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

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le pied plat valgus dynamique idiopathique est une déformation touchant un grand nombre d’enfants. Il fait l’objet de la plupart des consultations d’orthopédie pédiatrique et donne communément lieu au port d’orthèses plantaires correctives. Le pied étant un segment dont l’architecture lui confère des propriétés de souplesse et de robustesse, une altération de sa structure, en particulier touchant à la forme de la voute plantaire, peut engendrer des modifications de la marche. Les atteintes de cette déformation sont au cœur de beaucoup d’études mais la littérature reste toujours parcellaire et centrée sur quelques variables mesurées sur le membre inférieur. En revanche, s’il est important d’évaluer la déformation localement, la marche reste une coordination de l’ensemble des segments corporels hautement hiérarchisée, dont l’évaluation de la performance nécessite des analyses plus globales. Le travail de cette thèse s’attachera à effectuer une caractérisation de l’effet de la présence d’un pied plat valgus dynamique sur la marche de l’enfant, mêlant des méthodes issues de la biomécanique classique, aux analyses de données et aus théories des systèmes dynamiques non linéaires.Les principaux résultats de ce travail concernent la multiplicité des atteintes biomécanique et les nombreuses modifications que le pied plat valgus dynamique engendre au niveau musculaire et cinématique sur le membre inférieur. Les mouvements intrinsèques du pied s’avèrent refléter particulièrement le défaut de maitrise de la marche à l’échelle du patient. Enfin, le pied s’avèrera jouer un rôle protecteur du centre de masse vis-à-vis du maintien de la stabilité dynamique lors de la marche. / The pediatric flexible flat foot is a common deformation. It is the reason of most pediatric orthopedic consultations and commonly leads corrective foot orthotics prescription. The specific architecture of the normal foot gives it properties of adaptation, strength and flexibility. Any alteration of its structure, particularly related to the shape of the plantar arch can cause modifications in gait. A lot of studies investigated the effects of this deformation, but are generally centered on a small number of variables, only at the level of the lower limb. However, if the local deformation is important to assess, it is unlikely to represent the complex non-linear coordination of the whole body segments related to gait performance. This thesis aims at characterizing the effect of flexible flat foot on gait in children, from a biomechanical point of view at the lower limb level as well as at the global coordination level, using methods from classicla biomechanics, data analysis and non linear dynamical systems theories.The major outcomes of this work are the multiplicity of biomechanical effects and the numerous changes on muscles activities and kinematics of the lower limb caused by flexible flat foot. The intrinsic foot movements particularly reflect the lack of control of gait at the patient's level. The particular role of the trunk and contralateral leg regarding the specific locomotor pattern of patients will be detailed. Finally, the foot will appear to have a protective role of the center of mass concerning resistance to perturbations and maintaining gait dynamic stability.

The raw data related to the second study of this thesis (Chapter 3) is available online in the section of supporting information at https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0232677. These files present the following data: S1 File. The pattern of foot orthosis depression/reformation for healthy subjects during walking with sport versus regular foot orthosis. S2 File. Raw data for the training session of sport foot orthosis. This Excel file consists three sheets in which the position of triad markers, the orientation of triad markers and the position of markers on plantar surface of foot orthosis are provided respectively. S3 File. Raw data for walking with sport foot orthosis. This Excel file consists two sheets in which the position of triad markers and the orientation of triad markers are provided respectively for subject 1. S4 File. The results of each participant during walking with sport foot orthosis. This .mat file includes “DispEachPoint” and “DispEachPointMean” which shows the displacement of each predicted marker on foot orthosis plantar surface during stance phase of walking relative to its corresponding position in static non weight-bearing for each trial and the average of trials respectively. In addition, “loc_stance” and “loc_meanstance” show the location of each predicted marker during stance phase of walking. “peaks” and “peaksMean” represent the minimum (depression) and maximum (reformation) value of displacement during walking S5 File. The results of each participant during walking with regular foot orthosis. This .mat file includes “DispEachPoint” and “DispEachPointMean” which shows the displacement of each predicted marker on foot orthosis plantar surface during stance phase of walking relative to its corresponding position in static non weight-bearing for each trial and the average of trials respectively. In addition, “loc_stance” and “loc_meanstance” show the location of each predicted marker during stance phase of walking. “peaks” and “peaksMean” represent the minimum (depression) and maximum (reformation) value of displacement during walking / Les orthèses plantaires (OP) sont des dispositifs médicaux fréquemment utilisés pour réduire les douleurs et blessures de surutilisation, notamment chez les personnes ayant les pieds plats. Le port d'OP permettrait de corriger les altérations biomécaniques attribuées à la déformation du pied plat, que sont la perte de l’arche longitudinale médiale et la pronation excessive du pied. Cependant, le manque de compréhension de la fonction des OP entraine une grande variabilité des OP prescrites en milieu clinique. L'objectif de cette thèse est d'approfondir les connaissances sur l’effet des OP sur la biomécanique, de quantifier les déformations des OP à la marche et de mettre en relation ces déformations avec la biomécanique du pied. La première étude a évalué la manière dont les différentes conceptions d'OP imposent des modifications dans le mouvement et le chargement appliqué sur le pied. Cet objectif a été atteint grâce à une revue systématique traitant des effets des OP sur la cinématique et la cinétique du membre inférieur pendant la marche chez des personnes ayant des pieds normaux. Les critères d'inclusion ont réduit les études à celles qui ont fait état des résultats pour les géométries les plus fréquentes des OP, à savoir les biseaux, les supports d’arche et les stabilisateurs de talon. La revue a mis en évidence que les orthèses avec un biseau médial peuvent réduire le moment d'éversion de la cheville. Aucune évidence significative n'a été trouvée dans notre méta-analyse sur l'efficacité des orthèses incluant des supports d’arche ou des stabilisateurs de talon. Les différents procédés et matériaux utilisés dans la conception des OP ainsi que les caractéristiques des pieds des participants pourraient expliquer la variabilité retrouvée au regard des effets des OP sur la biomécanique. La deuxième étude a apporté des informations précieuses et inédites sur le comportement dynamique des OP à la marche. La cinématique du contour des OP a été utilisée pour prédire la déformation de leur surface plantaire pendant la marche chez 13 individus ayant des pieds normaux en utilisant un réseau de neurones artificiels. Une erreur moyenne inférieure à 0,6 mm a été obtenue pour nos prédictions. En plus de la précision des prédictions, le modèle a été capable de différencier le patron de déformations pour deux OP de rigidités différentes et entre les participants inclus dans l’étude. Enfin, dans une troisième étude, nous avons identifié la relation entre la déformation des OP personnalisées et la biomécanique du pied à la marche chez 17 personnes avec des pieds plats. L'utilisation de modèles linéaires mixtes a permis d’exprimer les variations de la déformation des OP dans différentes régions en fonction des variables cinématiques du pied et de pressions plantaires. Cette étude a montré que l'interaction pied-OP varie selon les différentes régions de l’OP et les différentes phases du cycle de marche. Ainsi, des lignes directrices préliminaires ont été fournies afin de standardiser et optimiser la conception des OP. Dans l'ensemble, les résultats de cette thèse justifient l'importance d’'intégrer des caractéristiques dynamiques du pied de chaque individu dans la conception d'OP personnalisées. Des études futures pourraient étendre les modèles de prédiction de l'interaction pied-OP en incluant d'autres paramètres biomécaniques tels que les moments articulaires, les activations musculaires et la morphologie du pied. De tels modèles pourraient être utilisés pour développer des fonctions coût pour l'optimisation de la conception des OP par une approche itérative utilisant la simulation par les éléments finis. / Foot orthoses (FOs) are frequently used medical devices to manage overuse injuries and pain in flatfoot individuals. Wearing FOs can result in improving the biomechanical alterations attributed to flatfoot deformity such as the loss of medial longitudinal arch and excessive foot pronation. However, a lack of a clear understanding of the function of FOs contributes to the highly variable FOs prescribed in clinical practice. The objective of this thesis was to deepen the knowledge about the biomechanical outcomes of FOs and to formulate the dynamic behaviour of FOs as a function of foot biomechanics during gait. The primary study investigated how different designs of FOs impose alterations in foot motion and loading. This objective was achieved through a systematic review of all literature reporting the kinematics and kinetics of the lower body during walking with FOs in healthy individuals. The inclusion criteria narrowed the studies to the ones which reported the outcomes for common designs of FOs, namely posting, arch support, and heel support. The review identified some evidence that FOs with medial posting can decrease ankle eversion moment. No significant evidence was found in our meta-analysis for the efficiency of arch supported and heel supported FOs. The findings of this study revealed that differences in FO design and material as well as foot characteristics of participants could explain the variations in biomechanical outcomes of FOs. The second study provided valuable information on the dynamic behaviour of customized FOs. The kinematics of FO contour was used to predict the deformation of FO plantar surface in 13 healthy individuals during walking using an artificial intelligence approach. An average error below 0.6 mm was achieved for our predictions. In addition to the prediction accuracy, the model was capable to differentiate between different rigidities of FOs and between included participants in terms of range and pattern of deformation. Finally, the third study identified the relationship between the deformation of customized FOs and foot biomechanics in 17 flatfoot individuals during walking. The use of linear mixed models made it possible to identify the variables of foot kinematics and region-dependent plantar pressure that could explain the variations in FO deformation. This study showed that the foot-FO interaction changes over different regions of FO and different phases of gait cycle. In addition, some preliminary guidelines were provided to standardize and optimize the design of FOs. Overall, the results of this thesis justify the importance of incorporating the dynamic characteristics of each individual’s foot into the design of customized FOs. Future studies can extend the predictive models for foot-FO interactions by including other determinants of foot biomechanics such as joint moments, muscle activation, and foot morphology. Based on such extended models, the cost functions could be devised for optimizing the designs of customized 3D printed FOs through an iterative approach using finite element modeling.

Le pied plat flexible affecte 20-25% de la population adulte. Il est caractérisé par un affaissement anormal de l’arche longitudinale médiale en charge ainsi qu’une pronation excessive du pied. Les orthèses plantaires (OPs) représentent la prise en charge conservatrice la plus fréquemment utilisée au regard de cette pathologie. Toutefois, il existe un manque de consensus quant à leur effet bénéfique, notamment à cause de la variété d’OPs (géométrie et matériaux) utilisée. Ces dernières années, le développement des techniques d’impression 3D a permis d’innover et de faciliter la production d’OPs sur-mesure. Les réalisations actuelles ne se sont cependant limitées qu’à des formes monolithiques reposant sur la forme du pied. L’objectif de cette thèse est d'approfondir les connaissances relatives à l’impact des OPs sur la biomécanique du pied plat, afin d’aider au développement et à l’évaluation d’une OP originale imprimée en 3D. À cet égard, trois objectifs spécifiques ont été définis : (1) investiguer l’effet de la forme géométrique des orthèses plantaires chez des personnes ayant des pieds plats flexibles ; (2) quantifier l’effet de la rigidité d’OPs imprimées en 3D et celle de l’addition d’éléments anti-pronateurs novateurs sur la cinématique du pied ainsi que les pressions plantaires ; (3) évaluer l’impact d’OPs sur-mesure imprimées en 3D sur la biomécanique des membres inférieurs chez des personnes ayant des pieds plats. Par la réalisation d’une revue systématique avec méta-analyse, l’effet de la forme géométrique des OPs sur la cinématique et la cinétique du membre inférieur lors de la marche chez des personnes ayant les pieds plats a pu être déterminé. Seules les études ayant clairement décrit les modifications géométriques des OPs utilisées ont été incluses. Elles ont ensuite été divisées en cinq groupes en fonction de leur forme géométrique : avec stabilisateur d’arrière-pied médial, avec stabilisateur d’avant-pied médial, avec combinaison d’un stabilisateur d’arrière-pied et d’avant-pied médial, avec stabilisateur neutre, et avec support d’arche. La revue a ainsi mis en évidence que l’utilisation de stabilisateur médiaux était la modification géométrique la plus efficace pour réduire l’éversion de l’arrière-pied et ainsi contrôler la pronation excessive. Cependant, l'hétérogénéité dans les protocoles expérimentaux contribue à la faible évidence au regard des effets des OPs sur la biomécanique de la marche chez des personnes ayant les pieds plats. Sur la base des observations tirées de notre revue de la littérature, des stabilisateurs d’arrière-pied innovants (neutre avec extension sous l’arche) ont été développés pour être utilisés avec une OP originale imprimée en 3D. Par conséquent, l’objectif de notre deuxième étude était de quantifier l’effet de ces stabilisateurs mais aussi de déterminer l’impact de la rigidité de notre OP sur la cinématique du pied et les pressions plantaires. Pour se faire, 15 hommes en bonne santé et ayant les pieds neutres (pointure 9.5-10 US) ont été recrutés afin de s’affranchir de l’interaction possible avec une pathologie. Ainsi, il a été mis en évidence qu’une augmentation de la rigidité était associée à une réduction plus importante de l’éversion à l’arrière-pied (Différence Moyenne (DM) = -0.83°). Cette dernière a d’autant plus été réduite par l’ajout de stabilisateurs (DM = -1.15° et -2.43°). Au niveau des pressions plantaires, outre le transfert de la charge vers le médio-pied induit par le port des OPs, l’augmentation de la rigidité a contribué à accentuer les pics de pression sous l’arche et l’arrière-pied (DM de +21.6% à +31.7%). Enfin, notre troisième étude avait pour but d’évaluer l’impact d’OPs personnalisées et imprimées en 3D sur la biomécanique des membres inférieurs chez des personnes ayant des pieds plats. Pour ce faire, 19 patients recrutés par l’intermédiaire de podiatres ont reçu deux paires d’OPs sur-mesure, respectivement flexible et rigide, et ont participé à une évaluation biomécanique (cinématique, cinétique, pressions plantaires). L’augmentation de la rigidité n’a eu que peu d’effets sur la cinématique et les efforts articulaires. Elle a cependant été associée à une augmentation des pressions sous l’arche (DM = +34.4% pour la pression moyenne). L’effet de notre stabilisateur a également été quantifié. Il a été associé à une réduction significative de l'éversion à l’arrière-pied (DM = -2.0°), une réduction du moment interne d'inversion à cheville (DM = -0.03 Nm/kg), et à une légère augmentation du moment interne d’abduction au genou (DM ≈ +0.04 Nm/kg). Dans l’ensemble, le présent travail de thèse a permis de mieux saisir les mécanismes d’action des OPs sur la biomécanique des personnes ayant les pieds plats, de guider le développement d’une OP imprimée en 3D et de stabilisateurs d’arrière-pied innovants, et de confirmer que l’ajout d’éléments anti-pronateurs est essentiel afin d’observer un impact bénéfique des OPs sur le contrôle de la pronation excessive. / Flatfoot has been reported to affect around 20–25% of the adult population. It is defined by an abnormally low medial longitudinal arch upon weight bearing and an excessive foot pronation. Foot orthoses (FOs) have commonly been used as a conservative treatment to manage this deformity. However, due to the variety of FOs (geometrical designs and materials) that have been used, there is still low evidence of their beneficial effect. In recent years, the advent of 3D printing techniques has facilitated the production of innovative and customized FOs. Yet, current achievements are limited to monolithic form based on the foot shape. The objective of this thesis was to deepen the knowledge relative to FOs’ impact on flatfoot biomechanics, in order to help the development and the assessment of an original 3D printed FO. Three specific objectives were defined for this purpose: (1) investigate the effect of FOs, based on their geometrical design, in individuals with flexible flatfeet; (2) asses the effect of 3D printed FOs stiffness and newly designed anti-pronator components on foot kinematics and plantar pressures; and (3) evaluate the impact of custom 3D printed FOs on lower extremity biomechanics in individuals with flatfeet. Though a systematic and meta-analysis review, the effects FOs geometrical design on lower limb kinematics and kinetics during walking in people with flatfeet has been determined. Only studies that clearly described FOs geometrical design were included. They were then categorized into five groups based on the geometrical design of FOs: with medial rearfoot posting, with medial forefoot posting, with a combination of forefoot and rearfoot posting, with neutral rearfoot posting, and with arch support. The review highlighted that medial postings are the most effective FO feature to reduce the rearfoot eversion and therefore control excessive foot pronation. However, heterogeneity between study protocols contributes to low evidence of beneficial effects of FOs on flatfeet biomechanics during walking. Based on our literature review, innovative rearfoot postings (neutral with an extension under the medial arch) have been developed for an original 3D printed FO. Hence, our second study aimed to determine the effect of these postings as well as the stiffness of our FO on foot kinematics and plantar pressures. To do so, a study involving 15 healthy men with neutral feet (shoe size 9.5-10 US) was carried out. Healthy people were recruited to avoid any interaction with a pathology. The study showed that increasing FOs stiffness was associated to a greater reduction in rearfoot eversion (Mean Difference (MD) = -0.83°). Rearfoot eversion was further decreased when adding the rearfoot postings (MD = -1.15° and -2.43°). Looking at plantar pressures, besides a shift of the loads to the midfoot region while wearing FOs, higher peak pressures under the rearfoot and the medial arch (MD from +21.6% to +31.7%) were observed when increasing the FOs stiffness. Finally, the third study aimed at evaluating the impact of custom 3D printed FOs on lower extremity biomechanics in individuals with flatfeet. Nineteen patients, recruited by experienced podiatrists, were given two pairs of custom 3D printed FOs and participated in a biomechanical analysis (kinematics, kinetics, plantar pressures). Increasing FOs stiffness had little effects on kinematics and joint moments. However, it resulted in higher plantar pressures under the arch (MD = +34.4% for mean pressures). The addition of our rearfoot posting was associated with notable effects; it significantly reduced the eversion angle (MD = -2.0°) and inversion moment at the ankle (DM = -0.03 Nm/kg), and increased slightly the knee abduction moment (MD ≈ +0.04 Nm/kg). Overall, the present thesis has provided a better understanding on how FOs impact the biomechanics of individuals with flatfeet, helped the development of a 3D printed FO as well as innovative rearfoot postings, and confirmed that anti-pronator components are essential to observe a beneficial impact of FOs on the control of excessive foot pronation.