écran d’ordinateur provoquerait une fatigue visuelle. Cette fatigue visuelle affecterait différemment les individus. Elle toucherait plus particulièrement les sujets les plus dépendants des informations visuelles, pour lesquels le contrôle postural se dégraderait davantage que les autres individus. / The overall objective of this doctoral work was to study the effects of fatigue (physical and mental) on postural control. First, the effects of femoral quadriceps muscle fatigue induced by voluntary contractions and electro-induced contractions were compared. The results showed that voluntary contractions affected postural control more than electro-induced contractions for an equivalent loss of muscle strength. This could be explained by the presence of central fatigue after voluntary contractions, as well as a different strain on muscle fibres between the two modes of contraction. Compensatory mechanisms would be implemented after these two modes of tiresome contractions, but more pronounced for voluntary contractions. With regard to mental fatigue, the effects of demanding and prolonged cognitive computer work (inducing mental fatigue) and documentary viewing (task control) on postural control were compared. At first glance, mental fatigue would affect postural control in conditions of visual deprivation, reducing the effectiveness of associative attention strategies. Surprisingly, viewing a documentary would also lead to an alteration in postural control, potentially due to the prolonged maintenance of a collapsed sitting posture. Sitting posture could thus be a confounding factor in experimental protocols involving postural evaluation. A statistical analysis of hierarchical cluster classification revealed different sensitivities within individuals towards the mentally demanding task. The level of mental fatigue would be associated with the level of degradation of postural control on a stable support with eyes open. Performing a prolonged cognitive task requiring sustained visual attention to a computer screen would cause visual fatigue. This visual fatigue would affect individuals differently. It would particularly affect the subjects most dependent on visual information, for which postural control would be more degraded than other individuals.

Le conflit fémoro-acétabulaire (femoroacetabular impingement, FAI) est une pathologie mécanique de la hanche qui peut causer des douleurs et limitations fonctionnelles. Le but de cette thèse était d’étudier la fonction musculaire au niveau de la hanche chez des patients présentant un FAI symptomatique. La fonction musculaire de la hanche a été évaluée, dans un premier temps, chez des patients avant qu’ils ne subissent une opération. Ces patients démontraient un déficit de force qui pourrait être expliqué par de l’inhibition musculaire. Cependant, ce déficit de force n’était pas associé à une plus grande fatigabilité musculaire. Dans un deuxième temps, les altérations de force musculaire ont été évaluées chez des patients ayant subi une arthroscopie de la hanche. Après l’opération, les patients récupéraient un niveau de force normal au niveau de tous les groupes musculaires de la hanche excepté les fléchisseurs. Le cas d’un joueur de hockey sur glace ayant subi une chirurgie ouverte aux deux hanches pour traiter un FAI bilatéral a aussi été décrit. On a démontré que la déhiscence de la bandelette iléo-tibiale pouvait survenir après chirurgie, empêcher l’augmentation de force musculaire des abducteurs de la hanche, et retarder la reprise du sport. Enfin, un protocole d’évaluation du taux de développement de la force normalisé, variable permettant d’estimer l’inhibition musculaire de la hanche, a été proposé chez des sujets sains. La fiabilité et reproductibilité des résultats ont été montrées au niveau des adducteurs, rotateurs externes, et fléchisseurs de la hanche. Ces résultats montrent que ces patients ont une fonction musculaire altérée au niveau de la hanche, qui est toutefois récupéré après une opération. / Femoroacetabular impingement (FAI) is a pathomechanical process of the hip joint, which could lead to hip pain and functional disability. Aim of this thesis was to investigate hip muscle function in patients with a symptomatic FAI. Hip muscle function was first investigated before patients underwent any surgical treatment for managing FAI. It was shown that they present with reduced hip muscle strength (i.e., muscle weakness), probably due to hip muscle inhibition. Nevertheless, hip muscle weakness was not associated with exaggerated hip muscle fatigue. Hip muscle strength recovery was then evaluated in a series of patients after hip arthroscopy to treat FAI. These patients demonstrated a good recovery for all hip muscle groups, except for hip flexors. The case of a professional ice hockey player who underwent bilateral hip open surgeries for treating bilateral FAI was also documented. This report showed that iliotibial band dehiscence could occur after hip open surgery, thereby preventing hip abductor strength increase during rehabilitation and delaying the return to sport. In addition, the assessment of the rate of force development scaling factor for the hip muscles was evaluated in a group of healthy adults. This parameter seems to be promising for the evaluation of hip muscle inhibition. The testing protocol was feasible and reproducible for hip adductors, external rotators and flexors. Taken as a whole, these findings show that patients with symptomatic FAI demonstrate an impaired hip muscle function, which is however mainly resolved after surgical treatment.

La stimulation électrique fonctionnelle (SEF) a le potentiel de fournir une amélioration active aux blessés médullaires en termes de mobilité, de stabilité et de prévention des effets secondaires.Dans le domaine des système SEF pour les membres inférieurs, le couple articulaire adéquat doit être fournie de façon appropriée pour effectuer le mouvement prévu et maintenir l'équilibre postural. Toutefois, les changements d'état du muscle tels que la fatigue musculaire est une cause majeure qui dégrade ses performances. En outre, la plupart des patients, dont la blessure médullaire est complète, n'ont pas le retour sensorielle qui permet de détecter la fatigue et les capteurs de couples in-vivo ne sont pas disponible à l'heure actuelle. Les systèmes conventionnels de commande SEF sont soit en boucle ouverte ou pas assez robustes aux changements d'état du muscle. L'objectif de cette thèse est le développement de la prédiction du couple articulaire et la commande en boucle fermée afin d'améliorer les performances de la commande SEF en termes de précision, de robustesse et de sécurité pour les patients.Afin de prédire le couple articulaire induit de la SEF, l'électromyographie (EMG) induit est utilisé pour corréler l'activité musculaire électrique et mécanique. Bien que la fatigue musculaire représente une variation dans le temps, une dépendance aux sujets et aux protocoles, la méthode proposée d'identification adaptative, basée sur le filtre de Kalman, est capable de prédire le couple articulaire variant dans le temps de manière systématique. La robustesse de la prédiction du couple articulaire a été évaluée lors d'une tâche de suivi de la fatigue en expérimentation chez des sujets blessés médulaires.Les résultats montrent une bonne performance de suivi des variations d'état des muscles en présence de fatigue et face à d'autres perturbations. Basé sur les performances de précision de la méthode prédictive proposée, une nouvelle stratégie de commande basée sur le retour EMG, «EMG-Feedback Predictive Control» (EFPC), est proposée afin de contrôler de manière adaptative les séquences de stimulation en compensant la variation dans le temps de l'état du muscle. De plus, cette stratégie de commande permet explicitement d'éviter d'appliquer une stimulation excessive aux patients, et de générer les séquences de stimulation appropriées pour obtenir la trajectoire désirée des couples articulaires. / Functional electrical stimulation (FES) has the potential to provide active improvement to spinal cord injured (SCI) patients in terms of mobility, stability and side-effect prevention. In the domain of lower limb FES system, elicited muscle force must be provided appropriately to perform intended movement and the torque generation by FES should be accurate not to lose the posture balance. However, muscle state changes such as muscle fatigue is a major cause which degrades its performance. In addition, most of the complete SCI patients don't have sensory feedback to detect the fatigue and in-vivo joint torque sensor is not available yet. Conventional FES control systems are either in open-loop or not robust to muscle state changes. This thesis aims at a development of joint torque prediction and feedback control in order to enhance the FES performance in terms of accuracy, robustness, and safety to the patients.In order to predict FES-induced joint torque, evoked-Electromyography (eEMG) has been applied to correlate muscle electrical activity and mechanical activity. Although muscle fatigue represents time-variant, subject-specific and protocol-specific characteristics, the proposed Kalman filter-based adaptive identification was able to predict the time-variant torque systematically. The robustness of the torque prediction has been investigated in a fatigue tracking task in experiment with SCI subjects. The results demonstrated good tracking performance for muscle variations and against some disturbances.Based on accurate predictive performance of the proposed method, a new control strategy, EMG-Feedback Predictive Control (EFPC), was proposed to adaptively control stimulation pattern compensating to time-varying muscle state changes. In addition, this control strategy was able to explicitly avoid overstimulation to the patients, and conveniently generate appropriate stimulation pattern for desired torque trajectory.

Les travaux présentés dans cette mémoire visent à développer de nouvelles méthodes qui exploitent les propriétés de cyclostationnarité pour traiter des signaux de force de réaction du sol enregistrées au cours de la marche et la course à pied. Nous nous intéressons à l’analyse de la locomotion humaine dans trois domaines d´études: une étude liée à la pathologie, une deuxième liée directement à l’âge et une troisième relative à la fatigue. En effet, la détection du risque de chute chez les personnes âgées pour fin de prévention contre la chute constitue un enjeu majeur, car cette chute entraine d’une part un nombre de décès important et d’autres part se traduit par un cout élevée de la santé publique. Par ailleurs, l’étude de la fatigue musculaire en particulier pour l’amélioration des performances des sportifs de haut niveau a fait l’objet de nombreux travaux de recherche & développement. La recherche et le développement de nouvelles méthodes et d’indicateurs dans le domaine de traitement de signal dans le but de caractériser la locomotive humaine, permettrait des avancées intéressantes dans les enjeux évoqués ci-dessus. La complexité des signaux GRF est définie par le système neuromusculaire qui génère ce signal. Une meilleure connaissance de ce système nécessite le développement des méthodes de séparation de sources et des outils avancés de traitement du signal pour mieux décrire le système considéré. En effet, nous montrons dans cette thèse que les signaux GRF peuvent être modélisés dans un cadre cyclostationnaire élargi. Les composantes de signal GRF (contribution active et passive) sont séparées par de nouvelles techniques de séparation de sources. Cette modélisation ouvre de nouvelles perspectives pour la décomposition et identification des sources individuelles. D'autre part, on exploite les caractères cyclostationnaire des signaux dans le cadre de la méthode d'analyse en composantes morphologique (MCA). Cet algorithme nous permet de séparer avec succès les composantes d’ordre 1 et d’ordre 2 des signaux considérés. Finalement, nous nous proposons un nouveau modèle utile pour l'étude et la caractérisation de cyclostationnarité. Il présente l'effet de la variation aléatoire de la pente sur le spectre du signal cyclique. Nous appelons ce modèle (modèle cyclostationnaire à pente aléatoire). Nous appliquons ce modèle pour l'étude des signaux biomécaniques où nous considérons la pente comme une mesure spécifique extraite des forces de réaction du sol. Les résultats montrent que la pente et les polynômes à coefficients aléatoires du pic passive peuvent jouer un rôle important et fournir des informations intéressantes concernant la fatigue et concernant la performance de marche et course à pied / The research work presented in this dissertation, involves the development of novel methodologies and methods, for the exploitation of cyclostationarity properties and for the treatment of ground reaction force signals, recorded during walking and running. We are especially interested in the analysis of human locomotion in three fields of interest: a study relating to pathology, a study directly related to age, and a study of muscle fatigue. Indeed, the detection of risk of falling among the elderly for the prevention of falls is of major concern. This is because falling on the one hand leads to a large number of deaths and secondly, resulting in higher costs of public health.Study the muscle fatigue in particular has occupied taken a big share out of this research due to the importance of such events like strenuous level of sports. Research and development of new methods and indicators in the field of signal processing for better characterizing the human locomotion, would allow interesting advances in the aforementioned issues. The complexity of GRF signals is defined by the neuromuscular system which generates this signal. Improved knowledge of this system requires developing source separation methods and advanced signal processing tools to better describe the system under consideration. Indeed, we will endeavor to show in this dissertation that GRF signals can be modeled within an enlarged cyclostationary framework. The GRF signal components (active and passive contribution) are separated by means of new source separation techniques. This modeling opens new perspectives for the decomposition and identification of individual sources. On the other hand, we exploit the cyclostationary characters of signals in the context of Morphological component analysis (MCA) method. Such algorithm enables us to successfully separate the first and second order components of the signals under consideration. Finally, we provide a new model useful for studying and characterizing cyclostationarity. It presents the impact of random slope variation on the cyclic spectrum of the signal. We call this model the random slope modulation (RSM). We apply this model for studying biomechanical signals where we consider the slope as a specic measure extracted from the vertical ground reaction forces. The results show that the slope and polynomial random coefficients of passive peaks can play important role and provide interesting information concerning fatigue and concerning running / walking performance

La répétition d’efforts de faible intensité provoque de la fatigue musculaire et représente un facteur de risque de développement des troubles musculosquelettiques (TMS) à l’épaule. La détection de la fatigue musculaire permettrait de meilleures interventions de prévention de TMS liés au travail répétitif. L’objectif de ce mémoire est de développer de nouveaux indicateurs permettant d’évaluer le mouvement des travailleurs à l’aide de capteurs inertiels portatifs afin d’offrir un outil d’évaluation du niveau de fatigue employable sur le terrain. Pour ce faire, vingt-quatre travailleurs ont réalisé une tâche de travail avant et après une tâche de pointage répétitif (RPT) générant de la fatigue musculaire. La fatigue était évaluée à l’aide de l'échelle CR10 de Borg toutes les 30s et d’une contraction maximale réalisée toutes les 2 minutes. Des données de capteurs inertiels, positionnés sur le tronc et les membres supérieurs des travailleurs, ont été analysées en temps-fréquence et leur coordination inter-segment calculée afin d’extraire des indicateurs de fatigue. Les résultats montrent une augmentation du spectre de puissance et de la variabilité de la coordination sur les segments proximaux du haut du corps (tête, sternum, bassin, épaule, bras, avant-bras et main) pendant la RPT. Aussi, une augmentation du spectre de puissance moyen a été observée sur les segments du bras (main, avant-bras et bras supérieur) pendant la tâche de travail réalisée immédiatement après la RPT. En conclusion, il semblerait possible, en observant de tels changements cinématiques, de détecter la fatigue musculaire des travailleurs en industrie à l’aide de capteurs inertiels. / The repetition of low-intensity efforts causes muscle fatigue and represents a risk factor for the development of musculoskeletal disorders (MSD) in the shoulder. The detection of muscle fatigue would allow for better interventions to prevent MSDs related to repetitive work. The objective of this dissertation is to develop new indicators to evaluate the movement of workers using portable inertial sensors to provide a tool for evaluating the level of fatigue that can be used in the field. To do this, twenty-four workers performed a work task before and after a repetitive pointing task (RPT) generating muscle fatigue. Fatigue was assessed using the Borg CR10 scale every 30s and a maximal contraction performed every 2 minutes. Data from inertial sensors, positioned on the trunk and upper limbs of the workers, were analyzed in time-frequency and their inter-segment coordination calculated to extract indicators of fatigue. The results show an increase in the power spectrum and coordination variability on the proximal upper body segments (head, sternum, pelvis, shoulder, arm, forearm and hand) during RPT. Also, an increase in the average power spectrum was observed over the arm segments (hand, forearm, and upper arm) during the work task performed immediately after RPT. In conclusion, it would seem possible, by observing such changes in kinematics, to detect muscle fatigue in industrial workers using inertial sensors.