Introduction One out of five reported motor vehicle collision injuries occur to the upper extremities. Certain parts of The Total HUman Model for Safety (THUMS) lack validation against experimental data, including the elbow. The aim of this project is to refine and validate the elbow joint of THUMS, with focus on anatomical response of the elbow during axial impact applied to the wrist. Methods Internal contacts in the elbow were modified and new contacts assigned between bones and ligaments of the elbow. The posterior part of the radial- and ulnar collateral ligaments, and joint capsule was implemented to the model. Elasticmodulus of the cortical bones of the elbow was increased as well as the shell thickness of the humeral cortical bone. The updated model was validated against an experiment where an axial load was applied to the wrist of a female cadaver. The experimental resultant force in the wrist was then compared with the wrist force obtained from the simulations. Results The correlation between the experimental and simulation resultant wrist force for the updated model resulted in a CORA score of 0.882. This gave a 6.7% higher CORA score compared with the original model. Hourglass energy was reduced from 63.52% of internal energy to 0.78%. Energy ratio and contact energies indicated that the simulation was stable. Discussion Movement of elbow bones was assessed to be more anatomically correct, by accounting for the posterior ligament and elbow capsule support. The contact peak force in the humerus was lower and occurred earlier in the simulation in the updated model compared to the original. This is believed to be due to the reduced gap between the elbow bones after increasing the shell thickness of the humeral cortical bone. The model setup resembled the experiment in a good manner. Conclusion The upper extremity of THUMS was refined for improved biofidelity, with focus on the anatomical response of the elbow joint under an axial impact. However, further model improvements are suggested as well as extended validated against other experimental impact results. / Introduktion En av fem rapporterade krockskador med motorfordon förekommer i de övre extremiteterna. Vissa strukturer hos Total HUman Model for Safety (THUMS) saknar validering gentemot experimentell data, där armbågen är ett av dem. Syftet med detta projekt är att förfina och validera armbågsleden hos THUMS, med fokus på dess anatomiska respons under axiellt islag applicerad på handleden. Metod Interna kontakter i armbågen modifierades och nya kontakter tilldelades mellan ben och ligament. De posteriora delarna av kollateral ligament hos radius och ulna implementerades i modellen, så även armbågens ledkapseln. Elasticitetsmodulen hos de kortikala benen i armbågen höjdes och skalets tjocklek idet humerala kortikala benet utökades. Den uppdaterade modellen validerades mot ett experiment där en axiell belastning hade applicerats mot en kvinnlig kadavers handled. Den resulterande kraften i handleden från experimentet jämfördes sedan med erhållen kraft i handleden från simuleringarna. Resultat Korrelationen mellan den experimentella kraften och simulerade kraften hos den uppdaterade modellen resulterade i ett CORA-poäng på 0,882. Detta är en ökning med 6,7% jämfört med den ursprungliga modellen. Hourglassenergin reducerades från 63,52% av inre energi till 0,78%. Energiförhållandet och kontaktenergier indikerade stabil simulering. Diskussion Rörelsen av armbågens ben bedömdes vara mer anatomiskt korrekt, med hänsyn till stödet från de posteriora ligamentet och armbågens ledkapsel. Den maximala islagskraften i humerus minskade och uppträdde tidigare i simuleringen hos den uppdaterade modellen jämfört med originalet. Detta tros bero på reducerat avstånd mellan armbågens ben genom ökandet av skaltjockleken hos det humeralakortikala benet. Modelluppställningen motsvarade experimentets uppställning. Konklusion De övre extremiteterna av THUMS förfinades i syfte att förbättra biofideliteten. Fokus låg på armbågens anatomiska respons under ett axielltislag. Både ytterligare förbättringar av modellen och utökad validering mot andra experimentella islag rekommenderas. / Technology

L’utilisation à long terme d’un fauteuil roulant après une lésion de la moelle épinière (LMÉ) est associée à une augmentation de la sédentarité et une diminution du niveau d’activité physique. Malheureusement, ces changements mènent à un cycle de déconditionnement qui contribue à l’augmentation de risques, au développement ou à l’aggravation de problèmes secondaires de santé touchant les membres supérieurs et inférieurs. En ce sens, 60 % de la population avec LMÉ présentent des douleurs et déficiences aux membres supérieurs. Aux membres inférieurs, l’ostéoporose est fréquente et chaque année, 10 % de la population avec LMÉ subit des fractures. Conséquemment, des répercussions sur la fonction et la qualité de vie en résultent. Pour contrer ce cycle vicieux, l’activité physique est recommandée. La marche au sol assistée par un exosquelette robotisé est une intervention prometteuse puisqu’elle nécessite des efforts musculaires aux membres supérieurs et augmente la mise en charge aux membres inférieurs. Toutefois, des cas de fractures aux membres inférieurs ont été rapportés. Ainsi, cette thèse visait à élaborer un algorithme d’entraînement préliminaire pour minimiser les risques de fractures pendant l’intervention, et à explorer les effets sur la force musculaire aux membres supérieurs, la performance et les habilités auto-rapportées en fauteuil roulant, et des marqueurs de force et de remodelage osseux aux membres inférieurs. L’algorithme d’entraînement a été développé par un consensus d’experts en suivant les critères de densité minérale osseuse de l’Organisation mondiale de la Santé. Dix individus (4 femmes, 46±11 ans) avec une LMÉ chronique (≥18 mois), qui utilisent un fauteuil roulant comme principale mode de locomotion, ont été recrutés pour suivre un programme de marche (16 semaines, 1 à 3 séances/sem). Les mesures suivantes ont été effectuées pré et post intervention : la force musculaire fonctionnelle (poussées/tirées sur une roue de fauteuil roulant, force de préhension), la masse musculaire (absorptiométrie), et la force relative (force/masse) aux membres supérieurs ; des tests de performance (vitesse de propulsion naturelle et maximale, slalom) et un questionnaire d’habilités en fauteuil roulant (Wheelchair Skills Test Questionnaire) ; l’ostéodensitométrie et la géométrie osseuse (CT-scan) aux membres inférieurs, ainsi que des marqueurs sanguins de remodelage osseux (ostéocalcine, télopeptide-C). La taille d’échantillon étant limitée (tests non paramétriques), un changement était significatif si : p<0,1 ; taille d’effet ≥0,5 ; et variation relative >5 %. D’une part, l’algorithme préliminaire a permis de moduler le volume d’entraînement en fonction du profil osseux (ostéoporose, ostéopénie et préservé) et aucun cas de fracture n’a été rapporté pendant le programme d’entrainement. D’autre part, suivant l’intervention, la force et la masse musculaire aux membres supérieurs sont demeurées stables. Néanmoins, la vitesse de propulsion naturelle a augmenté. Par ailleurs, une réponse osseuse prometteuse a été observée aux membres inférieurs (fémur : augmentation du contenu minéral osseux, et des indexes de résistance à la compression et à la flexion, mais réduction de l’épaisseur de l’os cortical ; tibia : augmentation de la section transversale corticale, et de l’index de résistance à la torsion). Ainsi, à la lumière des résultats, des interventions multimodales (ex. : combinées à des exercices plus ciblés aux membres supérieurs ou la pharmacothérapie pour l’ostéoporose aux membres inférieures) pourraient s’avérer nécessaires pour optimiser les effets potentiellement bénéfiques d’un tel programme, tant aux niveaux des membres supérieurs et inférieurs que sur la fonction quotidienne. / Long-term wheelchair use following a spinal cord injury (SCI) is associated with increased sedentary behaviour and decreased levels of physical activity. Unfortunately, these changes lead to a cycle of deconditioning that increases the risk, development, and/or aggravation of one or more secondary health conditions affecting the upper and lower limbs. In the upper limbs, pain and impairments are present in up to 60% of the SCI population. In the lower limbs, osteoporosis is commonly experienced. Further, each year up to 10% of this population experience fractures. Consequently, negative repercussions on function and quality of life are experienced. To counter this vicious cycle, physical activity is recommended. Overground exoskeleton-assisted walking is a promising intervention to help counter the cycle, since it requires muscular efforts in the upper limbs and increases weight bearing on the lower limbs. However, such an intervention is not without risk: cases of fractures in the lower limbs have been reported. Thus, this thesis aimed to develop a preliminary training algorithm to minimize the risk of fractures during the intervention, and to explore the effects of exoskeleton-assisted walking on upper limb muscle strength, performance and self-reported wheelchair skills, and strength and bone remodeling markers in the lower limbs. First, the training algorithm was developed by expert consensus following bone mineral density criteria from the World Health Organization. Thereafter, 10 individuals (4 women, 46±11 years) with chronic SCI (≥18 months), who use a wheelchair as their primary mode of locomotion, were recruited into the walking program (16 weeks, 1 to 3 sessions/week). The following measurements were taken pre and post intervention: functional muscle strength (pushing/pulling on a wheelchair wheel, grip strength), muscle mass (absorptiometry), and relative strength (strength/mass) of the upper limbs; wheelchair performance tests (natural and maximal propulsion speed, slalom) and skills (Wheelchair Skills Test Questionnaire); bone densitometry and bone geometry (CT-scan) in the lower limbs, as well as blood markers of bone remodeling (osteocalcin, telopeptide-C). Since the sample size was limited (non-parametric tests), a significant change was observed if three criteria were met: p<0.1; effect size ≥0.5; and relative change >5%. The preliminary algorithm modulated the training volume according to bone profile (osteoporosis, osteopenia and preserved) and no cases of fracture occurred. Following the intervention, strength and muscle mass in the upper limbs remained stable whereas only natural propulsion speed increased. Overall, a promising bone response was measured in the lower limbs (femur: increased bone mineral content, bone strength index, and stress-strain index, but decreased cortical bone thickness; tibia: increased cortical cross-sectional area, and polar moment of inertia). Ultimately, multimodal interventions (e.g., combining with specific upper limb exercises or pharmacotherapy for osteoporosis in the lower limbs) may be necessary to optimize the potential beneficial effects of such a program, both on the upper and lower limbs, and on function.

Les amputations d’un membre supérieur sont non seulement dévastatrices pour le bien-être physique, psychologique et social des patients, mais elles comportent également des répercussions financières importantes pour l’individu et le système de santé. Les allotransplantations de tissus composites vascularisés ont été proposées en tant que solution permettant de rétablir la forme et la fonction au détriment d’une immunosuppression à vie et d’un taux élevé de rejet chronique. Les prothèses myoélectriques combinent l’expertise chirurgicale avec les avancées technologiques pour réhabiliter les fonctions motrices d’un moignon amputé, mais elles demeurent limitées par un taux élevé d’abandon et des coûts importants. Dans les systèmes de santé avec des ressources limitées, les dirigeants ont la tâche complexe de partager équitablement l’allocation de ressources entre plusieurs maladies et interventions. Dans le domaine de l’économie de la santé, les analyses de type coût-bénéfice ont été développées pour répondre à ces questions. Les mesures d’utilité doivent incorporer l’impact que le traitement suscite sur l’espérance de vie et la qualité de vie. Ces utilités sont ensuite rapportées en fonction du coût, ce qui permet aux dirigeants de la santé de déterminer dans quels traitements il serait préférable d’investir les ressources. Dans cette thèse, nous proposons un modèle pour étudier les coûts-utilité des allotransplantations de la main et des prothèses myoélectriques. Pour commencer, une étude pilote a été effectuée sur les amputations du pouce traitées avec des lambeaux libres de l’orteil, ce qui nous a permis de confirmer la faisabilité des questionnaires d’utilité conçus. Par la suite, les utilités ont été mesurées dans une population d’amputés du membre supérieur, de patients réimplantés proximalement et de contrôles en santé. Les résultats démontrent que 1) les patients réimplantés rapportent la meilleure utilité avec les prothèses myoélectriques, 2) les amputés unilatéraux préfèrent significativement les prothèses myoélectriques également, et 3) aucune différence n’a été recelée entre les deux traitements chez les amputés bilatéraux. Au final, une analyse des coûts-bénéfices a été effectuée dans le contexte du système de santé canadien, démontrant que le traitement des patients amputés unilatéralement avec des prothèses myoélectriques permettrait de sauver davantage de coûts, alors que l’écart en épargnes monétaires se rétrécit pour les amputés bilatéraux traités avec une allotransplantation ou une prothèse. Avec les résultats rapportés dans cette thèse, nous pouvons proposer une mise à jour des indications de traitements pour les patients avec une amputation du membre supérieur. Basé sur l’analyse de type coût-utilité, nous concluons que les amputés unilatéraux sont de meilleurs candidats pour des prothèses myoélectriques, alors que les deux traitements sont encore adéquats pour les amputations bilatérales. / Amputations of the upper extremity are not only devastating for the patient’s physical, psychological and social well-being, but they also yield significant financial repercussions to the individual and the healthcare system. Vascularized composite allotransplantations of the upper extremity were proposed as a solution to restore form and function, albeit to the detriment of lifelong immunosuppression and high rates of chronic rejection. New-generation myoelectric prostheses combine surgical prowess with technological refinements to rehabilitate motor functions of the amputated stump, but remain plagued by high rates of abandonment and significant costs. In healthcare systems wherein resources are limited, financial regulators have the difficult task of proposing an equitable divide of resource allocations between a multitude of diseases and interventions. In the field of health economics, cost-benefit analyses were developed to assist in this decision-making process. Utility outcome measures need to encompass the impact that a treatment elicits on life expectancy and quality of life. Comparison of utilities of different interventions as a function of cost further indicates which route healthcare regulators should partake. In this thesis, we propose a model to study cost-utilities of hand allotransplantation and myoelectric prostheses. To begin, a pilot study was performed on thumb amputations treated with free toe flaps, which allowed to confirm the feasibility of the utility questionnaires that we developed. Afterwards, utilities and quality adjusted life years were measured in a population of upper extremity amputees, proximally replanted patients and healthy controls. Findings demonstrated that 1) replanted patients reported the highest utility outcomes for myoelectric prostheses, 2) unilateral amputees significantly preferred myoelectric prostheses as well, and 3) no significant preference between both interventions was obtained in patients with bilateral amputations. Finally, a cost-benefit analysis was performed in the context of the Canadian healthcare system, demonstrating that significant savings can be achieved with treatment of unilateral amputations with myoelectric prostheses, whereas the gap in cost savings between both treatment groups becomes less significant in bilateral amputees. With the findings reported in this thesis, we can propose an update of the indications for treatment in patients with upper extremity amputations. From the perspective of cost-utility analyses, we conclude that unilateral amputees are better candidates for myoelectric prostheses, and that both treatments can still be offered in cases of bilateral amputations.

Globally, approximately 1.2 million people die each year due to traffic accidents. Upper extremity injuries account for 18% to 25% of all car accident injuries. In order to be able to analyze these crash-related injuries, Human body models(HBMs) are used as a complement to FE simulations. An example of a HBM is the THUMS SAFER that is based on a 50 percentile American male. The aim of this study was to improve the upper extremity of the THUMS SAFER with respect to Autoliv's requirements to better predict fractures. In addition, this was validated against the Forman experiment(Forman, et al., The journal of trauma and acute care surgery, vol. 77, 2014) where human cadavers of the upper extremity were axially impacted to replicate a car collision. This was done by generating the upper extremity geometry with segmentation of medical images of a right human hand in combination with the complete STL-geometry of the forearm from the Piper project. The STL-geometry of the segmented human hand and Piper forearm was integrated and a complete STL-geometry of the upper extremity was obtained. Based on the complete STL-geometry, the FE-arm HEX 4.0 was built with modelling of bones, ligaments, soft tissue and skin with corresponding material choice in accordance with Autoliv's requirements. The model HEX 4.0 was improved considering an increased mesh density from an average of 94% to 98%. HEX 4.0 was also validated against the data from the Forman experiment for experiments 5, 6 and 15. It showed a good correlation with the acceleration curves between the simulated and experimental values for the three experiments. The reaction force in the elbow was compared for experiment 15, where the simulated value 5.7 kN divided by a factor of 1.4 from 4 kN for the experiment. Furthermore, the fi rst principal strains that occurred in HEX 4.0 were analysed by 17 ms were the highest acceleration was achieved for experiments 5 and 6. Both experiments were shown to be close to the failure threshold of bones. However, the highest value e5=9.8E-03 occurred in the radius for experiment 5, while e6=9.3E-03 in a ligament for experiment 6. In addition, the failure threshold for experiment 15 exceeded 5 ms in lunate, schapoid and triquetrum. This indication of fractures is in good agreement with the experimental results where the corresponding bones resulted in fractures in experiment 15. HEX 4.0 was an improved upper extremity of the THUMS SAFER considering an increased mesh density. It is also capable of indicating fractures and corresponding positions in the form of analyzes of occurring stresses and strains. Nevertheless, improvements and further validation of HEX 4.0 has been proposed in the future work section. / Globalt, dör varje år ungefär 1.2 miljoner personer på grund av trafi kolyckor. Skador på övre extremitet utgör 18% till 25% av alla skador inom bilolyckor. För att kunna analysera dessa krockrelaterade skador används humanmodeller(HBM) som komplement för FE-simuleringar. Ett exempel på en HBM är THUMS SAFER som är baserad på en "50 percentile" amerikans man. Målet med denna studie är att förbättra över extremiten av THUMS SAFER med avseende på Autolivs krav för att bättre kunna förutspå frakturer. Dessutom validerades detta mot Forman experiment(Forman, et al., The journal of trauma and acute care surgery, vol. 77, 2014) där övre extremitet av människokadaver blev axiellt påverkade för att replikera en bilkollsion. Detta gjordes genom att generera STL-geometrin av en övre extremitet med segmentering av medicinska bilder av en höger människohand i kombination med färdig STL-geometri av underarmen från Piper projektet. STL-geometrin av den segmenterande människohanden och Piper underarmen integrerades och en komplett STL-geometri av övre extremiteten erhölls. Baserad på den kompletta STL-geometrin byggdes FE-armen HEX 4.0 med modellering av ben, ligament, mjukvävnad samt hud med motsvarande materialval i enighet med Autolivs krav. Modellen HEX 4.0 förbättrades i form av en ökad mesh densitet från medelvärdet 94% till 98%. Den validerades även gentemot data från Forman experimentet för experiment 5, 6 och 15. Det påvisade en god korrelation på accelerations kurvorna mellan de simulerade och experimentella värdena för de tre experimenten. Reaktionskraften i armbågen jämfördes för experiment 15 där den simulerade värdet 5.7 kN skiljde sig med en faktor 1.4 från 4 kN för experimentet. Ytterligare analyserades första huvudtöjningarna som uppkom i HEX 4.0 vid 17 ms, då den högsta accelerationen uppnådes för experiment 5 och 6. Det visades att båda experimenten låg nära gränsen för benfraktur, däremot uppkom det högsta värdet e5=9.8E-03 i radius för experiment 5, samt e6=9.3E-03 i ett ligament för experiment 6. Dessutom överskred gränsen för benfrakturer för experiment 15 efter 5 ms i lunate, schapoid och triquetrum. Denna indikation av frakturer stämmer väl med resultatet av experimentet där motsvarande benen resulterades i frakturer i experiment 15. HEX 4.0 är en förbättrad övre extremitet av THUMS SAFER i form av förbättrad meshdensitet. Den är även kapabel att indikera frakturer och motsvarande position i form av analyser på förekommande spänningar och töjningar. Förbättringar och ytterligare validering av HEX 4.0 föreslås för framtida arbete.

Problématique. L'utilisation d'un chien d'assistance à la mobilité (CAM) représente une option novatrice pour préserver l’intégrité des membres supérieurs (MSs) chez les utilisateurs de fauteuil roulant manuel (FRM). Aucune étude biomécanique n’a quantifié les effets du CAM sur les efforts aux MSs lors de la montée d’un plan incliné. Objectif. Cette étude quasi-expérimentale vise à comparer les efforts aux MSs lors de la montée d’un plan incliné avec et sans l’assistance d’un CAM. Méthodologie. Dix participants avec une lésion de la moelle épinière (LME) qui utilisent un FRM et possèdent un CAM ont monté un plan incliné à trois reprises avec et sans l’assistance du CAM. Les forces appliquées sur les cerceaux, mesurées avec des roues instrumentées, et les mouvements du FRM et des MSs, enregistrés avec un système d'analyse du mouvement, ont permis de mesurer les efforts mécaniques aux MSs. Simultanément, l'activité électromyographique (EMG) des muscles grand pectoral, deltoïde antérieur, biceps et triceps a été enregistrée et normalisée avec sa valeur maximale pour mesurer les efforts musculaires aux MSs. Résultats. En général, le CAM réduit significativement les valeurs moyennes et maximales de la force totale appliquée aux cerceaux et de sa composante tangentielle, des moments nets de flexion, de rotation interne et d’adduction aux épaules et des taux d’utilisation musculaire du deltoïde antérieur, du biceps et du triceps. Conclusion. L’assistance d’un CAM réduit les efforts aux MSs lors de la montée d’un plan incliné chez les utilisateurs d’un FRM ayant une LME. / Problematic. The use of a mobility assistance dog (ADMob) represents an innovative option to preserve upper limb (U/Ls) integrity in manual wheelchair (MWC) user population. No biomechanical studies have quantified the effects of ADMob on U/Ls efforts when climbing an incline. Objective. This quasi-experimental study compares the U/Ls efforts when climbing an incline with and without the assistance of an ADMob for MWC traction. Methodology. Ten participants with spinal cord injury (SCI) using a MWC and owning an ADMob climbed an incline 3 times with and without the use of an ADMob. The forces applied to the handrims, captured with instrumented wheel and movements of the MWC and the U/Ls, recorded with a three-dimensional motion analysis system, were used to measure the U/Ls mechanical efforts. Simultaneously, the electromyographic (EMG) activity of the pectoralis major muscle, anterior deltoid, biceps and triceps were recorded during the tasks and normalized with its maximum value to measure the U/Ls muscular efforts. Results. Typically, ADMob significantly reduces the mean and peak values of the total force applied to the rings and the tangential component, the mean and peak values of flexion, internal rotation and adduction net joint moments at the shoulder and the mean and peak values of muscular utilization ratio of anterior deltoid, pectoralis major, biceps and triceps. Conclusion. The assistance of an ADMob for MWC traction when climbing an incline reduces the effort to U/Ls among MWC users with a SCI.

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