En France, plus d’une personne sur dix souffre d’arthrose où le compartiment médial de l’articulation du genou demeure largement affecté. Afin de lutter contre ce fléau qui occasionne des dépenses croissantes dans notre système de santé, l’intégration de traitements non-pharmacologiques et conservateurs dans la prise en charge de cette pathologie est une priorité. De ce fait, les orthèses de décharge pourraient tout à fait répondre à cette nécessité. Malheureusement, au fil des rares prescriptions, force est de constater l’abandon trop rapide de ce type d’appareillage. Majoritairement conçues pour exercer une action mécanique à trois points de pression, les orthèses de décharge sont davantage reconnues pour leur inconfort que pour leurs effets bénéfiques. Etre assis, se tenir debout ou simplement marcher sont autant de situations selon lesquelles l’appareillage devrait être en mesure de s’adapter. Pour autant, les orthèses de décharge exercent, à tort, une seule et même action mécanique continue. Cette dernière est identifiée comme responsable de leur inconfort. Fort de ce constat, ce travail de thèse se penche sur une piste jusqu’alors inexplorée, une action mécanique variable des orthèses de décharge à trois points de pression, garante d’un confort accru dans le but d’améliorer l’alliance thérapeutique. Sur la base de cette idée brevetée, nous verrons à travers ce travail les différentes étapes de validation qui permettent de caractériser un appareillage dynamique, avantageusement comparé aux modèles jusqu’alors proposés. / In France, more than one person out of ten suffers from osteoarthritis, which particularly affects the medial compartment of the knee joint. In order to overcome this issue, which causes increased expenditure in the healthcare system, the integration of non-pharmacological and conservative treatments for the management of this pathology is a priority. As a result, unloader knee braces could fully meet this need. However, few prescriptions and a poor long-term compliance are frequently reported. Usually designed to exert a mechanical action with three-point pressure, unloader knee braces are better known for causing discomfort rather than leading to beneficial effects. Indeed, these braces exert erroneously a continuous mechanical action, which has been identified as responsible for the discomfort. To counteract this problem, equipment should be able to adapt between situations as sitting, standing or walking. Therefore, this thesis focuses on a changeable mechanical action of three-point pressure orthoses, ensuring greater comfort and potentially resulting in improved compliance. According to this idea, this work explores the different stages of validation, which allow to characterize a dynamic unloader knee brace and describe its advantages over the traditional proposed models.

Tierärztl. Hochsch., Diss., 2004--Hannover.

Aufgrund der immer älterwerdenden Bevölkerung kommt der Prävention von altersbedingten muskuloskelettalen Erkrankungen wie der Osteoporose und der Sarkopenie eine herausragende Bedeutung zu. Insbesondere für die Sarkopenie gibt es heute und auf absehbare Zeit keine kausale medikamentöse Therapie. Somit stellt der Erhalt einer intakten Muskulatur durch körperliche Aktivität die zentrale Säule für eine langfristig muskuloskelettale Gesundheit dar. Die aktuelle, wissenschaftliche Datenlage zeigt hierbei für progressives Krafttraining im Alter valide Ergebnisse. Durch die gezielte Beanspruchung der Muskulatur kann bis ins hohe Alter dem natürlichen Verlust der Muskelmasse und -qualität entgegengewirkt werden. Ein gezieltes Training der Wirbelsäule-umgebenden Muskulatur ist vor allem bei Menschen mit Osteoporose sinnvoll. Durch starke Rückenmuskeln werden wichtige Alltagsbewegungen unterstützt und das Sturzrisiko kann reduziert werden. Ein klassisches progressives Krafttraining ist jedoch bei älteren Menschen nicht immer durchführbar, da diese oft an zusätzlichen Erkrankungen leiden, welche ein intensives Krafttraining verbieten, oder allgemein zu schwach für eine solche Trainingsmodalität sind. Ziel dieser Studie war zusätzlich zum Krafttraining alternative Trainingsmethoden zu testen, welche einfach und sicher im Alter integrierbar sind und keine sportlichen Vorkenntnisse der Teilnehmer erfordern. Im Fokus stand dabei die Kräftigung der Rumpfmuskulatur. Alternativ zum klassischen, progressivem Krafttraining (KT) wurden daher sogenannte Low-Impact-Methoden getestet, konkret handelte es sich dabei um Ganzkörpervibrationstraining (WBV), das tägliche Tragen einer federnden Rückenorthese (OT) und Qi Gong (QG) als atmungs- und bewegungsorientiertes Konzept. Das Krafttraining zeigte dabei die größten Verbesserungen in der Rumpfkraft, dem primären Endpunkt der Studie. Bei der Extensionskraft zeigte sich eine Zunahme von 28,0%. (p=0,008) und bei der Flexionskraft von 17,2% (p=0,008). Doch auch das WBV-Training und das Tragen der Rückenorthese zeigten Verbesserungen der Rumpfkraft. Das QG-Training zeigte kaum Veränderungen der Rumpfkraft. Im Gruppenvergleich war die KT-Gruppe der QG-Gruppe in der Entwicklung der Extensionskraft signifikant überlegen. Auch wenn die alternativen Trainingsmethoden keine signifikanten Ergebnisse im primären Endpunkt dieser Studie zeigten, kam es zu signifikanten Verbesserungen in den sekundären Endpunkten. In der WBV-Gruppe kam es zu einem signifikanten Anstieg der Handkraft (p=0,023) und im CRT (p=0,007). In der OT-Gruppe war der CRT signifikant besser geworden (p=0,003). In der QG-Gruppe kam es zu tendenziellen Verbesserungen einiger Leistungsparameter, jedoch waren diese statistisch überwiegend nicht signifikant. Ein wesentlicher Aspekt dieser Arbeit war jedoch, dass unabhängig von der jeweiligen Trainingsmodalität, vor allem die Teilnehmer, die ein erhöhtes Risiko für muskuläre Defizite hatten, also Probanden ≥80 Jahre, Menschen mit präsarkopenem Muskelstatus, oder multimorbide Teilnehmer, am meisten von den Trainingsinterventionen profitierten. Hier fiel vor allem die signifikante Zunahme der Rumpfflexion in allen drei Subgruppen auf. Bei den Probanden ≥80 Jahren kam es in der Rumpfflexion zu einer Zunahme von 10,3% (p=0,017), bei den präsarkopenen Probanden von 2,9% (p=0,035) und bei den Multimorbiden von 16,3% (p=0,001). Eine starke Rumpfvorderseite führt zu einer aufrechten Haltung, ermöglicht Alltagsaktivitäten wie Treppensteigen oder das Aufstehen von einem Stuhl und kann durch eine verbesserte Balance das Sturzrisiko vermindern. Bedeutsam ist auch, dass die Muskelmasse bei den präsarkopenen Probanden, unabhängig vom Training, signifikant gestiegen war und somit Sport auch bei einer reduzierten Muskelmasse sehr effektiv sein kann. Zudem verbesserte sich der CRT bei den präsarkopenen und multimorbiden Probanden signifikant, was umso erfreulicher ist, bedenkt man die Assoziation mit einer reduzierten Fähigkeit von einem Stuhl aufzustehen und einer erhöhten Mortalität. Schlussendlich zeigen die Ergebnisse dieser Studie, dass Trainingsmodalitäten, die gezielt die Rumpfmuskulatur adressieren, wie z.B. ein speziell zusammengestelltes Krafttraining, auch in höherem Alter und bei Vorliegen eines erhöhten Frakturrisikos positive Effekte erzielen und zu signifikanten Verbesserungen der Rumpfkraft führen können. Allerdings zeigen auch weniger spezifische low-impact Trainingskonzepte durchaus positive Entwicklungen und stellen vor allem eine sichere Alternative mit nur geringem Anforderungsprofil dar. Besonders erfreulich scheint vor allem die Verbesserung der Parameter der Probanden mit einem erhöhten Risiko für muskuläre Defizite unabhängig von der zugelosten Trainingsintervention. Diese Ergebnisse stellen eine wertvolle Grundlage für zukünftige Forschungsvorhaben dar, welchen unter Berücksichtigung der globalen demographischen Entwicklungen sicherlich erhebliche Bedeutung zukommen wird. / Due to the increasingly aging population, the prevention of age-related musculoskeletal conditions such as osteoporosis and sarcopenia holds significant importance. Particularly for sarcopenia, there is currently no causal medication-based therapy available. The preservation of healthy musculature through physical activity is a central pillar for long-term musculoskeletal health. Current scientific evidence highlights valid outcomes for progressive strength training in older adults. Targeted muscle engagement through such training can counteract the natural loss of muscle mass and quality that occurs with age. Specific training of the muscles surrounding the spine is especially beneficial for individuals with osteoporosis. Strong back muscles support essential everyday movements and can reduce the risk of falls. However, traditional progressive strength training might not always be feasible for older adults, as they often have additional health conditions that prohibit intensive strength training or are generally too weak for such modalities. The aim of this study was to explore alternative training methods that are easily and safely integrable in old age and do not require participants to have prior athletic knowledge. The focus of this study was on strengthening the core muscles. In addition to traditional progressive strength training (KT), low-impact methods were tested, specifically whole-body vibration training (WBV), daily use of a flexible back orthosis (OT), and Qi Gong (QG) as a breath and movement-oriented concept. The strength training showed the greatest improvements in core strength, the primary endpoint of the study. Extension strength increased by 28.0% (p=0.008) and flexion strength by 17.2% (p=0.008). However, WBV training and using the back orthosis also showed improvements in core strength. QG training resulted in minimal changes in core strength. In the group comparison, the strength training (KT) group outperformed the Qi Gong (QG) group in the development of extension strength. Although the alternative training methods didn't yield significant results in the primary endpoint of this study, there were significant improvements in secondary endpoints. The WBV group showed a significant increase in hand strength (p=0.023) and in the chair rising test (CRT) (p=0.007). The OT group significantly improved in CRT (p=0.003). The QG group exhibited tendencies of improvement in some performance parameters, though these were mostly not statistically significant. A key aspect of this work was that irrespective of the specific training modality, participants with an elevated risk of muscular deficits, such as those aged ≥80 years, individuals with pre-sarcopenic muscle status, or those with multiple health conditions, benefited the most from the training interventions. Notably, there was a significant increase in trunk flexion across all three subgroups. In participants aged ≥80 years, trunk flexion increased by 10.3% (p=0.017), by 2.9% in pre-sarcopenic participants (p=0.035), and by 16.3% in multimorbid participants (p=0.001). A strong anterior core contributes to an upright posture, aids in daily activities like climbing stairs or rising from a chair, and can reduce fall risk through improved balance. Significantly, pre-sarcopenic participants experienced a significant increase in muscle mass regardless of the training, suggesting that exercise can be highly effective even with reduced muscle mass. Additionally, CRT significantly improved in pre-sarcopenic and multimorbid participants, which is particularly significant considering its association with reduced ability to rise from a chair and increased mortality. In conclusion, the results of this study demonstrate that training modalities specifically targeting the core muscles, such as a specially designed strength training program, can yield positive effects in older age and for those with an elevated fracture risk, leading to significant improvements in core strength. However, less specific low-impact training concepts also show positive developments and provide a safe alternative with minimal requirements. Particularly encouraging is the enhancement of parameters in participants at risk of muscular deficits, regardless of the assigned training intervention. These findings provide a valuable foundation for future research endeavors, which, considering global demographic trends, will undoubtedly hold substantial importance.

Die meisten Kinder mit infantiler Zerebralparese (IZP) entwickeln eine spastische Parese, was zu Schwäche, erhöhtem Muskel-Dehnungswiderstand und Kontrakturen führt. Der Spitzfuß ist eines ihrer häufigsten Defizite. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit war es, nicht-invasive Behandlungsstrategien für diese Pathologie näher zu untersuchen. In der ersten Studie wurden die Effekte einer Unterschenkel-Lagerungsorthese auf die Muskelmorphometrie des Gastrocnemius unter zu Hilfenahme von Ultraschall und 3D Bewegungsanalyse untersucht. Lagerungsorthesen konnten das Gangbild verbessern, führten gleichzeitig aber zu Atrophie. Um eine alternative Therapieform zu finden, wurde in der zweiten Studie die kontraktile Aktivität des Gastrocnemius mittels Ultraschall, Bewegungsanalyse und EMG während des Gehens, Vorwärts-Bergauf, bzw. Rückwärts-Bergab, sowie in der Ebene untersucht. Das Bergaufgehen steigerte die konzentrische Exkursion der Faszikel, wohingegen das Rückwärts-Bergabgehen zu vermehrter Exzentrik führte. Da sich exzentrisches Training positiv auf Faszikellängenwachstum auswirken kann, wurde in der dritten Studie das Rückwärts-Bergabgehen mit statischem Dehnen als traditionelle Therapieform verglichen. Ultraschall, Bewegungsanalyse und handgesteuerte Dynamometrie wurden verwendet, um die Plantarflexorenkraft, die passive Sprunggelenksbeweglichkeit, die Gastrocnemius Morphometrie sowie die Steifigkeit und Dehnbarkeit auf Muskel-Sehnen und Gelenkebene zu untersuchen. Dehnen zeigte keinerlei Benefits gegenüber dem Laufbandtraining. Rückwärts-Bergabgehen war dagegen ein effektives Gangtraining und setzt vermutlich neuronale und koordinative Reize. In der Zusammenschau scheinen positive Änderungen im Gangbild bei IZP Kindern sowohl durch Unterschenkelorthesen, als auch durch Rückwärts-Bergabgehen erreichbar zu sein. Beides führte aber nicht zu Muskelwachstum. Funktionelle Verbesserungen scheinen daher auch stark von neuronal, koordinativen Aspekten abhängig zu sein. / Most children with Cerebral Palsy (CP) develop spastic paresis, which leads to muscle weakness, increased stretch-resistance and joint contractures. The gastrocnemius muscle is frequently targeted to alleviate a common deficiency known as equinus. The overall objective of this thesis was to investigate several non-invasive treatment strategies for this pathology. The first study investigated the effects of ankle foot orthotics on spastic gastrocnemius morphometrics as well as on gait by using ultrasound and motion capturing. We concluded that braces improved walking function but also lead to atrophy. During the second study, we searched for a readily available, substituting stimulus and compared the contractile activity of the gastrocnemius on treadmills, namely during flat-forward, forward-uphill and backward-downhill gait using ultrasound, motion capturing and EMG. Uphill gait promoted concentric fascicle action, while backward-downhill gait increased eccentric fascicle action. Since eccentric training had been previously shown to increase fascicle length in controls, during the third study, we compared backward-downhill walking versus static, manual stretching. Ultrasound, motion analysis and handheld dynamometry were used to test plantarflexor strength, passive ankle joint flexibility, as well as gastrocnemius morphometrics, stiffness and strain on muscle-tendon and joint level. Backward-downhill walking led to larger single stance dorsiflexion and faster achievable walking velocities while stretching aggravated knee flexion in swing. Strength, joint flexibility, as well as stiffness on muscle-tendon and joint level were not altered. Backward-downhill walking can be an effective gait treatment, probably improving coordination. Nevertheless, more intense training might be necessary to alter muscle-tendon properties. In sum, backward-downhill walking and bracing increased function without promoting or even by harming muscle growth.

The work presented in this paper aims at developing a hydraulic actuation system for an ankle exoskeleton that is able to deliver a peak power of 250 W, with a maximum torque of 90 N.m and maximum speed of 320 deg/s. After justifying the choice of a servo hydraulic actuator (SHA) over an electro hydrostatic actuator (EHA) for the targeted application, some test results of a first functional prototype are presented. The closed-loop unloaded displacement frequency response of the prototype shows a bandwidth ranging from 5 Hz to 8 Hz for displacement amplitudes between +/-5mm and +/- 20mm, thus demonstrating adequate dynamic performance for normal walking speed. Then, a detailed design is proposed as a combination of commercially available components (in particular a miniature servo valve and a membrane accumulator) and a custom aluminium manifold that incorporates the hydraulic cylinder. The actuator design achieves a total weight of 1.0 kg worn at the ankle.