Parmi les problèmes musculo-squelettiques liés à l’exécution de la musique, touchant particulièrement les instrumentistes à cordes frottées, la douleur est le symptôme le plus fréquent. La douleur liée à la pratique instrumentale a toutefois été peu documentée chez les étudiants qui font partie de l’élite en cordes, c’est-à-dire, les élèves de tous âges qui sont engagés dans une démarche d’apprentissage préprofessionnel de l’instrument. De plus, les facteurs de risque de la douleur liée à l’exécution de la musique ont été déterminés dans le contexte d’études transversales. Or certains facteurs de risque fluctuent dans le temps, par exemple la durée passée à jouer de l’instrument. À ce jour, l’impact des changements de la durée à jouer sur la douleur liée à l’exécution de la musique est peu connu. Les objectifs de ce mémoire sont de (1) décrire les caractéristiques de la douleur musculo-squelettique liée à l’exécution de la musique chez les étudiants en cordes qui font partie de l’élite, et (2) explorer l’effet des changements de la durée à jouer de l’instrument sur la douleur. Pour atteindre ces objectifs, des étudiants ont été recrutés dans trois camps musicaux offrant de la formation supérieure de façon intensive durant la période estivale. Les participants ont complété un questionnaire-maison auto-administré environ 1 mois avant le début du camp afin de caractériser leur douleur (objectif 1 : n=132) ainsi qu’à leur arrivée au camp musical et une semaine plus tard pour étudier relation entre le changement de durée à jouer et le changement de douleur (objectif 2 : n=93). La plupart des participants rapportent de la douleur liée à l’exécution de la musique (86 % à 96 % selon le temps de mesure considéré), d’une durée relativement courte (30 minutes) et d’intensité faible à modérée (moyenne de 33 mm à l’échelle visuelle analogue), touchant principalement les muscles stabilisateurs (cou, épaules, haut du dos). Une augmentation moyenne de 23 heures/semaine de la durée à jouer de l’instrument est rapportée dans le cadre de la participation à un camp musical intensif. Cette augmentation est significativement liée à l’exacerbation de l’expérience de douleur (fréquence et intensité des symptômes), mais elle n’explique que 10 % du phénomène. L’impact fonctionnel de la douleur, soit la perception d’incapacité à jouer à cause de la douleur, est significatif à tous les temps de mesure. Ces résultats démontrent la forte prévalence de la douleur liée à la pratique instrumentale chez les étudiants en cordes qui font partie de l’élite, et confirment le lien entre l’augmentation de la durée à jouer et l’exacerbation de la douleur liée à la pratique instrumentale.

L'obésité est associée à un risque de fragilité musculo-squelettique, en particulier d’arthrose (OA). Notre but est d’explorer leurs contributions des conditions métaboliques et du surpoids. L’obésité MM (mécanique et métabolique) est obtenue par un régime alimentaire. L’obésité M (mécanique) est mimée par hypergravité à 2g. L’OA est induite par acte chirurgicale. Nous avons exploré les effets des obésités MM et M sur le système musculo-squelettique de souris non OA. Les MM ont un os trabéculaire préservé, un os cortical détérioré et des muscles fragilisés. Chez les M, l’os est préservé et les muscles sont renforcés. Les troubles métaboliques sont responsables de la fragilisation de l’os cortical et du muscle. Dans une 2ème partie, les conséquences de l’OA sont évaluées chez des souris non obèses, MM ou M. L’OA chez les non obèses fragilise uniquement l’os trabéculaire. L’OA chez les MM accentue la diminution de l’épaisseur corticale. L’OA chez les souris M fragilise encore plus l’os cortical et le muscle que chez les souris MM. Cependant si on ne considère que les souris OA, la composante MM est toujours plus délétère que la composante M. Finalement, nous avons testé les vibrations corps entiers pendant les 4 dernières semaines comme traitement potentiel des détériorations musculo-squelettiques des MM couplée ou non à l’OA. Les vibrations n’impactent pas l’obésité et l’OA. Un effet musculaire est observé au niveau moléculaire, ces diminutions étant plus importantes chez les OA. Aucun changement de masse musculaire n’est observé. Le tissu osseux n’est pas influencé. / Obesity is associated with a risk of musculoskeletal fragility, especially osteoarthritis (OA). Our goal is to explore their contributions of metabolic and overweight conditions. MM obesity (mechanical and metabolic) is obtained through a diet. Obesity M (mechanical) is mimed by hypergravity at 2g. OA is induced by surgery. We explored the effects of MM and M obesity on the non-OA mouse musculoskeletal system. MMs have preserved trabecular bone, deteriorated cortical bone and weakened muscles. In M, bone is preserved and muscles are strengthened. Metabolic disorders are responsible for the weakening of cortical bone and muscle. In a second part, the consequences of OA are evaluated in non-obese mice, MM or M. OA in non-obese only weakens the trabecular bone. OA in MM accentuates the decrease in cortical thickness. OA in M mice further weakens cortical bone and muscle than in MM mice. However, if we consider only the OA mice, the MM component is always more deleterious than the M component. Finally, we tested entire body vibrations during the last 4 weeks as a potential treatment for musculoskeletal deterioration of MM, whether or not coupled to OA. Vibrations do not affect obesity and OA. A muscular effect is observed at the molecular level, these decreases being greater in OA. No change in muscle mass is observed. The bone tissue is not influenced.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'étude de la biomécanique du geste sport a pour double objectif d'améliorer la performance et de minimiser le risque de blessures. De multiples études ont appliqué les principes de la biomécanique au mouvement du swing de golf. Toutefois, des biais méthodologiques et un manque de consensus ont conduit à des résultats parfois contradictoires. Ainsi, l'objectif premier de cette thèse a été d'effectuer une analyse exhaustive de l'état de l'art de la biomécanique appliquée au swing de golf. Le second objectif a été de concevoir et de mettre en place un protocole expérimental qui permette l'analyse du swing de golf. Et le troisième objectif a été de développer les modèles et analyses permettant l'étude du swing de golf. Cette partie a été effectuée à l'aide du développement d'un modèle musculo-squelettique via le logiciel OpenSim.34 joueurs ont été analysés dans le cadre de cette thèse. Les analyses ont porté sur de multiples éléments : géométriques, cinématiques, dynamiques et énergétiques. Différents critères ont été pris en compte, dont certains couramment pris en compte dans l'analyse du swing de golf (e.g. X-factor), dans l'analyse du mouvement (e.g. dynamique articulaire), mais aussi de nouveaux critères tels que le moment moteur ou le moment cinétique moteur.Des perspectives en termes de transferts vers les équipes médicales et les entraîneurs ont été proposées. / Studying biomechanics aspects of sport movements is aiming at improving performance and reducing injury risk. Several studies have used biomechanics concepts to study golf swing. However, several methodological biases and the lack of consensus have driven to contradictions. Thus, the first objective of this thesis was to do an exhaustive literature review of the biomechanics applied to golf swing. The second objective was to establish an experimental protocol for studying golf swing. And the third objective was to develop models and analysis to study golf swing. This part was done by a musculoskeletal model developed with OpenSim software.34 golf players have been analyzed for this thesis. Those analyses tackled multiples aspects : geometries, kinematics, kinetics and energetics. Several criteria have been taken into account, some from golf swing analysis (e.g. X-factor), from movement analysis (e.g. articular kinetics) and some new ones such as motor moment and motor kinetic moment.Perspectives for transferring results to medical staff and coaches were proposed.

Les modèles biomécaniques éléments finis (EF) sont couramment utilisés dans de nombreux domaines. Ces modèles tendent depuis quelques années à être actifs, capable donc de générer des efforts musculaires et des mouvements. L’étape suivante consiste à rendre ces modèles réactifs, c’est-à-dire capable de réagir à une situation quelconque par des contractions musculaires et des mouvements. C’est dans cet optique que ce projet a été décomposé en 3 étapes. La première consistait à réaliser un modèle biomécanique détaillé capable de contractions musculaires et de mouvements. La seconde étape consistait à introduire des réflexes. Pour cela des modèles de capteurs sensoriels (fuseaux neuromusculaires et organes tendineux de golgi) et les réflexes associés (réflexes myotatiques et myotatiques inverses) ont ensuite été introduits au sein même du modèle. Le modèle ainsi obtenu a pu ensuite être validé grâce à une campagne expérimentale de quantification du réflexe d’étirement du tendon du biceps brachial. La dernière étape consistait à introduire des réactions de niveau supérieur, c’est-à-dire des mouvements volontaires. Pour cela une méthode de contrôle basée sur de l’apprentissage et l’optimisation a permis de générer ces mouvements et de les contrôler.En conclusion, l’introduction de boucles sensorielles et motrices de différents niveaux dans un modèle EF permet de rendre ce dernier réactif à son environnement. En effet, le modèle est ainsi capable de générer un mouvement selon des objectifs et des contraintes. Il est également capable d’adapter la contraction musculaire en fonction des évènements intervenant lors de la réalisation du mouvement. / Biomechanical finite elements (FE) models are commonly used in the field of road safety, sport and medicine. These models tended in recent years to be active, i.e. able to generate muscular efforts or movements. The next step is to make these models reactive, i.e. able to react to a situation with muscle contractions and movement. It is in this context that this project was broken down into 3 steps. The first step was to create a detailed biomechanical model capable of movements and muscle contractions. The second step was to introduce reflexes. For this, physiological sensors models (neuromuscular spindles and golgi tendon organs) and the associated reflexes associated (myotatic and inverse myotatic reflexes) were then integrated into the model. The model thus obtained could then be validated thanks to an experimental campaign of characterization of the deep tendon reflex of the biceps brachial. The last step was to introduce higher-level reactions, i.e. voluntary movements. For this purpose, a control method based on learning and optimization has made it possible to generate and control these movements.In conclusion, the introduction of sensory and motor loops of different into an FE model makes the latter reactive to its environment. Indeed, the model is thus able to generate a movement according to objectives and constraints. He is also able to adapt the muscular contraction according to the events intervening during the realization of the movement.

Le vieillissement de la population mondiale amène à se poser la question : comment bien vieillir ? La chute de personnes âgées est connue pour être le point de départ d’un cercle vicieux conduisant trop souvent à la perte d’autonomie avec un réel coût de prise en charge pour la société et le patient. La chute est la conséquence de la perte d’un équilibre efficace et économe en énergie, résultant d’une synergie entre le squelette, les muscles et les capacités cognitives. L’objectif de cette thèse est de rechercher les premiers signes d’un vieillissement pathologique afin de repérer, en amont, les personnes à risque. La première partie présente la caractérisation de l’alignement postural d’adultes jeunes et vieillissants, par l’analyse de reconstructions 3D du squelette obtenues à partir de radiographies bi-planaires. Elle permet d’identifier un invariant et des stratégies de compensation chez les sujets vieillissants. La deuxième partie s’intéresse au système musculaire via la reconstruction 3D de muscles à partir d’images IRM, pour des adultes jeunes et vieillissants avec déformations rachidiennes. Elle permet de mettre en évidence des changements musculaires en lien avec l’altération de la posture. La dernière partie de cette thèse aborde l’adaptation et la personnalisation d’un modèle biomécanique musculo-squelettique calculant les efforts résultants au niveau inter-vertébral. Une boucle de contrôle vise à limiter ces efforts en activant les muscles requis. L’utilisation de la géométrie 3D personnalisée dans ce modèle, ouvre à la voie à une compréhension fine des mécanismes de compensation se produisant au cours du vieillissement, normal ou pathologique. Cette partie révèle l’influence de l’altération de la posture sur le pattern de recrutement musculaire. Cette thèse met en évidence des altérations au cours du vieillissement, ce qui pourrait ouvrir la voie à l’identification de biomarqueurs permettant une meilleure prise en charge en amont des personnes vieillissantes à risque. / Aging of the global population challenges scientific community in finding ways to live longer, but also in better condition. Falling of the elderly is known to be the start of a vicious cycle leading to loss of autonomy, involving great costs for the society as well as for the patient. Falling is the consequence of the loss of an efficient balance involving skeleton, muscles and cognitive capacities. The objective of this PhD was to search for early changes leading to pathological aging, in order to detect people at risk. The first part reports the characterization of the postural alignment, of both young and older asymptomatic adults, from 3D reconstruction of their skeleton based on bi-planar X-rays. An invariant was found and compensatory strategies have been identified for aging adults. The second part focuses on the 3D reconstructions of the muscles, based on MRI images, both for young adults and older adults with spinal deformities. This part identifies muscular changes in relation with postural alterations. The last part of this PhD tackles the adjustment and personalization of a biomechanical musculo-skeletal model computing the resulting load in the inter-vertebral joint. The control loop approach of the model aims to limit these loads by activating appropriate muscles. The use of 3D personalized geometry as input of the model allows a better understanding of specific compensatory mechanisms occurring during aging or pathological evolution. This part reveals the influence of the postural alteration on the muscular recruitment pattern. This PhD brings to light aging alterations of the skeleton and muscles; this could lead to biomarkers’ identification allowing a better identification of aging people at risk.

Nous avons étudié l’impact de contraintes mécaniques contrastées sur la structure des pattes de canard (Anas platyrhynchos) pour comprendre l’influence de l’environnement sur la variabilité phénotypique. Des canards ont été élevés sous quatre conditions expérimentales: 1/ marche restreinte, 2/ marche libre 3/marche augmentée 4/ marche et nage. Les vingt-huit muscles et les trois os longs de la patte de ces oiseaux ont été mesurés. Une comparaison a été faite entre les appareils locomoteurs des canards des cailles et des pies pour établir un lien entre les types de marche et la morphologie des pattes. Les résultats montrent que les muscles sont principalement affectés par une restriction de mouvement, alors que les os sont principalement touchés par une augmentation de l’exercice. Les variations de forme des os touchent principalement le genou. Cette articulation est aussi celle qui montre la plus de variabilité au cours de la locomotion des différentes espèces comparées. / We investigated the impact of contrasting mechanical constrains on duck leg structure (Anas platyrhynchos) to understand the influence of the environment on phenotypic variability. Ducks were raised under four experimental conditions: 1/ restricted walking, 2/ free walking 3/ increased walking 4/ walking and swimming. The twenty-eight muscles and three long bones of the leg of these birds were measured. A comparison was made between locomotive devices of quail, ducks and magpies to establish a link between the types of walking and the morphology of the legs. The results show that the muscles are mainly affected by a restriction of movement, while the bones are mainly affected by an increase in exercise. The variations in the shape of the bones mainly affect the knee. This joint is also the one that shows the most variability during the locomotion of the different compared species.

Ce travail de thèse investigue la cinématique des doigts longs par deux approches différentes et complémentaires ainsi que la faisabilité de la fusion entre celles-ci. La première approche comporte le développement complet d’un protocole d’évaluation fonctionnelle tridimensionnelle des doigts. Des mouvements continus sont étudiés de manière in vivo et la cinématique des cinq doigts est visualisée simultanément. La seconde approche consiste en l’application d’une méthodologie in vitro de modélisation des doigts afin de créer un modèle anatomiquement fidèle permettant d’apprécier la cinématique tridimensionnelle ainsi que différents paramètres biomécaniques des muscles mobilisant les doigts longs. Les deux approches sont finalement comparées et la faisabilité de leur couplage étudiée en vue d’une fusion des données issues de ces deux méthodologies. Les méthodes développées dans ce travail sont également considérées dans le cadre d’une utilisation clinique. La première partie de ce travail présente la méthodologie complète d’un protocole novateur d’évaluation de la cinématique des doigts in vivo. Plusieurs mouvements analytiques et fonctionnels des doigts ont été analysés sur un échantillon de vingt sujets sains. Les mouvements analytiques ont tout d’abord permis d’étudier le comportement physiologique des doigts mais également de constater des spécificités fonctionnelles de chacun. Les mouvements fonctionnels ont ensuite permis d’analyser la biomécanique des doigts lors de mouvements plus complexes. Les synergies intra- et inter-doigts ont été étudiées et les spécificités des muscles mobilisant les doigts sont discutées. Enfin, une base de données de sujets sains a été créée pour permettre de futures études incluant des sujets souffrant de pathologies de l’appareil neuro-musculo-squelettique de la main. Les limites mises en évidence ainsi que le rôle des muscles décrit dans cette première partie justifient l’emploi de la modélisation dans la suite de ce travail.La deuxième partie de ce travail apporte une contribution à la modélisation musculo-squelettique des doigts longs. Une nouvelle méthodologie de création de référentiels pour les segments des doigts longs est présentée et confrontée à une méthodologie faisant standard (recommandations de l’International Society of Biomechanics). Par ailleurs, le modèle développé sur base de données tomodensitométriques a permis d’étudier plusieurs paramètres de la cinématique par positions discrètes des doigts longs. Le modèle est apparu satisfaisant concernant la cinématique articulaire. Une méthodologie originale de modélisation des muscles extrinsèques des doigts est également présentée. Les résultats de l’étude des excursions tendineuses et des bras de levier musculaires ont permis de conclure que le modèle est pertinent pour l’étude de la cinématique articulaire des doigts longs et des paramètres musculaires présentés dans certaines limites. Le modèle musculo-squelettique décrit constitue une base pour de multiples améliorations futures dont certaines sont abordées dans ce travail. Afin de rendre le modèle le plus proche de la réalité, les données des deux premières parties du travail sont envisagées dans le cadre d’une fusion de données. La dernière partie de ce travail s’intéresse à la faisabilité de la fusion entre la méthodologie d’évaluation fonctionnelle de la cinématique des doigts in vivo et la modélisation musculo-squelettique des doigts longs. De nombreux paramètres cinématiques ont été comparés et les limitations identifiées ont été investiguées, dont notamment les artéfacts liés aux déplacements des tissus mous sur les segments osseux. Par ailleurs, les perspectives d’utilisation de ces deux méthodologies dans un environnement clinique sont également abordées. Dans sa globalité, ce travail apporte une contribution à la connaissance de la cinématique des doigts longs par deux approches différentes ainsi que par l’étude de la faisabilité de la fusion entre celles-ci. Les méthodologies présentées offrent de multiples possibilités. Les limitations inhérentes aux méthodologies employées dans ce travail sont étudiées et discutées. De multiples pistes de réflexion et d’études futures sont également présentées sur base des travaux décrits. La fusion des données abordée pourra dans les travaux futurs permettre de développer des outils pour l’analyse fonctionnelle des doigts dans des applications en recherche fondamentale ou en routine clinique. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’étude de la biomécanique de la locomotion en fauteuil roulant manuel (FRM) a pour objectif de limiter le risque d’apparitions de blessures du membre supérieur, en optimisant la facilité à se déplacer. De nombreuses études ont montré qu’un ajustement des réglages du FRM avait un impact sur la mobilité. Néanmoins, les modèles utilisés dans la littérature pour représenter les interactions « sujet-FRM » et « FRM-environnement » possédaient plusieurs limitations. Ainsi, l’objectif premier de la thèse était la mise en place d’un modèle musculo-squelettique du membre supérieur permettant de modéliser l’interaction entre le sujet et le FRM, en utilisant des méthodes expérimentales adaptées pour appliquer ce modèle. Le second objectif était de construire un modèle mécanique du FRM en mouvement permettant de calculer les forces de réaction entre le sol et les roues du FRM. Le dernier objectif était d’appliquer une procédure d’optimisation numérique des réglages du FRM incluant les modèles développés durant la thèse. Le modèle musculo-squelettique développé a permis d’analyser la biomécanique du membre supérieur lors de la locomotion en FRM chez les sujets recrutés lors des campagnes de mesures. L’optimisation des réglages du FRM a été mise en place à partir du modèle mécanique du FRM, permettant de confirmer l’influence de plusieurs réglages sur la mobilité en FRM. Enfin, des perspectives d’amélioration de la procédure d’optimisation des réglages ont été explorées, à partir d’algorithmes de génération prédictive du mouvement. / The study of manual wheelchair (MWC) locomotion biomechanics aims at lowering the risk of upper limbs injuries, by optimizing mobility. Several studies have showed that adjusting MWC settings had an impact on MWC mobility. However, the models used in the literature to depict the « user-MWC » and « MWC-floor » interactions had several limitations. Thus, the first aim of this thesis was to develop a musculoskeletal model of the upper limbs allowing to describe the « user-MWC » interaction, by using adapted experimental methods to apply this model. The second aim of the thesis was to implement a mechanical model of the MWC allowing to compute ground reaction forces during locomotion. The final aim of the thesis was to apply a numerical optimisation procedure, including the models developed during the thesis, to optimize MWC settings. The musculoskeletal model developed during the thesis allowed to analyze biomechanics of the upper limbs during MWC locomotion among subjects recruited during experimental sessions. The MWC settings optimization was implemented with the mechanical model developed during the thesis and confirmed the influence of various MWC settings on mobility. Eventually, improvement perspectives for the numerical optimization procedure of MWC settings were explored, based on predictive movement generation with optimal control algorithms.

Le corps humain possède une grande redondance musculo-squelettique, se traduisant par une infinité de coordinations musculaires possibles pour produire un effort résultant. Lors d'un mouvement, le système nerveux central est confronté à la gestion de cette redondance. A travers l’analyse de cohérence entre les signaux électromyographiques, ce travail de thèse étudie le rôle fonctionnel du couplage intermusculaire et explore la contribution des mécanismes nerveux impliqués dans la régulation de la redondance musculaire en termes de contrôle de l’activité des muscles agonistes, et antagonistes impliqués dans le phénomène de co-contraction. Nos résultats ont révélé que le couplage intermusculaire entre deux muscles agonistes est modulé en présence de fatigue et en fonction de l’expertise sportive. De plus, le couplage entre muscles agonistes et antagonistes dépend des contraintes mécaniques et du rôle fonctionnel des muscles, et semble directement lié au niveau de co-contraction. La cohérence intermusculaire est modulée dans plusieurs bandes de fréquence, témoignant de l’implication de différentes commandes centrales communes d’origines spinales et supra-spinales. Nos conclusions amènent à penser que la coordination musculaire est en partie contrôlée par des commandes nerveuses communes dont la contribution est modulée suivant les propriétés fonctionnelles des muscles concernées, pour s’adapter de manière optimale aux contraintes internes ou externes de la tâche. Les travaux déjà engagés proposent de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents l’altération de la fonction motrice chez des patients cérébro-lésés. / The human motor system is characterized by high musculoskeletal redundancy, implying that a given resultant effort can result from infinity of feasible muscle coordinations. During a movement, the central nervous system has to manage such redundancy. Through coherence analysis between electromyographic signals, this thesis work aims at investigating the functional role of intermuscular coupling and at better understanding the contribution of central nervous mechanisms responsible for the regulation of muscle redundancy, in terms of agonist muscle activity and also antagonist muscles activity involved in co-contraction. Our results revealed that intermuscular coupling between agonist muscles is modulated according to both the fatigue level and the training status. We also showed that the coupling between agonist and antagonist muscles depends on the mechanical configuration and functional role of muscle pairs, and seems directly related to co-contraction. The modulation of intermuscular coherence occurs in several frequency bands, suggesting the involvement of different common central drives of spinal and supra-spinal origins according to task constraints. Taken together, our results lead us to conclude that common neural drives take part in the control of muscular coordination, with different relative contribution according to the functional properties of recruited muscles, in order to optimally adapt to both internal and external task contraints. Work already undertaken proposes to provide a better understanding of the mechanisms underlying impairment of motor function in brain-injured patients.