Introduction : La préparation motrice est un processus complexe, à l’interface entre les aspects cognitifs et moteurs, au cours duquel différentes étapes vont se déployer, permettant de définir les paramètres du mouvement qui sera exécuté par la suite. Lorsqu’un mouvement génère systématiquement de la douleur, notre organisme est capable d’anticiper cette douleur liée au mouvement afin d’établir des stratégies de protection. Il a été montré dans de précédentes études qu’en présence de douleur, des changements spécifiques d’activité musculaire en fonction du rôle agoniste/antagoniste du muscle permettent de protéger le membre douloureux pendant l’exécution du mouvement. Toutefois, les mécanismes neurophysiologiques qui sous-tendent l’anticipation de la douleur pendant la préparation motrice demeurent largement inconnus. L’objectif général de la thèse est de mieux comprendre les mécanismes neurophysiologiques qui sous-tendent la préparation de mouvements avec et sans douleur associée. Méthode : Une revue systématique (étude 1) a été réalisée afin de synthétiser les études qui ont investigué la préparation motrice en mesurant les changements de temps de réaction induits par une stimulation cérébrale non-invasive chez des participants en santé, offrant l’opportunité d’évaluer la contribution causale d’une région corticale lors de la préparation motrice. Puis, la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) a été utilisée dans deux études pour mesurer l’excitabilité corticospinale de muscles proximaux du bras lors d’une tâche de pointage de cibles avec indiçage. Dans l’étude 2, les potentiels évoqués moteurs (MEPs) et les mouvements évoqués par la TMS ont été mesurés sur le biceps et le triceps à plusieurs intervalles de temps avant l’exécution de flexions et d’extensions du coude réalisées sans douleur, afin de caractériser les changements d’excitabilité corticospinale associés à la préparation motrice. Dans l’étude 3, des stimulations nociceptives ont été appliquées pendant l’exécution de flexions ou d’extensions auprès de deux groupes de participants et les MEPs ont été mesurés sur le biceps pendant la préparation motrice. Des mesures comportementales (temps de réaction et pics de vitesse) ont également été réalisées afin d’évaluer les phases d’initiation et de réalisation du mouvement. Résultats : Les résultats obtenus dans l’étude 1 supportent l’implication fonctionnelle de cinq régions corticales (le cortex préfrontal dorsolatéral, le cortex pariétal postérieur, l’aire motrice supplémentaire, le cortex pré-moteur dorsal et le cortex moteur primaire), intégrées dans un réseau fronto-pariétal, dans plusieurs composantes de la préparation motrice allant des aspects attentionnels jusqu’aux aspects moteurs. Les résultats de l’étude 2 ont révélé une asymétrie dans la réponse corticospinale entre les muscles fléchisseur et extenseur du coude de même que des différences entre la préparation de mouvements de flexion et d’extension du coude. Les résultats de l’étude 3 ont mis en évidence que pour la direction associée à la douleur, l’excitabilité corticospinale du biceps est supérieure avant une extension (contexte antagoniste) qu’avant une flexion (contexte agoniste). De plus, les participants mettent plus de temps à initier le mouvement associé à la douleur, mais le réalisent ensuite plus vite. Conclusion : Les résultats de la thèse ont permis de révéler le rôle primordial du but de l’acte moteur sur les processus qui opèrent pendant la préparation motrice. En effet, les corrélats corticaux qui sous-tendent la préparation motrice diffèrent selon le mouvement préparé. De plus, la réponse corticospinale des muscles fléchisseur et extenseur du coude varie selon la direction du mouvement préparé et l’intervalle de stimulation au cours de la préparation. Enfin, l’anticipation d’une douleur associée à un mouvement affecte l’excitabilité corticospinale mesurée lors de la préparation motrice. Ces derniers résultats ont par ailleurs confirmé les prédictions de la théorie d’adaptation du contrôle moteur en présence de douleur qui suggère la mise en place de stratégies de protection se reflétant à travers une augmentation de l’excitabilité corticospinale du muscle antagoniste et à l’inverse une diminution du muscle agoniste au mouvement douloureux. / Introduction: Motor preparation is a complex process at the interplay between cognitive and motor aspects, during which multiple steps occur and allow to define the parameters of the upcoming movement. When a movement generates pain repeatedly, the central nervous system should eventually be able to anticipate movement-related pain and establish self-protective strategies during motor preparation in order to avoid pain or to minimize its harmful consequences. It has been previously shown that when pain occurs during movement execution, specific changes occur in the muscular activity depending on the role of the agonist/antagonist muscle that protect the painful limb. However, the mechanisms in the origins the effects of pain anticipation during motor preparation remain poorly understood. The main objective of this thesis is to better understand neurophysiological mechanisms that underlie motor preparation with and without associated pain. Methods: A systematic review (study 1) was performed in order to synthetize studies that have investigated motor preparation by measuring changes in reaction time, induced by non-invasive brain stimulation in healthy participants. This offered an opportunity to evaluate the causal contribution of a given cortical region during motor preparation. Then, transcranial magnetic stimulation (TMS) was used in two studies in order to evaluate corticospinal excitability changes in proximal arm muscles during a pre-cued reaching task. In study 2, motor evoked potentials (MEPs) and TMS-evoked movements have been measured in the biceps and the triceps at various time intervals prior to elbow flexion and extension, when executed without pain. This aimed at characterizing corticospinal excitability changes associated with motor preparation. In study 3, nociceptive stimulations were applied during the execution of flexion or extension for two experimental groups and MEPs were measured in the biceps during motor preparation. Behavioral measures (reaction time and peaks of velocity) were also measured to assess the phases of initiation and execution of the movement. Results: Results obtained in study 1 support a functional implication of five cortical regions (dorsolateral prefrontal cortex, posterior parietal cortex, supplementary motor area, dorsal premotor cortex and primary motor cortex), integrated in a fronto-parietal network, in various components of motor preparation ranging from attentional to motor aspects. The results of study 2 reveal an asymmetry in the corticospinal output between flexor and extensor muscles of the elbow as well as differences in the preparation of flexion and elbow extension movements. The results of study 3 show that corticospinal excitability of the biceps is greater before extension (antagonistic context) than before flexion (agonist context) for the direction associated with pain. In addition, participants take longer to initiate the movement associated with pain, but then realize it faster. Conclusion: The results obtained in this thesis have revealed the prominent role of the motor goal on the processes which operate during motor preparation. Indeed, the cortical correlates underlying motor preparation differ according to the type of movement prepared. In addition, corticospinal output for elbow flexor and extensor muscles varies according to the direction of the prepared movement and the stimulation interval during the preparation phase. Finally, pain anticipation affects corticospinal excitability measured during motor preparation. These latest results have also confirmed and extended what the motor control adaptation theory forecast, suggesting the implementation of protective strategies reflected through an increase in the corticospinal excitability of the antagonist muscle and conversely through a decrease of the agonist muscle to the painful movement.

Introduction : Les nouvelles technologies qui permettent de capter et d’analyser les mouvements des utilisateurs ne cessent de se développer et représentent un potentiel intéressant dans le domaine de la santé. Grâce à l’essor de ces nouvelles technologies, des systèmes de réalité virtuelle (RV) clefs en main intègrent les services de réadaptation, et les études démontrent leur capacité à optimiser la rééducation motrice et l’évaluation des clients présentant des troubles du contrôle moteur. Le marché de la RV est ainsi en pleine expansion, et l’ajout d’informations haptiques permettant de modéliser les caractéristiques physiques des entités virtuelles représente un intérêt considérable pour améliorer l’écologie des environnements virtuels (EVs) et le transfert des apprentissages aux activités quotidiennes. Toutefois, l’effet de l’ajout de ces informations sur le comportement moteur des sujets demeure très peu connu. L’objectif principal de cette thèse était ainsi d’évaluer l’impact de l’ajout d’informations haptiques, par un mécanisme parallèle entrainé par câbles (robot à câbles), sur le contrôle moteur de sujets sains, lors de la réalisation de tâches complexes et fonctionnelles dans des EVs. Les deux hypothèses principales étaient que cet ajout améliore le contrôle du mouvement lors de tâche de manutention d’objet ayant des contraintes environnementales statiques, et modifie les stratégies locomotrices proactives en présence de contraintes dynamiques. Méthode : Le comportement moteur de participants sains a été analysé lors de la réalisation de deux tâches. En premier lieu, une tâche de manutention de caisse nécessitant la préhension et le déplacement d’une caisse à partir d’une posture debout a été étudiée. Celle-ci a été réalisée dans un environnement réel et dans des EVs, en absence et en présence d’informations haptiques, relatives aux contraintes physiques de l’étagère et de la caisse manipulée, fournies grâce à un robot à câbles (Chapitre 3, N=12). En second lieu, une tâche nécessitant l’évitement d’avatars au cours de la marche sur un tapis roulant a été réalisée en présence et en absence de risque de contact physique avec les avatars, délivré par un robot à câbles (Chapitre 4, N=10). Les EVs étaient vus au travers d’un visiocasque. Résultats : La première étude a démontré une amélioration des paramètres spatiaux du mouvement réalisé dans l’EV en présente d’informations haptiques, au cours des différentes phases de la tâche de manutention (préhension, montée et descente de la caisse). L’organisation spatiale du mouvement était ainsi plus similaire à ce qui était observé dans un environnement réel, avec un meilleur respect des contraintes environnementales (éloignement plus important de la caisse avec l’étagère, trajectoire plus longue). De plus, le contrôle du mouvement était influencé par la demande de précision requise pour ne pas toucher les étagères en présence d’informations haptiques uniquement. La deuxième étude a démontré la mise en place de stratégies motrices plus précautionneuses pour éviter les avatars lors de l’ajout d’informations haptiques. Les participants tendaient à anticiper plus précocement l’évitement des avatars. Ils maintenaient une distance minimale plus importante avec les avatars et conservaient un espace péripersonnel plus large, indépendamment de l’angle d’approche de l’avatar. Conclusion : L’ajout d’informations haptiques dans les EVs impacte les stratégies motrices proactives des participants sains aussi bien lors de la tâche de manutention de caisse que de locomotion avec évitement d’avatars. Les résultats suggèrent que l’ajout d’informations haptiques favorise la prise en compte des entités virtuelles lors de la planification mouvement. Ces informations haptiques imposent en effet des restrictions plus réalistes dans les possibilités d’actions fournies par les EVs, et modifient probablement l’évaluation des conséquences que représente le contact avec les entités virtuelles. Il serait pertinent de poursuivre l’étude de l’influence de ces informations afin de proposer à des clients ayant des déficiences motrices des environnements encore plus écologiques, qui favorisent l’évaluation et la prise en compte des risques implicites que représentent les entités environnementales. / Introduction: New technologies that capture and analyze user movement are constantly developing and represent a great potential in healthcare. Thanks to the recent technological advances, turnkey virtual reality (VR) systems are progressively integrated into the rehabilitation setting, and studies have demonstrated their ability to optimise sensorimotor rehabilitation and clinical assessment of people with motor control disorders. The market for VR is growing and adding haptic feedback that provides physical characteristics to virtual entities represents a great potential to improve the ecological validity of virtual environments (VE) and to the transfer of learning to daily tasks. However, the impact that adding haptic feedback has on motor behavior remains poorly understood. The main objective of this thesis was to assess the impact of adding haptic feedback, using a novel cable-driven parallel robot, on the motor control of healthy participants during complex, functional tasks in VEs. The two mains hypotheses were that haptic feedback improves motor control during a handling task with static environmental constraints and modifies proactive locomotor strategies in the presence of dynamic constraints. Method: The motor behavior of healthy participants was analysed during two tasks. First, a manual handling task was studied during which participants grasped and moved a crate while standing. This task was realised in a real environment and in VEs with the absence and the presence of haptic information. The latter simulated the physical constraints of the shelf and the crate to be manipulated using a cable-driven robot (Chapter 3, N=12). Second, avatar avoidance tasks were realised when participants walked on a self-paced treadmill in the absence and then in the presence of a risk of physical contact with avatars. Contact was simulated by a cable-driven robot (Chapter 4, N=10). VEs were viewed through a head mounted display for all tasks. Results: The first study showed that adding haptic feedback to the VE improved spatial parameters of movement realised in a VE during all phases of movement (reaching, ascent and descent phases). The spatial organisation of movement was closer to those observed in a physical environment, and better respected environmental constraints (higher clearances from the shelf and longer trajectories). Moreover, movement control was influenced by task precision required to avoid any contact with the shelf in the presence of haptic feedback only. The second study demonstrated that when avoiding avatars in VR, more cautious behavior was measured in the presence of potential physical contact. Participants tended to start their avoidance strategy earlier and increased minimum clearance along with a larger personal space regardless of the avatar’s approach angle. Conclusion: Adding haptic feedback in VEs impacts the proactive motor strategies of healthy participants during a manual handling task as well as a locomotor task involving the avoidance of avatars. These results suggest that adding haptic feedback enhances one’s consideration of virtual entities during movement planning. Haptic information imposes more realistic restrictions on the actions afforded by EVs, and likely modifies the perceived consequences of potential contact with virtual entities. It will be important to continue to study the impact of haptic feedback within VEs to provide even more ecological environments to people with motor deficits in order to improve assessment and the consideration of implicit risks posed by the environment.

Québec Université Laval, Bibliothèque 2015

Ce Mémoire s’intéresse au suivi (Tracking) sans marqueurs et à la reconstruction tridimensionnelle de mouvements humains articulés à partir de séquences vidéo acquises avec une caméra de type 3D (stéréo ou infrarouge). Ce domaine de recherche est très actif de nos jours et comporte un champ d’applications assez large qui touche des domaines tels que la capture du mouvement sans cibles pour l’animation et la réalité virtuelle, les interactions homme-machines, la télésurveillance ou bien sûr les jeux vidéos. Au cours de ce manuscrit, nous proposons une méthode pour déterminer la pose d’une personne en 3D. La technique, sans marqueurs, repose sur un alignement d’un squelette et d’un modèle humain 3D sur la silhouette vue par la caméra en s’appuyant sur un ajustement progressif, débutant par la tête et se poursuivant par le torse et les différents membres. La technique prend en considération l’aspect articulé de l’anatomie humaine et permet en particulier de régler certains problèmes d’occlusions et de chevauchement. Cela dit, la complexité de la structure du corps humains, de ses contraintes physiques ainsi que la grande variabilité dans les observations des images, font que la détermination d’une solution à ce problème soit difficile. L’objectif de cette mémoire est donc de développer une méthode assez robuste capable de faire face à ces différentes difficultés imposées par le choix de la technologie et le contexte général d’utilisation pour les consoles de jeux vidéo de salon. Pour aborder cette étude, nous proposons un modèle humain 3D qui tient compte des contraintes physiques et qui permet une intégration cohérente des différentes informations visuelles comme le visage, les contours et les silhouettes. / This report is interested in the markerless motion tracking and the three-dimensional reconstruction of articulated human movements from video sequences acquired with a 3D camera (stereo or infrared). Nowadays, this research field is very active and contains a wide field of applications which deals with areas such as motion capture for animations and virtual reality without using any kind of markers, human-machine interaction (HMI), remote monitoring and of course video games. In this manuscript, we propose a novel method to estimate the 3D human pose. This markerless technique is based on an alignment of a skeleton and a 3D human model over the silhouette seen by the camera by leaning on a progressive adjustment, starting from the head and continuing to the trunk and the various members. The technique considers the articulated aspect of the human body and allows, in particular, solving some problems of occlusions and overlapping. Besides, the complexity of the human body structure, of its physical constraints as well as the big variability in the images’ observations, makes that the solution determination for this problem is difficult. The objective of this memory thus is to develop a strong and robust method capable of facing these various difficulties imposed by the technology choice and the general context of use for home video games consoles. To approach this study, we propose a 3D human model which takes into account physical and kinematic constraints and which allows a coherent integration of various visual information such as face detection, edges and silhouettes. The combined system allows 3D human motion tracking using only one 3D camera.

Cette thèse comprend deux études de Tomographie par Émission de Positrons qui ont respectivement été effectuées auprès de sujets sains et de patients ayant subi un accident vasculaire-cérébral (AVC). L'objectif principal de ces expériences était de comparer les circuits cérébraux impliqués dans l'imagination et l'exécution physique de mouvements du membre inférieur à différents stades de l'apprentissage d'une séquence motrice. Tel qu'attendu, les données de la première étude auprès de sujets sains démontrent qu'avec la pratique physique, le patron de changements dynamiques de flot sanguin observé lors de l'exécution d'une séquence explicite de mouvements du pied est très semblable lors de l'évocation mentale de cette même séquence. Cependant, les résultats de la seconde expérience démontrent que les patrons de changements de flot sanguin associés à la pratique physique sont différents chez les patients porteurs d'une lésion striato-capsulaire que ceux obtenus pour les contrôles. Ainsi, nos données suggèrent qu'un dommage striato-capsulaire nuit à l'apprentissage d'une séquence motrice explicite. De plus, il semble que le réseau cérébello-cortical normalement impliqué dans ce genre d'acquisition motrice ne compense pas pour ce type de lésion

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / L'analyse de mouvements par un système de vision numérique fait l'objet de plusieurs recherches depuis quelques années et plusieurs y ont déjà apporté des solutions intéressantes. Toutefois, dans un bon nombre de ces recherches, les solutions proposées fonctionnent sous l'hypothèse que la séquence vidéo analysée ne comporte qu'un seul mouvement, cyclique ou non cyclique, aussi appelé activité. Par contre, dans une application réelle d'analyse de mouvements, qu'il s'agisse d'un système de surveillance automatisé, d'un système produisant automatiquement des résumés de bandes vidéo ou autre, les séquences vidéo analysées peuvent comporter un grand nombre d'activités exécutées les unes après les autres, entrecoupées ou non de pauses. Dans ce contexte, cet ouvrage propose, analyse et compare plusieurs variantes d'une méthode visant à extraire automatiquement les mouvements cycliques d'une séquence vidéo. Dans un premier temps, on y présente le problème sous-jacent qu'est la segmentation des parties cycliques d'un signal et on y propose des solutions. Dans un second temps, on y traite du problème de représentation des mouvements par des signaux et de la fusion des segmentations obtenues sur ces signaux. La méthode présentée utilise l'information fournie par un modèle de squelette représentant l'évolution temporelle d'un être humain dans la séquence vidéo. Elle s'applique à n'importe quel format de squelette décrit en terme de joints reliés par des segments de droite et ne requiert aucune connaissance a priori sur les mouvements effectués. / Automated motion analysis and recognition has been the object of numerous researches for a good number of years now. Many of these researches generated interesting solutions to the problem, many of which requires that the analyzed video sequence contains a single cyclic or non-cyclic motion, also referred to as an activity. This hypothesis is however not consistent with many real life applications where such algorithms could be of use. For instance, automated surveillance Systems, automated video summarizers or other such applications would evidently need to process video sequences containing more than one activity, potentially interleaved with pauses. In this regard, this dissertation presents, analyses and compares many variations of a general approach to the problem of extracting single cyclic activities from video sequences. To that end, we first address the underlying problem of cyclic component segmentation from one-dimensional signals. We then address the problem of motion representation through such signals and the problem of merging a number of signal segmentations in order to obtain a single segmentation coherent with the activity content of the original video sequence. The method therein presented uses the information provided by a skeleton sequence representing the motion of a human subject. This method can be applied to any type of skeleton described by nodes linked by straight edges. Moreover, no prior knowledge of the activities to be segmented is required.