Cette thèse s’intéresse à définir de nouvelles méthodes cliniques d’investigation permettant de juger de l’impact de l’avance en âge sur la motricité. En particulier, cette thèse se focalise sur deux principales perturbations possibles lors de l’avance en âge : la chute et l’altération de la marche.Ces deux perturbations motrices restent encore mal connues et leur analyse en clinique pose de véritables défis technologiques et scientifiques. Dans cette thèse, nous proposons des méthodes originales de détection qui peuvent être utilisées dans la vie courante ou en clinique, avec un minimum de contraintes techniques.Dans une première partie, nous abordons le problème de la détection de la chute à domicile, qui a été largement traité dans les années précédentes. En particulier, nous proposons une approche permettant d’exploiter le volume du sujet, reconstruit à partir de plusieurs caméras calibrées. Ces méthodes sont généralement très sensibles aux occultationsqui interviennent inévitablement dans le domicile et nous proposons donc une approche originale beaucoup plus robuste à ces occultations. L’efficacité et le fonctionnement en temps réel ont été validés sur plus d’une vingtaine de vidéos de chutes et de leurres, avec des résultats approchant les 100% de sensibilité et de spécificité en utilisant 4 caméras ou plus.Dans une deuxième partie, nous allons un peu plus loin dans l’exploitation des volumes reconstruits d’une personne, lors d’une tâche motrice particulière : la marche sur tapis roulant, dans un cadre de diagnostic clinique. Dans cette partie, nous analysons plus particulièrement la qualité de la marche. Pour cela nous développons le concept d’utilisation de caméras de profondeur pour la quantification de l’asymétrie spatiale au cours du mouvement des membres inférieurs pendant la marche. Après avoir détecté chaque pas dans le temps, cette méthode réalise une comparaison de surfaces de chaque jambe avec sa correspondante symétrique du pas opposé. La validation effectuée sur une cohorte de 20 sujets montre la viabilité de la démarche / This thesis is concerned with defining new clinical investigation method to assess the impact of ageing on motricity. In particular, this thesis focuses on two main possible disturbance during ageing : the fall and walk impairment. This two motricity disturbances still remain unclear and their clinical analysis presents real scientist and technological challenges. In this thesis, we propose novel measuring methods usable in everyday life or in the walking clinic, with a minimum of technical constraints.In the first part, we address the problem of fall detection at home, which was widely discussed in previous years. In particular, we propose an approach to exploit the subject’s volume, reconstructed from multiple calibrated cameras. These methods are generally very sensitive to occlusions that inevitably occur in the home and we therefore propose an original approach much more robust to these occultations. The efficiency and realtime operation has been validated on more than two dozen videos of falls and lures, with results approaching 100 % sensitivity and specificity with at least four or more cameras.In the second part, we go a little further in the exploitation of reconstructed volumes of a person at a particular motor task : the treadmill, in a clinical diagnostic. In this section we analyze more specifically the quality of walking. For this we develop the concept of using depth camera for the quantification of the spatial and temporal asymmetry of lower limb movement during walking. After detecting each step in time, this method makes a comparison of surfaces of each leg with its corresponding symmetric leg in the opposite step. The validation performed on a cohort of 20 subjects showed the viability of the approach.

La plupart des modèles utilisés pour calculer les efforts articulaires sont génériques et ne tiennent pas compte de la morphologie du patient, qui influence non seulement les caractéristiques inertielles mais aussi les bras de levier des forces exercées. Ce travail de thèse propose d'améliorer ces modèles, en intégrant les caractéristiques géométriques et mécaniques personnalisées du sujet. Les essais cliniques comprenant une analyse de la marche, une stéréoradiographie avec le système biplan à faible dose d'irradiation EOS® et un examen d'IRM sont menés sur 10 sujets sains et 5 sujets en attente d'une reconstruction du ligament croisé antérieur. La géométrie osseuse et de l'enveloppe externe est reconstruite à partir des clichés stéréo-radiographiques. Le recalage des os dans le système d'analyse du mouvement permet une localisation précise du centre de la tête fémorale (CTF). Les paramètres inertiels personnalisés (BSP) des segments sont calculés et intégrés dans le modèle. L'impact de l'utilisation du CTF recalé et des BSP n'est pas négligeable, les écarts avec les moments obtenus par les méthodes conventionnelles pouvant atteindre respectivement 2 et 0.5%BW*Ht. Outre son intérêt clinique, la géométrie musculaire personnalisée constitue une donnée d'entrée essentielle aux modèles permettant de répartir les efforts en leurs composantes musculaires, ligamentaires et de contact. Nous présentons un protocole permettant de reconstruire les 13 principaux muscles impliqués dans le mouvement du genou à partir de 6 à 8 coupes IRM. Ces muscles sont reconstruits en une heure, avec des erreurs volumique et surfacique inférieures à 5% et 5mm (2RMS). Ce projet pose les bases pour la mise en place d'un modèle musculaire personnalisé, qui permettra de mieux comprendre l'apport de chaque structure aux efforts articulaires, fournissant ainsi un éclairage sur les pathologies et les stratégies compensatoires des patients.

L'infirmité motrice cérébrale (IMC) est une pathologie résultante d'une lésion cérébrale qui atteint environ 4/1000 des nouveau-nés. Cette pathologie consiste en un trouble moteur dû à la contraction continue des muscles (spasticité) qui induit des raideurs musculaires évolutives avec l'âge engendrant des déformations osseuses. L'analyse quantifiée de la marche (AQM) permet d'objectiver et de mieux cibler les traitements orthopédiques. Cette thèse vise à enrichir l'AQM par une modélisation tridimensionnelle personnalisée du squelette et des muscles. L'AQM a été effectuée dans un laboratoire installé au Liban. Une base de données de sujets sains a été établie pour servir de référence à la compréhension des patterns de marche des patients. Une estimation des incertitudes liées aux paramètres de l'AQM a été effectuée, par étude de répétabilité et méthode de Monte Carlo, afin d'objectiver les comparaisons entre patients et sujets sains et entre données pré et post traitement. Une reconstruction 3D personnalisée du squelette en position debout a été effectuée par stéréoradiographie sous le système EOS® chez des enfants sains et IMC pour valider la faisabilité d'une telle technique. Des paramètres quantifiant les vices architecturaux ont été calculés et les incertitudes ont été estimées. Le recalage des structures osseuses durant la marche a été étudié grâce à la mise en place d'une cabine de stéréoradiographie au laboratoire d'analyse de la marche à Beyrouth. Des acquisitions IRM chez des sujets sains et un sujet IMC à Beyrouth ont permis d'explorer la faisabilité de la reconstruction 3D personnalisée des muscles des membres inférieurs en position couchée. La géométrie musculaire a été quantifiée en terme de longueurs, volumes et aires physiologiques. Une première approche de la reconstruction 3D des muscles en position debout a été réalisée en combinant les données de l'IRM et les structures osseuses obtenues par stéréoradiographie, permettant ainsi de calculer les rapports de longueurs entre corps musculaire et partie tendineuse. Ce travail permet d'analyser les anomalies de la marche à la lumière des déformations osseuses et musculaires pour une meilleure prise en charge thérapeutique des enfants IMC.

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

Le vieillissement de la population est un enjeu majeur pour les prochaines années en raison, notamment, de l'augmentation du nombre de personnes dépendantes. La question du maintien à domicile de ces personnes se pose alors, du fait de l'impossibilité pour les instituts spécialisés de les accueillir toutes et, surtout, de la volonté des personnes âgées de rester chez elles le plus longtemps possible. Or, le développement de systèmes technologiques peut aider à résoudre certains problèmes comme celui de la sécurisation en détectant les chutes, et de l'évaluation du degré d'autonomie pour prévenir les accidents. Plus particulièrement, nous nous intéressons au développement des systèmes ambiants, peu coûteux, pour l'équipement du domicile. Les caméras de profondeur permettent d'analyser en temps réel les déplacements de la personne. Nous montrons dans cette thèse qu'il est possible de reconnaître l'activité de la personne et de mesurer des paramètres de sa marche à partir de l'analyse de caractéristiques simples extraites des images de profondeur. La reconnaissance d'activité est réalisée à partir des modèles de Markov cachés, et permet en particulier de détecter les chutes et des activités à risque. Lorsque la personne marche, l'analyse de la trajectoire du centre de masse nous permet de mesurer les paramètres spatio-temporels pertinents pour l'évaluation de la fragilité de la personne. Ce travail a été réalisé sur la base d'expérimentations menées en laboratoire, d'une part, pour la construction des modèles par apprentissage automatique et, d'autre part, pour évaluer la validité des résultats. Les expérimentations ont montré que certains modèles de Markov cachés, développés pour ce travail, sont assez robustes pour classifier les différentes activités. Nous donnons, également dans cette thèse, la précision, obtenue avec notre système, des paramètres de la marche en comparaison avec un tapis actimètrique. Nous pensons qu'un tel système pourrait facilement être installé au domicile de personnes âgées, car il repose sur un traitement local des images. Il fournit, au quotidien, des informations sur l'analyse de l'activité et sur l'évolution des paramètres de la marche qui sont utiles pour sécuriser et évaluer le degré de fragilité de la personne. / Population ageing is a major issue for society in the next years, especially because of the increase of dependent people. The limits in specialized institutes capacity and the wish of the elderly to stay at home as long as possible explain a growing need for new specific at home services. Technologies can help securing the person at home by detecting falls. They can also help in the evaluation of the frailty for preventing future accidents. This work concerns the development of low cost ambient systems for helping the stay at home of elderly. Depth cameras allow analysing in real time the displacement of the person. We show that it is possible to recognize the activity of the person and to measure gait parameters from the analysis of simple feature extracted from depth images. Activity recognition is based on Hidden Markov Models and allows detecting at risk behaviours and falls. When the person is walking, the analysis of the trajectory of her centre of mass allows measuring gait parameters that can be used for frailty evaluation. This work is based on laboratory experimentations for the acquisition of data used for models training and for the evaluation of the results. We show that some of the developed Hidden Markov Models are robust enough for classifying the activities. We also evaluate de precision of the gait parameters measurement in comparison to the measures provided by an actimetric carpet. We believe that such a system could be installed in the home of the elderly because it relies on a local processing of the depth images. It would be able to provide daily information on the person activity and on the evolution of her gait parameters that are useful for securing her and evaluating her frailty

Le vieillissement de la population est un enjeu majeur pour les prochaines années en raison, notamment, de l'augmentation du nombre de personnes dépendantes. La question du maintien à domicile de ces personnes se pose alors, du fait de l'impossibilité pour les instituts spécialisés de les accueillir toutes et, surtout, de la volonté des personnes âgées de rester chez elles le plus longtemps possible. Or, le développement de systèmes technologiques peut aider à résoudre certains problèmes comme celui de la sécurisation en détectant les chutes, et de l'évaluation du degré d'autonomie pour prévenir les accidents. Plus particulièrement, nous nous intéressons au développement des systèmes ambiants, peu coûteux, pour l'équipement du domicile. Les caméras de profondeur permettent d'analyser en temps réel les déplacements de la personne. Nous montrons dans cette thèse qu'il est possible de reconnaître l'activité de la personne et de mesurer des paramètres de sa marche à partir de l'analyse de caractéristiques simples extraites des images de profondeur. La reconnaissance d'activité est réalisée à partir des modèles de Markov cachés, et permet en particulier de détecter les chutes et des activités à risque. Lorsque la personne marche, l'analyse de la trajectoire du centre de masse nous permet de mesurer les paramètres spatio-temporels pertinents pour l'évaluation de la fragilité de la personne. Ce travail a été réalisé sur la base d'expérimentations menées en laboratoire, d'une part, pour la construction des modèles par apprentissage automatique et, d'autre part, pour évaluer la validité des résultats. Les expérimentations ont montré que certains modèles de Markov cachés, développés pour ce travail, sont assez robustes pour classifier les différentes activités. Nous donnons, également dans cette thèse, la précision, obtenue avec notre système, des paramètres de la marche en comparaison avec un tapis actimètrique. Nous pensons qu'un tel système pourrait facilement être installé au domicile de personnes âgées, car il repose sur un traitement local des images. Il fournit, au quotidien, des informations sur l'analyse de l'activité et sur l'évolution des paramètres de la marche qui sont utiles pour sécuriser et évaluer le degré de fragilité de la personne.

Le but de cette thèse était d'étudier, in vivo, la cinématique en 3D du genou lors de la marche sur des patients souffrant d'arthrose du genou et de quantifier l'apport de l'arthroplastie totale du genou (PTG) sur la restauration d'une cinématique normale. Trente patients et un groupe de contrôle composé de 12 participants du même âge ont été inclus dans la première étude. Sur ces 30 patients, nous avons obtenu des évaluations de suivi après l'arthroplastie totale du genou sur 20 patients, avec un délai moyen de 11 mois. L'analyse cinématique tridimensionnelle du genou a été réalisée en utilisant le système KneeKGTM. Cette analyse de la marche a révélé que la cinématique de genou avec arthrose médiale diffère de la cinématique du genou sain. Le groupe avec arthrose du genou montrait une stratégie de raidissement de la marche en présentant une réduction de mouvement non seulement dans le plan sagittal, mais aussi dans le plan axial. Après PTG, les patients avaient de meilleurs paramètres cliniques, spatio-temporels et cinématiques. Malgré les améliorations, la cinématique du genou lors de la marche dans le groupe PTG différaient de celle du groupe contrôle / Patients with knee osteoarthritis tend to modify spatial and temporal parameters during walking to reduce the pain. There are common gait features which are consistently shown to be significantly linked to osteoarthritis severity such as knee adduction moment, knee flexion angle, stiffness and walking speed. Total knee arthroplasty (TKA) is considered the gold standard treatment for end-stage knee osteoarthritis. Nearly a million of total knee prosthesis are implanted worldwide each year. However, reduced physical function of the knee is partly, but apparently not fully, remedied by surgery. The purpose of this thesis was to investigate the in vivo, three dimensional knee kinematics during gait at the patients with knee osteoarthritis and the influence of total knee arthroplasty on restoration of normal kinematics. Weight bearing kinematics in medial OA knees differ from normal knee kinematics. Knee OA group showed an altered “screw-home” mechanism by decreased excursion in sagittal and axial tibial rotation and a posterior translation of the tibia. Following TKA, patients had better clinical, spatiotemporal and kinametic parameters. They walked longer, faster and with a better range of motion. Despite improvements, the knee kinematics during gait in TKA group differed from healthy control group. They had a lower extension, lower range of axial rotation and an increased tibial posterior translation. Future research should be focused on comparing different designs of prosthesis pre- and post operatively in a longer follow-up delay

La rupture du ligament croisé antérieure (LCA) conduit à une instabilité et à des modifications biomécaniques du genou. Actuellement, les patients présentant une lésion du LCA bénéficient généralement une reconstruction du LCA. L'analyse cinématique quantitative est un outil important pour acquérir une compréhension approfondie de la fonction articulaire du genou normal et pathologique au cours de la locomotion humaine. Ce travail est axé sur l'évaluation in vivo de la cinématique du genou chez les patients avec rupture du LCA, avant et après la reconstruction du LCA au cours de toutes les phases de la marche, en utilisant un nouvel outil d'évaluation 3D, quasi-rigide, en temps réel (KneeKGTM). Dans la première étude, des modifications cinématiques significatives ont été identifiées dans les genoux avec une rupture du LCA. Ces changements cinématiques pourraient mener à des contacts fémoro-tibiaux anormaux du cartilage pendant les activités quotidiennes, représentant potentiellement un mécanisme biomécanique de l'usure des articulations après une lésion du LCA. Dans la seconde étude, l'analyse 3D in vivo du mouvement a révélé que les genoux avec LCA reconstruits améliorent significativement leur extension par rapport aux genoux avec LCA déficient, mais il y avait encore une différence par rapport au groupe témoin sain. Dans le plan axial, le tibia reste en position interne significative par rapport à un groupe témoin, tandis qu'il n'y avait pas de différences significatives en translation antéro-postérieur et dans le plan coronal. Ces changements cinématiques pourraient conduire à une charge anormale dans l'articulation du genou et initier le processus d'atteinte dégénérative cartilagineuse à venir. Toutefois, les données cinématiques post-opératoires ont été collectées 10 mois après la chirurgie, ainsi un suivi plus long serait nécessaire pour évaluer si ces changements cinématiques persistent dans le temps, et leurs effets sur l'articulation / Because of the role of the ACL in knee joint’s biomechanics, it is essential to quantify the kinematics of ACL deficient and ACL reconstructed knee. In-vitro models bare the handicap of limited muscle simulation, while static, one-dimensional testing cannot predict the behavior of these groups of patients under realistic loading conditions. Currently, the most widely accepted method for assessing joint movement patterns is gait analysis. Respectively, 3D motion analysis is necessary to provide high reliability movement analysis. The purpose of the study was in-vivo evaluation of the behavior of the anterior cruciate ligament deficient (ACLD) and anterior cruciate ligament reconstructed (ACLR) knees during walking, using 3D, real-time assessment tool. Significant alterations of joint kinematics in the ACLD knee were revealed in this study by manifesting a higher flexion gait strategy and excessive internal tibial rotation during walking that could result in a more rapid cartilage thinning throughout the knee. In the other hand, even though ACLR knees showed some improvements in sagittal plane compared to ACLD knees, in axial plane there still exists difference compared to healthy control knees. These kinematic changes could lead to abnormal loading in knee joint and initiate the process for future chondral degeneration. However, the post-operative kinematic data were collected 10 months after surgery, so a longer follow-up is needed to evaluate if these kinematic changes persist in time, and their effects in joint degeneration

L'objectif de ce travail est de proposer une nouvelle approche dans l'évaluation des dysfonctionnements de l'appareil locomoteur humain conduisant à des pathologies, au moyen de paramètres biomécaniques pertinents (angles et moments articulaires). Dans un premier temps, un rapprochement des données de la littérature avec les examens pratiqués en podologie pour l'étude de la marche a permis d'identifier les paramètres biomécaniques impliqués dans l'apparition de pathologies courantes : lombalgie, coxalgie et gonalgie. Ensuite, à partir de mesures expérimentales (système d'analyse gestuelle VICON et tapis de marche ADAL), les aspects statiques, cinématiques et dynamiques de l'activité locomotrice (modélisation d'une structure polyarticulée anthropomorphique représentative du membre inférieur) de sujets symptomatiques ont mis en évidence les défauts du mouvement articulaire (modèles patho-mécaniques) par rapport à la physiologie, et la pertinence des paramètres biomécaniques pour les décrire. L'analyse des modifications du mouvement suivant deux modalités : sans et avec semelle correctrice, a permis d'illustrer l'impact du mauvais alignement de la chaîne segmentaire sur les pincements de contact articulaire entraînant à terme la dégénérescence des cartilages (lombarthrose, coxarthrose et gonarthrose). Enfin, l'étude des liaisons entre les paramètres a montré l'influence des anomalies de positionnement du pied au sol sur les dysfonctionnements de la chaîne articulaire du membre inférieur

Réalisé en cotutelle avec le laboratoire M2S de Rennes 2 / Cette thèse s’intéresse à définir de nouvelles méthodes cliniques d’investigation permettant de juger de l’impact de l’avance en âge sur la motricité. En particulier, cette thèse se focalise sur deux principales perturbations possibles lors de l’avance en âge : la chute et l’altération de la marche.Ces deux perturbations motrices restent encore mal connues et leur analyse en clinique pose de véritables défis technologiques et scientifiques. Dans cette thèse, nous proposons des méthodes originales de détection qui peuvent être utilisées dans la vie courante ou en clinique, avec un minimum de contraintes techniques. Dans une première partie, nous abordons le problème de la détection de la chute à domicile, qui a été largement traité dans les années précédentes. En particulier, nous proposons une approche permettant d’exploiter le volume du sujet, reconstruit à partir de plusieurs caméras calibrées. Ces méthodes sont généralement très sensibles aux occultations qui interviennent inévitablement dans le domicile et nous proposons donc une approche originale beaucoup plus robuste à ces occultations. L’efficacité et le fonctionnement en temps réel ont été validés sur plus d’une vingtaine de vidéos de chutes et de leurres, avec des résultats approchant les 100% de sensibilité et de spécificité en utilisant 4 caméras ou plus. Dans une deuxième partie, nous allons un peu plus loin dans l’exploitation des volumes reconstruits d’une personne, lors d’une tâche motrice particulière : la marche sur tapis roulant, dans un cadre de diagnostic clinique. Dans cette partie, nous analysons plus particulièrement la qualité de la marche. Pour cela nous développons le concept d’utilisation de caméras de profondeur pour la quantification de l’asymétrie spatiale au cours du mouvement des membres inférieurs pendant la marche. Après avoir détecté chaque pas dans le temps, cette méthode réalise une comparaison de surfaces de chaque jambe avec sa correspondante symétrique du pas opposé. La validation effectuée sur une cohorte de 20 sujets montre la viabilité de la démarche. / This thesis is concerned with defining new clinical investigation method to assess the impact of ageing on motricity. In particular, this thesis focuses on two main possible disturbance during ageing : the fall and walk impairment. This two motricity disturbances still remain unclear and their clinical analysis presents real scientist and technological challenges. In this thesis, we propose novel measuring methods usable in everyday life or in the walking clinic, with a minimum of technical constraints. In the first part, we address the problem of fall detection at home, which was widely discussed in previous years. In particular, we propose an approach to exploit the subject’s volume, reconstructed from multiple calibrated cameras. These methods are generally very sensitive to occlusions that inevitably occur in the home and we therefore propose an original approach much more robust to these occultations. The efficiency and real-time operation has been validated on more than two dozen videos of falls and lures, with results approaching 100 % sensitivity and specificity with at least four or more cameras. In the second part, we go a little further in the exploitation of reconstructed volumes of a person at a particular motor task : the treadmill, in a clinical diagnostic. In this section we analyze more specifically the quality of walking. For this we develop the concept of using depth camera for the quantification of the spatial and temporal asymmetry of lower limb movement during walking. After detecting each step in time, this method makes a comparison of surfaces of each leg with its corresponding symmetric leg in the opposite step. The validation performed on a cohort of 20 subjects showed the viability of the approach.