The ability to maintain an independent living at higher age is closely linked to the physical function of an individual. The evaluation of the upper limbs, including the muscular strength of the shoulder, elbow or wrist has received little attention, yet arms are used in most daily tasks. The upper extremity physical performancecan be measured in several ways but none of them has the recognition to be theprimary method. The aim of this experimental study is to test the new devicedeveloped by Erik Almgren and assess whether this can be a valid tool to reliablyassess abduction shoulder strength. Fourteen healthy young subjects participated in this study. After placing in the left wrist the new device, they performed three types of tests: Full Range of Motion, Static measurements and Dynamic measurements. Three trials were done in each test with a recovery of 30 seconds. The results of the study showed that the Static measurements were similar to the ones obtained in previous studies in the past for both angles and force. For the first time, the study includes dynamic measurements of the moment of the shoulderjoint. Peak dynamic moments were found to be on average 6.43 N·m ± 1.00 N·mfor the females and 7.90 N·m ±2.33 N·m. This value is 6% lower than the test population’s average maximum static moments- result which in accordance withthe inverse relationship between force and velocity. The feasibility of this new device to be used outside a biomechanics lab has been proved, however, further research needs to be done in order to validate angles and measurements of the subjects. / Förmågan att uppehålla ett självständigt levnadssätt vid en högre ålder är näralänkat till den fysiska funktionen hos en individ. Utvärderingen av de övre armarna, däribland muskelstyrkan hos axlarna, armbågarna eller handlederna,har fått lite uppmärksamhet, trots att armarna används i många dagliga aktiviteter. Den övre extremitetens fysiska prestanda kan mätas på flera sätt men inget av dem har erkänts som det primära verktyget för underlag att kunna återvända till normal fysisk aktivitet. Målet med den här experimentella studien är att testa det nya verktyget utvecklat av Erik Almgren och at tvärdera om det kan bli ett gällande verktyg för att tillförlitligt kunna bedöma rörlig axel styrka. Fjorton friska och unga testpersoner deltog i den här studien. Efter att ha satt fast det nya verktyget på den vänstra handleden utfördes tre olika test: Fullt rörelseområde, statiska mätningar och dynamiska mätningar. Tre försök gjordes av varje test med återhämtningspauser på 30 sekunder. Resultatet av studien visade att de Statiska mätningarna liknade de som erhållitsi föregående studier för både vinklar och kraft. För första gången inkluderade studien Dynamiska mätningar av moment i axelleden.  Största dynamiska momentet var i genomsnitt 6,43 N·m ± 1.00 N·m för kvinnorna och 7.90N·m ±2.33 N·m för männen.  Detta värde är 6% lägre än populationens genomsnittliga maximala resultat för statiskt moment vilket överensstämmer med det inverterade förhållandet mellan kraft och hastighet. Möjligheten att kunna använda detta nya verktyg utanför ett biomekanisk tlaboratorium har bevisats, men ytterligare forskning måste göras för att validera vinklar och mätningar av försökspersoner.

本論文の目的は，体表から無侵襲に肩甲骨運動を推定する方法を確立すること，肩甲骨運動を拡大する運動介入としての肩甲骨エクササイズを明らかにすること，そのエクササイズが投球動作中の肩甲骨運動に与える即時的な効果を検討することとした．その結果，本研究で考案した推定方法によって肩甲骨姿勢の推定精度は向上した．また体幹運動をともなった肩甲骨エクササイズによって投球動作中の肩甲骨後傾運動が増加した． / 博士(スポーツ健康科学) / Doctor of Philosophy in Health and Sports Science / 同志社大学 / Doshisha University

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.

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Thesis title: Effect of targeted training of the lower scapular fixators on the shoulder girdle function of rugby players The concept of the problem: Rugby is one of the toughest ball sports and there is no shortage of injuries. In addition, injuries in the shoulder area are among the most common and any possibility of reducing these injuries is beneficial. There is not much time left for compensation and targeted intervention; moreover, it is not usually led by physiotherapists but by fitness coaches and only in larger clubs. The consequence is a muscle imbalance in the shoulder girdle, which can result in the so-called scapular dyskinesis. This is turn affects the function and stability of the shoulder joint not only by the overhead athletes. It is possible to influence scapular dyskinesis in various ways. One of them is the inclusion of targeted training of lower scapular fixators into fitness training and thus their stability is improved. Objectives: The main aim of this thesis is to verify whether rugby players with painful shoulder have sufficiently scapular fixation based on kinesiological and biomechanical knowledge. Another aim of this thesis is to create such an exercise unit that would ensure the correct activity of the lower scapular fixators and verify this by measurement. The final...

The evaluation of shoulder abduction and flexion strength is important in the rehabilitation after rotator cuff tear. The purpose of this work is to assess the intra and inter-rater reliability of measurement data from an isokinetic dynamometer used to evaluate shoulder abduction and flexion strength, with the aim to identify sources of measurement errors and suggest improvements. The measurement data was collected by a research group at Karolinska Institute and contained load and torque data from thirteen healthy subjects in the ages of 25 to 87 years. The measurements were carried out on two occasions, one week apart. Systematic differences between occasions are analyzed using the Shapiro Wilk test, the paired t-test, and Wilcoxon signed rank test. The agreement of the measurements is analyzed quantitatively using the coefficient of variation and the Bland Altman plot, and quantitively, using the intraclass correlation coefficient. A significant systematic difference in shoulder abduction and flexion load measurements was found, and the recommendation to prevent this is that components should be calibrated in a standardized way. The measurements showed varying reliability within and between measurement occasions and that after familiarization with the isokinetic dynamometer, repeatability improved. The findings indicate a need of a standardized protocol for patient education and placement. Measurements from the position sensor contributed to more random torque values. To improve the repeatability in measurements from the position sensor, axis of rotation should be kept aligned. An increasing variability in measurements with increasing load and torque was found. The recommendation is to use a preload for patients using more force in the movement, to make sure a preset speed is not exceeded, which contributes to more reliable measurements. / Utvärderingen av axelabduktion och flexionsstyrka är viktig i rehabiliteringen efter skada i axelleden. Syftet med det här arbetet är att bedöma intra- och interbedömartillförlitligheten hos mätdata från en isokinetisk dynamometer som används för att utvärdera axelabduktion och flexionsstyrka, med syftet att identifiera källor till mätfel och föreslå förbättringar. Mätdatat samlades in av en forskargrupp vid Karolinska Institutet och innehöll belastnings- och vridmomentdata från tretton friska försökspersoner i åldrarna 25 till 87 år. Mätningarna utfördes vid två tillfällen med en veckas mellanrum. Systematiska skillnader mellan tillfällena analyseras med Shapiro Wilk-testet, det parade t-testet och Wilcoxon signed rank test. Mätningarnas överensstämmelse analyseras kvantitativt med hjälp av variationskoefficienten och Bland Altman-diagrammet, samt kvalitativt med hjälp av intraklasskorrelationskoefficienten. En signifikant systematisk skillnad i axelabduktion och flexionsbelastningsmätningar hittades, och rekommendationen för att förhindra detta är att komponenter bör kalibreras på ett standardiserat sätt. Mätningarna visade på en varierande tillförlitlighet inom och mellan mättillfällen och att efter bekantskap med den isokinetiska dynamometern, förbättrades repeterbarheten. Slutsatserna indikerar ett behov av ett standardiserat protokoll för patientutbildning och placering. Mätningar från positionssensorn bidrog till mer slumpmässiga vridmomentvärden. För att förbättra repeterbarheten i mätningar från positionssensorn bör rotationsaxeln hållas i linje. En ökande variation mellan mättillfällen med ökande belastning och vridmoment hittades. Rekommendationen är att använda en förspänning för patienter som använder mer kraft i rörelsen, för att säkerställa att en förinställd hastighet inte överskrids, vilket bidrar till mer tillförlitliga mätningar.

L'épaule est un complexe articulaire formé par le thorax, la clavicule, la scapula et l'humérus. Alors que les orientation et position de ces derniers la rendent difficile à étudier, la compréhension approfondie de l'interrelation de ces segments demeure cliniquement importante. Ainsi, un nouveau modèle du membre supérieur est développé et présenté. La cinématique articulaire de 15 sujets sains est collectée et reconstruite à l'aide du modèle. Celle-ci s'avère être généralement moins variable et plus facilement interprétable que le modèle de référence. Parallèlement, l'utilisation de simplifications, issues de la 2D, sur le calcul d'amplitude de mouvement en 3D est critiquée. Cependant, des cas d'exception où ces simplifications s'appliquent sont dégagés et prouvés. Ainsi, ils sont une éventuelle avenue d'amélioration supplémentaire des modèles sans compromission de leur validé. / The shoulder is an articulated complex composed of the thorax, clavicle, scapula and humerus. While the relative orientation and position of the segments makes an in-depth study of the shoulder difficult, understanding the interaction between the segments remains clinically important. Thus, a new model of the upper limb is proposed. Joint kinematics of 15 subjects were collected and reconstructed using the model, and were found to be less variable and easier to interpret when compared to the reference model. Meanwhile, simplifications involving the use of 2D analysis to calculate range of motion in 3D are criticized. Exceptions where these simplifications apply, were however, shown. Thus, such simplifications can be applied to models in certain situations without compromising the models validity.

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.