Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Les travaux entrepris dans cette thèse sont relatifs à l'analyse biomécanique et à la simulation du mouvement de propulsion d'un fauteuil roulant à mains courantes. Ils ont pour objectif la prévention des troubles musculosquelettiques du membre supérieur. Pour cela, nous proposons des indices permettant une quantification objective du risque de développer une pathologie du membre supérieur en lien avec la propulsion du fauteuil. Ainsi, dans le premier chapitre, nous présentons le fauteuil roulant, l'anatomie et les pathologies du membre supérieur et le lien entre ces dernières et le geste de propulsion. Dans le second chapitre, nous détaillons les paramètres biomécaniques du mouvement et justifions la construction de nos indices de risque de troubles musculosquelettiques des trois articulations et du membre supérieur dans son ensemble. Nous indiquons également quels sont les outils nécessaires à l'évaluation du geste de propulsion. Le troisième chapitre expose le protocole expérimental, ses objectifs et les résultats obtenus. Ainsi, les assises hautes et plutôt avancées réduisent les valeurs extrêmes et les amplitudes des trois articulations du membre supérieur ainsi que les activations musculaires des principaux muscles impliqués dans la propulsion. Elles diminuent également le risque de troubles musculosquelettiques évalué par les indices présentés au chapitre précédent. Cependant, ces réglages sont à l'opposé de ceux considérés comme efficaces : assises basses et reculées. Lors du réglage du fauteuil, il faut donc faire un compromis entre efficacité et risque de pathologies. Enfin, le quatrième chapitre présente un modèle de cinématique inverse permettant la simulation et l'évaluation du geste de propulsion d'un fauteuil à mains courantes. Ce dernier permet de tester une multitude de configurations, ce qui est inconcevable lors d'une étude in-vivo, et ainsi de proposer un réglage fin du fauteuil. Pour conclure, nos travaux utilisent des connaissances issues de la biomécanique et de l'ergonomie et proposent une première quantification du risque de troubles musculosquelettiques afin d'aider au choix et au réglage du fauteuil avec comme perspective la prévention de ces derniers. Ainsi, sur la base d'un simple test cinématique, l'interface que nous avons développée permet dévaluer le geste de propulsion et les risques de TMS qui en découlent. Elle permet également de simuler le geste pour une infinité de configurations du fauteuil et ainsi de conseiller objectivement l'utilisateur lors du choix et du réglage de son fauteuil. Enfin, dans le cadre de programmes de réhabilitation, l'utilisation de nos indices de risques de TMS permettrait l'évaluation du geste de propulsion lors des phases d'apprentissage. En effet, la visualisation, des gestes et des risques qui leur sont associés, aiderait les équipes médicales à transmettre aux nouveaux utilisateurs de fauteuil les connaissances nécessaires à la réalisation du geste de propulsion le moins traumatisant.

Le milieu des Services à l'automobile est un secteur d'activité comportant plusieurs travailleurs manuels. Depuis les dernières années, plusieurs études ont démontré que ce milieu est touché d'une manière importante par les troubles musculo-squelettiques aux membres supérieurs (TMS-MS). Les écrits associés aux peintres de carrosserie automobiles établissent un lien entre la charge statique, les postures de travail, les pistolets utilisés et le développement de TMS-MS. Cette étude avait pour objectif d'évaluer des stratégies utilisées lors de l'application de peinture à l'aide de deux types de pistolets par des peintres d'expérience ayant préalablement été observés par Giguère et al. (2007) lors d'une étude exploratoire portant sur les TMS-MS dans le secteur des Services à l'automobile. Ces stratégies avaient été identifiées en raison de leur potentiel à diminuer les contraintes physiques aux membres supérieurs associées à l'application de peinture pour différents plans, de hauteurs diverses. Dix sujets ont réalisé des manœuvres sur quatre sections différentes (portière basse, portière haute, capot et toit). Ces sujets devaient faire dix-huit conditions expérimentales qui furent créées à partir de la combinaison des variables indépendantes. Ces variables comportaient : la hauteur du plan de travail (standard et modifiée), la posture de travail (accroupie et debout), l'inclinaison de la surface (droit et incliné), le type de pistolets (standard et modifié). Les quatre variables n'ont pas été utilisées pour chacune des sections analysées. Tous les résultats ont été utilisés pour les analyses statistiques multifactorielles. L'activité musculaire a été mesurée avec l'électromyographie (EMG) de surface pour douze muscles du membre supérieur droit. L'évaluation des moments de force externes exercés par le pistolet a été faite. De plus, la vidéo a permis d'évaluer le positionnement angulaire des membres supérieurs pour les articulations de l'épaule et du coude. La perception psychophysique de l'effort associée aux différentes conditions expérimentales a aussi été recueillie pour chacun des sujets. Selon les résultats de l'EMG, l'optimisation de la hauteur de travail a permis de réduire les pourcentages de la contraction volontaire maximale pour le trapèze supérieur et le deltoïde antérieur aux conditions sur la section du toit. Cette baisse suggère que l'élévation du travailleur amène un effet positif sur sa posture, comme le témoigne la demande musculaire. Le muscle fléchisseur de l'épaule, qui est moins raccourci en raison de la baisse de l'angle relatif à l'articulation, déploie alors moins de force pour réaliser le même mouvement. De plus, l'inclinaison de la surface permet aussi de modifier la posture du travailleur. L'angle de 45 degrés à la section du capot permet le rapprochement des segments du travailleur et ainsi réduit le moment de force à l'épaule lors de l'application de peinture. Cette situation abaisse les %CVM des trapèzes supérieurs et deltoïdes antérieurs et les angles relatifs et absolus à l'articulation de l'épaule. Enfin, les résultats ont aussi démontré que l'utilisation du pistolet modifié présentait un effet significatif, mais que l'outil ne permettait pas de réduire de manière importante l'activation des muscles extenseurs et fléchisseurs du poignet. Bien que le centre de gravité de l'outil modifié à été mieux balancé, la déviation au poignet était quand même présente. Il serait intéressant de poursuivre cette étude en tentant de concevoir un type de poignée qui permettrait de réduire les contraintes physiques au poignet associées à la préhension du pistolet sur une surface horizontale. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : mécanique automobile, trouble musculo-squelettique au membre supérieur, ergonomie, électromyographie, biomécanique, pistolet à peinture, carrosserie

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

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 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.