Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Pour comprendre et diagnostiquer les pathologies qui affectent l'organisation spatialede notre squelette, il est essentiel d'aborder ces problématiques en 3D. Le CT-Scan et l'IRMsont des modalités d'imagerie couramment utilisées en milieu clinique pour étudier en 3D notresystème musculosquelettique. La plupart de ces systèmes d'imagerie proposent une acquisitioncouchée sur laquelle les effets gravitaires ne sont pas pris en compte. Le CT-Scan est unemodalité particulièrement irradiante et l'IRM est plus spécifiquement dédiée à l'étude des tissusmous. Le système EOS permet de reconstruire en 3D les os à partir d'une paire deradiographies biplanes à faible dose d'irradiation. En plus, le système EOS propose uneacquisition en position debout, prenant en compte les effets gravitaires. Cette thèse contribue àl'amélioration des méthodes de reconstruction 3D des membres inférieurs à partir des radiosbiplanes. Dans le cadre de thèse on a proposé et évalué : 1) Une méthode de reconstruction3D des membres inférieurs s'appuyant sur des modèles paramétrés et des inférencesstatistiques. 2) Une méthode d'auto-amélioration de la reconstruction 3D des membresinférieurs en utilisant du traitement d'images local et le recalcul d'inférences statistiques. 3)Enfin, des méthodes utilisant des critères de similarité d'images et des critères morphologiquespour détecter de manière automatique le côté médial et latéral du fémur et du tibia. Le but estd'éviter l'inversion par l'opérateur de condyles fémoraux et plateaux tibiaux, affectant la valeurdes paramètres cliniques, surtout les torsions. La méthode de reconstruction proposée dans lecadre de cette thèse est intégrée dans le logiciel sterEOS® et utilisée dans une soixantained'hôpitaux au monde. Les méthodes développées dans le cadre de cette thèse ont permis deprogresser vers la reconstruction semi-automatisée, précise et robuste du membre inférieur

L'imagerie motrice, ou représentation interne d'un mouvement, est une technique d'entraînement mental ayant la particularité d'impacter la plasticité cérébrale activité-dépendante. La pertinence de son intégration au sein des programmes de rééducation fonctionnelle a été validée par de nombreuses études expérimentales, tout particulièrement pour les personnes victimes d'un accident vasculaire cérébral ou d'une lésion de la moelle épinière. Les résultats obtenus par ce travail de thèse élargissent l'éventail des populations pouvant bénéficier de cette approche en validant la faisabilité et en précisant les conditions optimales de l'intégration de l'imagerie motrice dans le cadre de la rééducation de personnes amputées du membre inférieur. Nous rapportons également des résultats préliminaires prometteurs quant à ses effets sur le recouvrement de leurs capacités locomotrices. Les données montrent que le travail en imagerie motrice devrait être spécifique aux mouvements fonctionnels bilatéraux et que, sous réserve d'une prochaine validation auprès de cette population, l'imagerie motrice de tâches posturales ainsi que l'utilisation conjointe de la stimulation transcrânienne à courant continu, devraient permettre de maximiser son pouvoir d'action sur le recouvrement de la locomotion de personnes amputées du membre inférieur / Motor imagery, which refers to the internal representation of a movement, has the potential to impact activity-dependent plasticity. The relevance of motor imagery, as a technique allowing substantial motor performance gains and motor recovery in the field of rehabilitation, has been validated by numerous experimental studies in stroke patients and persons suffering from spinal cord injury. By highlighting the possibility of integrating motor imagery within the framework of lower-limb amputees’ rehabilitation programs, and revealing promising preliminary data regarding locomotion recovery, the results of this thesis broaden the range of people which might benefit from this technique. Data further suggest that motor imagery should specifically focus on functional and bilateral tasks, and that concomitant use of transcranial direct current stimulation should contribute to potentiate the impact of motor imagery on locomotion recovery of lower-limb amputees

L'analyse du comportement du système musculo-squelettique est indispensable à la compréhension de pathologies ou de l'efficacité du geste sportif. Les modèles, représentants un sujet moyen, permettent l'identification de tendance. Cependant, leurs résultats sont limités à la plage de population qu'ils représentent. Il est donc nécessaire d'adapter leurs géométries et propriétés mécaniques afin de simuler le plus fidèlement possible le comportement biomécanique. L'IRM est l'outil de référence pour la construction de modèle personnalisé tridimentionnel. Cependant, son coût, sa disponibilité et les méthodes de reconstructions limitent son utilisation. Récemment, les développements de la stéréoradiographie, avec le système EOS®, et des techniques ultrasonores, avec l'élastographie ShearWave, ouvrent de nouvelles voies pour la personnalisation des modèles. Le but de ce travail était de proposer une nouvelle méthode pour la construction d'un modèle musculo-squelettique personnalisé, en position érigée, du membre inférieur combinant stéréoradiographie et ultrasons. Tout d'abord, des repères osseux robustes sur images IRM ont été définis pour construire un modèle de référence en position debout. Ensuite, la personnalisation de la géométrie osseuse et de l'enveloppe externe est obtenue par stéréoradiographie. Ces premières informations personnalisées sont utilisées pour estimer la géométrie des muscles. Ce modèle pré-personnalisé est déformé pour correspondre à la géométrie réelle des muscles obtenue par échographie. Cette méthode possède plusieurs avantages. Elle passe outre l'assemblage de coupes échographiques et de supprime la segmentation manuelle complète des coupes. Enfin, un protocole de mesure des propriétés mécaniques par élastographie ShearWave a été présenté. Les propriétés élastiques des muscles du membre inférieur peuvent alors être définies. / The analysis of the behavior of the musculoskeletal system is essential to understand diseases or effectiveness of the sporting gesture. Models, which represent a 50-percentile subject, allow tendencies identification. However, results are limited to the range of people they represent. Their geometry and mechanical properties must be personalized to simulate as closely as possible the biomechanical behavior. MRI is the reference device for the construction of three-dimensional personalized models. However, the cost, the availability and methods of reconstruction limit its use. Recent developments in stereoradiography, with the EOS® system, and in ultrasonic field, with ShearWave elastography, open up new horizons. The aim of this work was to propose a new method for building a personalized musculoskeletal model of lower limb combining stereoradiography and ultrasound, in standing position. First, robust bony frame on MR images were defined to build a reference model. Then, the personalized bones and external envelope geometries were obtained by stereoradiography. This first personalized information was used to estimate muscles geometry. This pre-personalized model was deformed to match the real muscle geometry obtained by ultrasound. This method has several advantages. It overrides the assembly of ultrasound cuts and removes the complete manual segmentation. Finally, a protocol for measuring the mechanical properties ShearWave elastography was introduced. Thus, the muscles elastic properties of the lower limb can then be defined in the model.

Ce travail de thèse s’intéresse à l’estimation des angles articulaires et des positions segmentaires du membre supérieur à partir de capteurs inertiels (MIMU). Malgré l’intérêt grandissant de la communauté scientifique pour cette technologie, plusieurs questions de recherche restent en suspens. Ce travail de thèse contribue à l’avancée de connaissances scientifiques à la fois au niveau de la modélisation cinématique du membre supérieur associée aux capteurs inertiels et au niveau de la validation même des données cinématiques de sortie (angles articulaires et positions segmentaires). Au travers d’une approche méthodologique complète, des recommandations de calibration anatomique sont avancées. De plus, des valeurs clefs de caractérisation sont proposées, telles qu’une reproductibilité des données angulaires de l’ordre de 5-10° et une erreur de positionnement de la main de 7-15 cm. La finalité de ce travail de thèse est la mise à disposition d’un système ambulatoire pour l’évaluation des postures et des mouvements du membre supérieur dans une optique d’évaluation des risques de troubles musculo-squelettiques en milieu professionnel. Une modélisation cinématique avancée prenant en compte un capteur inertiel sur la scapula et la caractérisation du système en milieu perturbé magnétiquement apparaissent comme une suite logique à ce travail de thèse / This PhD work is focused on the estimation of joint angles and segment positions of the upper limb based on inertial sensor technology (MIMU). Despite much interest from the scientific community in this topic, several aspects of research deserve more investigation. This work contributes to the enhancement of scientific knowledge related to (1) the kinematic modeling associated to MIMU and (2) the validation of final kinematic outputs (joint angles and segment positions). Based on an exhaustive methodological approach, recommendations related to the anatomical calibration of MIMU are highlighted. Moreover, key-values related to the characterization of kinematic outputs are proposed, such as a precision of joint angles of 5-10° and a hand positioning error of 7-15 cm. The aim of this study is the development of an ambulatory system for the assessment of postures and movements of the upper limb, in a general context of musculoskeletal disorders risk assessment at work. From now on, an advanced kinematic modeling that uses a MIMU placed on the scapula as well as a characterization of the system under magnetic disturbances represent two of the main scientific questions to explore

Le travail de thèse exposé dans ce manuscrit s'intéresse à la simulation d'un mouvement de manipulation d'objet, plus particulièrement à la saisie suivie de la rotation d'une sphère selon un axe fixe. Le but ici est, à partir d'une analyse de mouvements réels, d'être capable de proposer un algorithme de simulation reproduisant des mouvements comparables aux données expérimentales, en fournissant en entrée le moins d'informations possibles et en essayant d'introduire de la variabilité dans le mouvement simulé. 12 sujets volontaires ont participé à l'expérimentation. Nous leur avons demandé de saisir et de tourner une sphère de 60mm de diamètre avec des amplitudes allant de 45° à 360°, dans les deux sens. L'analyse de ces données expérimentales, complétée par des simulations de l'effet des limites articulaires sur le mouvement nous ont permis d'étudier plusieurs hypothèses sur le contrôle de mouvement telles que l'hypothèse de confort final (« end-state comfort ») et le principe de travail minimum. Une des conclusions majeures est que l'anticipation posturale au moment de saisie semble être expliquée davantage par le confort en fin de mouvement qu'au moment de saisie. Basé sur ces observations, nous proposons un algorithme de simulation avec pour nouveautés la prise en compte de l'espace de mouvements admissibles par les limites articulaires ainsi que l'introduction de la variabilité au choix de la posture de saisie. Les premiers résultats semblent être en accord en grande partie avec les observations expérimentales donnant une base de travail pour aller vers des outils de simulation se rapprochant de plus en plus vers un comportement "humain" / The thesis work presented in this manuscript focuses on the simulation of an handling motion, more specifically on the grasp followed by the rotation of a sphere along a fixed single axis. The aim here is, from the analysis of actual motions, to be able to propose an simulation algorithm reproducing motions comparable to experimental data, with the less input as possible and trying to introduce some variability into the simulated motion. 12 volunteers participated to the experiment. Subjects were asked to grasp and turn a sphere of 60mm of diameter. Amplitudes of rotations were ranged from 45° to 360°, in both directions. Experimental data analysis, completed with some simulations of the effect of joint limits on motion, allowed us to investigate several motion control hypothesis as the end-state comfort hypothesis or the minimum work principle. One of the main conclusions is that postural anticipation when grasping seems to be more explained by the comfort at the end of the motion than when grasping. Based on these observations, we proposed a simulation algorithm being original by the way of how it takes into account possible motions allowed by joint limits and by the introduction of variability into the simulated grasp posture. The first results seem to follow most part of the experimental observations giving a strong basis to go towards simulation tools that will come closer to a “human” behavior

Notre travail de thèse s'est attaché à comprendre les mécanismes mis en jeu par une expérience d'adaptation visuomanuelle inspirée de l'adaptation saccadique, qui a été décrite par [Magescas 2006a]. Le premier chapitre visait à montrer que le paradigme de [Magescas 2006a] induisait peu ou pas d'effets sensoriels. Dans le deuxième chapitre, nous nous sommes intéressés au processus exact de généralisation de l'adaptation au niveau de la seule articulation du coude. Nos résultats nous permettent d'avancer l'idée que le paradigme étudié induisait une modification spécifique du gain moteur pour le groupe de muscles extenseurs du coude. Le troisième chapitre présente le développement de méthodes d'enregistrement de la chaîne articulaire du membre supérieur. Cette méthodologie a permis une comparaison précise entre des hypothèses de généralisation de l'adaptation dans l'espace des tâches et dans l'espace articulaire. Dans un quatrième chapitre, suivant une démarche exploratoire, nous avons imaginé deux protocoles de transposition de l'expérience de [Magescas 2006a], afin d'élargir nos possibilités pour une future étude sur des patients ayant un déficit moteur. A l'issue de ce travail, nous disposons à la fois : de moyens méthodologiques pour l'enregistrement et la modélisation de la chaîne articulaire du membre supérieur ; d'un modèle théorique du fonctionnement de l'adaptation motrice étudiée ; et d'un protocole d'adaptation de la saisie, mieux adapté à la clinique que le protocole d'adaptation du pointage. / We investigated the underlying mechanisms of an visuomanual adaptation experiment mimicking the well-known saccadic adaptation paradigm, described by [Magescas 2006a]. The first chapter aims at giving evidence that the [Magescas 2006a]'s paradigm induced little if any perceptual effects, which means it implicated the only phase of motor commands generation. The second chapter deals with the generalization process of adaptation at the level of one joint (the elbow). Our results suggest that the studied paradigm induced a focused change of the motor gain of the group of elbow extensor muscles. The third chapter details the development of methods to record the arm joint configuration. Such a methodology allowed to precisely compared the hypothesis of generalisation of adaptation in task space and in joint space. In chapter 4, following an explorative approach, we have designed two protocols transposing the [Magescas 2006a]'s experiment, in order to widen our ressources for a future research on patients with motor deficit. At the end of the present work, we have : methodological means of recording and of modeling the joint chain of the arm ; a theoretical model of the studied motor adaptation ; and a new protocol of adaptation of grasping, which is more convenient than adaptation of pointing for clinical purposes.

Le bourgeon de membre est, dès son émergence dans le flanc de l'embryon, divisé en deux domaines distincts, l'un antérieur, l'autre postérieur. Nous analysons le rôle des gènes Msx dans cette polarisation. Chez la souris, les gènes Msx constituent une petite famille multigénique comprenant Msx1 et Msx2: ces gènes codent pour des facteurs de transcriptions à homéodomaine. Les souris mutantes pour Msx1 et Msx2 présentent également une surcroissance de la région antérieure du bourgeon de membre, associée à la perte d'un domaine apoptotique, qui conduit à des polydactylies antérieures. La projet vise à élucider les mécanismes par lesquels les Msx agissent sur la morphogenèse de cette région du membre. Au cours de cette investigation, nous avons fait d'intéressantes observations qui indiquent que les Msx interagissent avec Gli3, et nous avons obtenu d'intéressants résultats expérimentaux par co-immunoprécipitation des Msx et de Gli3 (co-IP) dans des cellules en culture transfectées, et par test de ligation de proximité (PLA) sur le bourgeon de membre in situ. La stratégie repose aussi sur l'analyse différentielle des transcriptome d'embryons doubles mutants pour Msx1 et Msx2 et d'embryons normaux, de façon à identifier les cibles qu'ils peuvent avoir en commun avec Gli3, ces dernières étant déjà décrites. Ces modèles devraient permettre de corréler le niveau d'apoptose avec la surcroissance du bourgeon et la polydactylie qui en résulte, apportant une importante contribution aux mécanismes de la morphogenèse qui sont encore très mal compris. / The vertebrate limb is a paradigmatic model for morphogenesis. The anteroposterior (AP) growth and patterning of the limb bud rely on an intricate regulatory genetic network involving many genetic players such Shh and Gli3. Shh is produced in the posterior region of the limb mesoderm and acts as a morphogen along the AP axis. It regulates both digit number and identity of different AP positions. As the main function of Shh is to prevent proteolysis of Gli3FL into Gli3R, Gli3R concentrates anteriorly which is also where apoptosis takes place. In the mouse, paradoxically, despite a quasi-symmetrical expression profile, Msx1/2 null mutants show systematic anterior defects with an overgrowth in the anterior limb domain, resulting in anterior polydactyly. Both Gli3 and Msx mutant limb defects are concentrated anteriorly in a similar fashion suggesting an interaction between these genes and a possible role of this interaction in AP patterning in the limb bud as well as dysregulation of apoptosis. Indeed, we demonstrate interactions between Msx and Gli3 genes and even proteins. Mutations of Msx and Gli3 result in anterior polydactylous phenotypes and a similar loss of anterior apoptosis. This morphological analysis is associated with a search for common Gli3 and Msx transcriptional targets and partners in an attempt to link gene activity with changes in cell physiology that underlie morphogenesis. We have performed a differential transcriptome (RNA-Seq) on whole limb buds of Msx1-/-Msx2 narrowing down on a number of potential common targets of Gli3 and Msx. We demonstrate that Msx and Gli3 work together in regulating the AP axis of limb development, independent of Shh.

Le syndrome de parésie spastique consécutif à un accident vasculaire cérébral (AVC) comprend plusieurs composantes dont la rétraction musculaire, la parésie sensible à l’étirement et l’hyperactivité musculaire, trois symptômes concourant à une altération de la fonction motrice du membre supérieur dans l’hémiparésie. Les progrès d’un patient atteint par ce syndrome peuvent reposer sur deux types de plasticité cérébrale : post-lésionnelle et liée à l’activité. Les maîtres-mots pour optimiser une récupération motrice par la plasticité liée à l’activité sont : intensité, répétition, effort, attention portée au mouvement, tâche dirigée vers un but et mouvement actif. Au regard des différentes techniques de rééducation, la thérapie utilisant un dispositif robotisé répond à ces principes stimulateurs de la plasticité cérébrale liée à l’activité. Cependant les modalités exactes de l’intervention robotisée et sa durée souhaitable n’ont pas été clarifiées.Une première étude rétrospective a montré que les bénéfices cliniques et cinématiques associés à l’utilisation combinée de l’ergothérapie conventionnelle et de la robot-thérapie sur au moins trois mois suggèrent l’intérêt d’une durée de traitement longue chez des patients aux limitations modérées en phase tardive de la période subaiguë. Une deuxième étude rétrospective suggère qu’à quatre ans, l’évolution lente de la fonction motrice pour ces mêmes patients semble fonction de la sévérité initiale, où finalement les moins bons régressent et les meilleurs s’améliorent un peu. Enfin, une étude prospective randomisée contrôlée en phase subaiguë a démontré que l’entraînement de mouvements sur robot sans assistance améliore l’amplitude active d’extension du coude plus que le même entraînement avec assistance au besoin, qui pourtant a permis au patient d’effectuer environ un tiers de mouvements en plus par séance. Aussi, le facteur difficulté de l’effort prévaudrait sur celui du nombre de répétitions pour stimuler la plasticité cérébrale. Ce dernier principe ne s’exprime cependant que sur le mouvement élémentaire qui est directement entraîné par le robot, en l’occurrence l’extension du coude, tandis que d’autres mouvements fondamentaux dans l’utilisation du bras humain, par exemple la flexion de l’épaule en charge, l’extension du poignet et la préhension digitale, ne sont pas exercés avec la plupart des versions actuelles des robots d’assistance à la rééducation. L’autre limite majeure de la thérapie assistée par un dispositif robotisé est qu’elle ignore la maladie musculaire présentée par les patients (rétractions), ne s’adressant qu’à la composante neurologique de la parésie spastique (parésie de l’agoniste et cocontraction de l’antagoniste). C’est ainsi que malgré le grand nombre de répétitions de mouvements qu’elle permet, nous n’avons pas constaté que la thérapie assistée par un robot se montrait plus efficace que la thérapie conventionnelle seule sur la progression de la fonction globale du membre supérieur en phase subaiguë après un AVC.Les données issues de ce travail devraient permettre aux thérapeutes ayant accès à des dispositifs robotisés d’aide à la rééducation du membre supérieur d’affiner les modalités et la durée de leur prise en charge. L’association de la thérapie assistée par robots à d’autres thérapies pourrait permettre d’optimiser la réduction des troubles moteurs dans l’hémiparésie après un AVC. / Following stroke, the syndrome of deforming spastic paresis includes several components in which three main symptoms, soft tissue contracture, stretch-sensitive paresis and spastic muscle overactivity, impede motor function. Patient progress may utilize two types of brain plasticity: lesion-induced and behavior-induced. The key notions to optimize motor recovery through behavior-induced plasticity are: repetition, effort, attention to movement, goal-directed task and active movement. Robot-assisted therapy fulfills all these conditions. However, the exact modalities of use and optimal duration are yet to be defined.From a first retrospective study, the magnitude of the clinical and kinematic benefits associated with the combined use of robot-assisted and conventional occupational therapies during three months suggest the value of a long duration treatment in the late subacute phase for moderately impaired hemiparetic patients. A second retrospective study observed the four-year long-term evolution of motor function for these patients, which appears to be related to the baseline severity, in which the more severely affected deteriorate and the less severe patients improve a little. Finally, a prospective randomized controlled study demonstrated that non-assisted movement training was associated with greater active elbow extension improvement than training with the assist-as-needed modality even though the latter offered the patient 33% movements more in each session. Therefore, the difficulty of effort appears to be a more effective factor of brain plasticity than the number of movement repetitions. This principle has however been demonstrated only for the primary movement directly trained by the robot, that is, elbow extension. The other movements that are essential in human upper limb use, such as shoulder flexion, wrist extension, gross and fine digit prehension, are not trained with the most current versions of robots used in upper limb rehabilitation. In addition, another important limitation of robot-assisted therapy is that it ignores the muscle disorder (antagonist shortening) of spastic paresis by focusing only on the neural disorder component (paresis in agonists and cocontraction in antagonists). Despite the high number of movement repetitions in robot-assisted therapy, our prospective study has not been able to show superiority of robot-assisted therapy over conventional occupational therapy in improving overall upper limb motor function in the subacute phase after stroke.The findings of this work should help therapists with access to robotic devices to refine the modalities and duration of their use in patient care. Combining robot-assisted therapy with other therapies might optimize the reduction of motor disorder in hemiparesis following stroke.