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

La thèse Analyse multifactorielle de l’influence de l’environnement sur la stabilité et la locomotion humaine, propose des recherches théoriques et expérimentales dans le domaine complexe des influences du milieu environnant, à travers ses paramètres spécifiques, sur les performances de la locomotion et d’équilibre stable du corps humain. Elle met ensemble plusieurs domaines pour l’obtention d’une évaluation statistique des influences provenant des paramètres signifiants du milieu environnant sur la locomotion et sur l’équilibre stable, représentés par le centre de pression et par les forces générées dans la zone plantaire. La thèse est structurée en huit chapitres dont quatre sont concernés à l’introduction, les objectifs de la thèse, les conclusions, les contributions originales et le mode de valorisation de la recherche, ainsi qu’aux directions futures de développement, alors que les quatre suivants développent successivement, d’une manière consistante, le sujet de thèse débutant avec l’étude bibliographique dans le domaine spécifique, suivi de l’étude et l’analyse des paramètres spécifiques du milieu environnant, l’analyse de la locomotion et de la stabilité humaine et l’analyse expérimentale des influences de l’environnement sur la stabilité et la locomotion humaine. Elle contient 195 pages, 147 de figures, 22 tableaux et 5 annexes étendues sur 50 pages concernant les recherches expérimentales.Durant le programme de recherche, l’auteur a élaboré et publié 13 articles dans les proceedings des manifestations scientifiques en Roumanie et à l’étranger et a participé à deux contrats de recherche. / The thesis Contributions to research concerning the influences of the environment on human stability and locomotion proposes theoretical and experimental researches in the very complex domain of the influences of environment, described through its specific parameters, on locomotion and stable equilibrium of human body’s performances, characterized by pressure center and by the forces generated in the plantar area. The thesis is structured in eight chapters and, among them: four are concerned on introduction, thesis objectives, conclusions, original contribution and thesis valorization (published papers and research grants)/future research directions. The next four develop, consistently, the thesis subject, beginning with critical analyze of the specialized literature that is followed by the analyze of specific parameters of the environment, the analyze of the human locomotion and stability and of influences of environment on human locomotion and stable equilibrium. It contains 195 pages, 147 figures and 22 tables and is accompanied by 5 annexes on 50 pages concerning the experimental research. During the research program, the author elaborated and published 13 papers in the proceedings of different scientific events in Romania and abroad and was a part of two research teams for scientific grants.

La course d'ultra-trail en montagne provoque de nombreuses altérations d'ordre biomécaniques, physiologiques, neuro-musculaires, posturales et psychologiques qui peuvent engendrer certaines blessures. Cependant, assez peu d'études se sont intéressées aux modifications que peuvent subir les pieds. C'est dans ce cadre que nous avons réalisé 3 études. La première effectuée auprès de 10 coureurs a montré que les avants-pieds s'élargissent et la pression plantaire sous l'avant-pied augmente à partir de la mi-distance d'une épreuve d'ultra-trail de 170 km (UTMB®). La surpression sous l'avant-pied qui est due au déplacement vers l'avant du centre de pression, est susceptible d'accroitre le risque de fracture de fatigue des métatarses. Ces modifications qui ont été observées jusqu'à la fin de la compétition sont probablement liées à la fatigue des sujets. Pour contrecarrer ces modifications, nous avons proposé d'utiliser des semelles orthopédiques moulées comportant chacune une barre rétro capitale (BRC) placée en arrière des têtes métatarsiennes. La 2ème étude réalisée chez 48 coureurs a montré que cet élément orthopédique permet lors du maintien de la posture debout de diminuer les pressions plantaires sous les avants-pieds, de reculer le centre de pression, mais aussi les centres articulaires de la hanche, des épaules et de la tête. La 3ème étude avait pour objectif d'évaluer chez 10 coureurs à pieds l'effet immédiat, à court terme (après 4 semaines) et moyen terme (après 12 semaines) du port des semelles BRC sur la répartition des pressions plantaires et la cinématique articulaire. Un groupe contrôle de taille égale a utilisé pendant la même période des semelles moulées qui ne comportaient aucun élément orthopédique. Cette étude longitudinale a montré que les pressions plantaires sous les têtes métatarsiennes étaient réduites immédiatement avec le port des semelles BRC. Après 4 semaines, cette réduction s'accentuait et l'angle de flexion de la cheville était augmenté lors de l'appui. Après 12 semaines, l'extension maximale du genou était augmentée et la plupart de ces modifications étaient aussi observées même si les sujets utilisent des semelles plates. Aucune variable n'a été modifiée chez les sujets du groupe contrôle. En ce qui concerne les applications pratiques de ces travaux de thèse, au regard de nos résultats, nous pouvons conseiller aux coureurs de longue distance soufrant de douleur au niveau de l'avant-pied de choisir des chaussures un peu plus larges et, d'utiliser des semelles orthopédiques BRC pour réduire la pression sous l'avant-pied. / Mountain Ultra Marathon is causing many biomechanical, physiological, neuromuscular, postural and psychological alterations which can lead to certain injuries. However, there are few studies has been focused on the feet. In this context, we conducted three original studies. The first one, performed with 10 runners has shown that the front feet width and the plantar pressure under the forefoot has increased from the mid-distance of a 170km ultra-trail race (UTMB®). The overpressure under the forefoot is due to the forward displacement of the center of pressure which may increase the risk of stress fracture of the metatarsals. These changes that were observed until the end of the competition are probably related to the increase of muscular fatigue of the subjects. In opposition of these changes, we proposed to use moulded orthopaedic insoles that comprising a metatarsal retro-capital bar (MRCB) placed behind the metatarsal heads. The second study carried out in 48 runners has shown that this MRCB element allows to reduce the plantar pressures under the front feet during the standing support by moving backward the center of pressure, and also the hip, the shoulders and the head. The objective of the third study was to evaluate the immediate, short-term (after 4 weeks) and medium-term (after 12 weeks) effect of wearing MRCB insoles on plantar pressure distribution and joint kinematics during running with 10 runners. A similar control group of equal size used during the same period of training moulded insoles without orthopaedic element. This longitudinal study showed that the plantar pressures under the metatarsal heads were reduced immediately with wearing MRCB soles. After 4 weeks, this reduction was accentuated and the ankle's angle of flexion was increased during the stride support. After 12 weeks, the maximum knee extension was increased and most of these changes described aboved were also observed even if the subjects used flat insoles. Any significant changes have been observed in the control group whatever the test period. Regard to these results, we can advise long-distance runners that suffer of pain in the forefoot region to choose slightly larger shoes and to use MRCB orthopaedic insoles to reduce pressure under the forefoot.

Les problèmes liés à l'équilibre sont diagnostiqués à l'aide de systèmes de cartographies des pressions plantaires ou de plateformes de force mesurant le déplacement du centre de pressions. Ces systèmes professionnels sont restreints à une utilisation en milieu médical, et on constate qu'aucun dispositif de surveillance de l'équilibre ne donne entière satisfaction en termes de mobilité et d'acceptabilité. Dans le contexte de la télémédecine et de l'e-santé, notre objectif a consisté à développer des outils pour la surveillance ambulatoire de l'équilibre postural, et contribuer à la compréhension du contrôle de l'équilibre. Nous avons d'abord entrepris une étude théorique de la faisabilité de la mesure des pressions plantaires et du déplacement dynamique du centre de pression, à partir d'un nombre très réduit de capteurs. Nous avons proposé pour cela un modèle mécanique simplifié du pied, ainsi que les hypothèses spécifiques à ces applications. Le modèle décrit la relation physique entre la posture du pied et la répartition des pressions plantaires suivant ses caractéristiques biomécaniques. Sur la base d'un prototype de semelle instrumentée à 3 capteurs uniquement, nous avons vérifié expérimentalement la capacité du système et des méthodes à générer le stabilogramme et les cartographies de pressions plantaires. Ceux-ci ont été comparés à un système matriciel de référence, et caractérisés en termes d'incertitude dans le cas du pied normal en position debout et durant la marche. Les stabilogrammes ainsi mesurés peuvent être analysés pour caractériser la signature de l'équilibre. Nous proposons un modèle spécifique à trois dimensions, décrivant la dynamique de l'équilibre et permettant d'identifier, par simulation, les principaux paramètres physiologiques qui assurent le maintien de l'équilibre postural. / Problems of balance are often diagnosed thanks to plantar pressure cartography systems or forces platform that measure the center of pressure displacement. These professional systems are restricted in use to medical environments, and until now, the balance monitoring systems do not offer complete satisfaction in terms of mobility and acceptability. In order to overcome these limitation and in the context of telemedicine and e-health, we aimed to develop tools for ambulatory monitoring of postural equilibrium and to understand the balance control. We have first undertaken a theoretical study on the feasibility of measuring plantar pressure and dynamic displacement of the center of pressure, from a very small number of sensors. For these applications, we have proposed a simplified mechanical foot model, as well as related assumptions. The model describes the physical relationship between foot posture and distribution of plantar pressures following its biomechanical characteristics. Based on a prototype of an instrumented insole with only 3 sensors, we have verified experimentally the ability of the system and the methods to generate both the stabilogram and the plantar pressure maps. Comparison is made with a matrix reference system, and characterization in terms of uncertainty in the case of normal foot in standing position and during walking is detailed. The measured stabilogram can be analyzed to characterize the signature of balance. We have also proposed a specific three-dimensional model describing the dynamics of balance. Based on simulation, it leads to identify the main physiological parameters related to balance control.

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.