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

Le projet se situe dans le contexte de la gonarthrose fémoro-tibiale, et plus spécifiquement de son traitement par orthèse de décharge. Du fait de la cinématique particulière de l’orthèse testée, un protocole spécifique a été mis en place dans le but d’approfondir les mécanismes d’actions de cette orthèse. Ce protocole s’est appuyé sur des outils d’investigation utilisés dans la routine clinique (système EOS® et Vicon®). Seize sujets symptomatiques ont participé à l’étude. Les objectifs principaux étaient de valider et d’utiliser des méthodes de personnalisation des modèles, support de la biomécanique, dans ce contexte spécifique, afin d’améliorer la précision de la quantification des paramètres cinématiques et dynamiques. En effet, l’état de l’art démontre que l’indicateur dynamique couramment utilisé dans l’étude de la gonarthrose, le moment articulaire externe d’adduction, souffre de résultats controversés. Les objectifs secondaires étaient de caractériser la pathologie à l’aide des indicateurs calculés ainsi que d’approfondir le mécanisme d’action de l’orthèse de décharge. Ainsi, deux méthodes principales ont été investiguées. La première porte sur l’analyse séquentielle cinématique de l’articulation fémoro-tibiale en utilisant le système EOS®. Cette analyse nécessite une étape de recalage d’objet 3D sur des vues 2D biplanaires. La fiabilité de ce recalage manuel a été quantifiée en évaluant, d’une part, la précision de la méthode grâce à des données in vitro et, d’autre part, la répétabilité de la méthode grâce à la participation de 3 opérateurs et de 6 sujets asymptomatiques dont les acquisitions ont permis d’obtenir des vues du genou dans plusieurs positions (extension et flexion 20°, 40°et 90°). La seconde méthode consiste en la fusion de données issues de deux environnements (EOS® et Vicon®) de façon à quantifier les moments articulaires externes dans le genou en définissant le point auquel sont calculés ces moments à partir du modèle 3D du fémur. Ce modèle étant recalé dans l’environnement Vicon® par l’intermédiaire des marqueurs externes détectables dans les acquisitions EOS® et Vicon®. Les résultats principaux concernent :1/ la fiabilité du recalage des modèles 3D des os sur des vues 2D de l’ordre de 0,3° et 1,6 mm dans le plan sagittal de 2,1° et 1,8mm dans le plan transversal ; 2/ la quantification d’angles positionnels 3D du fémur et du tibia des membres inférieurs symptomatiques montrant que la surface articulaire tibiale (plateaux tibiaux) tend à demeurer horizontale contrairement à l’inclinaison plus marquée du fémur ; 3/ une variation des moments articulaires externes en fonction de l’intégration ou non d’un modèle interne pour le calcul de ce paramètre ; 4/ la quantification de la cinématique séquentielle de l’orthèse et du genou. La fiabilité des méthodes développées dans ce travail a été estimée ouvrant la voie à leurs applications et à leurs développements en clinique.Mots clés : gonarthrose fémoro-tibiale ; orthèse ; analyse séquentielle ; recalage. / The context is the knee osteoarthritis and its treatment via an unloading brace. As the evaluated brace has specific kinematics, a dedicated protocol was set up using clinical routine tools (EOS® and Vicon®). Sixteen symptomatic subjects participated to this study. The main objective was to validate and to use personalization methods of the biomechanical models to improve the accuracy kinematics and kinetics parameter computation in this specific context. Indeed, the state of the art highlights that the dynamic indicator, currently used in knee osteoarthritis studies, the external adduction joint moment is controversial. The secondary objectives were both the characterization of the pathology using indicators obtained on the acquired data and the in-depth study of the mechanical action of the unloading brace evaluated in this study. Thus, two main methods were investigated. The first one is the sequential analysis of the knee kinematics using EOS® system. This analysis required a registration step of a 3D object on 2D biplanar views. The manual registration reliability was quantified by evaluating both the method accuracy with in-vitro data and the method repeatability thanks to the participation of 3 operators and 6 asymptomatic subjects allowing the acquisition of knee images in several positions (extension and 20°, 40°, and 90° flexion). The second method consists in the fusion of data obtained in the two acquisitions environments (EOS® and Vicon®), to obtain the external knee joint moment in order to define the point where the moment is computed from the femur 3D model. This model is registered in the Vicon® environment through external markers visible in both the EOS® and Vicon® acquisitions. The main results relate to: 1/the reliability of the registration of the bone 3D model on 2D views estimated at about 0,3° and 1,6 mm in the sagittal plane and about 2,1° and 1,8 mm in the transverse plane ; 2/ the quantification of the angular relative position of the shank and tibia of the symptomatic lower limbs, showing the tibial plateau horizontality opposed to the femur emphasized inclination ; 3/ external joint moment variation according to the computation method (with or without internal model included) ; 4/ brace and knee sequential kinematic quantification. As the reliability of the methods developed in this study was estimated, further developments and clinical applications and development could now be explored using these methods.Keywords : knee osteoarthritis; brace, sequential analysis; registration.

Le développement des orthèses est souvent basé sur l’expertise empirique des entreprises. Il en résulte parfois des dispositifs mal adaptés. Pour cette raison, une structuration du processus de conception des orthèses doit être conduite.Cette thèse a comme objectif de développer une méthode structurée de conception d’orthèses avec mécanisme.Une définition des typologies d’orthèses est établie en fonction de l’existence d’un mécanisme. Cette typologie est le point de départ d’une décomposition du cycle d’utilisation de l’orthèse en situations de vie et moments significatifs.La méthode proposée permet la recherche des mécanismes dans une base de données de mobilités ; l’adéquation entre concepts, contraintes de déplacement et contraintes dimensionnelles, l’adaptation de confort, la définition du blocage, la définition final de l’OAM et la qualification de la conception.La méthode est appliquée au développement d’un corset de traitement de la camptocormie, pathologie posturale caractérisée par l’antéro-flexion progressive du tronc.Une orthèse posturale, corset de distraction thoraco-pelvienne antérieur, développée par la société Lagarrigue S.A. est actuellement prescrite. Pour prouver l’utilité du port du corset, une caractérisation cinématique du mouvement et de l’activité musculaire du patient camptocormique sans et avec corset est déroulée pour recueillir des informations nécessaires au processus de conception d’une orthèse innovante.L’application de cette méthode permet le développement de deux prototypes fonctionnels de corset pour traiter la camptocormie en intégrant des informations biomécaniques du patient et les limitations techniques de l’entreprise. / Orthosis development is often based on the empirical expertise of the manufacturers. This can sometimes result in poorly adapted devices. For this reason, some structure needs to be created for the orthosis design process.The purpose of this thesis is to develop a structured design method for orthoses with a mechanism.A typology of orthoses is established according to whether or not a mechanism is present. This typology is the starting point for producing a breakdown of the cycle of orthosis use in life situations and at significant moments.The method described here includes searching a mobility database for mechanisms; ensuring compatibility between concepts, displacement and dimensional constraints, making suitable adaptations for a comfortable fit, defining the blocking, preparing the final definition of the orthosis with mechanism and approving the design.The method is applied to the development of a corset for treating camptocormia, a postural illness identified by the gradual forward flexion of the trunk.A postural orthosis, a thoraco-pelvic anterior distraction corset developed by Lagarrigue S.A., is currently prescribed. To prove the utility of wearing the corset, a kinematic characterisation of the movement and muscle activity of the camptocormic patient is carried out both with and without the corset to collect the information needed for the design process of an innovative orthosis.Using this method two functional corset prototypes were developed to treat camptocormia, incorporating the patient’s biomechanical information and the manufacturer’s technical limitations.

Le nombre croissant de personnes âgées dans le monde exige de relever de nouveaux défis sociétaux, notamment en termes de services d'aide et de soins de santé. Avec les récents progrès technologiques, la robotique apparaît comme une solution prometteuse pour développer des systèmes visant à faciliter et améliorer les conditions de vie de cette population. Cette thèse vise la proposition et la validation d'une approche de commande robuste et référencée intention d'une orthèse active, destinée à assister des mouvements de flexion/extension du genou pour des personnes souffrant de pathologies de cette articulation. La commande par modes glissants d'ordre 2 que nous proposons permet de prendre en compte les non-linéarités ainsi que les incertitudes paramétriques résultant de la dynamique du système équivalent orthèse-membre inférieur. Elle permet également de garantir d'une part, un bon suivi de la trajectoire désirée imposée par le thérapeute ou par le sujet lui-même, et d'autre part, une bonne robustesse vis-à-vis des perturbations externes pouvant se produire lors des mouvements de flexion/extension. Dans cette thèse, nous proposons également un modèle neuronal de type Perceptron Multi-Couches pour l'estimation de l'intention du sujet à partir de la mesure des signaux EMG caractérisant les activités musculaires volontaires du groupe musculaire quadriceps. Cette approche permet de s'affranchir d'un modèle d'activation et de contraction musculaire complexe. L'ensemble des travaux a été validé expérimentalement avec la participation volontaire de plusieurs sujets valides / The increasing number of elderly in the world reveals today new societal challenges, particularly in terms of healthcare and assistance services. With recent advances in technology, robotics appears as a promising solution to develop systems that improve the living conditions of this aging population. This thesis aims at proposing and validating an approach for robust control of an active orthosis, based on the subject intention. This orthosis is designed to assist flexion/ extension movements of the knee for people suffering from knee joint deficiencies. The proposed second order sliding mode control allows to take into account the nonlinearities and parametric uncertainties resulting from the dynamics of the equivalent lower limb-orthosis system. It also ensures on one hand, a good tracking performance of the desired trajectory imposed by the therapist or the subject itself, and on the second hand, a satisfactory robustness with respect to external disturbances that may occur during flexion and extension of the knee joint. In this thesis, a neural model based on Multi-Layer Perceptron is used to estimate the subject's intention from the measurement of the EMG signals characterizing the voluntary activities of the quadriceps muscle group. This approach overcomes the complex modeling of the muscular activation and contraction dynamics. All the proposed approaches in this thesis have been validated experimentally with the voluntary participation of several healthy subjects

Les orthèses cognitives peuvent améliorer l'autonomie des traumatisés craniocérébraux (TCC) sévères, tout en intégrant en continu le processus de réadaptation cognitive aux AIVQ au sein de leur domicile. Dans une démarche de conception participative interdisciplinaire, nos travaux ont permis de passer de la pratique des ergothérapeutes à la spécification formelle de plans d'intervention et à l'implémentation de cette pratique dans des orthèses cognitives. Dans cette thèse, une approche reposant sur les personae illustre d'abord les dysfonctionnements chez les TCC, leurs besoins d'assistance, ainsi que les besoins de leurs aidants. Ensuite, deux modèles sont élaborés. Le premier « Gestion dynamique de la réadaptation cognitive » s'intéresse en particulier au choix, à l'adaptation et à l'application d'interventions cognitives fondées sur les données probantes. Le second modèle « Assistance préventive » permet, en situation de danger potentiel, d'assister un TCC de manière progressive et adaptée pour écarter ce danger. Ces modèles sont utilisés de deux manières. D'une part, leur implémentation sous forme d'ontologie OWL illustre comment l'assistance peut être rendue sensible au contexte, dynamique et personnalisée. D'autre part, ils guident la conception et l'implémentation de COOK, une orthèse cognitive pour la préparation de repas, et d'un système de sécurité autonome (SSA) dédié à la prévention et à la sécurité des TCC lors de la préparation de repas. Finalement, une architecture logicielle pour la construction d'orthèses cognitives et dérivée.COOK et SSA ont été déployés au sein d'une résidence pour TCC. Trois résidents peuvent maintenant cuisiner de manière autonome. / Severe traumatic Brain Injury (TBI) is considered a public health problem. ; Indeed, severe TBI causes significant cognitive, emotional and behavioral repercussions that impact the lives of these individuals, particularly their independence in Instrumental Activities of Daily Living (IADLs). Individuals who have experienced severe TBI frequently return to live in their homes despite the severe difficulties associated with their condition, though the need for assistance to perform IADLs frequently persists. The objective of this thesis is to design, represent, formalize and implement a context-aware and adaptive structure of cognitive assistance. This assistance is created according to the general needs of individuals with severe TBI for IADL performance. The proposed assistance will promote their independence to perform IADL in a home environment. The design of this cognitive assistance technology involves an interdisciplinary collaboration between occupational therapy and computer science, to evolve from the assistance provided by the clinicians to a formal computer science formulation and implementation. This design is based on a participative design approach that mainly involves TBI residents of a smart alternative housing unit.A prototype of a cognitive orthotic for meal preparation (COOK) was created and deployed within an alternative housing unit. Implementation of this cognitive orthotic lifted the prohibition on use of a stove for meal preparation that had previously been place on their residents. By allowing these residents to cook independently, COOK has contributed to helping them become more independent in cooking and more confident in their ability to do so.

Cette recherche a pour objet de déterminer et de qualifier les interactions observables entre l'homme et les ordinateurs, considérés comme des machines numériques dotées d'interfaces à modalités sensibles. Elle éclaire, en les approfondissant, les concepts de virtualité, de multisensorialité et d'interactivité avant d'expliciter l'intérêt, voire l'appétence, suscitée par les Nouvelles Technologies de l'Information et de la Communication (NTIC). Le travail, qui a pour cadre les représentations collectives, analyse la titrologie du quotidien " Le monde " pendant cinq ans, des enquêtes par questionnaires, des entretiens semi-directifs et des observations participantes filmées. Il prend en compte la part de socialité dans les processus décisionnels observables lors de l'utilisation des ordinateurs en réseau ou non. Un échantillon de dix-sept sujets est notamment constitué pour être soumis à une observation éthologique, selon une méthodologie segmentée en trois phases. Dans un premier temps, un entretien d'observation permet d'appréhender, à l'aide du support verbal, les positionnements individuels liés aux TIC. Retranscrits et analysés avec le logiciel Alceste, les corpus recueillis déterminent l'élaboration, entre autres, de quatre classes d'utilisateurs. Ensuite, l'observation filmée des pratiques, d'abord commentées par le sujet en présence du chercheur, puis en situation solitaire, met en évidence l'importance des modalités sensibles et des proxémies comme facteurs de comportements spécifiques. Ces derniers sont rapprochés des conduites observées chez 24 jeunes sujets, âgés de 3 à 6 ans dans un jardin d'enfants. Cette démarche multidisciplinaire souligne l'intérêt d'un rapprochement entre SHS, sciences de l'information et de la communication, approches éducatives et éthologie sociale.

On définit le syndrome d'apnées obstructives du sommeil (SAOS) par la survenue d'épisodes anormalement fréquents d'obstruction des voies aériennes supérieures pendant le sommeil. Ce syndrome, qui affecte environ 3% de la population adulte, est potentiellement grave, à l'origine de troubles cardio-vasculaires ou d'accidents imputables à la somnolence. Après avoir défini les modalités thérapeutiques du SAOS, et notamment les traitements de référence (ventilation en pression positive continue, mesures hygiéno-diététiques) cette thèse s'articule autour des 3 axes thérapeutiques du SAOS par avancée mandibulaire : l'avancée mandibulaire réversible, par orthèse (OAM), en tant que traitement symptomatique de l'adulte ; l'avancée maxillo-mandibulaire chirurgicale (AMM), proposée en tant que traitement curatif, et enfin le traitement orthopédique de la rétrognathie mandibulaire, en tant que traitement interceptif chez l'enfant. Les résultats de différentes études originales sont présentés : une étude pilote de mesures des forces générées par l'OAM chez l'adulte (1), la comparaison de l'efficacité de l'OAM par rapport à l'AMM sur un échantillon de 25 patients successivement traités (2), l'évaluation des modifications du profil cutané induites par l'AMM, pour déterminer des facteurs prédictifs du résultat esthétique (3) et la mise au point de protocoles orthodontiques spécifiques préalable à l'AMM, à partir d'une cohorte de 70 patients (4). Le traitement par avancée mandibulaire présente ainsi des interactions nombreuses avec l'orthopédie dento-faciale, que ce soit dans l'analyse de l'équilibre architectural du patient, celle des effets secondaires occlusaux générés par les OAM, ou la préparation orthodontique pré-chirurgicale. Le traitement précoce des endognathies maxillaires et des rétromandibulies offre également des perspectives pour certains groupes de patients apnéiques, notamment quand il existe un contexte familial de SAOS.

Le nombre croissant de personnes âgées dans le monde exige de relever de nouveaux défis sociétaux, notamment en termes de services d'aide et de soins de santé. Avec les récents progrès technologiques, la robotique apparaît comme une solution prometteuse pour développer des systèmes visant à faciliter et améliorer les conditions de vie de cette population. Cette thèse vise la proposition et la validation d'une approche de commande robuste et référencée intention d'une orthèse active, destinée à assister des mouvements de flexion/extension du genou pour des personnes souffrant de pathologies de cette articulation. La commande par modes glissants d'ordre 2 que nous proposons permet de prendre en compte les non-linéarités ainsi que les incertitudes paramétriques résultant de la dynamique du système équivalent orthèse-membre inférieur. Elle permet également de garantir d'une part, un bon suivi de la trajectoire désirée imposée par le thérapeute ou par le sujet lui-même, et d'autre part, une bonne robustesse vis-à-vis des perturbations externes pouvant se produire lors des mouvements de flexion/extension. Dans cette thèse, nous proposons également un modèle neuronal de type Perceptron Multi-Couches pour l'estimation de l'intention du sujet à partir de la mesure des signaux EMG caractérisant les activités musculaires volontaires du groupe musculaire quadriceps. Cette approche permet de s'affranchir d'un modèle d'activation et de contraction musculaire complexe. L'ensemble des travaux a été validé expérimentalement avec la participation volontaire de plusieurs sujets valides

Bien que les orthèses lombaires (OL) soient couramment employées depuis de nombreuses années dans le traitement conservateur des lombalgies, leurs effets mécaniques et posturaux restent, à notre connaissance, partiellement inexplorés. Des obstacles d'ordre méthodologique en sont la principale cause avec en premier lieu la difficulté d'évaluer les effets des OL à l'intérieur du tronc sans être invasif et sans nécessiter un équipement coûteux difficilement utilisable lors de la pratique médicale courante. La levée de ces verrous scientifiques a guidé l'ensemble de ce travail doctoral à travers le développement d'une méthodologie spécifique. L'effet mécanique a été étudié à partir d'une nouvelle méthode non-invasive de mesure de la pression intradiscale réalisée à partir d'une modélisation par éléments finis contrôlée par radiographie. Les premiers résultats ont démontré la possibilité de diminuer de 15 à 22% en moyenne la pression intradiscale lors du port d'une OL modifiant la statique rachidienne. Les différents travaux sur l'équilibre postural ont permis de définir une méthodologie d'analyse de la posture en station debout puis assise adaptée à l'évaluation des OL. Les premiers résultats chez des patients lombalgiques subaiguës ont mis en évidence un contrôle postural plus efficient (réduction de la raideur active du tronc) lors du port de l'OL la plus rigide. A terme, cette méthodologie facile à mettre en œuvre permettra d'adapter les caractéristiques du produit (raideur passive / forme) aux caractéristiques des patients (raideur active / courbure lombaire) dans le but d’optimiser l'efficacité clinique / Although lumbar orthoses (LO) are commonly used for many years in the conservative treatment of low back pain, postural and mechanical effects are, to our knowledge, partly unexplored. Methodological difficulties are the main cause with, in the first place, the difficulty to assess the LO effects inside the trunk with a non-invasive and not expensive method adapted for current medical practice. This Ph.D work attempts to address these difficulties through the development of a specific methodology. The mechanical effect was studied by a non-invasive estimation of the intradiscal pressure through a finite element modeling controlled by radiographs. The first results showed the possibility of a mean reduction from 15 to 22% of the intradiscal pressure while wearing an LO which is able to change the spinal posture. The different works on postural balance allowed us to define a methodology for a suitable LO assessment in standing and then sitting postures. The first results in patients with subacute low back pain showed a more efficient postural control (reduction of active stiffness of the trunk) while wearing the most stiffer LO. In the future, this easy-to-implement assessment could be helpful to more accurately target the appropriate LO for a given patient in order to improve his / her clinical status

L'objectif de ce travail est de proposer une nouvelle approche dans l'évaluation des dysfonctionnements de l'appareil locomoteur humain conduisant à des pathologies, au moyen de paramètres biomécaniques pertinents (angles et moments articulaires). Dans un premier temps, un rapprochement des données de la littérature avec les examens pratiqués en podologie pour l'étude de la marche a permis d'identifier les paramètres biomécaniques impliqués dans l'apparition de pathologies courantes : lombalgie, coxalgie et gonalgie. Ensuite, à partir de mesures expérimentales (système d'analyse gestuelle VICON et tapis de marche ADAL), les aspects statiques, cinématiques et dynamiques de l'activité locomotrice (modélisation d'une structure polyarticulée anthropomorphique représentative du membre inférieur) de sujets symptomatiques ont mis en évidence les défauts du mouvement articulaire (modèles patho-mécaniques) par rapport à la physiologie, et la pertinence des paramètres biomécaniques pour les décrire. L'analyse des modifications du mouvement suivant deux modalités : sans et avec semelle correctrice, a permis d'illustrer l'impact du mauvais alignement de la chaîne segmentaire sur les pincements de contact articulaire entraînant à terme la dégénérescence des cartilages (lombarthrose, coxarthrose et gonarthrose). Enfin, l'étude des liaisons entre les paramètres a montré l'influence des anomalies de positionnement du pied au sol sur les dysfonctionnements de la chaîne articulaire du membre inférieur