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La paralysie obstétricale du plexus brachial (POPB) est une paralysie du membre supérieur qui survient à la naissance et peut entraîner une déformation de l'articulation et un fonctionnement anormal de l'épaule. Bien que le traitement de la POPB tente de restaurer la fonction de l'épaule, la pathomécanique sous-jacente n'est pas encore clairement comprise. Les modèles computationnels sont efficaces pour fournir de telles informations, mais il n'existe aucun modèle d'articulation de l'épaule pédiatrique pour comprendre la POPB. Ainsi, ce travail de recherche a pour but de construire un framework combinant les avancées dans les domaines de la modélisation statistique de forme (MSF) et de la modélisation musculo-squelettique multi-corps (MCM). Due à l’insuffisance des données dans la cohorte pédiatrique, ce cadre a été mis en place pour l'articulation de l'épaule adulte. Pour cela, la précision de la MSF a été illustrée en prédisant 1) la forme de l'omoplate pré-morbide, et 2) les régions d'insertion musculaire sur l'omoplate et l'humérus. Cette méthode a ensuite été intégrée aux modèles MCM pour l'épaule adulte pour souligner l’importance des modèles spécifique-patient pour l’usage clinique. Pour le second objectif de cette thèse, j'ai développé un modèle MCM pédiatrique du complexe articulaire de l'épaule en utilisant le logiciel OpenSim. Grâce aux approches de cinématique et dynamique inverse, le modèle a permis de déterminer les différences de dynamique articulaires entre le côté sain et le côté pathologique. Les travaux futurs seront axés sur l’extension du travail réalisé pour la population pédiatrique afin de comprendre la pathomécanique de POPB. / Obstetrician Brachial Plexus Palsy (OBPP) is a common birth injury in children leading to shoulder joint deformity and abnormal function. While the management of OBPP disorder focuses on restoring the shoulder joint function, the underlying pathomechanics is not clearly understood yet. Computational models are effective to provide such insights, however, there is no pediatric shoulder joint model to understand the OBPP disorder. Thus, the global aim of this research work was to build a computational framework combining the advances in statistical shape modeling (SSM) and multi-body musculoskeletal modeling (MSKM) domains. Due to a lack of sufficient data in the pediatric cohort, I first developed the framework for adult shoulder joint. For this, I illustrated the accuracy of SSM in predicting 1) missing part of the scapula, and 2) muscle insertion regions on scapula and humerus bones. This method was then integrated with adult shoulder MSKMs to show the differences between generic and subject specific constructs. For the second aim of this thesis, I developed a pediatric MSKM of the shoulder joint complex using OpenSim software. Pediatric MSKM represented scapulothoracic, sternoclavicular, acromioclavicular, and glenohumeral joints with 13 degrees of freedom, and actuated by 52 musculotendon actuators representing 14 shoulder muscles. Using inverse kinematics and inverse dynamics approaches, the model was used to determine the differences in joint kinematics, and joint dynamics between healthy and unhealthy side of a single OBPP subject. Future work is focused on completing the framework on pediatric population and understanding the pathomechanics of OBPP.

The thesis describes the anatomical study, which has been taken place at Orthopedic Clinic of the 1st Faculty of Medicine, Motol University Hospital and at Institute of Anatomy 1st Faculty of Medicine, Charles University in Prague from 2002 till 2009. The study was focused on the area of the upper part of the humerus in order to measure spatial relationships among anatomical structures, especially attachments of rotator cuff muscles to optimize implantation arthroplasty of shoulder joint. Clinico-anatomical study, which results were published in 2010, was also based at measuring angular relations of structures proximal humerus. The proximal humerus was marked by 29 points on the cortical bone, which defined the position of the medial margin of the greater tubercle, the lateral margin of the lesser tubercle, bicipital groove, the crest of greater tubercle and to define position of the proximal humeral metaphyseal axis and anatomical neck. Measurements were carried out in the transversal planes and the measurement method was developed on the reconstruction and the spatial definition of basic axes (axis of humeral head and axis of proximal humeral shaft) with the optimized number of reference points of anatomical neck and cortical bone of proximal humeral shaft. Angles between the axis of the head...

Pour mieux comprendre et traiter les troubles musculosquelettiques présents à l’épaule, une meilleure connaissance de la contribution et de la fonction de chaque muscle de l’articulation glénohumérale est nécessaire. L’analyse des forces musculaires et articulaires est une étape importante pour comprendre les mécanismes de blessures et les pathologies. Ces forces musculaires peuvent être estimées de façon non invasive grâce à des modèles musculosquelettiques. Le défi est de prédire de façon physiologique les trajectoires musculaires et les bras de levier afin de s’assurer d’avoir une cohérence des forces musculaires dans les modèles musculosquelettiques. L’objectif de cette thèse était d’améliorer la géométrie musculaire des modèles musculosquelettiques de l’épaule en passant par plusieurs méthodes différentes d’implémentation des trajectoires musculaires. À cet égard, nos objectifs spécifiques étaient de : (1) améliorer la géométrie musculaire des modèles multicorps rigides grâce à l’implémentation de contraintes transverses; (2) évaluer la fiabilité d’un modèle éléments finis pour l’estimation des bras de levier et (3) tester la sensibilité de la prédiction des bras de levier aux incertitudes sur les zones d’insertions musculaires; (4) établir une base de données de bras de levier 3D pour des mouvements de grande amplitude; (5) quantifier de façon expérimentale les changements architecturaux des muscles entre l’état au repos et différents niveaux de contraction isométrique. (1) Deux modèles multicorps rigides de la coiffe des rotateurs ont été développés : un modèle classique intégrant une représentation des lignes d’action en 1D et un modèle possédant des contraintes transverses entre les lignes d’action permettant une représentation 2D. La représentation 2D avec des contraintes transverses permet une représentation plus physiologique des trajectoires musculaires et des bras de levier que les modèles classiques 1D. Toutefois, lors de mouvement allant au-delà de 90° d’élévation du bras, lorsque les points d’origine et d’insertion se rapprochent, les bras de levier et les longueurs musculaires sont mal estimés, car le modèle ne prend pas en compte les déformations du volume musculaire. (2) Un modèle éléments finis a été développé à partir de données d’imagerie médicale. Ce modèle permet une estimation des bras de levier fidèle aux données d’IRM. Contrairement aux modèles multicorps rigides, notre modèle élément finis rend compte du fait qu’un même muscle peut avoir plusieurs actions selon la position de sa ligne d’action par rapport au centre de rotation de l’articulation. (3) Le modèle a également servi à faire une étude de sensibilité des bras de levier : les zones d’insertion des différents muscles de la coiffe des rotateurs et du deltoïde ont été déplacées et les bras de levier associés calculés. Les résultats montrent qu’une variation de 10 mm des points d’insertion sur la tête humérale peut amener un muscle à changer de fonction (par exemple adduction plutôt que d’abduction). (4) Une collecte de données expérimentales effectuées sur quatre épaules a permis de collecter les bras de levier du deltoïde et des muscles de la coiffe des rotateurs pour des mouvements de grande amplitude. Ces résultats permettent de mieux comprendre le rôle des muscles de l’articulation glénohumérale lors de la réalisation de différents mouvements. Le deltoïde antérieur a une grande action en flexion et en adduction; le deltoïde moyen est un fort abducteur; le deltoïde postérieur agit en extension. Contrairement au deltoïde, l’infra-épineux et le petit rond ont principalement une fonction de rotateur externe. (5) Une collecte de données impliquant 14 sujets a été réalisée dans le but de quantifier les changements de géométrie musculaire et d’angle de pennation associés à la contraction pour les muscles du biceps, triceps et deltoïde. Les angles de pennation ont été obtenus grâce à un système d’échographie et les changements de géométrie externe des muscles ont été mesurés grâce à un capteur de structure. Les résultats montrent que les changements architecturaux pour les muscles étudiés se produisent principalement entre 0 et 25% de contraction maximale volontaire (aucune différence significative observée entre 25 et 50%). Le muscle le plus affecté par les changements architecturaux est le biceps. Cette thèse a évalué différentes approches de modélisation de la géométrie musculaire : l’approche la plus bio-fidèle étant finalement la modélisation par éléments finis, car elle permet de prendre en compte les interactions entre les structures et les déformations musculaires. De plus, nous avons montré l’importance d’estimer avec rigueur les paramètres d’entrée (zones d’insertions musculaires) des modèles et de bien évaluer la bio-fidèlité des modèles développés avant de les utiliser dans des contextes cliniques. Dans ce but, de nouvelles données ont été acquises en termes de déformations musculaires et d’angle de pennation pour permettre l’évaluation de modèle intégrant de l’activation musculaire. / Understanding and treating musculoskeletal disorders of the shoulder requires additional knowledge of the contribution and function of each muscle of the glenohumeral joint. The analysis of muscle and joint forces is an important step in understanding injury mechanisms and pathologies. These muscle forces can be estimated non-invasively using musculoskeletal models. The challenge is to physiologically predict muscle trajectories and moment arms to ensure consistency of muscle forces in musculoskeletal models. The aim of this thesis was to improve muscle geometry in musculoskeletal models of the shoulder by testing several different techniques for implementing muscle trajectories. Our specific objectives were to: (1) improve muscle geometry of rigid multibody models by using transverse constraints; (2) assess the reliability of a finite element model for estimating moment arms and (3) evaluate the sensitivity of moment arm predictions to uncertainties in muscle insertion areas; (4) create a database of 3D moment arms for movements with high ranges of motion; (5) experimentally quantify muscles’ architectural changes between resting state and different levels of isometric contractions. (1) Two rigid multibody models of the rotator cuff were developed: a classic model representing muscles with lines of action in 1D and a 2D model with transverse constraints between lines of action of a single muscle. The 2D model (with transverse constraints) gives a more physiological representation of muscle trajectories and moment arms than the classical 1D model. However, for arm movements beyond 90° of elevation, when the origin and insertion points get closer, moment arms and muscle lengths are misestimated due to the mode’s inability to account for muscle volume deformations. (2) A finite element model of the glenohumeral joint was developed based on medical imaging. Moment arms were computed and compared to the literature and MRI data. Our finite element model produces moment arms consistent with the literature and MRI data. Unlike rigid multibody models, our finite element model accounts for the fact that one muscle can have several actions depending on the position of its line of action relative to the centre of rotation of the joint. (3) The model was used to study moment arm sensitivity: insertion areas of rotator cuff muscles and the deltoid were moved, and associated moment arms have been computed. Results showed that a 10 mm variation in insertion points on the humeral head could cause a muscle to change function (for example performing adduction rather than abduction). (4) The 3D moment arms were assessed on four post-mortem human surrogates during movements with high ranges of motion. Results of the study gave us a better understanding of muscle functions during different movements. The main findings of the study were that the anterior deltoid was the largest flexor and had an adduction component, the median deltoid was a strong abductor, and the posterior deltoid acted in extension. Unlike the deltoid, the infraspinatus and teres minor were the largest external rotators of the shoulder. (5) Experimental measurements were performed on 14 subjects in order to quantify changes in muscle geometry and pennation angles associated with different levels of contraction for the biceps, triceps and deltoid. Pennation angles were measured on subjects using a portable ultrasound system. External muscle deformations were measured with an iPad equipped with a structure sensor. Changes in muscle architecture for the biceps, triceps and deltoid during isometric contractions occurred mostly between 0 and 25% of maximal voluntary contraction (no significant difference was observed between 25 and 50%). Changes were higher for the biceps than other muscles. This thesis evaluated different approaches to model muscle geometry: the approach leading to the most physiological result was the finite element model due to modeling of the interactions between structure and muscle deformations. Additionally, we demonstrated the importance of rigorously estimating input parameters (muscle insertion areas) and of properly evaluating the bio-fidelity of the models developed before using them in clinical contexts. New data was acquired regarding muscle deformations and pennation angles to evaluate models integrating muscle activation.

Background: The shoulder joint is one of the most freely movable joints in the human body and has therefore high importance for upper limb functionality. Several techniques have been developed to replace the glenohumeral joint including humeral hemiarthroplasty, anatomical total shoulder arthroplasty, and reverse total shoulder arthroplasty, depending on the underlying pathology. For the soft tissue reconstruction, the innervated latissimus dorsi musculocutaneous flap is a reliable solution flap in shoulder and arm reconstruction. - Case presentation: We present the case of a 16-year-old male patient with a complete destruction of the shoulder joint and soft tissues after ballistic trauma. We performed the reconstruction of the shoulder joint using a humeral hemiarthroplasty with a mesh fixation to the remaining glenoid. The soft tissue coverage and the restoration of the deltoid muscle function were insured with a pedicled innervated latissimus dorsi musculocutaneous flap. One year postoperatively, the patient showed a good function of the shoulder joint with an excellent aesthetical result and no pain. - Conclusion: The pedicled latissimus dorsi musculocutaneous flap can safely restore the shoulder function, while the humeral hemiarthroplasty with mesh fixation can be a reliable solution for the reconstruction of a completely destructed shoulder joint.

Les troubles douloureux de l’épaule (TDE) affectent jusqu’à 55% de la population générale et sont souvent difficiles à traiter. L’objectif de cette thèse était de développer une intervention de mobilisation des connaissances permettant d’implanter les recommandations de guides de pratique clinique (GPC) couvrant la prise en charge des TDE. Pour ce faire, un processus basé sur le cadre conceptuel Knowledge-to-Action a été utilisé. D’abord, une revue systématique des recommandations des GPC à implanter pour améliorer la prise en charge des TDE a été effectuée. Puis, les écarts dans la pratique des cliniciens ont été identifiés à l’aide d’un sondage documentant la prise en charge des TDE ainsi qu’une étude évaluant la concordance entre les physiothérapeutes et les orthopédistes au niveau du diagnostic et de la prise en charge des TDE. Ensuite, les déterminants à l’implantation des recommandations des GPC ont été identifiés en procédant à deux études qualitatives ciblant les expériences et les attentes des patients vivant avec un TDE, puis les barrières et facilitateurs à l’implantation des recommandations des GPC identifiés par les cliniciens. Enfin, l’utilisation du Behaviour Change Wheel et des déterminants ont permis d’identifier des stratégies visant à implanter les recommandations de GPC sur la prise en charge des TDE en première ligne de soins. La revue systématique des GPC a permis de déterminer qu’initialement, les TDE ne requièrent généralement pas d’imagerie médicale et de référence à un médecin spécialiste, mais qu’un programme de réadaptation actif est requis. Selon les résultats du sondage, les médecins de famille (n=76) ont recommandé plus d’imagerie que les physiothérapeutes (n=175). Jusqu’à deux physiothérapeutes sur trois ont sélectionné des traitements non recommandés par les GPC. Les résultats de l’étude de concordance démontrent que l’accord entre physiothérapeutes et orthopédistes était bon au niveau du diagnostic et modéré au niveau du triage des candidats chirurgicaux. Les patients souffrant de TDE interrogés (n=13) ont mentionné, dans la première étude qualitative, avoir attendu que leur douleur soit incapacitante avant de consulter un professionnel. Ces participants s’attendaient alors à recevoir un diagnostic clair et à être référés pour des tests d’imagerie. Finalement, ils espéraient recevoir des explications complètes et se voir proposer des options pertinentes de traitements. Les 19 physiothérapeutes et 16 médecins de famille interrogés dans la deuxième étude qualitative ont indiqué comme barrières à l’utilisation des recommandations des GPC : le manque de connaissances, le manque d’habileté à réaliser une évaluation clinique de l’épaule et la crainte de ne pas détecter une pathologie grave, si présente, sans un test d’imagerie. Le temps insuffisant de consultation avec les patients, leurs attentes et le manque d’accès à certains soins ont aussi été indiqués comme des barrières. Les principales stratégies identifiées suivant ces études incluent donc des interventions éducatives, la préparation de champions cliniques et la création d’équipes cliniques interdisciplinaires. À l’aide de ces stratégies, l’implantation pilote de l’intervention sera réalisée dans des groupes de médecine familiale. L’impact potentiellement bénéfique de cette implantation pourrait, à terme, améliorer la prise en charge des patients atteints de TDE. / Shoulder pain is a common and difficult to manage condition that can affect up to 55% of the general population. To optimize shoulder pain management in primary care, the main objective of this thesis was to develop a knowledge mobilization intervention to implement the recommendations from clinical practice guidelines (CPGs) covering the management of different shoulder disorders. A knowledge mobilization process based on four steps of the Knowledge-to-Action framework was used in this thesis. First, a systematic review of CPGs was performed to identify recommendations to be implemented for improving shoulder pain management in primary care. Then, the evidence-practice gaps were assessed using a survey documenting family physicians and physiotherapists shoulder pain management as well as in a study evaluating the concordance between physiotherapists and orthopedists for shoulder pain diagnosis and management. The determinants influencing CPGs recommendations’ implementation were identified by conducting two qualitative studies. The first study explored the experiences and expectations of patients living with shoulder pain and the second aimed to interview clinicians for identifying barriers and facilitators to the implementation of CPGs recommendations. Finally, based on the identified determinants and using the Behaviour Change Wheel method, we identified strategies for implementing CPGs recommendations covering the management of shoulder pain in primary care. Based on the systematic review of shoulder CPGs, we identified that shoulder pain generally does not initially require diagnostic imaging and referral to a medical musculoskeletal specialist, but that an active rehabilitation program is required. According to the survey results, family physicians (n=76) recommended more imaging than physiotherapists (n=175) for rotator cuff tendinopathy and adhesive capsulitis, although this is not indicated. Up to two out of three physiotherapists selected treatments not recommended by CPGs in the management of shoulder pain. The results of the concordance study showed that the agreement between physiotherapists and orthopedists was good in terms of diagnosis and moderate in terms of triage of surgical candidates. Patients (n=13) interviewed in the first qualitative study reported waiting until their shoulder pain was disabling before seeing a family physician or a physiotherapist. Participants expected a clear diagnosis and imaging tests to explain their shoulder pain. They also wished to receive clear and thorough explanations and relevant treatment options. The 19 physiotherapists and 16 family physicians that participated in focus groups indicated as barriers to the use of CPGs recommendations: lack of knowledge, poor skills in performing a clinical evaluation and fear of not identifying a serious pathology without medical imaging. Patients’ expectations, insufficient consultation time with patients and lack of patients’ access to certain care, such as rehabilitation treatments were also identified as barriers. The main strategies identified following these studies therefore include educational interventions, the preparation of clinical champions and the creation of interdisciplinary clinical teams. Using these strategies, pilot implementation of the intervention will be carried out in family medicine groups. The potentially beneficial impact of this implantation could ultimately improve the management of patients with shoulder pain in primary care.

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Thèse de doctorat à mi-chemin entre la recherche fondamentale et appliquée. Les champs disciplinaires sont principalement la biomécanique, l'ergonomie physique ou encore l'anatomie. Réalisé en cotutelle avec le professeur Paul Allard et Mickael Begon. / An occupation that requires handling loads combined with large elevation of the arms is associated with the occurrence of shoulders musculoskeletal disorder. The analysis of these joint movements is essential because it helps to quantify the stress applied to the musculoskeletal structures. This thesis provides an innovative model which allows the estimation of the shoulder complex kinematics and used it to analyze the joints kinematics during lifting tasks. It is organized into three sub-objectives. The first aim is the development and validation of a kinematic model the most representative as possible of the shoulder complex anatomy while correcting soft tissue artifacts through the use of global optimization. This model included a scapulothoracic closed loop, which constrains a scapular dot contact to be coincident with thoracic gliding plane modeled by a subject-specific ellipsoid. In the validation process, the reference model used the gold standard for direct measurements of bone movements. In dynamic movements, the closed loop model developed generates barely more kinematic errors that errors obtained for the study of standard movements by existing models. The second aim is to detect and quantify the shoulder articular movements influenced by the combined effects of two risk factors: task height and load weight. The results indicate that many peaks of joint angles are influenced by the interaction of height and weight. According to the different initial and deposits heights when the weight increases, the kinematics changes are substantial, in number and magnitude. The kinematic strategies of participants are more consistent when the weight of load increase for initial height lift at hips level compared to shoulders level, and for a deposit at eye level compared to shoulders. The third aim is to investigate the magnitude and temporality of the maximum peak vertical acceleration of the box. The significant joints movements are characterized with a principal component analysis of joint angle values collected at this instant. In particular, this study highlights that elbow flexion and thoraco-humeral elevation are two correlated invariant joint movements to all lifting tasks whatever the initial and deposit height, and weight of the load. The realism of the developed shoulder model and kinematics analyzes open perspectives in occupational biomechanics and contribute to risk prevention efforts in health and safety. / Une activité professionnelle qui exige de manipuler des charges combinée à de grandes élévations des bras augmente les chances de développer un trouble musculo-squelettique aux épaules. L’analyse de ces mouvements articulaires est essentielle car elle contribue à quantifier les contraintes appliquées aux structures musculo-squelettiques. Cette thèse propose un modèle innovant qui permet l’estimation de la cinématique du complexe de l’épaule, et l’utilise ensuite afin d’analyser la cinématique de levers de charge. Elle s’organise en trois sous-objectifs. Le premier concerne le développement et la validation d’un modèle cinématique le plus représentatif possible de l’anatomie du complexe de l’épaule tout en corrigeant les artéfacts des tissus mous par une optimisation multi-segmentaire. Ce modèle avec une fermeture de boucle scapulo-thoracique, impose à un point de contact scapulaire d’être coïncident au plan de glissement thoracique modélisé par un ellipsoïde mis à l’échelle pour chaque sujet. Le modèle qui a été utilisé comme référence lors des comparaisons du processus de validation bénéficie du « gold standard » de mesures directes des mouvements osseux. Le modèle développé en boucle fermée génère à peine plus d’erreurs cinématiques lors de mouvements dynamiques que les erreurs obtenues par les modèles existants pour l’étude de mouvements standards. Le second identifie et quantifie les mouvements articulaires de l’épaule influencés par la combinaison des effets de deux facteurs de risques : les hauteurs importantes d’agencement de la tâche (hauteurs de saisie et de dépôt) et les masses de charges (6 kg, 12 kg et 18 kg). Les résultats indiquent qu’il existe de nombreux pics d’angles articulaires qui sont influencés par l’interaction des deux effets. Lorsque la masse augmente, les modifications cinématiques sont plus importantes, en nombre et en amplitude, selon les différentes hauteurs de saisies et de dépôts de la charge. Les participants varient peu leur mode opératoire pour une saisie à hauteur des hanches en comparaison des épaules, et pour un dépôt à hauteur des yeux en comparaison aux épaules avec une charge plus lourde. Un troisième s’intéresse au pic maximal d’accélération verticale de la charge dans son intensité et sa temporalité. Basée sur une analyse en composante principale des valeurs d’angles articulaires à cet instant, elle permet de caractériser les mouvements articulaires significatifs. Cette étude met notamment en évidence que la flexion du coude et l’élévation thoraco-humérale sont deux mouvements articulaires corrélés invariants à toutes les tâches de lever en hauteur quelles que soient la hauteur de dépôt et la masse de la charge. Le souci de réalisme du modèle développé et les analyses cinématiques menées ouvrent des perspectives en biomécanique occupationnelle et participent à l’effort de prévention des risques en santé et sécurité.