Conception et évaluation d’un modèle biomécanique, éléments finis, patient-spécifique, du pied humainApplications en podologie, orthopédie et diabétologieLe pied est une des structures les plus complexes du corps humain. Avec 28 os, 33 articulations et une centaine de structures ligamentaires, cette entité poly articulée est le résultat d’une hyperspécialisation ayant contribué à faire de l’homme l’unique primate totalement bipède. Quelque soit le relief, quelque soit le mouvement en cours, le pied transmet au tibia le bon vecteur force afin de finaliser le geste de la manière la plus précise et économe en énergie possible dans l’objectif de préparer l’action des segments sus jacents. Ainsi, en cas de lésion d’une des structures, l’ensemble du complexe pied doit pouvoir s’adapter, si ce n’est pas le cas, les tissus mous, les articulations ou les os seront fragilisés et verront leur fonction propre au sein de ce complexe altérée.Prédire l’adaptation du pied à une modification structurelle, tissulaire, neurologique ou fonctionnelle est un enjeu important dans l’estimation du risque lésionnel.Afin d’initier une réponse à ces problématiques, nous avons décidé au cours de cette thèse de modéliser le pied humain avec des outils mathématiques de simulation biomécanique. Dans un premier temps, un modèle tridimensionnel musculo-squelettique du pied a été reconstruit à partir d’imagerie scanner. Le pied polyarticulé en multicorps rigides obtenu possède des articulations uniquement contraintes par les ligaments et contacts osseux. Les muscles ont été implémentés afin de piloter le modèle en dynamique directe. Enfin, les tissus mous comme les volumes musculaires, le gras et la peau ont été maillés en éléments finis. L’utilisation d’un environnement de programmation multi-physique open source (Artisynth) a permis de coupler la modélisation musculo-squelettique et éléments finis.• L’adaptation du pied au sol en orthostatisme a été évaluée par comparaison des cartographies de pression d’une mise en charge simulée avec la mise en charge réelle du sujet.• Le contrôle moteur du pied en chaine ouverte par l’activation des muscles extrinsèques a été évalué en comparant la cinématique du modèle biomécanique pilotée par électromyographie avec la cinématique capturée en laboratoire sur un mouvement d’abduction – adduction.• Nous avons ensuite cherché à comprendre comment une arthrodèse de cheville modifie la cinématique du pied à la contraction musculaire, l’objectif étant d’aider au réglage chirurgical du geste.• Enfin nous avons utilisé les dernières avancées sur la physiologie de la plaie de pression afin de prédire le risque d’ulcération sur un pied neuroarthropatique diabétique par simulation numérique.Le modèle ainsi que les routines de simulations mis en place nous permettent d’avoir un des modèles les plus aboutis du pied humain utilisant aussi bien des données physiques externes comme les données baropodométriques, les données d’analyse quantifiée du mouvement ou encore les données électromyographiques. Ce modèle permettra par l’intermédiaire d’outils de mesh-matching d’obtenir des modèles patients spécifiques. Les domaines d’applications porteront sur l’aide au geste chirurgical, la prévention des risques d’ulcération, l’analyse avancée des relations entre le pied et le membre inférieur, mais aussi l’aide à la conception de prothèse en orthopédie classique et en mécatronique. / Biomechanical modeling of the human foot. Application to the healthy and pathological subject.The foot is one of the more complex structures of the human body. With 28 bones, 33 joints and a hundred ligamentous structures, this articulated entity is the result of a hyper specialization that makes humans the only obligate bipedal primates. Whatever the terrain, whatever the current movement, the foot transmits to the tibia the right force vector to finalize the gesture in the most precise and efficient manner and prepares the action of the lower limb. Thus, in case of injury to one of the structures, the whole foot complex must adapt if it is not the case, soft tissues, joints or bones are fragile and will have their own function within this complex altered .Predicting the foot’s adaptation of a structural, tissue, neurological or functional modification is an important issue in estimating the risk lesion on locomotion, in the design of therapeutic footwear and orthotics of the degenerative foot, but also in the future of this complex in situations where the boundary conditions change like working in microgravity or foot exoskeleton coupling.To initiate a response to these problems, we decided during this thesis to model the human foot with mathematical tools for biomechanical simulation. Initially, a musculoskeletal three-dimensional model of the foot was reconstructed from computed tomography. The multi-articulated foot joints constraints obtained by ligaments and bone contact. The muscles have been implemented to control the model in direct dynamic. Finally, the soft tissues such as muscle volume, fat and skin were meshed into finite elements. Using a multi-physics open source programming environment (Artisynth) allowed to couple musculoskeletal modeling and finite elements.• Adapting the foot on the ground in upright posture was evaluated by comparing the pressure maps at a simulated load setting with the actual loading pressure map of the subject.• The motor control of foot in opened chain by activation of the extrinsic muscles was assessed by comparing the kinematics of the biomechanical model piloted by electromyography with kinematics captured in the laboratory on a movement of abduction - adduction.• We then sought to understand how an ankle arthrodesis alter the kinematics of the foot muscle contraction, with the aim of helping the surgical setting gesture.• Finally, we used the latest advances in the physiology of a pressure ulcer to predict the risk of ulceration on diabetic foot with Charcot neuro arthropathy by numerical simulation.The model and simulation routines in place allow us to have one of the most successful models of the human foot using both external physical data like pedobarographic data, motion analysis data or electromyography data. This model will allow through mesh-matching tool to obtain specific patient models. The fields of applications will focus on assisted surgery, prevention of ulceration, advanced analysis of relations between the foot and the leg, but also will help the prosthesis design in orthopedic and mechatronics.

Dans le cadre professionnel, les maladies professionnelles telles que les troubles musculo-squelettiques et les maladies psychiques constituent la première cause d'entrée dans le régime d'invalidité en France. Leur singularisme se situe dans leur étiologie complexe qui échappe au système d'indemnisation. Ces maladies dont le travail est une cause mais ne peut être avec certitude la cause ne sont quasiment pas prises en charge.Leur réparation se fonde encore principalement sur une loi compromissoire entre patronat et salariés centenaire, sur laquelle se sont empilés des mécanismes réparatoires législatifs et jurisprudentiels, et leur prévention nécessiterait un bouleversement dans le rapport au travail. Dans la fonction publique, cette mauvaise prise en charge n'est pas sans créer des disparités entre agents, selon leur régime statutaire ou la reconnaissance effective de la maladie au service.Le système de réparation actuel qui laisse à la charge de la sécurité sociale des maladies pourtant liées au travail ne peut perdurer. Cependant de nouvelles modalités d'indemnisation ne sont possibles que si le coût est supportable. Or l'inexistence de chiffres permettant d'estimer le nombre de maladies reconnues ou sous-déclarées et de ce fait la part des maladies multifactorielles, rend l'estimation de ce coût impossible.La base de données (année 2008) qui a été constituée dans ce travail permet d'évaluer le nombre d'agents touchés par une maladie multifactorielle et laisse à penser que seule une réparation partielle assortie d'une prévention incitative est susceptible de prendre en charge de manière acceptable et pérenne les maladies multifactorielles dans la fonction publique. / In the working environment, multifactorial disorders such as musculoskeletal and mental disorders are the main cause of officially recognized disability in France. Their particularity lies in their complex etiology, which makes claims for compensation difficult. They can be caused in part by working conditions, but other factors are involved, with no single clearly identifiable cause. Their compensation mechanisms are mainly based on hundred-year-old employment arbitration law, to which other legislative and jurisprudential compensation mechanisms have been added. These disorders can only be prevented by a complex shift in attitudes to work and in the perception of proper working conditions. For civil servants, the current system causes disparities between agents, due to differences in their legal status and recognition of the disorder in each department.Under the current system of compensation, the cost of these work-related disorders is covered by social security, which is untenable, but any new form of compensation must be cost-efficient. However, as there are no figures available to estimate the number of recognised occupational disorders and hence the proportion of multifactorial diseases, it is not possible to estimate their cost. From the data collected in this study for the year 2008 it is possible to calculate the number of agents affected by multifactorial diseases. The results indicate that the only long-term and appropriate way to deal with this problem in the civil service is through partial compensation combined with incentives to prevent these disorders.

Dans certaines conditions de vol, les aéronefs à voilure tournante souffrent parfois de l’émergence d’oscillations indésirables, phénomènes potentiellement instables connus sous le nom de Couplages Pilote-Aéronef aéroélastiques (CPA). Ces phénomènes affectent de manière critique la sécurité et la performance des aéronefs. Par conséquent, il est important d’être capable de prédire l’émergence de tels phénomènes dynamiques, le plus tôt possible dans le processus de conception des hélicoptères. Une revue de la littérature révèle que ces phénomènes sont le résultat d’interactions entre les comportements biodynamique du pilote et aéroélastique des hélicoptères. Afin d’avoir une plus grande modularité et granularité dans le processus de modélisation de systèmes complexes, une approche par bond graphs est adoptée. Un modèle aéromécanique d’hélicoptère et un modèle neuro-musculo-squelettique d’un des membres supérieurs du pilote sont développés en bond graphs. Parmi les représentations proposées, trois sont originales, notamment afin de modéliser : des efforts aérodynamiques quasi-statiques, la liaison traînée-battement-pas entre pale et moyeu rotor, et les efforts musculaires à partir d’un modèle de Hill qui tient compte d’une boucle de rétroaction neuromusculaire. Des résultats encourageants sont obtenus lorsque l’on compare la transmissibilité, entre l’angle de manche de pas cyclique imposé par le pilote et des accélérations latérales de la cabine, calculée à partir du modèle biodynamique, et à partir des résultats expérimentaux tirés de la littérature. Un modèle du système bioaéroélastique homme-machine est linéarisé, au voisinage d’un vol stationnaire, et analysé en termes de stabilité. L’étude révèle, comme conjecturé dans la littérature, que le mode régressif de traînée peut être déstabilisé. De plus, il apparaît que le mode progressif de traînée peut également être déstabilisé lors d’un CPA sur l’axe latéral-roulis. Un critère d’analyse de la stabilité d’un équilibre d’un système dynamique à partir d’un modèle linéaire limite la possibilité de prendre en compte certains comportements non-linéaires et donc réduit l’espace de conception. Les premières pierres vers une méthode basée sur des fonctions de Chetaev sont posées, afin de déterminer si l’équilibre d’un système dynamique est instable, directement à partir d’un modèle mathématique non-linéaire de grande dimension, à un coût de calcul potentiellement intéressant. Afin d’illustrer la pertinence de la proposition, le cas de la résonance sol d’un hélicoptère est présentée. / Under certain flight conditions, rotorcrafts might suffer from the emergence of undesirable oscillations, potentially unstable phenomena, known as aeroelastic Rotorcraft-Pilot Couplings (RPCs). These phenomena critically affect the safety and performance of rotorcraft designs. Therefore, there is an important interest in being able to predict the emergence of such dynamic phenomena, as soon as possible during the design process of helicopters. A review of the state-of-the-art reveals that these phenomena are the result of interactions between pilots’ biodynamics and helicopters’ aeroelastic behaviors. In order to provide more modularity and granularity in the modeling of complex systems, a bond graph based approach is used. A helicopter aeromechanical model and a pilot upper limb neuromusculoskeletal model are developed using bond graphs. Three original bond graph representations are proposed, to model: quasi-steady aerodynamic forces, lag-flap-pitch joint at blades’ roots, and a Hill-type muscle force model that accounts for muscle reflexive feedback. Encouraging results are found when comparing the pilot biodynamic model transmissibility cyclic lever angle to lateral cockpit accelerations computations to literature experimental results. A linear model of the coupled human-machine bioaeroelastic system around hover is analyzed in terms of stability. It reveals not only the regressing lag mode, as conjectured in literature, but also the advancing lag mode can be destabilized during a lateral-roll aeroelastic RPC. Furthermore, a criterion to assess the stability of the equilibrium of a dynamic system from a linear model limits the possibility to take into account nonlinear physical behaviors, reducing the design space. The first blocks towards a method based on Chetaev functions is proposed, to determine if an equilibrium is unstable, directly from its large nonlinear mathematical model, at a potentially interesting computational cost. The helicopter ‘ground resonance’ case illustrates the soundness of the proposal.

La robotique constitue une solution prometteuse pour développer des systèmes d'assistance visant à améliorer l'autonomie et les conditions de vie des personnes dépendantes. Ainsi, de nombreuses recherches sont menées actuellement à travers le monde pour concevoir et développer des robots portables ou exosquelettes, en tant que dispositifs d'aide à la mobilité pour augmenter les capacités motrices des sujets porteurs, ou comme auxiliaires de rééducation neuro-musculaire. Cette thèse vise le développement des modèles de connaissances nécessaires pour la mise en oeuvre de commandes assistives d'un exosquelette de l'articulation du genou, notamment celles basées sur l'intention du sujet porteur. Cet exosquelette est destiné à l'assistance des mouvements de flexion/extension du genou pour des personnes souffrant de pathologies du genou, ou pour le renforcement musculaire et la rééducation de sujets âgés ou hémiparétiques. Pour l'estimation de l'intention de mouvement du porteur, nous proposons modèle musculo-squelettique polynomial, complété par un modèle muscle-tendons de type Hill et le modèle bi-linéaire de Zajac pour modéliser la dynamique d'activation et de désactivation musculaire. Le modèle musculo-squelettique polynomial proposé offre le même niveau de réalisme et de précision qu'un modèle musculo-squelettique générique anatomique, sans nécessiter l'emploi de méthodes d'optimisation gourmandes en temps de calcul. Dans cette thèse, nous proposons un ensemble de trois commandes assistives destinées à guider ou à assister, via l'exosquelette, un sujet dans un contexte d'assistance à la rééducation en mode actif-aidé: La première, basée sur la passivité, exploite les propriétés physiques de l'exosquelette et du sujet porteur pour stabiliser asymptotiquement l'ensemble exosquelette-membre inférieur du porteur. Les paramètres du contrôleur sont ajustés automatiquement en fonction de la contribution du sujet au mouvement. A travers cette commande, l'exosquelette développe un couple correctif pour guider le genou vers la trajectoire de référence ou son voisinage. La seconde commande introduit une saturation pour maintenir le couple d'assistance dans un intervalle donné, garantissant ainsi la sécurité du sujet porteur. Cette commande garantit aussi des mouvements à des vitesses raisonnables et une convergence vers la trajectoire de référence. La deuxième loi de commande est complétée par une fonction permettant de moduler le couple d'assistance en fonction de la phase de rééducation. Enfin, la troisième commande proposée vise à maximiser la transparence de l'exosquelette pour éviter d'altérer les mouvements naturels du sujet porteur. Elle exploite la dynamique d'interaction induite par les mouvements relatifs du sujet porteur par rapport à l'exosquelette dus aux compliances intrinsèques de l'ensemble exosquelette-membre inférieur. Ces commandes ont été évaluées sur un sujet volontaire sain âgé de 29 ans, en considérant les modes d'assistance passif et actif-aidé. L'analyse des résultats expérimentaux montre de bonnes performances en termes de précision de poursuite de trajectoire, de robustesse vis-à-vis des incertitudes paramétriques et des perturbations externes. Ces résultats montrent également des propriétés importantes comme la sécurité du sujet porteur, le suivi précis de l'intention du porteur, l'assistance adaptative pour la rééducation active et la transparence de l'interaction exosquelette-porteur / Nowadays, robotics constitutes a promising solution to develop assistive systems to improve autonomy of dependent people during everyday activities. Thus, much research is being conducted currently worldwide to design and develop wearable robots or exoskeletons as assistive devices for mobility in order to improve the capabilities of the wearer. These devices can also be used during neuromuscular rehabilitation processes. This thesis aims to develop models necessary for the implementation of subject's intention wearer assistive control strategies using a knee joint exoskeleton. In order to estimate the movement intention of the wearer, we propose a Hill- Zajac based musculoskeletal model. This musculoskeletal model provides a high level of realism and accuracy compared to an anatomical generic musculoskeletal model without requiring the use of optimization methods techniques that are generally computational effort consuming. Three assistive control strategies are developed in this thesis to assist the wearer in a context of assistance and rehabilitation. In this thesis, we propose a set of three assistive commands to guide or assist through the exoskeleton, a subject in the context of rehabilitation assistance to active-assisted method: The first, based on passivity, operates the physical properties of the exoskeleton about the wearer and to stabilize the lower assembly asymptotically exoskeleton-member carrier. The first one is based on passivity and uses the physical properties of the exoskeleton and the wearer to stabilize asymptotically the human- lower-limb exoskeleton system. The second one introduces a saturation threshold to maintain the assistive torque in a given interval, ensuring the safety of the wearer. The third one aims to maximize the transparency of the exoskeleton to avoid altering the natural movements of the wearer. It uses the interaction dynamics induced by the relative movements between the wearer and the exoskeleton. These control strategies were evaluated on a 29-year-old healthy volunteer subject. The analysis of the experimental results shows satisfactory performances in terms of trajectory tracking accuracy, robustness with respect to parametric uncertainties and external disturbances. The results show also a good accuracy in the human intention detection and an adaptive support for active rehabilitation and transparent human-robot interaction

Les troubles musculo-squelettiques liés au travail causent des maladies physiques et mentales chez les travailleurs, réduisent leur productivité et causent de grandes pertes aux industries et à la société. Cette thèse porte sur l'évaluation du risque physique de troubles musculo-squelettiques liés au travail, pour laquelle quatre points clés sont identifiés : la mesure de la charge de travail, l'évaluation de l'effet de l'accumulation de la charge de travail, la quantification des caractéristiques individuelles et l'intégration de l'évaluation des risques dans les outils de modélisation numérique humaine. Dans l'état de l'art, les études épidémiologiques des désordres musculo-squelettiques et les méthodes actuelles utilisées pour l'évaluation des risques physiques sont présentées, ainsi que les études concernant les quatre points clés. La deuxième partie présente une étude expérimentale portant sur 17 sujets afin d'explorer un nouvel indicateur de la fatigue musculaire avec EMG de surface. Dans la partie suivante, des développements sont faits pour intégrer un modèle de fatigue musculaire dans OpenSim, un logiciel de modélisation humaine numérique, avec lequel la diminution de capacité de chaque muscle est prévisible pour une tâche donnée. Les valeurs prévues peuvent s'appliquer à l'évaluation des risques physiques. La quatrième partie présente le travail de construction d'un modèle musculosquelettique à chaîne complète dans OpenSim, étant donné qu'aucun modèle actuel ne couvre les muscles du torse et tous les membres. Une attention particulière est portée à la méthode utilisée par OpenSim pour adapter les propriétés inertielles du modèle aux individus. Les erreurs de la méthode sont évaluées à l'aide des données de référence provenant du scanner 3D du corps entier. Dans la dernière partie, le nouveau modèle de la chaîne complète est appliqué à l'analyse de la posture d'une tâche de perçage en hauteur. L'activité musculaire varie en fonction des postures, ce qui est suggéré comme indicateur des charges posturales. / Work-related musculoskeletal disorders cause physical and mental illnesses in workers, reduce their productivity and cause great losses to industries and society. This thesis focuses on the assessment of the physical risk of work-related musculoskeletal disorders in industry, for which four key points are identified: measuring workloads, assessing the effect of workload accumulation, quantifying individual characteristics and integrating the risk assessment into digital human modeling tools. In the state of the art, the epidemiologic studies of musculoskeletal disoders and the current methods used for its physical risk assessment are reviewed, as well as the studies concerning the four key points. The second part presents an experimental study involving 17 subjects to explore a new indicator to muscle fatigue with surface EMG. In the next part, efforts are made to integrate a muscle fatigue model into OpenSim, a digital human modeling software, with which the capacity decrease of each muscle is predictable for a given task. The predicted values could be applicable to the physical risk assessment. The fourth part introduce the work to build up a Fullchain musculoskeletal model in OpenSim in view that no current model covers muscles of the torso and all the limbs. Special attention is paid to the method used by OpenSim to adapt the model inertial properties to individuals. Errors of the method is evaluated with reference data coming from the whole-body 3D scan. In the last part, the newly built Full-chain model is applied on the posture analysis of an overhead drilling task. The muscle activition varies as a function of postures, which is suggested as the indicator of posture loads.

Cotutelle entre l'Université de Montréal et l'Université Claude Bernard Lyon 1 / Le fauteuil roulant manuel (FRM) est nécessaire à la participation de ses usagers lors de la vie active. Cependant, le geste répétitif de propulsion est contraignant pour l’épaule, ce qui mène à l’apparition de lésions au niveau des tendons de la coiffe des rotateurs, impactant négativement la mobilité, l’autonomie et la qualité de vie de l’usager. Bien que plusieurs études aient essayé de caractériser la propulsion pour identifier des prédicteurs de douleurs, la complexité technique de la propulsion associée à celle anatomique de l’épaule entravent la compréhension des pathomécanismes associés à l’usage du FRM. Aussi, la variabilité des contextes de propulsion en milieu urbain (trottoirs, pentes, etc.) nécessite d’identifier les adaptations de l’usager pour mieux représenter son quotidien. L’objectif principal de cette thèse était d’approfondir notre compréhension des pathomécanismes de l’épaule associés à la propulsion en FRM. À cet égard, il était important de comprendre l’effet de la charge imposée par le FRM sur l’épaule à différentes échelles allant de la cinématique à la contrainte au sein des tissus mous, en passant par les forces articulaires. Nos objectifs spécifiques étaient de (1) Identifier les adaptations de la technique de propulsion à la présence d’un dévers, habileté représentative de la propulsion le long des trottoirs ; (2) Prédire des forces musculaires physiologiquement plausibles qui expriment le rôle des muscles dans la stabilité articulaire ; (3) Prédire le champ de déformations au niveau de la coiffe des rotateurs en utilisant un simulateur hybride de l’épaule, c’est-à-dire un modèle éléments-finis piloté par les excitations musculaires et la cinématique articulaire prédite par un modèle multi-corps rigides. (1) À partir des données cinématiques, cinétiques et électromyographiques de neuf utilisateurs de FRM, nous avons analysé l’adaptation de leurs techniques de propulsion sur un dévers. Si tous les participants ont réussi à se propulser, leurs techniques d’adaptation variaient en termes d’efficacité et de risque de blessures. Ce qui souligne l’importance de l’enseignement des habiletés en FRM. (2) Nous avons adapté une boite à outils de calibration de modèle neuro-musculo-squelettique pour exprimer les contraintes de stabilité gléno-humérale. Le modèle calibré a été ensuite implémenté pour prédire les forces musculaires et de réaction gléno-humérale. Cette approche nous a permis d’exprimer le rôle de la co-contraction musculaire dans la stabilité articulaire. Les forces de réaction prédites indiquaient que la propulsion est une tâche déstabilisante pour l’articulation gléno-humérale. Enfin, la comparaison des modèles calibrés de participants avec des capacités fonctionnelles variées a mis en en évidence les limites de la calibration numérique. (3) Un modèle éléments-finis de l’épaule avec muscles tridimensionnels a été développé pour simuler un cycle de propulsion. Les muscles ont été activés à partir des données électromyographiques expérimentales. La scapula et l’humérus ont été pilotés par la cinématique articulaire extraite d’un modèle multi-corps rigides. L’analyse des déformations de l’unité musculo-tendineuse du supra-épineux nous a permis de proposer des explications potentielles pour la prévalence des déchirures tendineuses chez les utilisateurs de FRM, particulièrement au niveau de la zone antérieure et interstitielle de ce tendon. Notre analyse semble rejoindre la littérature, soulignant que la répétitivité de la propulsion pourrait être plus contraignante que sa charge. Cette thèse a permis de développer des outils numériques de modélisation biomécanique, qui pourraient être implémentés pour l’étude d’autres pathologies qui touchent les muscles de la coiffe. Elle a aussi permis d’identifier des pathomécanismes potentiels de l’épaule associés à la propulsion en FRM. Plus d’études restent nécessaires pour valider nos résultats pour des populations plus larges et plus hétérogènes. / Manual wheelchairs (MWC) are essential for their users’ participation in active life. However, the repetitive propulsion motion is straining on the shoulder, leading to the injury of the rotor cuff tendons, which negatively impacts the mobility, autonomy, and life quality of the users. While numerous studies tried to characterise propulsion to identify pain predictors, the technical and anatomical complexities of the propulsion and shoulder, respectively, hinder the understanding of the pathomecanisms associated with the MWC use. Additionally, the variability of the propulsion conditions within an urban environment (sidewalks, slopes, etc.) entails assessing users’ adaptations to better represent their daily life. The main objective of this thesis was to further our understanding of the shoulder pathomecanisms associated with MWC propulsion. For this purpose, it was important to understand the effect of the load imposed by MWC propulsion on the shoulder at different scales ranging from the kinematics to soft tissue stress through joint forces. Our specific objectives were to (1) Identify adaptations of the propulsion technique across a cross-slope, as this skill is representative of propulsion along sidewalks; (2) Predict physiologically plausible muscle forces that express the role of muscles in joint stability; (3) Predict the deformation field at the rotator cuff using a hybrid shoulder simulator, i.e., a finite element model driven by muscle excitations and joint kinematics predicted by a rigid multi-body model. (1) Using kinematic, kinetic and electromyographic data from nine MWC users, we analysed the adaption of their propulsion techniques across a cross-slope. While all participants propelled themselves, their adaptation techniques varied in terms of efficiency and injury risk. This highlighted the importance of training of MWC skills. (2) We adapted a neuromusculoskeletal calibration toolbox to express glenohumeral stability constraints. The calibrated models were then implemented to predict muscle and glenohumeral joint reaction forces. This approach allowed us to express the role of co-contraction in joint stability. The predicted joint reaction forces indicated that propulsion is a destabilizing task for the glenohumeral joint. Finally, the comparison of models calibrated to participants with varying functional abilities highlighted the limitations of numerical calibration. (3) A finite element model of the shoulder with three-dimensional muscles was developed to simulate a propulsion cycle. The muscles were activated using experimental electromyographic data. The scapula and humerus were driven by joint kinematics extracted from a rigid multi-body model. The analysis of the deformations of the supraspinatus muscle-tendon unit suggested potential explanations for the prevalence of tendon tears in MWC users, particularly in the anterior and interstitial zone of this tendon. Our analysis seems to agree with the literature, emphasizing that the high repetition of the propulsion cycle might be more taxing than its load. Through this thesis, we developed numeric tools for biomechanical modelling, which could be implemented for the study of other pathologies that affect the rotator cuff. We were also able to identify potential pathomecanisms of the shoulder that are associated with MWC propulsion. Mores studies are still needed to validate our results for larger and more heterogeneous populations.

Problématique : La quantification de l’intégrité du tendon d’Achille (TA) représente un défi en réadaptation. L’adoption de mesures quantitatives du TA, extraites à partir d’une image ultrasonographique (QUS), pourrait remédier à cette lacune. Objectifs : 1) Évaluer la fiabilité test-retest et la précision de mesures QUS du TA; 2) Déterminer le meilleur protocole de collecte de mesures QUS à employer en pratique clinique. Méthodologie : Un total de 23 TAs présentant des symptômes d’une tendinopathie achilléenne et 63 TAs asymptomatiques ont été évalués. Pour chaque TA, 8 images ont été enregistrées (2 visites * 2 évaluatrices * 2 images). Différents types de mesures QUS ont été prises : géométriques (épaisseur, largeur, aire), dérivées d’un histogramme des niveaux de gris et dérivées d’une matrice de co-occurrence. Une étude de généralisabilité a quantifié la fiabilité et la précision de chaque mesure QUS et une étude de décision a fait ressortir les meilleurs protocoles de prise de mesures. Résultats : Les mesures géométriques ont démontré une excellente fiabilité et précision. Les mesures dérivées de l’histogramme des niveaux de gris ont démontré une fiabilité et précision médiocres. Les mesures dérivées d’une matrice de co-occurrence ont démontré une fiabilité modérée à excellente et une précision variable. En pratique clinique, il est recommandé de moyenner les résultats de trois images collectées par un évaluateur lors d’une visite. Conclusion : L’utilisation des mesures QUS géométriques permet de quantifier l’intégrité du TA (clinique et recherche). Davantage d’études sur les mesures QUS dérivées d’une matrice de co-occurrence s’avèrent nécessaires. / Background: Quantifying the integrity of the Achilles tendon (AT) represents a challenge in rehabilitation. The adoption of quantitative measurements of the AT, extracted from an ultrasound image (QUS) could remedy this shortcoming. Objectives: 1) To assess the test-retest reliability and accuracy of QUS measurements of the AT; 2) To determine the best protocol of QUS measurements to use in clinical practice. Methods: A total of 23 ATs with symptoms of mid-portion Achilles tendinopathy and 63 asymptomatic ATs were evaluated. For each AT, 8 images were recorded (2visits* 2 evaluators* 2 images). Different types of QUS measurements were taken: geometric (thickness, width, area), derived from a gray-level histogram and derived from a co-occurrence marix. A generalizability study quantified the reliability and accuracy of each QUS measurement whereas a decision study highlighted the best protocols for measuring use. Results: The geometric measurements showed excellent reliability and accuracy. The measures derived from the gray-level histogram showed poor reliability and accuracy. The measurements derived from a co-occurrence matrix have shown moderate to excellent reliability and a variable precision. In clinical practice, it is recommended averaging the results of three images collected by an assessor during a single visit. Conclusions: The use of geometric QUS measures allows to quantify the integrity of the AT in clinical practice and in research. Further studies on QUS measurements derived from a matrix of co-occurrence are needed.

L’épaule est l’articulation la plus mobile et la plus instable du corps humain dû à la faible quantité de contraintes osseuses et au rôle des tissus mous qui lui confèrent au moins une dizaine de degrés de liberté. La mobilité de l’épaule est un facteur de performance dans plusieurs sports. Mais son instabilité engendre des troubles musculo-squelettiques, dont les déchirures de la coiffe des rotateurs sont fréquentes et les plus handicapantes. L’évaluation de l’amplitude articulaire est un indice commun de la fonction de l’épaule, toutefois elle est souvent limitée à quelques mesures planaires pour lesquelles les degrés de liberté varient indépendamment les uns des autres. Ces valeurs utilisées dans les modèles de simulation musculo-squelettiques peuvent amener à des solutions non physiologiques. L’objectif de cette thèse était de développer des outils pour la caractérisation de la mobilité articulaire tri-dimensionnelle de l’épaule, en passant par i) fournir une méthode et son approche expérimentale pour évaluer l’amplitude articulaire tridimensionnelle de l’épaule incluant des interactions entre les degrés de liberté ; ii) proposer une représentation permettant d’interpréter les données tri-dimensionnelles obtenues; iii) présenter des amplitudes articulaires normalisées, iv) implémenter une amplitude articulaire tridimensionnelle au sein d’un modèle de simulation numérique afin de générer des mouvements sportifs optimaux plus réalistes; v) prédire des amplitudes articulaires sécuritaires et vi) des exercices de rééducation sécuritaires pour des patients ayant subi une réparation de la coiffe des rotateurs. i) Seize sujets ont été réalisé séries de mouvements d’amplitudes maximales actifs avec des combinaisons entre les différents degrés de liberté de l’épaule. Un système d’analyse du mouvement couplé à un modèle cinématique du membre supérieur a été utilisé pour estimer les cinématiques articulaires tridimensionnelles. ii) L’ensemble des orientations définies par une séquence de trois angles a été inclus dans un polyèdre non convexe représentant l’espace de mobilité articulaire prenant en compte les interactions entre les degrés de liberté. La combinaison des séries d’élévation et de rotation est recommandée pour évaluer l’amplitude articulaire complète de l’épaule. iii) Un espace de mobilité normalisé a également été défini en englobant les positions atteintes par au moins 50% des sujets et de volume moyen. iv) Cet espace moyen, définissant la mobilité physiologiques, a été utilisé au sein d’un modèle de simulation cinématique utilisé pour optimiser la technique d’un élément acrobatique de lâcher de barres réalisée par des gymnastes. Avec l’utilisation régulière de limites articulaires planaires pour contraindre la mobilité de l’épaule, seulement 17% des solutions optimales sont physiologiques. En plus, d’assurer le réalisme des solutions, notre contrainte articulaire tridimensionnelle n’a pas affecté le coût de calculs de l’optimisation. v) et vi) Les seize participants ont également réalisé des séries d’amplitudes articulaires passives et des exercices de rééducation passifs. La contrainte dans l’ensemble des muscles de la coiffe des rotateurs au cours de ces mouvements a été estimée à l’aide d’un modèle musculo-squelettique reproduisant différents types et tailles de déchirures. Des seuils de contrainte sécuritaires ont été utilisés pour distinguer les amplitudes de mouvements risquées ou non pour l’intégrité de la réparation chirurgicale. Une taille de déchirure plus grande ainsi que les déchirures affectant plusieurs muscles ont contribué à réduire l’espace de mobilité articulaire sécuritaire. Principalement les élévations gléno-humérales inférieures à 38° et supérieures à 65°, ou réalisées avec le bras maintenu en rotation interne engendrent des contraintes excessives pour la plupart des types et des tailles de blessure lors de mouvements d’abduction, de scaption ou de flexion. Cette thèse a développé une représentation innovante de la mobilité de l’épaule, qui tient compte des interactions entre les degrés de liberté. Grâce à cette représentation, l’évaluation clinique pourra être plus exhaustive et donc élargir les possibilités de diagnostiquer les troubles de l’épaule. La simulation de mouvement peut maintenant être plus réaliste. Finalement, nous avons montré l’importance de personnaliser la rééducation des patients en termes d’amplitude articulaire, puisque des exercices passifs de rééducation précoces peuvent contribuer à une re-déchirure à cause d’une contrainte trop importante qu’ils imposent aux tendons. / The shoulder is the most mobile but instable joint of the human body due to bony constraint scarcity and soft tissue function unlocking several degrees of freedom (DoF). Shoulder mobility is a factor of performance in some sports. But its instability leads to musculoskeletal impairments, the rotator cuff tear being the most debilitating disorder. Evaluation of the shoulder range of motion (RoM) is a common indicator of shoulder function but it is often limited to a few monoplanar measurements where each DoF varies independently. These values used in computer simulation models lead to non-physiological movements. The aim of this thesis was to develop tools for caracterizing tridimensional shoulder mobility. In this purpose it was mandatory to i) provide a method and its experimental approach to assess shoulder 3D (three-dimensional) RoM with DoF interactions; ii) propose a representation allowing 3D kinematical data interprestation; iii) present normalized shoulder amplitudes; iv) implement 3D RoM into computer simulation models to generate more realistic optimal sports technique; and v) predict safe 3D RoM and vi) safe rehabilitation exercises for patients after rotator cuff repair. i) Sixteen participants performed series of active arm movements with maximal amplitude with interactions between all the shoulder degrees-of-freedom. A motion analysis system combined with an upper limb kinematic model was used to estimate the 3D joint kinematics. ii) All 3D angular poses were included into a nonconvex hull representing the RoM space accounting for DOF interactions. The combination of elevation and rotation series is recommended to fully evaluate shoulder RoM. iii) A normalized 3D RoM space was defined by including 3D poses common to 50% of the participants into a hull of average volume. iv) This average hull, defining physiologic mobility, was used in a computer simulation model to optimize the technique of a release move in gymnastics. With commonly used monoplanar constraints of shoulder mobility, only 17% of the simulations led to a physiological shoulder kinematics, while our 3D RoM constraints systematically ensures realistic shoulder kinematics without extra computational cost. v) and vi) The 16 participants performed 3D shoulder range-of-motion and passive rehabilitation exercises. Stress in all rotator cuff tendons was predicted during each movement by means of a musculoskeletal model using simulations with different type and size of tears. Safety stress thresholds were used to discriminate safe from unsafe ranges-of-motion. Increased tear size and multiple tendons tear decreased safe range-of-motion. Mostly, glenohumeral elevations below 38°, above 65°, or performed with the arm held in internal rotation cause excessive stresses in most types and sizes of injury during abduction, scaption or flexion. This thesis established an innovative representation of the shoulder mobility, which accounts for DoF interactions. Clinical evaluation will be more accurate with a large potential to better diagnose shoulder disorders. Computer simulations are now more realistic. Finally, we showed the importance of personalized rehabilitation in terms of 3D RoM, since passive early rehabilitation exercises could contribute to re-tear due to excessive stress.

Le rachis cervical est une structure anatomique complexe et compacte du corps humain. Il se compose, anatomiquement, de sept vertèbres, de disques intervertébraux et de systèmes ligamentaires et musculaires. Cette structure assure plusieurs fonctions biomécaniques: il supporte le poids de la tête et maintient sa posture stable; il permet une mobilité importante de la tête; il contient et protège la moelle épinière du système nerveux central. Ce sujet est destiné à l'amélioration de la compréhension du fonctionnement du rachis cervical in-vivo. L'objectif à terme est le diagnostic et la classification des pathologies du cou. Cette étude explicite une méthodologie de modélisation du mouvement intersegmentaire continu de flexion/extension du rachis cervical basée sur des données expérimentales in-vivo. Un protocole expérimental est proposé en utilisant simultanément deux techniques: les images radiographiques et les marqueurs externes du mouvement, ce qui permet l'acquisition couplée des données géométriques et cinématiques. Puis, deux modèles mécaniques du rachis cervical, modèle ostéo-articulaire et modèle musculo-squelettique, sont développés en se basant sur les hypothèses de modélisation. Ces hypothèses sont justifiées et les réponses des modèles sont confrontés avec les données expérimentales in-vivo ainsi la littérature. Les résultats des études permettent la détermination non seulement des paramètres cinématiques, cinétiques associés au mouvement continu de flexion/extension, mais aussi des comportements mécaniques des segments et des composantes du rachis cervical pendant ce mouvement in-vivo.

Les blessures musculo-squelettiques du membre supérieur représentent un problème de santé publique dans le secteur de la manutention. En plus d’affecter la qualité de vie du travailleur, ces lésions entraînent une perte de temps de travail et une augmentation des coûts de production. Alors que nous avons des évidences épidémiologiques que les femmes manutentionnaires sont plus nombreuses que les hommes à souffrir de douleurs à l’épaule, la littérature fait défaut d’indices biomécaniques qui expliquent l'origine de cette différence. L'objectif général de cette thèse était d'améliorer l'évaluation des techniques de manutention du membre supérieur, avec trois objectifs spécifiques : (1) développer des indices cinématiques, électromyographiques et musculo-squelettiques synthétiques pour évaluer et différencier des techniques de manutention du membre supérieur ; (2) développer un logiciel libre d'analyse biomécanique ; et (3) utiliser les indices et le logiciel développés pour décrire les différences biomécaniques entre des femmes et des hommes manutentionnaires. Nous avons récolté des données de cinématique, d'électromyographie et de force sur 30 femmes et 30 hommes réalisant une tâche de manutention qui consistait à déplacer une boîte de 6 et 12 kg entre la hauteur des hanches et la hauteur des yeux. À partir de ces données, nous avons développé des indicateurs synthétiques : un indicateur cinématique utile pour identifier des techniques de manutention problématiques et plus généralement les fonctions articulaires ; des indicateurs électromyographiques qui permettent d'estimer la quantité d'activation musculaire et la co-contraction musculaire ; et des indicateurs musculo-squelettiques qui permettent d'estimer les contraintes musculaires totales et les contraintes appliquées à l'articulation glénohumérale. Nous avons implémenté ces indicateurs avec pyomeca, notre logiciel libre d'analyse biomécanique. Mis à disposition de la communauté biomécanique, pyomeca supporte des tâches utiles dans le quotidien d'un chercheur biomécanique, mais également des routines biomécaniques plus avancées, axées sur la mécanique du corps rigide et le traitement de signal. Ce dernier se démarque des logiciels biomécaniques existants parce que c'est une solution libre, conviviale, spécialisée et sûre. Nous avons ensuite appliqué les indices synthétiques pour décrire les différences biomécaniques entre les femmes et les hommes participant à notre expérimentation. L'indicateur cinématique a montré que les femmes employaient une technique de manutention moins sécuritaire, avec une plus grande contribution glénohumérale, une faible contribution des membres inférieurs et une boite plus éloignée du tronc. Ces différences de technique se sont répercutées sur les indicateurs électromyographiques et musculo-squelettiques, avec des activations musculaires deux fois plus importantes comparativement aux hommes et une moindre stabilité de l'articulation glénohumérale. Ces différences pourraient contribuer à expliquer la prévalence de blessure du membre supérieur plus élevée chez les femmes manutentionnaires. Cette thèse a donc permis de développer des indicateurs synthétiques et un logiciel libre d'analyse biomécanique qui pourraient permettre aux ergonomes d'évaluer l'exposition aux risques de blessures du membre supérieur pendant une tâche de travail dynamique. Appliqués à une population spécifique, ces indicateurs suggèrent qu'il est crucial d'accorder une attention particulière au sexe pendant l'évaluation d'une tâche de travail au-dessus des épaules. / Work-related upper limb musculoskeletal disorders represent a public health challenge in the material handling industry. In addition to affecting the worker's quality of life, these injuries result in lost work time and increased production costs. While we have epidemiological evidence that more female material handlers suffer from shoulder pain than men, the literature is lacking biomechanical indicators that explain the origin of this difference. The general objective of this thesis was to improve the evaluation of upper limb handling techniques, with three specific objectives~: (1) to develop synthetic kinematic, electromyographic and musculoskeletal indicators to evaluate and differentiate upper limb handling techniques~; (2) to develop an open source biomechanical analysis software~; and (3) to use the developed indicators and software to describe the biomechanical differences between female and male workers. We collected kinematics, electromyography and force data on 30 women and 30 men performing a handling task that consisted in lifting a 6 and 12~kg box from hip to eye level. From these data, we developed synthetic indicators~: a kinematic indicator useful to identify poor handling techniques and more generally joint functions~; two electromyographic indicators to quantify the amount of muscle activation and muscle co-contraction~; and two musculoskeletal indicators to estimate total muscle stress and stress applied to the glenohumeral joint. We have implemented these indicators with pyomeca, our open-source biomechanical analysis software. Available to the biomechanical community, pyomeca provide basic operations useful in the daily workflow of a biomechanical researcher, but also more advanced biomechanical routines geared towards rigid body mechanics and signal processing. pyomeca stands from existing biomechanical software because it is an open-source, user-friendly, specialized and secure solution. We then applied our synthetic indicators to describe the biomechanical differences between the women and men participating in our experiment. The kinematic indicator showed that women used a poor handling technique, with a higher glenohumeral contribution, a low contribution from the lower limbs and a box further away from the trunk. These differences in technique affected the electromyographic and musculoskeletal indicators, with twice as much muscle activation compared to men and less glenohumeral stability. These results may contribute to the sex difference in the prevalence of upper limb musculoskeletal disorders. This thesis has enabled the development of biomechanical indicators and an open-source software that could allow ergonomists to assess the upper limb exposure during a dynamic lifting task. Applied to a specific population, these indicators argue for a careful consideration of sex during ergonomics intervention, particularly during overhead work.