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.

La thèse présentée ici contribue à l'étude des rotations et des déplacements d'un corps solide dans l'espace. Elle se compose de trois articles qui traitent de la modélisation statistique de données directionnelles, rotationnelles et de déplacements. Le premier article propose un nouveau modèle pour les données directionnelles qui sont des vecteurs unitaires dans R p [matrice de rotation R, p x p]. On modélise la dispersion et l'orientation de vecteurs unitaires aléatoires par une nouvelle distribution indexée par des paramètres d'échelle et de localisation et on suggère d'utiliser la méthode des moments pour estimer ses paramètres. Le deuxième article propose une nouvelle distribution pour les déplacements dans R p [matrice de rotation R, p x p]. On traite de modèles stochastiques pour les variations d'une séquence de déplacements autour d'une valeur moyenne. Sous quelques spécifications pour les erreurs expérimentales, on montre que l'estimateur de la rotation moyenne associée au déplacement moyen est meilleur comparé à celui obtenu par des modèles marginaux qui utilisent la rotation seule. Le troisième article étudie le mouvement relatif d'un corps solide par rapport à un autre qui s'obtient comme une rotation selon un axe fixe et une translation le long de cet axe. On suggère un modèle pour ce type de mouvement avec une valeur prédite qui dépend de la position et de l'orientation de l'axe de rotation. On suppose que le déplacement observé est égal à la valeur modale perturbée par des erreurs qui suivent une distribution suggérée dans le deuxième article. On montre, par une étude de Monte-Carlo, que le modèle proposé est plus performant que le modèle marginal de rotation ou de translation pour l'estimation de l'axe de rotation. Ainsi, le traitement combiné de données de rotation et de translation permet d'obtenir des estimation plus précises.

Dans cette thèse, nous présentons une méthode de segmentation d’images radiographiques des membres inférieurs en régions d’intérêt (ROIs), une méthode de recalage rigide tridimensionnel (3D) / bidimensionnel (2D) des prothèses du genou sur les deux images biplanaires radiographiques calibrées et une méthode de reconstruction 3D des membres inférieurs à partir de deux images biplanaires radiographiques calibrées. Le premier article présente une méthode de segmentation de rotule, astragale et bassin des images radiographiques en régions d’intérêt basée sur la fusion de multi-atlas et superpixels. Cette méthode utilise l’apprentissage d’une base de données d’images radiographiques de ces os segmentées manuellement et recalées entre elles pour estimer un ensemble de superpixels permettant de tenir compte de toute la variabilité locale et non linéaire existante dans la base, puis la propagation d’étiquettes basée sur le concept d’entropie pour raffiner la carte de segmentations en régions internes afin d’obtenir le résultat final. Le deuxième article présente une méthode de recalage rigide 3D / 2D des composants tibiaux et fémoraux de prothèse du genou sur deux images biplanaires radiographiques calibrées. Cette méthode utilise une mesure de similarité hybride basée sur les notions de contours et régions puis un algorithme d’optimisation stochastique pour estimer la position des composants. La similarité basée sur les régions est stable et robuste contre les bruits. Cependant, cette mesure n’est pas précise car le nombre de pixels aux contours est inférieur au celui à l’intérieur de la région. Au contraire, la similarité basée sur les contours est précise mais plus sensible au bruit ou à d’autres artefacts existant dans les images. C’est pourquoi la combinaison de ces deux similarités fournit une méthode de recalage robuste et précise. Le troisième article représente une méthode statistique biplanaire de reconstruction 3D de rotule, astragale et bassin. Cette méthode utilise un algorithme de réduction de dimensionnalité pour définir un modèle déformable paramétrique qui contient toutes les déformations statistiques admissibles apprises à partir d’une base de données des structures osseuses. Puis un algorithme d’optimisation stochastique est utilisé pour minimiser la différence entre la projection des contours / régions des modèles surfaciques osseux avec ceux segmentés sur les deux images radiographiques. / In this thesis, we present a segmentation method of lower limbs of X-ray images into regions of interest (ROIs), a three-dimensional (3D) / two-dimensional (2D) rigid registration method of knee implant components to biplanar X-ray images, and a 3D reconstruction method of the lower limbs using biplanar X-ray images. The first paper presents a superpixel and multi-atlas-based segmentation method of the patella, talus, and pelvis into regions of interest. This method uses a training dataset of pre-segmented and co-registered X-ray images of these bones to estimate a collection of superpixels allowing to take into account all the nonlinear and local variability existing in the dataset, then a propagation of label based on the entropy concept for refining the segmentation map into internal regions to the final result. The second paper presents a 3D / 2D rigid registration method of tibial and femoral components of knee implants to calibrated biplanar X-ray images. This method uses a hybrid edge- and region-based similarity measure then a stochastic optimization algorithm to estimate the component position. The region-based similarity is stable and robust to noise. However, this measure is not precise because the number of pixels in the border is fewer than the number of pixels inside the region. On the contrary, the edge-based similarity is accurate but more sensitive to noise or other artifacts existing in the images. That’s why the combination of these two similarity types provides a robust and accurate registration method. The third paper presents a statistical biplanar 3D reconstruction method of the patella, talus, and pelvis. This method uses a dimensionality reduction algorithm to define a deformable parametric model which contains all admissible statistical deformations learned from the bone structure dataset. Then a stochastic optimization algorithm is used to minimize the difference between the contour / region projection of bone models and the contours / regions in two segmented X-ray images.