Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2004. / Bibliogr.: f. 40-54. Publié aussi en version électronique.

Cette recherche sinscrit dans le cadre général de létude du comportement du béton. Elle a pour objectif le développement de nouveau modèle de comportement répondant aux exigences particulières requises pour une exploitation industrielle. Après une analyse des différents modèles proposés, un premier développement a concerné les modèles basés sur la théorie de la fissuration distribuée. Une nouvelle formulation de la théorie a permis de résoudre le problème de blocage de contraintes. Cependant, lanalyse menée a montré des limites inertes à cette théorie malgré lamélioration effectuée.<br />Ensuite, une analyse des mécanismes physiques de dégradation du béton a été menée et a permis de développer le nouveau modèle dendommagement MODEV. Ce modèle se base sur la théorie de la thermodynamique appliquée au cas des matériaux hétérogènes et fragiles. Le modèle MODEV introduit deux modes dendommagement: extension et glissement. Il considère également que le glissement relatif entre les lèvres des microfissures est responsable de lirréversibilité de déformation. Cette déformation devient fonction de lendommagement et de lindice dhétérogénéité du matériau. Leffet unilatéral est pris en compte selon un processus de durcissement/adoucissement élastique lié à la re-fermeture/re-ouverture des fissures. Le modèle est écrit dans le cadre des matériaux non standard généralisés en formulation incrémentale tangente et implémenté dans le code de calcul général aux éléments finis SYMPHONIE. La validation du modèle a été effectuée sur la base de plusieurs essais issus de la littérature.<br />La deuxième partie de cette recherche a concerné lélaboration du logiciel CHEVILAB pour lévaluation de la capacité portante des chevilles de fixation. Cet outil est basé sur lapproche cinématique par lextérieur de la théorie du calcul à la rupture. La solution est obtenue en prenant le minimum des majorations du chargement ultime données par cette approche en considérant plusieurs classes de mécanismes de ruine. CHEVILAB a été ensuite validée par comparaison avec des résultats dessais et des simulations par E.F.

L'approche dynamique de l'apprentissage moteur fournit de nombreux principes théoriques définissant les liens d'interdépendance entre les coordinations préexistantes et l'apprentissage d'un nouveau mode de coordination. Bien que ces principes se veuillent généraux, ils sont principalement basés sur l'étude du système bi-manuel et ont été évalués quasi-exclusivement dans ce contexte. Ce travail doctoral étudie l'interaction entre les modes préexistants et l'apprentissage d'un nouveau patron dans le cadre différent du système postural. A cette fin, la dynamique de coordination hanche-cheville est investiguée à différents moments du processus d'apprentissage et au regard de deux tâches de nature distincte. Pour le premier type de tâche, le but du participant est sans rapport avec la coordination hanche-cheville, celle-ci émerge alors de façon spontanée. En accord avec les prédictions théoriques de l'approche dynamique, nous observons une modification des patrons de coordination initiaux, en phase et en anti-phase, en direction du patron appris. Pour le second type de tâche, différents modes de coordination hanche-cheville sont requis, et constituent le but de la tâche. Dans ce cas, l'apprentissage du nouveau patron a pour conséquence une amélioration de l'ensemble des patrons requis. Ce résultat ne présente pas de correspondance identifiable avec la dynamique de coordination posturale spontanée (mise au jour avec le premier type de tâche), et diverge des observations expérimentales obtenues dans le cadre des coordinations bi-manuelles. Les raisons théoriques et fonctionnelles sous-tendant ces divergences sont discutées.

L'analyse biomécanique du geste sportif vise à mieux comprendre les mécanismes de la performance, en vue de l'améliorer tout en limitant le risque de blessures. Dans le sport de haut niveau, les appuis constituent une des clés de la performance. Couramment utilisée pour l'analyse de la marche, la dynamique inverse permet de quantifier les actions inter-segmentaires, potentiellement traumatiques, au cours du mouvement. Cette méthode comporte toutefois certains biais, dont deux peuvent être particulièrement importants au cours de mouvements sportifs à fortes accélérations : l'artefact des tissus mous et la précision du torseur dynamique. Ce travail a pour premier objectif de proposer des adaptations méthodologiques pour l'analyse par dynamique inverse d'appuis sportifs. D'abord, l'intérêt de la méthode des « centres articulaires moyens », basée sur l'utilisation de clusters rigides, est montré pour l'acquisition de la cinématique segmentaire. Ensuite, l'influence de la fréquence d'échantillonnage et de la méthode de dérivation discrète sur le calcul des accélérations est évaluée. Enfin, la validation d'un modèle volumique personnalisé permettant une meilleure estimation des paramètres inertiels que les modèles proportionnels couramment utilisés est présentée. Le second objectif de ce travail consiste en l'application des méthodes ainsi développées à l'analyse du comportement mécanique de la cheville au cours de sauts de type pliométrique et à l'évaluation personnalisée du risque de blessures du membre inférieur chez des athlètes d'élite en kungfu wushu. Ces analyses seront faites en parallèle de la mesure de caractéristiques spécifiques de l'athlète, telles que l'amplitude articulaire de la cheville et les modules d'élasticité de différentes structures du triceps sural obtenus par élastographie. Les perspectives pour l'application à l'entraînement seront abordées, en termes d'évolution des pratiques et de prévention personnalisée des blessures. / Sports biomechanics aims at better understanding performance mechanisms, to improve them while limiting injury risk. At elite level, stances are a key aspect of performance. Often used in gait analysis, inverse dynamics enables quantification of mechanical actions during motion. However, there are some limits to this method, two of which can become important when studying sports stances: soft tissue artifact and accuracy of dynamic wrenches. The first objective of this work is to propose methodological adaptations for inverse dynamics analysis of sports stances. Firstly, the benefit of the “mean joint centers” method, based on the use of rigid clusters, is shown for segment kinematics acquisition. Secondly, the influences of the sampling frequency and the differentiation method on the calculation of accelerations are evaluated. Thirdly, the validation of a personalized volumetric model enabling better estimation of segment inertial parameters than common proportional models is presented. The second objective of this work is the application of the methods proposed to the analysis of the ankle joint mechanical behavior during plyometric jumps, and to personalized evaluation of the lower limb injury risk in elite wushu athletes. These analyses have been performed in parallel to specific measures of athletes' characteristics, such as the ankle range of motion and the shear modulii of different structures of the triceps surae, using shear wave elastography. Perspectives for training application will be discussed, to address the evolution of training habits and personalized injury prevention.

Avec le vieillissement de la population (plus d'un Français sur dix a plus de 75 ans), la perte d'autonomie est devenu un enjeu de santé publique majeur. Ce problème socio-économique est expliqué par le besoin continu de connaissances approfondies sur le sujet âgé ainsi que son équilibre. L'analyse de la raideur musculotendineuse à la cheville et de la posture, peut contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes neuromusculaires intervenant dans le maintenant de l'équilibre, à l'aide de paramètres biomécaniques adéquats. Cette thèse financée par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR-08-TECS-009-04 MIRAS), a pour objectif de caractériser les propriétés élastiques (i.e. raideur musculotendineuse) et l'équilibre en s'intéressant particulièrement au sujet âgé en reprise d'autonomie. Ainsi, une caractérisation globale du profil d'une population âgée hospitalisée pour des soins de suite et de réhabilitation a tout d'abord été réalisée. Ensuite pour une meilleure estimation de la raideur à la cheville, une nouvelle méthode de calcul des paramètres inertiels du pied a été proposée et validée ; et l'approche existante (détente-rapide pour le calcul de la raideur) a pu être vérifiée et améliorée. Finalement, une étude de la raideur et de l'équilibre par approche stabilométrique a été réalisée sur un échantillon de sujets âgés hospitalisés. Les résultats de ce travail, sont utiles à l'amélioration des méthodes de calcul de la raideur musculotendineuse et contribuent à l'approfondissement des connaissances biomécaniques sur l'équilibre du sujet âgé.

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Dans la littérature, les résultats, dans le domaine de la rééducation neurologique des patients hémiplégiques, montraient que la performance motrice du membre atteint était améliorée lorsque les deux membres homolatéraux étaient mobilisés dans des mouvements symétriques. Il a alors été suggéré que le système nerveux avait plus de facilité à adapter une commande bilatérale symétrique, qu’une commande bilatérale asymétrique.L’objet des travaux dans cette thèse est de tester la généralité de ces résultats dans le cas du processus d’initiation de la marche (IM). Le handicap est simulé par une hypomobilité de la cheville, induite avec strapping et orthèse unilatéralement ou bilatéralement. Les résultats montrent que, dès la présence d’une contrainte, la biomécanique et les activités électromyographiques, des phases de préparation posturale et d’exécution du processus d’IM, sont modifiées. De plus, la performance motrice est également perturbée. Toutefois, il apparaît des différences « locales » selon où s'applique la contrainte. Un résultat est à souligner tout particulièrement : comme pour les patients hémi-handicapés, la performance motrice (i.e. vitesse du centre des masses à la fin du premier pas) est supérieure dans la condition « contrainte bilatérale i.e. hypomobilité des deux chevilles » versus « contrainte unilatérale i.e. hypomobilité du pied d’appui ». L’ensemble des résultats est discuté dans le cadre des processus d’adaptation de la commande motrice face aux contraintes biomécaniques unilatérales et bilatérales induites sur les appuis. En d'autres termes, tout se passe comme si un rééquilibrage des capacités fonctionnelles s’opère, permettant ainsi de générer une meilleure performance motrice. Enfin, les résultats permettent d’envisager des perspectives dans le domaine de la rééducation fonctionnelle. / In the literature, the rehabilitation of hemiplegic patients showed that motor performance of the affected limb is improved when both limbs are mobilised in a symmetrical movement. It has been suggested that it was easier for the nervous system to adapt to symmetrical bilateral command. The aim of this dissertation is to test the validity of these results in gait initiation (GI). Handicap was simulated by means of blocking the ankle unilaterally or bilaterally with a strap or orthosis.Results showed that in the presence of a constraint, electromyographic activity and the kinematics of both postural preparation and step execution phase of GI declined. Furthermore, the motor performance was also perturbed.However, « Local » differences appeared according to the localisation of the constraint, reflecting the adaptation of the motor command. Nonetheless, a result needs to be particularly underlying.Like in hemi-handicapped patients, the motor performance (i.e. centre of mass velocity at the end of the first step) was higher in « bilateral constraint, hypomobility on both ankles » versus « unilateral constraint, hypomobility on stance ankle ».In the dissertation, the results are discussed in terms of the adaptation of the motor command of unilateral and bilateral induced biomechanical constraint. More specifically, we discuss how rebalancing the functional capacity of both legs should allow to increase motor performance. These results put forward new perspectives in the domain of functional rehabilitation.

La paralysie cérébrale (PC) est la première cause de l’handicap moteur de l’enfant en France (2 naissances pour 1000). Il s’agit d’une pathologie causée par des atteintes non progressives survenues lors du développement du cerveau chez le foetus ou le nourrisson. L’équin de la cheville est la déformation musculo-squelettique la plus fréquente chez les enfants atteints par la PC. Malgré des thérapies médico-chirurgicales multiples, le taux de récidive post-opératoire demeure très élevé(48%). Une des principales raisons des échecs des thérapies est le manque de connaissance de la biomécanique articulaire et musculaire. Les techniques d’imagerie en IRM dynamique permettent aujourd’hui d’explorer l’appareil musculo-squelettique au cours du mouvement dans les 3 dimensions de l’espace avec une grande précision (<1mm). Cependant, ces techniques viennent avec leur propre liste de problèmes tels que la résolution réduite, l’anisotropie et les artefacts de mouvement. Dans cette thèse, nous abordons ces problèmes en combinant l’information spatiale de l’IRM conventionnel avec l’information temporelle fournie par les séquences IRM dynamique. Nous avons réussi à atteindre l’objectif principal de ces travaux de recherche en développant des algorithmes robustes combinant des aspects informatiques et mathématiques (dont le recalage d’images basé sur l’intensité était le facteur clé) qui nous ont permis de reconstruire les mouvements articulaires et donc d’établir une analyse biomécanique de la cheville en plus de la reconstruction spatio-temporelle de la séquence dynamique en utilisant une approche logeuclidienne. Les algorithmes proposés ont été appliqués sur la base de données actuellement disponible (contenant 6 sujets normaux) et devraient être également appliqués sur une base plus large contenant des sujets pathologiques de la même tranche d’âges afin de comparer les deux populations et de caractériser la pathologie. / Cerebral Palsy (CP) is a common birth pathology in children leading to ankle joint deformity, also known as the Spastic Equinus (SE) deformity, which causes abnormal function of the joint. While the management of ankle disorders focuses on restoring the joint functions, the underlying pathomechanics is not clearly understood yet. To better understand the biomechanics of the pediatric ankle joint, it is crucial to establish in vivo normative joint biomechanics before focusing on pathomechanics studies. Dynamic MRI has made it possible to non-invasively capture the ankle joint during a complete motion cycle. However, dynamic MRI comes with its own set of unique challenges such as low resolution, anisotropy, and motion artifacts. This motivates our choice for combining spatial information of conventional static MRI with temporal information of dynamic MRI sequences. The global aim of this research work is to build computational frameworks and to develop robust intensity-based approaches for estimating the joint motion and deformations from 3D+t MRI data, and thus for deriving the joint kinematics and the joint contact mechanics during a single cycle of dorsiplantarflexion. Due to a lack of sufficient Imaging data in the pediatric cohort, the proposed algorithms are applied on dynamic MRI data (portraying both passive and active ankle motions) from 6 healthy children.

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L’objectif de ce travail de thèse est de caractériser, chez les amputés unilatéraux du membre inférieur, les modalités posturales qui interviennent dans la régulation de l’équilibre orthostatique et d’étudier l’impact de l’amputation sur la production de force à la cheville physiologique. Une première étude a révélé la présence de trois modalités posturales afin de réguler le contrôle postural : les amputés transfémoraux adoptent une modalité posturale basée sur les paramètres de stabilité, les amputés transtibiaux optent pour une modalité posturale mixte et les non amputés se réfèrent aux paramètres de l’attitude posturale. Etant donné que l’articulation de la cheville joue un rôle essentiel dans la régulation de l’équilibre postural, il était alors pertinent d’investiguer la production de force à la cheville physiologique. Toutefois, les ergomètres permettant d’étudier l’articulation de la cheville présentent des biais de mesure majeurs. Dans ce cadre, une deuxième étude a été menée afin de développer et valider un nouvel ergomètre pour cheville : le B.O.T.T.E. Parallèlement, la mise en place d’une méthode de mesure basée sur le retour visuel permettant une quantification fiable du couple de force a fait l’objet d’une troisième étude. Ensuite, une quatrième étude visait à utiliser le B.O.T.T.E. pour investiguer l’impact de l’amputation sur la production de force à la cheville physiologique. Les résultats de cette étude confirment la présence d’un déficit au niveau du couple de force généré en flexion plantaire (conditions maximale et sous maximale) chez les amputés transfémoraux. Enfin, ce travail de thèse vise à aider les rééducateurs et les cliniciens à optimiser la prise en charge des patients amputés. / This Ph.D. thesis aims to evaluate the standing posture modalities and the ankle joint torque in the intact limb in unilateral lower limb amputees. A first study shows the presence of three posture modalities: the non-amputee group relied on standing erect, the transfemoral amputees’ stance depended on balance control and the transtibial amputees exhibited a mixed modality of simultaneously maintaining an upright stance and standing balance. Since the ankle muscles have a functional importance in standing posture modalities, it is imperative to investigate the ankle joint torque in the intact limb. However, the current devices used to assess the ankle joint present substantial limitations for the measurement. Thus, a second study was designed to develop and to validate a new ankle ergometer B.O.T.T.E. Moreover, a third study was achieved in order to estimate the effect of visual feedback on enhancing isometric maximal voluntary contractions. A fourth study was realized to investigate the ankle joint torque in the intact leg of unilateral lower limb amputees. The results show that transfemoral amputees produce less torque and are less steady compared to transtibial amputees and able-bodied individuals. Overall, the present findings of this Ph.D. thesis could have implications for clinical practice and for rehabilitation of patients with a lower limb amputation.