Introduction : Il est estimé que 10 à 15% des individus âgés de plus de 60 ans sont atteints d'arthrose de degrés variés, ce qui engendre des coûts élevés pour nos systèmes de santé. En particulier, l'arthrose fémoro-tibiale interne entraîne une diminution de l'activité physique et une plus grande sédentarité de la population atteinte à cause de la douleur ressentie durant les activités de la vie de tous les jours, comme la marche. Il a été montré que les personnes souffrant d'arthrose fémoro-tibiale ont souvent recours à des stratégies motrices compensatoires pour palier à la douleur. Ces stratégies motrices agissent en latéralisant les forces de contact articulaire, diminuant les contraintes entre le condyle fémoral et le plateau tibial interne. C'est ainsi que le ré-entraînement de la marche, une intervention prospective élaborée en recherche, qui vise à altérer le patron de marche des individus dans le but de diminuer les contraintes entre le condyle et le plateau tibiale a vu le jour. Toutefois, la relation entre les forces de contact articulaire et les modifications de marche n'a, à notre connaissance, pas été quantifiée. De plus, l'impact des modifications de marche sur les articulations de la cheville et de la hanche n'ont que peu été décrit dans la littérature scientifique. C'est pourquoi l'objectif général de la thèse est de décrire l'impact individuel d'une modification de la marche dans le but d'optimiser son implémentation dans la pratique clinique. L'hypothèse générale associée est qu'une modification de marche à un impact sur la cinématique et la cinétique de chaque articulation du membre inférieur. De plus, l'impact de ces modifications est modulée par l'indice de masse corporel et l'alignement du membre inférieur de chaque individu. Méthode : La collecte des données cinématiques et cinétiques a été effectuée à l'aide d'un système de capture du mouvement Vicon (9 caméras, Vicon motion system, Oxford, UK, 100Hz) et d'un tapis roulant instrumenté avec deux plateformes de force (Bertec, Columbus, OH, USA, 1000Hz). Les individus ont altéré leur marche à l'aide d'une rétroaction visuelle projetée sur un écran placé devant eux (Chapitre 4, N = 23 participants sains ; Chapitre 6, N = 29 participants sains). Les données de 120 individus souffrant d'arthrose fémoro-tibiale, ont été collectées la semaine précédant une arthroplastie totale unilatérale du genou. L'alignement du membre inférieur préopératoire a été évalué à l'aide d'une radiographie complète du membre inférieur et à l'aide d'un système de capture du mouvement (12 caméras, VICON Peak, Oxford, UK, 100Hz) dans une position debout standardisée. Résultats : Une modification de marche, simple ou combinée, visant à diminuer le moment d'adduction au genou impact aussi la cinétique à la cheville et/ou la hanche de manière significative (Chapitre 4). Un système de capture du mouvement n'est pas fiable pour estimer l'alignement du membre inférieur chez des individus avec un indice de masse corporel supérieur à 30kg/m² (Chapitre 5). L'interaction entre l'alignement du membre inférieur et les altérations de marche contribuent significativement à la variance observée aux moments de force externes chez une partie des individus (Chapitre 6). Conclusions : Une modification de marche implique aussi des variations significatives des moments de force externes au niveau de la cheville et de la hanche, et qui sont de plus modulées par les caractéristiques anatomiques individuelles. Les résultats soutiennent donc une approche personnalisée des modifications de la marche. En effet, d'un point de vue clinique, l'imagerie fournit des mesures objectives et directes des caractéristiques anatomiques individuelles, qui peuvent être utilisées en conjonction avec une analyse de mouvement spécifique au patient, pouvant fournir ainsi des informations importantes sur la façon dont l'anatomie et la biomécanique interagissent et peuvent être mises à profit pour améliorer et optimiser l'efficacité du ré-entraînement de la marche. En ce qui concerne la recherche, il sera important d'identifier les mécanismes qui expliquent la grande variabilité inter-sujet observée lors de l'adoption d'un nouveau patron de marche. / Introduction : It is estimated that 10% to 15% of people over the age of 60 have osteoarthritis of varying degrees, which results in high costs to healthcare systems. In particular, femoro-tibial osteoarthritis leads to a decrease in physical activity and a greater sedentary lifestyle due to the pain experienced during activities of daily living, such as walking. It has been shown that people with femoro-tibial osteoarthritis often use compensatory motor strategies for pain relief. These compensatory motor strategies act by lateralizing the joint contact forces, reducing the constraints between the femoral condyle and the internal tibial plateau. Gait retraining, a prospective intervention developed in research, aims to alter the gait pattern of individuals in order to reduce the constraints between the condyle and the tibial plateau. However, the relationship between joint contact forces and gait alterations has not, to our knowledge, been quantified. In addition, the impact of gait alterations on the ankle and hip joints is not well documented. This is why the general objective of the thesis is to describe the individual impact of gait retraining in order to optimize its implementation in clinical practice. The associated general hypothesis is that a change in gait has an impact on the kinematics and kinetics of each joint of the lower limb. In addition, the impact of these alterations is modulated by the body mass index and lower limb alignment of each individual. Methods : Kinematic and kinetic data collection was carried out using a Vicon motion capture system (9 cameras, Vicon motion system, Oxford, UK, 100Hz) and an instrumented treadmill with two force platforms ( Bertec, Columbus, OH, USA, 1000Hz). Individuals altered their gait using visual feedback projected onto a screen placed in front of them (Chapter 4, N = 23 healthy participants ; Chapter 6, N = 29 healthy participants). Data from 120 individuals (Chapter 5) suffering from femoro-tibial osteoarthritis were collected the week preceding a unilateral total knee arthroplasty. Preoperative lower limb alignment was assessed using a total lower limb radiography and motion capture system (12 cameras, VICON Peak, Oxford, UK, 100Hz) in a standardized standing position. Results : A gait alteration, single or combined, aimed at reducing the knee adduction moment also significantly impacts ankle and/or hip kinetics (Chapter 4). A motion capture system is not reliable for lower limb alignment estimation in individuals with a body mass index greater than 30kg/m² (Chapter 5). The interaction between lower limb alignment and gait alterations significantly contributes to the variance observed in lower limb joints external moments in some individuals (Chapter 6). Conclusion : Impaired gait also involves significant variations in external moments at the ankle and hip, which are further modulated by individual anatomical characteristics. The results therefore support a personalized approach to gait retraining. Indeed, from a clinical point of view, imaging provides objective and direct measurements of individual anatomical features, which can be used in conjunction with patient-specific motion analysis, thus providing important information on how anatomy and biomechanics interact and can be used to improve and optimize the efficiency of gait retraining. As far as research is concerned, it will be important to identify the mechanisms that explain the great inter-subject variability observed during the adoption of a new gait pattern.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2016-2017 / Cette thèse synthétise la conception d'une plateforme de marche destinée à la réadaptation des membres inférieurs pour le mouvement de la marche. L'automatisation du travail des thérapeutes, la réduction de leur charge de travail et la diversification des exercices pour les patients est un atout par rapport aux outils existants sur le marché tels que les tapis roulants ou les allées instrumentées pour la réadaptation. La conception d'une interface de locomotion pour la simulation de la marche présente des défis en terme de performance et de stabilité du mécanisme, de même que pour assurer la sécurité de l'utilisateur. L'équilibre de l'utilisateur doit être préservé grâce à une interaction humain-robot souple durant la phase d'élancement du pied et une sensation de rigidité lors de la phase d'appui. Dans un premier temps, la thèse présente le mouvement de la marche humaine pour trois types de milieux, c'est-à-dire la marche au sol, la marche d'escalier ascendante et la marche d'escalier descendante. Entre autres, le chapitre 1 cible les points essentiels de la cinématique et de la dynamique des membres inférieurs afin d'établir les exigences physiques pour la conception de la plateforme de marche. Le chapitre 2 introduit l'architecture mécanique de l'interface de locomotion basé sur deux systèmes indépendants de courroies déplaçant les deux effecteurs dans les translations horizontale et verticale, correspondant au plan sagittal dans lequel la majeure partie du mouvement de marche s'effectue. L'architecture du routage de courroies découple les degrés de liberté et simplifie ainsi la commande de la plateforme en séparant chaque degré de liberté en système indépendant. Cette architecture augmente également le rendement des efforts articulaires transmis aux effecteurs comparativement à un système dont les degrés de liberté sont co-dépendants. La thèse introduit ensuite la commande mise en place pour l'interaction entre le mécanisme et l'opérateur. Les exigences cinématiques et dynamiques diffèrent selon la phase d'élancement et la phase d'appui de la marche. Ainsi, le chapitre 3 présente la stratégie mise en place dans la direction horizontale pour minimiser les forces d'interaction entre l'utilisateur et l'effecteur. La commande en force permet, dans un premier temps, de diminuer l'inertie apparente de l'effecteur ressentie par l'utilisateur. Par la suite, un mécanisme passif à câbles est utilisé en tant qu'interface pour réduire davantage l'impédance ressentie du système. Le chapitre 4, quant à lui, décrit la stratégie mise en place pour gérer la phase d'appui de la marche afin de générer la contrainte rigide nécessaire à la simulation du sol virtuel. Le chapitre introduit la commande pour générer la limite virtuelle ainsi que la mise en place du système d'équilibrage statique à ressort à gaz pour diminuer le travail des moteurs et supporter le poids de la personne. Finalement, le chapitre 5 introduit la commande haut niveau pour générer le mouvement infini sur l'interface de locomotion avec un algorithme de recul, ramenant l'utilisateur dans la direction opposée à son mouvement pour générer l'espace nécessaire aux prochaines phases de marche, dans la direction horizontale comme pour le fonctionnement d'un tapis de course et dans la direction verticale, comme pour le fonctionnement d'un escalier mécanique inversé. / This thesis summarizes the design of a locomotion interface for gait rehabilitation. The aim of the mechanism is to alleviate the workload of therapists by automating the repetitive movements involved in the rehabilitation exercises. Moreover, by offering a larger panel of exercises, the locomotion interface should be an asset compared to standard treadmills or rehabilitation walkways. Walking simulation is a challenge in terms of performance, power and safety since the mechanism includes the user in the workspace of the effectors. The balance of the user should be ensured during the swing phase with a reduced human-robot interaction and reliable during the stance phase. First, Chapter 1 describes the walking motion, the stair climbing up and down movement and highlights their main kinematic and dynamic features. Chapter 2 then introduces the architecture of the locomotion interface based on independent belt routings which transmit the movement to two end-effectors that carry the user. Each foot platform has two degrees of freedom (dofs) corresponding to the horizontal and vertical translations in the sagittal plane. Decoupling the dofs simplifies the control of the locomotion interface and increases the efficiency of the torque of the motor sent to the end-effectors compared to systems with co-dependent degrees-of-freedom. Then, the thesis presents the strategies used to supervise the human-robot interaction. The kinematic and dynamic requirements are different during the swing phase and the stance phase of the human gait. Therefore, Chapter 3 introduces the force controllers that lighten the apparent inertia of the mechanism as well as the additional mechanism based on passive cables in order to further alleviate the impedance of the effector. Chapter 4 presents the controller that generates the vertical virtual constraint in order to produce the required reliable floor during the stance phase. The rendering of the virtual environment is improved with the implementation of a static balancing system based on gas springs that alleviates the workload of the motors that handle the weight of the user. Finally, Chapter 5 introduces the cancellation algorithm that generates the infinite environment. Horizontally, the user is brought backward such as on a treadmill. Vertically, the user is moved in the opposite direction of his/her movement such as in a reversed escalator.