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

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Few studies have investigated the neuromuscular recruitment and stabilizing control of the spine during pushing and pulling exertions. Past theoretical investigation suggest that co-contraction of the of the paraspinal muscles is necessary to stabilize the spine during pushing exertions. We hypothesized greater levels of co-contraction during pushing exertions. Co-contraction of trunk musculature was quantified during isometric pushing and pulling tasks. The mean value of co-contraction during pushing was two-fold greater (p < 0.01) than during extension. Co-contraction has been shown to increase the stiffness of the ankle but this effect has not been demonstrated in the trunk. Trunk stiffness was measured as a function of co-activation during extension exertions. Results demonstrate trunk stiffness was significantly (p < 0.01) greater with co-activation. Trunk stiffness was calculated during isometric pushing and pulling exertions. We hypothesized trunk stiffness would be greater during pushing tasks due to increased levels of co-contraction to maintain stability of the spine. Results demonstrate trunk stiffness was significantly (p < 0.05) greater during pushing compared to pulling exertions. Results suggest that trunk isometric pushing tasks require more co-contraction than pulling tasks enable to maintain spinal stability. Greater levels of co-contraction during pushing exertions caused trunk stiffness to be greater during pushing compared to pulling tasks. Results may indicate greater risk of spinal instability from motor control error during pushing tasks than pulling exertions. Future studies need to consider co-contraction and neuromuscular control of spinal stability when evaluating the biomechanical risks of pushing and pulling tasks. / Master of Science

L’objectif général de la présente thèse était d’étudier les effets et les facteurs d’influence des exercices et des programmes d’entraînement consistant en la co-contraction maximale isométrique volontaire (CCMIV) de l’articulation du coude : effet de l’entraînement en CCMIV sur la force explosive (Etude A), influence de l’heure habituelle d’entraînement (Etude B) et de charges additionnelles pendant les CCMIV (Etude C). Les résultats ont montré que 6 semaines d’entraînement en CCMIV peuvent améliorer simultanément la force maximale volontaire des muscles sans altération de la force explosive (Etude A et B) et indépendamment de l’heure habituelle d’entraînement (Etude B). Ces gains de force s’accompagnaient d’une augmentation de l’activité électromyographique des muscles agonistes (Etude A et B). Cependant, les résultats de l’étude B suggèrent que l’entraînement le matin s’accompagne d’un meilleur gain de la force musculaire, masquant ainsi les différences de force entre le matin et le soir. Par ailleurs, l’étude C a montré qu’une charge additionnelle (50% FMV) associée à une CCMIV modifie le pattern d’activation des muscles agonistes-antagonistes : augmentation du niveau d’activation des muscles agonistes et diminution de celui des antagonistes. Par conséquent, un programme d’entraînement en CCMIV avec charge additionnelle devrait comprendre des exercices avec charge pour les fléchisseurs et les extenseurs. De plus, les résultats de l’étude C suggèrent que le concept du fléchisseur équivalent pourrait être appliqué non seulement quand les fléchisseurs agissent comme agonistes mais aussi quand ils agissent comme antagonistes. / The aim of the present thesis was to study the effects and the influencing factors during the elbow joint maximal isometric voluntary co-contractions (MIVCC) exercises and training program: effect of the MIVCC training on the explosive force (Study A), influence of the time-of-day at which training was scheduled (Study B) and additional load during MIVCC (Study C). The results showed that six weeks of MIVCC training can simultaneously improve the maximum voluntary force, without altering the explosive force (Study A and B) and independently of the time-of-day at which training was scheduled (Study B). These improvements were accompanied by an increase in electromyography activity of agonist muscles (Study A and B). However, the results of study B suggest that morning training is accompanied by a higher strength improvement, by masking the strength differences between the morning and evening. Furthermore, the study C showed that additional load (50% MVF) associated with MIVCC modifies the activation pattern of the agonist-antagonist muscles: by increasing the activation level of the agonist muscles and decreasing the co-activation level of the antagonist muscles. Therefore, MIVCC training program with additional load should include exercises with load for flexor and extensor muscles. In addition, the results of the study C suggest that the concept of “flexor equivalent” may be applied not only when the flexor muscles acting as agonist but also when they acting as antagonist muscles.

L'hémiparésie est une des déficiences fréquemment observée après un accident vasculaire cérébral (AVC). Elle s’accompagne d’une gestion anormale de la co-contraction musculaire et des déficits de production de force qui contribuent de manière significative à réduire la performance de la marche. Une réorganisation des stratégies musculaires est mise en place pour répondre aux contraintes de stabilité et de propulsion du centre de masse au cours de la marche. Cependant, la littérature reporte très peu de données sur les actions musculaires des membres, parétique et non-parétique, au cours de la marche. De plus, les patterns de co-contraction ont été évalués à partir des seules données EMG chez les patients post-AVC. Par ailleurs, les patients post-AVC présentent une fatigabilité plus importante que les individus sains. Alors que plusieurs facteurs sont impliqués dans la fatigue, le rôle de la co-contraction reste mal connu. L’objectif principal de ce travail était de caractériser les altérations des stratégies musculaires des membres inférieurs chez des patients hémiparétiques post-AVC au cours de la marche et lors de la fatigue induite par des contractions maximales volontaires concentriques isocinétiques. Ce travail introduit l'utilisation novatrice d'une modélisation neuromusculo-squelettique assistée par EMG pour estimer les forces musculaires générées autour des articulations du genou et de la cheville au cours de la marche chez des patients post-AVC. De plus, nous avons montré qu’une quantification de la co-contraction à partir des moments musculaires est préférable par rapport à des mesures EMG. Les résultats ont montré que les forces réduites développées par les fléchisseurs plantaires de la cheville et les extenseurs du genou du côté parétique seraient à l’origine des troubles de la marche hémiparétique. Les forces musculaires élevées produites par les quadriceps et les fléchisseurs du genou du côté nonparétique, ainsi que la force élevée générée par les fléchisseurs du genou du côté parétique, par rapport aux sujets sains, pendant la phase d’appui correspondrait à une réorganisation comportementale, permettant d’augmenter la stabilité et d’ajuster la propulsion du centre de masse. Cette réorganisation des patterns de coordination musculaire se manifeste également par des niveaux élevés de co-contraction (basée sur les moments musculaires) observés du côté parétique et non-parétique au cours de la marche. Il s’agit d’une stratégie d'adaptation permettant d’améliorer la stabilité articulaire. Cependant, la cocontraction plus élevée au cours de la marche peut contribuer à l’augmentation du coût énergétique chez les patients et entraîner une fatigue plus rapide. L’étude de la fatigue neuromusculaire chez les patients post-AVC a mis en évidence une fatigabilité moindre par rapport aux sujets sains en présence d’un niveau plus élevé de co-contraction (basée sur les données EMG). Le déclin de l’activité EMG agoniste lors de contractions concentriques répétées, s’est produit parallèlement à un déclin de l’activité EMG antagoniste diminuant la force d’opposition au mouvement et entraînant une moindre diminution du moment net. Ceci semble être un mécanisme potentiel par lequel la production du moment net est préservée chez les patients post-AVC qui sont intrinsèquement plus faibles. Les résultats de ce travail soulignent l’importance de développer des programmes de rééducation centrés sur le renforcement des fléchisseurs plantaires et des extenseurs du genou et sur la sélectivité du contrôle des mouvements tel que l’entraînement en puissance. / Hemiparesis is one of the most frequent deficits after stroke. It is accompanied by an abnormal muscle co-contraction pattern and an altered force production that significantly contribute to reduced gait performance. These alterations lead to a reorganization of muscle coordination patterns to ensure stability and adjust the propulsion of the center of mass during walking. However, less is known about muscle actions in the paretic and non-paretic lower limbs during walking. In addition, co-contraction patterns were evaluated from only EMG data in post-stroke patients. Furthermore, post-stroke patients manifest higher levels of fatigability than healthy individuals. While several factors are involved in fatigue, the role of co-contraction remains poorly understood. The main objective of this thesis was to characterize the alterations of the muscle strategies of the lower limbs in post-stroke hemiparetic patients during walking and during fatigue induced by isokinetic concentric maximal contractions. This thesis introduces the novel use of an EMG-driven modelling approach to measure muscle forces generated around the knee and ankle joints of the paretic and non-paretic lower limbs during gait in post-stroke patients. In addition, we have shown that quantification of co-contraction from muscle moments is preferable compared to EMG measurements. The results showed that the reduced forces exerted by the plantar-flexors and the knee-extensors on the paretic side, gives a possible explanation for hemiparetic gait abnormalities. Increased forces generated by the knee-flexor and knee-extensor muscles on the non-paretic side, as well as increased force generated by the knee flexors on the paretic side, compared to healthy subjects, during the stance phase would be a behavioral reorganization to better support body weight and properly adjust the forward center of mass. This reorganization of muscle coordination patterns is also reflected by the increased levels of co-contraction (based on muscle moments) observed on the paretic and non-paretic side during walking. This seems to be an adaptive, compensatory strategy to ensure postural stability. However, increased co-contraction during walking can contribute to an increased energy cost in patients and lead to a more rapid fatigue development. The study of neuromuscular fatigue in post-stroke patients showed less fatigability compared to healthy subjects, in the presence of a higher level of co-contraction (based on EMG data). Decreasing agonist EMG during repeated concetric contractions, occurred in parallel with decreasing antagonist EMG, reducing the relative opposing force and resulting in a less decline in net torque. This seems to be a potential mechanism by which net torque output is preserved in post-stroke patients who are inherently weaker. The results of these studies underline the importance of developing rehabilitation programs focused on the strengthening of plantar flexors and knee extensors and on the selectivity of movement control, such as power training.

Title: Electromyographic analysis of selected muscles of lower extremity of kitesurfers. Objective: The goal of thesis is to determine muscle groups, which are the most active during the kitesurfing position and compare the values in increasing time spent in this position. Furthermore, to determine a degree of co-contraction level between m. quadriceps femoris and m. biceps femoris. According to the enlarging number of riders in kitesurfing population the goal is to compare results between professional and recreant riders and determine statisticaly significant differences. Methods: This thesis is a case study, where is analyzed the degree of muscle aktivity of lower extremity during the kitesurfing position. The research involved 6 persons of very specific selection consisted of professional riders and recreants. As an objectification method surface electromyography had been chosen and the normalized value between m. quadriceps femoris, m. gluteus maximus, m. biceps femoris, m. tibialis anterior, m. gastrocnemius and m. trapezius had been evaluated. Findings: The measurement results showed that the most active muscle during the kitesurfing position is m. quadriceps femoris of stance lower extremity even though after long-term stay. Furthemore, the results showed that professional riders apply more...

L'ergonomie est un facteur de conception des postes de travail important, l'apparition de troubles musculo-squelettiques (TMS) y étant directement liée. L'objectif de cette thèse est la conception d'outils d'analyse du membre supérieur utilisables pour améliorer l'ergonomie des postes de travail et diminuer les risques d'apparition de TMS. Les contributions principales de cette thèse sont : - Un modèle biomécanique du membre supérieur basé sur l'anatomie fonctionnelle ; - Une chaine de traitement complète, de la capture de mouvements à l'estimation des efforts musculaires « par dynamique inverse » ; - L'ajout de contraintes complémentaires simulant la co-activation des muscles agonistes et antagonistes au mouvement ; - La présentation et l'évaluation d'une méthode d'estimation des efforts musculaires par interpolation ; - La définition et l'évaluation d'un critère ergonomique permettant d'évaluer la pénibilité d'un mouvement.

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Padel involves repetitive and high-velocity upper limb movements, which can be associated with overuse injuries. There is a lack of evidence regarding injury prevention in padel and a necessity of developing and evaluating ways to monitor workload. The objective of this study was to use a new mobile measurement method (Delsys Trigno Light System) to evaluate muscle activation and movement of the forearm during padel. The percentage of MVC (%MVC) of Mm. Extensor carpi radialis (ECR) longus et brevis and M. flexor carpi radialis (FCR), angular velocities of the wrist and co-contraction between ECR and FCR were measured and analyzed. The main results showed a relatively low general muscle activation; 1.42 (0.44 – 2.33) %MVC of FCR and 8.02 (4.23 – 12.62) %MVC of ECR, with significantly greater muscle activation of the ECR than the FCR (p&lt;0.001), high angular wrist velocities; 17.0 (13.2 – 34.6) °/s, and a weak positive correlation for co-contraction with peak values of FCR &gt; 0.15 V and concurrent ECR, Spearman’s r = 0.326, p&lt;0.001 and peak values of ECR &gt; 0,15 V and concurrent FCR, Spearman’s r = 0.181, p&lt;0.001. This study indicates that this mobile measurement method may be used to evaluate biomechanical workload on the forearm during padel play and may serve as an injury preventive tool.

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