In der vorliegenden Studie wurde mit Hilfe von am Huf fixierten IMU-Sensoren der Einfluss verschiedener Manipulationen am Huf sowie der Einfluss unterschiedlicher Beschlagsmodifikationen auf die Dauer der einzelnen Schrittphasen des Pferdes untersucht. Zu den untersuchten Modifikationen gehörten Gewichtsmodifikationen, Modifikationen der dorsopalmaren und mediolateralen Ebene sowie von Hufeisen mit unterschiedlichen Abrollpunkten. Gegenstand der Studie waren zehn klinisch gesunde, lahmfreie Pferde. Gemessen wurde im Schritt und im Trab auf hartem, ebenem Boden. Die erhobenen Parameter waren die Schrittdauer, die Dauer der Hangbeinphase und die Dauer der Stützbeinphase inklusive der Auffußdauer, der Dauer der Hauptstützphase und der Abrolldauer sowie die Geschwindigkeit. Zusätzlich wurde der Einfluss morphometrischer Faktoren auf die Dauer der einzelnen Schrittphasen ermittelt. In Bezug auf die Ergebnisse, konnte in der vorliegenden Studie vor allem ein Einfluss der Beschlagsmodifikationen auf die Dauer der einzelnen Schrittphasen nachgewiesen werden. Zu den Kernergebnissen der Studie gehören eine signifikante Abnahme der Abrolldauer im Schritt durch Anschleifen einer Zehenrichtung bzw. Zurücksetzen des Hufeisens. Das Anbringen von Trachtenkeilen ging in beiden Gangarten mit einer signifikanten Abnahme der Abrolldauer sowie einer signifikanten Zunahme der Dauer der Hauptstützphase einher. Durch das Anbringen eines Eisenbeschlages kam es unabhängig von der Position des Abrollpunktes zu einer signifikanten Zunahme der Auffußdauer im Trab im Vergleich zu den Werten Barhuf. Besonderheit der vorliegenden Studie war die genaue Differenzierung der einzelnen Schrittphasen anhand der präzisen Datenerhebung durch die hohe Messfrequenz sowie die direkte Platzierung der Sensoren am Huf.:Inhaltsverzeichnis: Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Literatur 2.1 Funktionelle Anatomie der distalen Gliedmaße 2.1.1 Knochen und Gelenke 2.1.2 Muskeln, Sehnen, Bänder 2.1.3 Der Huf 2.1.3.1 Definition und Aufbau 2.1.3.2 Hufschichten und Hufsegmente 2.1.3.3 Hufbeinträger 2.1.3.4 Hufmechanismus 2.1.3.5 Blutgefäße und Innervation 2.2 Biomechanische Grundlagen 2.2.1 Allgemeine Grundlagen der Biomechanik 2.2.1.1 Dynamik: Statik und Kinetik 2.2.1.2 Kinematik 2.2.2 Spezielle Biomechanik der distalen Gliedmaße des Pferdes 2.3 Hufzubereitung und Hufbeschlag 2.3.1 Überblick Hufzubereitung 2.3.2 Allgemeine Beschlagslehre 2.4 Beschlagsmodifikationen und ihre Anwendung bei Erkrankungen der distalen Gliedmaße sowie Fehlstellungen und Gangstörungen 2.4.1 Gewichts- und Materialmodifikationen 2.4.1.1 Gewichtszunahme durch Beschlagsmodifikationen 2.4.1.2 Gewichtsabnahme durch Beschlagsmodifikationen 2.4.2 Modifikationen der mediolateralen Ebene 2.4.2.1 Anwendung von Seitenkeilen 2.4.2.2 Anbringen von Extensionen 2.4.3 Modifikationen der dorsopalmaren Ebene 2.4.3.1 Anwendung von Trachtenkeilen 2.4.3.2 Einsatz von Stegeisen 2.4.4 Modifikationen des Abrollpunktes 2.4.4.1 Anbringen einer Zehenrichtung 2.4.4.2 Positionierung des Eisens 2.5 Bewegungsanalyse zur Untersuchung der distalen Gliedmaße des Pferde 2.5.1 Kinetische Methoden 2.5.1.1 Kraftmessungen 2.5.1.2 Druckmessungen 2.5.2 Kinematische Methoden 2.5.2.1 Optoelektronische Bewegungsanalyse 2.5.2.2 Sensorbasierte Bewegungsanalyse 2.6 Ausblick auf die Studie 3 Material und Methoden 3.1 Tiermaterial 3.1.1 Eigenschaften der Pferde 3.1.2 Selektion und Dokumentation der Tiere 3.2 Studiendesign und Versuchsaufbau 3.3 Datenerhebung 3.3.1 Technik 3.3.2 Hufzubereitung und Hufbeschlag 3.3.3 Praktische Durchführung und Dokumentation 3.4 Datenanalyse 3.4.1 Datenexport und Datenaufbereitung 3.4.2 Statistische Analyse 4 Ergebnisse 4.1 Dauer der einzelnen Schrittphasen Barhuf vor der Hufzubereitung 4.2 Einflussfaktoren auf die Dauer der Schrittphasen Barhuf vor der Hufzubereitung 4.2.1 Einfluss durch morphometrische Faktoren 4.2.2 Einfluss durch Gliedmaße und Gangart 4.3 Übersicht über die Wirkung der untersuchten Modifikationen auf die Dauer der einzelnen Schrittphasen an den Vordergliedmaßen im Schritt und im Trab 4.4 Wirkung der untersuchten Modifikationen auf die Dauer der einzelnen Schrittphasen an den Vordergliedmaßen im Schritt und im Trab 4.4.1 Vergleich der Werte nach unterschiedlichen Manipulationen am Huf mit den Werten Barhuf vor bzw. nach der Hufzubereitung 4.4.1.1 Einfluss durch Hufzubereitung 4.4.1.2 Einfluss der Verwendung zusätzlicher Gewichte 4.4.1.3 Einfluss einer veränderten Hufstellung 4.4.2 Vergleich der zeitlichen Parameter Barhuf und bei Verwendung unterschiedlicher Standardbeschläge 4.4.2.1 Einfluss durch Standardbeschläge mit unterschiedlicher Modifikation des Zehenteils bzw. der Eisenposition 4.4.3 Vergleich der Wirkung verschiedener Beschlagsmodifikationen auf die zeitlichen Parameter 4.4.3.1 Einfluss von Beschlagsmodifikationen zur Veränderung des Abrollpunktes 4.4.3.2 Einfluss durch einen Aluminiumbeschlag 4.4.3.3 Einfluss durch Modifikationen der Eisenoberfläche 5 Diskussion 5.1 Material und Methoden 5.1.1 Tiermaterial 5.1.2 Hufzubereitung und Hufbeschlag 5.1.3 Messbedingungen 5.1.4 Technik 5.1.5 Datenanalyse 5.2 Ergebnisse 5.2.1 Zeitliche Parameter Barhuf vor der Hufzubereitung 5.2.2 Einflussfaktoren auf die zeitlichen Parameter Barhuf vor der Hufzubereitung 5.2.3 Wirkung der untersuchten Modifikationen auf die Dauer der einzelnen Schrittphasen an den Vordergliedmaßen im Schritt und im Trab 5.2.3.1 Einfluss durch Hufzubereitung 5.2.3.2 Einfluss einer dorsopalmaren/ mediolateralen Änderung der Zehenstellung 5.2.3.3 Einfluss der Verwendung zusätzlicher Gewichte 5.2.3.4 Beeinflussung der zeitlichen Parameter durch Standardbeschläge im Vergleich zu Barhuf 5.2.3.5 Beeinflussung der zeitlichen Parameter durch Standardbeschläge mit unterschiedlichen Abrollpunkten 5.2.3.6 Beeinflussung der zeitlichen Parameter durch unterschiedliche Beschlagsmaterialien 5.2.3.7 Einfluss durch Modifikationen der Eisenoberfläche 5.3 Neuromuskuläre Prägung 5.4 Schlussfolgerungen und Ausblick 6 Zusammenfassung 7 Summary 8 Literaturverzeichnis 9 Anhang / The aim of the current study was to examine the influence of different horseshoe modifications on the duration of the stride phases by means of hoof mounted IMU sensors. Examined modifications were modifications of weight, modifications of the dorsopalmar and mediolateral plane as well as different points of breakover. The study used a cohort of ten clinically healthy, sound horses. Data were collected at walk and trot on a hard, level surface. The relevant parameters were the step duration, the duration of swing phase and the duration of stance phase including landing duration, midstance duration and breakover duration as well as speed. In addition, the influence of morphometric factors on the duration of the single stride phases was determined. In this study, an obvious influence of the horseshoe modifications was shown mainly on the duration of the single stride phases. A significant decrease of breakover duration at walk could be proven after rolling the toe or setting back the horseshoe. Attaching heel wedges was associated to a significant decrease of breakover duration and a significant increase of midstance duration in both gaits. In comparison to the results of the barefoot measurement, a significant increase of the landing duration was detected at the trot by attaching iron horseshoes, independent of the position of the point of breakover. Characteristic of this study was the differentiation of the single stride phases which was possible due to the high sampling frequency and the direct placement of the sensors on the hoof.:Inhaltsverzeichnis: Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Literatur 2.1 Funktionelle Anatomie der distalen Gliedmaße 2.1.1 Knochen und Gelenke 2.1.2 Muskeln, Sehnen, Bänder 2.1.3 Der Huf 2.1.3.1 Definition und Aufbau 2.1.3.2 Hufschichten und Hufsegmente 2.1.3.3 Hufbeinträger 2.1.3.4 Hufmechanismus 2.1.3.5 Blutgefäße und Innervation 2.2 Biomechanische Grundlagen 2.2.1 Allgemeine Grundlagen der Biomechanik 2.2.1.1 Dynamik: Statik und Kinetik 2.2.1.2 Kinematik 2.2.2 Spezielle Biomechanik der distalen Gliedmaße des Pferdes 2.3 Hufzubereitung und Hufbeschlag 2.3.1 Überblick Hufzubereitung 2.3.2 Allgemeine Beschlagslehre 2.4 Beschlagsmodifikationen und ihre Anwendung bei Erkrankungen der distalen Gliedmaße sowie Fehlstellungen und Gangstörungen 2.4.1 Gewichts- und Materialmodifikationen 2.4.1.1 Gewichtszunahme durch Beschlagsmodifikationen 2.4.1.2 Gewichtsabnahme durch Beschlagsmodifikationen 2.4.2 Modifikationen der mediolateralen Ebene 2.4.2.1 Anwendung von Seitenkeilen 2.4.2.2 Anbringen von Extensionen 2.4.3 Modifikationen der dorsopalmaren Ebene 2.4.3.1 Anwendung von Trachtenkeilen 2.4.3.2 Einsatz von Stegeisen 2.4.4 Modifikationen des Abrollpunktes 2.4.4.1 Anbringen einer Zehenrichtung 2.4.4.2 Positionierung des Eisens 2.5 Bewegungsanalyse zur Untersuchung der distalen Gliedmaße des Pferde 2.5.1 Kinetische Methoden 2.5.1.1 Kraftmessungen 2.5.1.2 Druckmessungen 2.5.2 Kinematische Methoden 2.5.2.1 Optoelektronische Bewegungsanalyse 2.5.2.2 Sensorbasierte Bewegungsanalyse 2.6 Ausblick auf die Studie 3 Material und Methoden 3.1 Tiermaterial 3.1.1 Eigenschaften der Pferde 3.1.2 Selektion und Dokumentation der Tiere 3.2 Studiendesign und Versuchsaufbau 3.3 Datenerhebung 3.3.1 Technik 3.3.2 Hufzubereitung und Hufbeschlag 3.3.3 Praktische Durchführung und Dokumentation 3.4 Datenanalyse 3.4.1 Datenexport und Datenaufbereitung 3.4.2 Statistische Analyse 4 Ergebnisse 4.1 Dauer der einzelnen Schrittphasen Barhuf vor der Hufzubereitung 4.2 Einflussfaktoren auf die Dauer der Schrittphasen Barhuf vor der Hufzubereitung 4.2.1 Einfluss durch morphometrische Faktoren 4.2.2 Einfluss durch Gliedmaße und Gangart 4.3 Übersicht über die Wirkung der untersuchten Modifikationen auf die Dauer der einzelnen Schrittphasen an den Vordergliedmaßen im Schritt und im Trab 4.4 Wirkung der untersuchten Modifikationen auf die Dauer der einzelnen Schrittphasen an den Vordergliedmaßen im Schritt und im Trab 4.4.1 Vergleich der Werte nach unterschiedlichen Manipulationen am Huf mit den Werten Barhuf vor bzw. nach der Hufzubereitung 4.4.1.1 Einfluss durch Hufzubereitung 4.4.1.2 Einfluss der Verwendung zusätzlicher Gewichte 4.4.1.3 Einfluss einer veränderten Hufstellung 4.4.2 Vergleich der zeitlichen Parameter Barhuf und bei Verwendung unterschiedlicher Standardbeschläge 4.4.2.1 Einfluss durch Standardbeschläge mit unterschiedlicher Modifikation des Zehenteils bzw. der Eisenposition 4.4.3 Vergleich der Wirkung verschiedener Beschlagsmodifikationen auf die zeitlichen Parameter 4.4.3.1 Einfluss von Beschlagsmodifikationen zur Veränderung des Abrollpunktes 4.4.3.2 Einfluss durch einen Aluminiumbeschlag 4.4.3.3 Einfluss durch Modifikationen der Eisenoberfläche 5 Diskussion 5.1 Material und Methoden 5.1.1 Tiermaterial 5.1.2 Hufzubereitung und Hufbeschlag 5.1.3 Messbedingungen 5.1.4 Technik 5.1.5 Datenanalyse 5.2 Ergebnisse 5.2.1 Zeitliche Parameter Barhuf vor der Hufzubereitung 5.2.2 Einflussfaktoren auf die zeitlichen Parameter Barhuf vor der Hufzubereitung 5.2.3 Wirkung der untersuchten Modifikationen auf die Dauer der einzelnen Schrittphasen an den Vordergliedmaßen im Schritt und im Trab 5.2.3.1 Einfluss durch Hufzubereitung 5.2.3.2 Einfluss einer dorsopalmaren/ mediolateralen Änderung der Zehenstellung 5.2.3.3 Einfluss der Verwendung zusätzlicher Gewichte 5.2.3.4 Beeinflussung der zeitlichen Parameter durch Standardbeschläge im Vergleich zu Barhuf 5.2.3.5 Beeinflussung der zeitlichen Parameter durch Standardbeschläge mit unterschiedlichen Abrollpunkten 5.2.3.6 Beeinflussung der zeitlichen Parameter durch unterschiedliche Beschlagsmaterialien 5.2.3.7 Einfluss durch Modifikationen der Eisenoberfläche 5.3 Neuromuskuläre Prägung 5.4 Schlussfolgerungen und Ausblick 6 Zusammenfassung 7 Summary 8 Literaturverzeichnis 9 Anhang

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.

De nombreuses études concluent que la charge mécanique supportée par le genou, qu’elle soit reliée à l’obésité, aux sports intenses, à une altération biomécanique des structures de l’articulation ou à une exposition à des charges lourdes durant les activités occupationnelles, est considérée comme un facteur de risque important au développement de la gonarthrose. La gonarthrose reliée au travail a été le sujet de nombreuses études et plusieurs d’entre elles ont rapporté une prévalence accrue de la gonarthrose chez les travailleurs de certains domaines en particulier, comme la construction, la pose de plancher, la peinture, l’exploitation minière, l’agriculture et le travail en atelier et en milieu de la santé. Les personnes qui travaillent dans ces métiers sont exposées à des positions ou des activités nuisibles, comme travailler à genoux ou accroupi, monter des escaliers ou des échelles, transporter des changes lourdes et marcher de façon prolongée. Ces gestes surchargent l’articulation du genou, ce qui cause des modifications aux structures de l’articulation du genou ou aux adaptations neuromusculaires de patron de mouvement du genou. Ces modifications structurelles et adaptations neuromusculaires peuvent apporter des changements cinématiques à la marche qui peuvent initier la gonarthrose ou contribuer à sa progression. L’objectif principal de la présente étude était d’analyser l’effet d’une surcharge mécanique sur l’articulation fémoro-tibiale (AF-T) subie au travail lors d’une tâche de marche et comparer le patron cinématique de l’articulation fémoro-tibiale des travailleurs exposés à une surcharge mécanique à celui des travailleurs non exposés. Vingt-quatre travailleurs exposés à une surcharge mécanique et neuf travailleurs non exposés ont participé à l’étude. Les données cinématiques de la marche ont été enregistrées au niveau du genou dans des conditions cliniques en utilisant un système de suivi du mouvement électromagnétique. Les paramètres suivant ont été extraits et utilisés pour la comparaison des groupes : l’angle maximum lors du contact initial, l’angle ii maximum de flexion durant la réponse à la charge, l’angle minimum au moment de l’appui unipodal et l’étendue max-min du cycle. La comparaison des groupes pour les variables cliniques et cinématiques a été effectué par l’utilisation de tests-t bilatéraux (« Student-t tests ») et de tests ANCOVA utilisant le poids et la vitesse comme covariables. Les travailleurs exposés à une surcharge mécanique présentaient un plus grand angle de flexion de l’articulation fémoro-tibiale au contact initial, durant la réponse au chargement et à la phase unipodale et ils ont démontré une étendue d’angle moindre que les travailleurs non exposés. Nous croyons que les données cinématiques de la marche peuvent donner des idées sur les facteurs biomécaniques qui pourraient prédisposer les travailleurs au développement ou à la progression de la gonarthrose. Une meilleure compréhension de ces facteurs pourrait être un premier pas vers le développement d’une intervention plus efficace pour cette population. / Many studies agree that mechanical knee loading, either related to obesity, intense sports, biomechanical alteration of the knee or exposition to heavy load occupational activities, is an important factor in knee OA development. Work related knee OA has been the focus of numerous studies, many of them reporting increased knee OA prevalence in workers involved in particular occupational fields such as construction, floor layer, painting, mining, agriculture, shop assistant and health care employees. Persons working in these occupations are exposed to noxious positions or activities such as kneeling, squatting, climbing stairs or ladders, carrying heavy load and prolonged walking. These gestures overload the knee joint, resulting in modifications of the knee joint structures or in neuromuscular adaptations of the knee movement pattern. These structural modifications and neuromuscular adaptations can bring about gait kinematic changes that can either initiate knee OA or contribute to its progression. The main objective of this study was to analyze the effect of mechanical overloading on the tibial-femoral joint suffered during walking tasks at work and compare the kinematics gait tibial femoral joint of workers exposed to knee overloading (KO workers) to that of non-knee overloaded workers (non-KO workers). Twenty four KO workers and 9 non-KO workers participated to the study. Gait kinematic data were recorded at the knee in a clinical setting using an electromagnetic motion tracking system. The following parameters were extracted and used for group comparison: knee angle at initial contact, peak knee flexion angle during loading response and angle range. Group comparison for clinical and kinematic variables of interest was performed with Student-t and ANCOVA tests. KO workers had greater knee flexion angle at initial contact, during loading response and single limb support, and they demonstrated a lower angle range than non-KO workers. iv We believe that gait kinematic data can suggest biomechanical factors that could predispose workers to the development or progression of knee OA. A better understanding of these factors could be a first step toward more efficient intervention within the population.

Spinal cord injury, whether traumatic or nontraumatic, can partially or completely damage sensorimotor pathways between the brain and the body, leading to heterogeneous gait abnormalities. Mobility impairments also depend on other factors such as age, weight, time since injury, pain, and walking aids used. The ASIA Impairment Scale is recommended to classify injury severity, but is not designed to characterize individual ambulatory capacity. Other standardized tests based on subjective or timing/distance assessments also have only limited ability to determine an individual's capacity. Data-driven techniques have demonstrated effectiveness in analysing complexity in many domains and may provide additional perspectives on the complexity of gait performance in persons with spinal cord injury. The studies in this thesis aimed to address the complexity of gait and functional abilities after spinal cord injury using data-driven approaches. The aim of the first manuscript was to characterize the heterogeneous gait patterns in persons with incomplete spinal cord injury. Dissimilarities among gait patterns in the study population were quantified with multivariate dynamic time warping. Gait patterns were classified into six distinct clusters using hierarchical agglomerative clustering. Through random forest classifiers with explainable AI, peak ankle plantarflexion during swing was identified as the feature that most often distinguished most clusters from the controls. By combining clinical evaluation with the proposed methods, it was possible to provide comprehensive analyses of the six gait clusters.     The aim of the second manuscript was to quantify sensorimotor effects on walking performance in persons with spinal cord injury. The relationships between 11 input features and 2 walking outcome measures - distance walked in 6 minutes and net energy cost of transport - were captured using 2 Gaussian process regression models. Explainable AI revealed the importance of muscle strength on both outcome measures. Use of walking aids also influenced distance walked, and  cardiovascular capacity influenced energy cost. Analyses for each person also gave useful insights into individual performance.     The findings from these studies demonstrate the large potential of advanced machine learning and explainable AI to address the complexity of gait function in persons with spinal cord injury. / Skador på ryggmärgen, oavsett om de är traumatiska eller icke-traumatiska, kan helt eller delvis skada sensoriska och motoriska banor mellan hjärnan och kroppen, vilket påverkar gången i varierande grad. Rörelsenedsättningen beror också på andra faktorer såsom ålder, vikt, tid sedan skadan uppstod, smärta och gånghjälpmedel. ASIA-skalan används för att klassificera ryggmärgsskadans svårighetsgrad, men är inte utformad för att karaktärisera individens gångförmåga. Andra standardiserade tester baserade på subjektiva eller tids och avståndsbedömningar har också begränsad möjlighet att beskriva individuell kapacitet. Datadrivna metoder är kraftfulla och kan ge ytterligare perspektiv på gångens komplexitet och prestation. Studierna i denna avhandling syftar till att analysera komplexa relationer mellan gång, motoriska samt sensoriska funktion efter ryggmärgsskada med hjälp av datadrivna metoder. Syftet med den första studien är att karaktärisera de heterogena gångmönster hos personer med inkomplett ryggmärgsskada. Multivariat dynamisk tidsförvrägning (eng: Multivariate dynamic time warping) användes för att kvantifiera gångskillnader i studiepopulationen. Hierarkisk agglomerativ klusteranalys (eng: hierarchical agglomerative clustering) delade upp gång i sex distinkta kluster, varav fyra hade lägre hastighet än kontroller. Med hjälp av förklarbara AI (eng: explainable AI) identifierades det att fotledsvinkeln i svingfasen hade störst påverkan om vilken kluster som gångmönstret hamnat i. Genom att kombinera klinisk undersökning med datadrivna metoder kunde vi beskriva en omfattande bild av de sex gångklustren. Syftet med den andra manuskriptet är att kvantifiera sensoriska och motoriska faktorerans påverkan på gångförmåga efter ryggmärgsskada. Med hjälp av två Gaussian process-regressionsmodeller identiferades sambanden mellan 11 beskrivande faktorer och 2 gång prestationsmått, nämligen gångavstånd på 6 minuter samt metabola energiåtgång. Med hjälp av förklarbar AI påvisades det stora påverkan av muskelstyrka på både gångsträckan och energiåtgång. Gånghjälpmedlet samt kardiovaskulär kapaciteten hade också betydande påverkan på gångprestation. Enskilda analyser gav insiktsfull information om varje individ. Resultaten från dessa studier visar på potentiella tillämpningar av avancerad maskininlärning och AI metoder för att analysera komplexa relationer mellan funktion och motorisk prestation efter ryggmärgsskada. / <p>QC 20240221</p>

Harness racing horses are exposed to high workload and consequently, they are at risk of joint injuries and lameness. In recent years, the interest in applications to improve animal welfare has increased and there is a demand for objective assessment methods that can enable early and robust diagnosis of injuries. In this thesis, experiments were conducted on video recordings collected by a helmet camera mounted on the driver of a sulky. The aim was to take the first steps toward equine gait analysis by investigating how semantic segmentation and 3D reconstruction of such data could be performed. Since these were the first experiments made on this data, no expectations of the results existed in advance. Manual pixel-wise annotations were created on a small set of extracted frames and a deep learning model for semantic segmentation was trained to localize the horse, as well as the sulky and reins. The results are promising and could probably be further improved by expanding the annotated dataset and using a larger image resolution. Structure-from-motion using COLMAP was performed to estimate the camera motion in part of a video recording. A method to filter out dynamic objects based on masks created from predicted segmentation maps was investigated and the results showed that the reconstruction was part-wise successful, but struggled when dynamic objects were not filtered out and when the equipage was moving at high speed along a straight stretch. Overall the results are promising, but further development needs to be conducted to ensure robustness and conclude whether data collected by the investigated helmet camera configuration is suitable for equine gait analysis.

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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.

Ce travail présente deux nouveaux systèmes simples d'analyse de la marche humaine grâce à une caméra de profondeur (Microsoft Kinect) placée devant un sujet marchant sur un tapis roulant conventionnel, capables de détecter une marche saine et celle déficiente. Le premier système repose sur le fait qu'une marche normale présente typiquement un signal de profondeur lisse au niveau de chaque pixel avec moins de hautes fréquences, ce qui permet d'estimer une carte indiquant l'emplacement et l'amplitude de l'énergie de haute fréquence (HFSE). Le second système analyse les parties du corps qui ont un motif de mouvement irrégulier, en termes de périodicité, lors de la marche. Nous supposons que la marche d'un sujet sain présente partout dans le corps, pendant les cycles de marche, un signal de profondeur avec un motif périodique sans bruit. Nous estimons, à partir de la séquence vidéo de chaque sujet, une carte montrant les zones d'irrégularités de la marche (également appelées énergie de bruit apériodique). La carte avec HFSE ou celle visualisant l'énergie de bruit apériodique peut être utilisée comme un bon indicateur d'une éventuelle pathologie, dans un outil de diagnostic précoce, rapide et fiable, ou permettre de fournir des informations sur la présence et l'étendue de la maladie ou des problèmes (orthopédiques, musculaires ou neurologiques) du patient. Même si les cartes obtenues sont informatives et très discriminantes pour une classification visuelle directe, même pour un non-spécialiste, les systèmes proposés permettent de détecter automatiquement les individus en bonne santé et ceux avec des problèmes locomoteurs. / This work presents two new and simple human gait analysis systems based on a depth camera (Microsoft Kinect) placed in front of a subject walking on a conventional treadmill, capable of detecting a healthy gait from an impaired one. The first system presented relies on the fact that a normal walk typically exhibits a smooth motion (depth) signal, at each pixel with less high-frequency spectral energy content than an abnormal walk. This permits to estimate a map for that subject, showing the location and the amplitude of the high-frequency spectral energy (HFSE). The second system analyses the patient's body parts that have an irregular movement pattern, in terms of periodicity, during walking. Herein we assume that the gait of a healthy subject exhibits anywhere in the human body, during the walking cycles, a depth signal with a periodic pattern without noise. From each subject’s video sequence, we estimate a saliency color map showing the areas of strong gait irregularities also called aperiodic noise energy. Either the HFSE or aperiodic noise energy shown in the map can be used as a good indicator of possible pathology in an early, fast and reliable diagnostic tool or to provide information about the presence and extent of disease or (orthopedic, muscular or neurological) patient's problems. Even if the maps obtained are informative and highly discriminant for a direct visual classification, even for a non-specialist, the proposed systems allow us to automatically detect maps representing healthy individuals and those representing individuals with locomotor problems.

La paralysie cérébrale est la principale cause des troubles de la locomotion chez l’enfant, touchant 2 à 3 enfants pour 1000 naissances. Elle se définit comme un trouble du mouvement et de la posture causant des limitations fonctionnelles dues à une lésion sur un cerveau en développement. La spasticité, la co-contraction excessive, la faiblesse musculaire ainsi que les difformités osseuses limitent l’autonomie de ces enfants. Leur marche est plus lente et plus instable comparée celle des enfants ayant un développement typique. Récemment, les exosquelettes (e.g., Lokomat®) pour la réadaptation de la marche ont montré leur efficacité chez l’adulte avec des troubles neuromoteurs. Néanmoins, les preuves appuyant l'efficacité d'une telle modalité d’entrainement chez les enfants avec paralysie cérébrale restent insuffisantes. En plus de son éventuelle pertinence pour la réadaptation locomotrice, le Lokomat® offre la possibilité d’évaluer certaines fonctions motrices (i.e., la force musculaire, la spasticité). Cependant, ces outils d’évaluation ne sont guère utilisés en raison du manque d’information quant à leurs fiabilités. L’objectif de cette thèse était d’évaluer la pertinence d’utilisation des orthèses robotisées « Lokomat® » à la fois pour l’évaluation des fonctions motrices et la réadaptation de la marche chez des patients avec des troubles neuromoteurs notamment la paralysie cérébrale. Pour répondre à notre objectif général, trois objectifs spécifiques ont été définis afin de : (1) évaluer l’efficacité de la réadaptation locomotrice robotisée pour l’amélioration des paramètres de la marche chez des enfants avec paralysie cérébrale ; (2) évaluer les qualités psychométriques des outils intégrés dans le Lokomat® mesurant la spasticité et la force isométrique afin de déterminer leurs pertinences pour un usage clinique régulier ; et (3) proposer une approche systématique basée sur l’électromyographie pour la personnalisation des réglages du Lokomat® afin de favoriser un entrainement optimal où nous avons ciblé les extenseurs de la hanche. Réalisée dans un contexte de « Living Lab » impliquant le patient, les parents, des cliniciens et des chercheurs, notre première étude a permis d’établir un protocole d’entrainement au Lokomat® réaliste (2 séances/semaines pour 12 semaines) et transférable en clinique et d’en vérifier l’efficacité. Cette intervention sur 24 patients a conduit à une amélioration de la force isométrique des membres inférieurs (+25-74%) ainsi qu’une amélioration des capacités de la marche telles que la vitesse de marche (+20%), la longueur du pas (+14%) et l’endurance (+24%). Les améliorations de la force musculaire et de l’endurance ont été maintenues au suivi après 6 mois. De plus, nos résultats ont mis en évidence des effets positifs, quel que soit le niveau de sévérité (niveaux « GMFCS - Gross Motor Function Classification System » II à IV). Dans la deuxième et troisième études, la fiabilité de deux outils intégrés dans le Lokomat® (L-FORCE et L-STIFF) mesurant respectivement la force musculaire et la spasticité des membres inférieurs a été mesurée à l’aide des coefficients de corrélation intraclasse (CCI) et de l’erreur type de mesure (ETM). La fiabilité intra- et inter-évaluateur du L-FORCE était bonne à excellente (CCI = 0,70 - 0,87 et ETM = 11,9 - 22,5%) pour la mesure de la force isométrique des fléchisseurs et extenseurs de la hanche et du genou chez des enfants avec paralysie cérébrale. La fiabilité intra-évaluateur du L-STIFF était modérée à excellente (CCI = 0,49 – 0,89 ; ETM = 7 – 16%) alors que la fiabilité inter-évaluateur était faible à bonne (CCI = 0,32 – 0,70 ; ETM = 6 - 39%). Ces deux outils ont ainsi une fiabilité intra- et inter-évaluateur supérieure à celle des tests cliniques conventionnels pour la mesure de la force isométrique et de la spasticité chez des enfants avec paralysie cérébrale avec une évaluation dans une position plus proche de celle de la marche. Enfin, notre quatrième étude est une preuve de concept d’une approche systématique basée sur l’électromyographie pour personnaliser et optimiser les réglages du Lokomat® visant à maximiser l’activité électromyographique des extenseurs de la hanche chez deux adultes ayant subi un accident vasculaire cérébral. Nous avons pu ainsi définir des paramètres personnalisés pour un entrainement ciblé au Lokomat à l’aide d’un protocole faisable et simple à déployer. Les deux cas présentés dans l’étude suggèrent un bénéfice significatif pour le renforcement musculaire des extenseurs de la hanche (+43 et 114 %) ainsi qu’une amélioration de l’endurance (+37% et +150%) et de la capacité de déplacement (évolution de l’échelle « Modified Functional Ambulation Classification » de 4 à 7). En conclusion, les résultats de nos travaux motivent l'utilisation d’orthèse robotisée – Lokomat pour la réadaptation locomotrice des enfants avec paralysie cérébrale. Cette approche fournit un environnement d’entrainement standardisé et permet une évaluation objective et globalement fiable des changements de la force et de la spasticité des membres inférieurs. Enfin, afin de donner plus de possibilités motrices à ces patients, l’optimisation des thérapies au Lokomat semble tout à fait réalisable et simple à mettre en place (i.e., en ayant recours à basée sur l’électromyographie et nécessitant seulement deux sessions Lokomat supplémentaires). / Cerebral palsy is the leading cause of childhood gait limitations, affecting 2 to 3 children per 1000 births. It is defined as a movement and posture disorder that causes functional limitations due to the damage of the immature brain. Spasticity, excessive co-contraction, muscle weakness and bone deformities limit the autonomy of these children. Their walking is slower and more unstable compared to that of typically developing children. Recently, exoskeletons for gait rehabilitation (e.g., Lokomat®) have been shown to be effective in adults with neuromotor disorders. However, evidence supporting the effectiveness of such a training modality in children with cerebral palsy remains insufficient. In addition to its apparent relevance for gait rehabilitation, the Lokomat® offers the possibility of evaluating certain motor functions (i.e., muscle strength, spasticity). However, these tools are not used due to the lack of information on the reliability of its measurements. The objective of this thesis was to assess the relevance of the use of robotic orthoses « Lokomat® » for the assessment of motor functions and for gait rehabilitation in patients with neuromotor disorders, such as cerebral palsy. To respond to our general objective, three specific objectives have been defined in order to: (1) provide information on the applicability and effectiveness of robotic locomotor rehabilitation for improving gait parameters in children with cerebral palsy; (2) evaluate the psychometric qualities of the Lokomat® integrated tools measuring spasticity and isometric force in order to determine their suitability for regular clinical use; and (3) propose a systematic approach based on electromyography to personalize Lokomat's settings to promote optimal training for hip extensor strength. Carried out in a « Living Lab » context involving the patient, parents, clinicians and researchers, our 1st study established a realistic Lokomat® training protocol (2 sessions / weeks for 12 weeks) that can be easily transferred to the clinic. This intervention on 24-patients led to significant improvement in the lower limb isometric strength (25-74%) and walking capacities such as walking speed (+20%), step length (+14%) and endurance (+24%). Improvements in muscle strength and endurance had sustained when measured at a 6-month follow-up. In the same study, our results showed that robotic training had a positive effect on muscle strength and gait capacity whatever the level of severity (GMFCS levels II-IV). In the second and third studies, the reliability of the two integrated tools of the Lokomat® (L-FORCE and L-STIFF) assessing muscle strength and spasticity respectively was measured using intraclass correlation coefficient (ICC) and standard error of measurement (SEM). The intra- and inter-tester reliability of the L-FORCE tool was good to excellent (ICC = 0,70 - 0,87 et SEM = 11,9 - 22,5%) for measuring isometric strength of hip and knee flexors and extensors in children with cerebral palsy. For the L-STIFF tool, the intra-tester reliability was moderate to excellent (ICC = 0.49 – 0.89, SEM = 7 – 16%) while the inter-tester reliability was acceptable to good (ICC = 0.32 – 0.70, SEM = 6 - 39%). These two tools have thus greater intra- and inter-tester reliability than conventional clinical tests for measuring isometric strength and spasticity in children with cerebral palsy. Finally, our fourth study is a proof of concept of a systematic approach based on electromyography to personalize and optimize the Lokomat® settings that aim to maximize muscle activity of hip extensors in two post-stroke patients. We were able to set personalized parameters for a targeted Lokomat® training using an easily implementable protocol. It only took two test sessions to determine these settings. The two cases presented in the study showed a significant increase in muscle strength of the hip extensors (+43 and 114 %) as well as improvement in endurance (+37% and +150%) and mobility (from 4 to 7 on the Modified Functional Ambulation Classification). In conclusion, the results of our studies support the use of the Lokomat® robotic orthosis for gait rehabilitation in children with cerebral palsy. This approach provides a standardized training environment and allows an objective and mostly reliable assessment of changes in strength and spasticity of the lower limb. Finally, optimization of Lokomat® training appears to be feasible and easy to implement (i.e., based on electromyography and with only two additional Lokomat® training sessions).

Le pied plat flexible affecte 20-25% de la population adulte. Il est caractérisé par un affaissement anormal de l’arche longitudinale médiale en charge ainsi qu’une pronation excessive du pied. Les orthèses plantaires (OPs) représentent la prise en charge conservatrice la plus fréquemment utilisée au regard de cette pathologie. Toutefois, il existe un manque de consensus quant à leur effet bénéfique, notamment à cause de la variété d’OPs (géométrie et matériaux) utilisée. Ces dernières années, le développement des techniques d’impression 3D a permis d’innover et de faciliter la production d’OPs sur-mesure. Les réalisations actuelles ne se sont cependant limitées qu’à des formes monolithiques reposant sur la forme du pied. L’objectif de cette thèse est d'approfondir les connaissances relatives à l’impact des OPs sur la biomécanique du pied plat, afin d’aider au développement et à l’évaluation d’une OP originale imprimée en 3D. À cet égard, trois objectifs spécifiques ont été définis : (1) investiguer l’effet de la forme géométrique des orthèses plantaires chez des personnes ayant des pieds plats flexibles ; (2) quantifier l’effet de la rigidité d’OPs imprimées en 3D et celle de l’addition d’éléments anti-pronateurs novateurs sur la cinématique du pied ainsi que les pressions plantaires ; (3) évaluer l’impact d’OPs sur-mesure imprimées en 3D sur la biomécanique des membres inférieurs chez des personnes ayant des pieds plats. Par la réalisation d’une revue systématique avec méta-analyse, l’effet de la forme géométrique des OPs sur la cinématique et la cinétique du membre inférieur lors de la marche chez des personnes ayant les pieds plats a pu être déterminé. Seules les études ayant clairement décrit les modifications géométriques des OPs utilisées ont été incluses. Elles ont ensuite été divisées en cinq groupes en fonction de leur forme géométrique : avec stabilisateur d’arrière-pied médial, avec stabilisateur d’avant-pied médial, avec combinaison d’un stabilisateur d’arrière-pied et d’avant-pied médial, avec stabilisateur neutre, et avec support d’arche. La revue a ainsi mis en évidence que l’utilisation de stabilisateur médiaux était la modification géométrique la plus efficace pour réduire l’éversion de l’arrière-pied et ainsi contrôler la pronation excessive. Cependant, l'hétérogénéité dans les protocoles expérimentaux contribue à la faible évidence au regard des effets des OPs sur la biomécanique de la marche chez des personnes ayant les pieds plats. Sur la base des observations tirées de notre revue de la littérature, des stabilisateurs d’arrière-pied innovants (neutre avec extension sous l’arche) ont été développés pour être utilisés avec une OP originale imprimée en 3D. Par conséquent, l’objectif de notre deuxième étude était de quantifier l’effet de ces stabilisateurs mais aussi de déterminer l’impact de la rigidité de notre OP sur la cinématique du pied et les pressions plantaires. Pour se faire, 15 hommes en bonne santé et ayant les pieds neutres (pointure 9.5-10 US) ont été recrutés afin de s’affranchir de l’interaction possible avec une pathologie. Ainsi, il a été mis en évidence qu’une augmentation de la rigidité était associée à une réduction plus importante de l’éversion à l’arrière-pied (Différence Moyenne (DM) = -0.83°). Cette dernière a d’autant plus été réduite par l’ajout de stabilisateurs (DM = -1.15° et -2.43°). Au niveau des pressions plantaires, outre le transfert de la charge vers le médio-pied induit par le port des OPs, l’augmentation de la rigidité a contribué à accentuer les pics de pression sous l’arche et l’arrière-pied (DM de +21.6% à +31.7%). Enfin, notre troisième étude avait pour but d’évaluer l’impact d’OPs personnalisées et imprimées en 3D sur la biomécanique des membres inférieurs chez des personnes ayant des pieds plats. Pour ce faire, 19 patients recrutés par l’intermédiaire de podiatres ont reçu deux paires d’OPs sur-mesure, respectivement flexible et rigide, et ont participé à une évaluation biomécanique (cinématique, cinétique, pressions plantaires). L’augmentation de la rigidité n’a eu que peu d’effets sur la cinématique et les efforts articulaires. Elle a cependant été associée à une augmentation des pressions sous l’arche (DM = +34.4% pour la pression moyenne). L’effet de notre stabilisateur a également été quantifié. Il a été associé à une réduction significative de l'éversion à l’arrière-pied (DM = -2.0°), une réduction du moment interne d'inversion à cheville (DM = -0.03 Nm/kg), et à une légère augmentation du moment interne d’abduction au genou (DM ≈ +0.04 Nm/kg). Dans l’ensemble, le présent travail de thèse a permis de mieux saisir les mécanismes d’action des OPs sur la biomécanique des personnes ayant les pieds plats, de guider le développement d’une OP imprimée en 3D et de stabilisateurs d’arrière-pied innovants, et de confirmer que l’ajout d’éléments anti-pronateurs est essentiel afin d’observer un impact bénéfique des OPs sur le contrôle de la pronation excessive. / Flatfoot has been reported to affect around 20–25% of the adult population. It is defined by an abnormally low medial longitudinal arch upon weight bearing and an excessive foot pronation. Foot orthoses (FOs) have commonly been used as a conservative treatment to manage this deformity. However, due to the variety of FOs (geometrical designs and materials) that have been used, there is still low evidence of their beneficial effect. In recent years, the advent of 3D printing techniques has facilitated the production of innovative and customized FOs. Yet, current achievements are limited to monolithic form based on the foot shape. The objective of this thesis was to deepen the knowledge relative to FOs’ impact on flatfoot biomechanics, in order to help the development and the assessment of an original 3D printed FO. Three specific objectives were defined for this purpose: (1) investigate the effect of FOs, based on their geometrical design, in individuals with flexible flatfeet; (2) asses the effect of 3D printed FOs stiffness and newly designed anti-pronator components on foot kinematics and plantar pressures; and (3) evaluate the impact of custom 3D printed FOs on lower extremity biomechanics in individuals with flatfeet. Though a systematic and meta-analysis review, the effects FOs geometrical design on lower limb kinematics and kinetics during walking in people with flatfeet has been determined. Only studies that clearly described FOs geometrical design were included. They were then categorized into five groups based on the geometrical design of FOs: with medial rearfoot posting, with medial forefoot posting, with a combination of forefoot and rearfoot posting, with neutral rearfoot posting, and with arch support. The review highlighted that medial postings are the most effective FO feature to reduce the rearfoot eversion and therefore control excessive foot pronation. However, heterogeneity between study protocols contributes to low evidence of beneficial effects of FOs on flatfeet biomechanics during walking. Based on our literature review, innovative rearfoot postings (neutral with an extension under the medial arch) have been developed for an original 3D printed FO. Hence, our second study aimed to determine the effect of these postings as well as the stiffness of our FO on foot kinematics and plantar pressures. To do so, a study involving 15 healthy men with neutral feet (shoe size 9.5-10 US) was carried out. Healthy people were recruited to avoid any interaction with a pathology. The study showed that increasing FOs stiffness was associated to a greater reduction in rearfoot eversion (Mean Difference (MD) = -0.83°). Rearfoot eversion was further decreased when adding the rearfoot postings (MD = -1.15° and -2.43°). Looking at plantar pressures, besides a shift of the loads to the midfoot region while wearing FOs, higher peak pressures under the rearfoot and the medial arch (MD from +21.6% to +31.7%) were observed when increasing the FOs stiffness. Finally, the third study aimed at evaluating the impact of custom 3D printed FOs on lower extremity biomechanics in individuals with flatfeet. Nineteen patients, recruited by experienced podiatrists, were given two pairs of custom 3D printed FOs and participated in a biomechanical analysis (kinematics, kinetics, plantar pressures). Increasing FOs stiffness had little effects on kinematics and joint moments. However, it resulted in higher plantar pressures under the arch (MD = +34.4% for mean pressures). The addition of our rearfoot posting was associated with notable effects; it significantly reduced the eversion angle (MD = -2.0°) and inversion moment at the ankle (DM = -0.03 Nm/kg), and increased slightly the knee abduction moment (MD ≈ +0.04 Nm/kg). Overall, the present thesis has provided a better understanding on how FOs impact the biomechanics of individuals with flatfeet, helped the development of a 3D printed FO as well as innovative rearfoot postings, and confirmed that anti-pronator components are essential to observe a beneficial impact of FOs on the control of excessive foot pronation.