Les étirements sont aujourd'hui une pratique courante dans les milieux sportifs et de réadaptation. Ils sont habituellement recommandés dans le but de contribuer à la prévention des blessures (Willson et al., 1991 ; Pope et al., 2000), à l’amélioration de la performance sportive lorsque celle-ci nécessite une amplitude articulaire importante (Heyters, 1985 ; Hortobagyi et al., 1985) et à la récupération de la mobilité articulaire dans le cadre d’un programme de réadaptation (Magnusson et al., 1996b). Ces méthodes, qui se sont développées ces dernières années, font classiquement appel à l’étirement passif et aux étirements neurofacilités (PNF), présentés initialement par Kabat (1958). Plus récemment, un intérêt particulier a été porté au travail musculaire excentrique. Des études ont montré que celui-ci permettait également d’augmenter l’amplitude articulaire (Willson et al., 1991 ; Nelson et Bandy, 2004). Dans une première partie de ce travail, il nous a semblé intéressant de comparer les effets de l’étirement passif à ceux des étirements PNF par "contracté-relâché" et "contracté de l’antagoniste". Si les modalités d'application de chaque étirement sont différentes, elles présentent un intérêt majeur. De fait, elles permettent de faire varier les conditions d'allongement des différentes structures du système myotendineux, en modulant l'activité volontaire des musculatures agoniste ou antagoniste. En effet, si l’étirement passif s'effectue sans activation volontaire, l’étirement par "contracté-relâché" consiste à faire précéder l'étirement passif, d'une contraction volontaire maximale isométrique de la musculature agoniste. L’étirement par "contracté de l’antagoniste" associe à l'allongement de la musculature agoniste, une contraction volontaire maximale de la musculature antagoniste. Si de nombreuses études s'intéressent encore actuellement à caractériser leurs effets respectifs, elles ont déjà permis de montrer que ceux-ci avaient au moins deux origines distinctes, l'une neurophysiologique et l'autre mécanique (Taylor et al., 1990 ; Hutton, 1993). Au plan neurophysiologique, il est bien accepté que ces méthodes induisent une modulation de l'activité réflexe tonique facilitant le relâchement musculaire et par conséquent l’amplitude articulaire (Guissard et al., 1988 ; 2001). Il est également bien admis que l’importance de ces effets sur la musculature est variable selon la méthode employée (Guissard et Duchateau, 2006). Au plan mécanique, des études menées chez l’animal ont montré que l’étirement passif modifie les caractéristiques viscoélastiques des tissus (Taylor et al., 1990), et de fait favorise l’allongement des tissus myotendineux (McHugh et al., 1992). Chez le sujet humain, plusieurs expérimentations ont montré que l’étirement par "contracté-relâché" permet d’obtenir un allongement myotendineux et un gain d’amplitude articulaire plus important que par étirement passif (Moore et Hutton, 1980). D’autres études ont montré que l’étirement par "contracté de l’antagoniste" permet de majorer encore les gains obtenus par l’étirement "contracté-relâché" (Osternig et al., 1990). Une première question posée dans ce travail est de savoir si la contribution des processus neurophysiologiques et mécaniques se traduit d’une manière spécifique sur le rapport de compliance des tissus de l’unité myotendineuse. Le développement de techniques d’investigation, telles que l’échographie, permet désormais d’observer le comportement de l’unité myotendineuse, d’une manière non invasive (Fukunaga et al., 1992 ; Herbert et Gandevia, 1995 ; Kuno et Fukunaga, 1995 ; Maganaris et al., 1998). Elle permet ainsi d’étudier les effets d’un étirement ou d’une contraction (Fukunaga et al., 1996) sur le rapport de compliance des structures musculaires et des tissus tendineux. S’il était intéressant d’étudier la spécificité de ces trois méthodes d’étirement classiques par rapport à leurs effets sur les tissus myotendineux, il nous paraissait pertinent d’observer celle d’un travail musculaire excentrique. En effet, la particularité de celui-ci est de soumettre l’unité myotendineuse préalablement activée, à un allongement. En réadaptation, le travail excentrique est généralement proposé dans le but d’améliorer plus rapidement la symptomatologie d’une tendinopathie (Stanish et al., 1986 ; Alfredson et al., 1998). Des études récentes ont indiqué qu’il peut également être proposé pour augmenter l'amplitude articulaire (Nelson et Bandy, 2004). Toutefois, ses effets sur les tissus myotendineux ne sont pas clairement définis dans la littérature. Chez l’animal, Heinemeier et al. (2007) ont comparé les effets d’un entraînement en contractions concentriques et excentriques sur les tissus de l’unité myotendineuse. Leurs résultats indiquent que si les tissus tendineux sont sensibles aux deux modes de contraction pour leurs effets favorisant la synthèse de collagène, les structures musculaires sont spécifiquement sensibles au mode excentrique. Chez le sujet humain, Crameri et al. (2004) ont observé une série de contractions excentriques d’intensité maximale augmente la synthèse de collagène au sein de l’ensemble des tissus de l’unité myotendineuse. Ces résultats montrent que les effets de ce travail ne se limitent pas aux tissus tendineux, tels que certains protocoles thérapeutiques le suggéraient, et que le tissu musculaire doit désormais être associé à la discussion des effets de ce travail musculaire. Dans ce contexte, la deuxième question que nous avons posée est de savoir si l’étirement de l’unité myotendineuse préalablement activée, telle que se caractérise une contraction excentrique, modifie le rapport de compliance des tissus myotendineux par rapport aux méthodes classiques. Autrement dit, si l’étirement de l’unité myotendineuse activée favorise spécifiquement l’allongement de l’un des tissus de l’unité myotendineuse. Dans une troisième partie, il nous a paru intéressant d'étudier le comportement à l’étirement de l’unité myotendineuse, dont la compliance était modifiée suite à une désadaptation à long terme. L’hypertonie spastique, qui caractérise une majorité de sujets parétiques spastiques, est généralement caractérisée par une augmentation anormale des résistances opposées à l'étirement passif (Carey et Burghart, 1993). L’origine de ces résistances peut être attribuée à des adaptations tant neurophysiologiques (Pierrot-Deseilligny et Mazières, 1985) que mécaniques et structurelles des tissus de l'unité myotendineuse (Berger et al., 1984 ; Tardieu et al., 1989). Il n’existe pourtant pas encore dans la littérature de consensus les définissant clairement (Fridén et Lieber, 2003). En outre, l’étude récente de Lieber et Fridén (2002) a mis en évidence des modifications de l’architecture des muscles fléchisseurs du carpe. Contrairement à ce qui est généralement proposé au sujet de la longueur des fascicules spastiques (Tardieu et al., 1982), Lieber et Fridén (2002) n’ont pas mis en évidence de raccourcissement de ces derniers. Ainsi, l’hypothèse de Tardieu et al. (1982), selon laquelle le raccourcissement des fascicules est à l’origine de l’augmentation des résistances à l’allongement, ne peut plus être soutenue. Il nous paraissait ainsi intéressant d’associer, à l’observation du comportement des fascicules, celui des tissus tendineux, dans le but de déterminer si l’une de ces deux structures présente des caractéristiques particulières, susceptibles d’expliquer le développement plus important de ces résistances à l’allongement. La troisième question que nous avons posée dans ce travail est de savoir comment se caractérise, à l’étirement, le rapport de compliance des tissus musculaire et tendineux dans un contexte de spasticité. Outre le fait que la réponse à ces différentes questions soit fondamentale pour mieux comprendre et spécifier la pratique des méthodes d’étirement, l’objectif de notre travail est non seulement de mettre en évidence le tissu dont l’allongement est spécifiquement favorisé par l’une ou l’autre méthode, mais également de contribuer à différencier celui qui limite l’étirement global du système myotendineux. Dans ce contexte, il sera intéressant de pouvoir recommander la pratique d’une méthode particulière, en fonction des besoins spécifiques de chacun.

Les étirements sont aujourd'hui une pratique courante dans les milieux sportifs et de réadaptation. Ils sont habituellement recommandés dans le but de contribuer à la prévention des blessures (Willson et al. 1991 ;Pope et al. 2000), à l’amélioration de la performance sportive lorsque celle-ci nécessite une amplitude articulaire importante (Heyters, 1985 ;Hortobagyi et al. 1985) et à la récupération de la mobilité articulaire dans le cadre d’un programme de réadaptation (Magnusson et al. 1996b). Ces méthodes, qui se sont développées ces dernières années, font classiquement appel à l’étirement passif et aux étirements neurofacilités (PNF), présentés initialement par Kabat (1958). Plus récemment, un intérêt particulier a été porté au travail musculaire excentrique. Des études ont montré que celui-ci permettait également d’augmenter l’amplitude articulaire (Willson et al. 1991 ;Nelson et Bandy, 2004). <p><p>Dans une première partie de ce travail, il nous a semblé intéressant de comparer les effets de l’étirement passif à ceux des étirements PNF par "contracté-relâché" et "contracté de l’antagoniste". Si les modalités d'application de chaque étirement sont différentes, elles présentent un intérêt majeur. De fait, elles permettent de faire varier les conditions d'allongement des différentes structures du système myotendineux, en modulant l'activité volontaire des musculatures agoniste ou antagoniste. En effet, si l’étirement passif s'effectue sans activation volontaire, l’étirement par "contracté-relâché" consiste à faire précéder l'étirement passif, d'une contraction volontaire maximale isométrique de la musculature agoniste. L’étirement par "contracté de l’antagoniste" associe à l'allongement de la musculature agoniste, une contraction volontaire maximale de la musculature antagoniste. Si de nombreuses études s'intéressent encore actuellement à caractériser leurs effets respectifs, elles ont déjà permis de montrer que ceux-ci avaient au moins deux origines distinctes, l'une neurophysiologique et l'autre mécanique (Taylor et al. 1990 ;Hutton, 1993). Au plan neurophysiologique, il est bien accepté que ces méthodes induisent une modulation de l'activité réflexe tonique facilitant le relâchement musculaire et par conséquent l’amplitude articulaire (Guissard et al. 1988 ;2001). Il est également bien admis que l’importance de ces effets sur la musculature est variable selon la méthode employée (Guissard et Duchateau, 2006). Au plan mécanique, des études menées chez l’animal ont montré que l’étirement passif modifie les caractéristiques viscoélastiques des tissus (Taylor et al. 1990), et de fait favorise l’allongement des tissus myotendineux (McHugh et al. 1992). Chez le sujet humain, plusieurs expérimentations ont montré que l’étirement par "contracté-relâché" permet d’obtenir un allongement myotendineux et un gain d’amplitude articulaire plus important que par étirement passif (Moore et Hutton, 1980). D’autres études ont montré que l’étirement par "contracté de l’antagoniste" permet de majorer encore les gains obtenus par l’étirement "contracté-relâché" (Osternig et al. 1990). Une première question posée dans ce travail est de savoir si la contribution des processus neurophysiologiques et mécaniques se traduit d’une manière spécifique sur le rapport de compliance des tissus de l’unité myotendineuse. Le développement de techniques d’investigation, telles que l’échographie, permet désormais d’observer le comportement de l’unité myotendineuse, d’une manière non invasive (Fukunaga et al. 1992 ;Herbert et Gandevia, 1995 ;Kuno et Fukunaga, 1995 ;Maganaris et al. 1998). Elle permet ainsi d’étudier les effets d’un étirement ou d’une contraction (Fukunaga et al. 1996) sur le rapport de compliance des structures musculaires et des tissus tendineux. <p> <p>S’il était intéressant d’étudier la spécificité de ces trois méthodes d’étirement classiques par rapport à leurs effets sur les tissus myotendineux, il nous paraissait pertinent d’observer celle d’un travail musculaire excentrique. En effet, la particularité de celui-ci est de soumettre l’unité myotendineuse préalablement activée, à un allongement. En réadaptation, le travail excentrique est généralement proposé dans le but d’améliorer plus rapidement la symptomatologie d’une tendinopathie (Stanish et al. 1986 ;Alfredson et al. 1998). Des études récentes ont indiqué qu’il peut également être proposé pour augmenter l'amplitude articulaire (Nelson et Bandy, 2004). Toutefois, ses effets sur les tissus myotendineux ne sont pas clairement définis dans la littérature. Chez l’animal, Heinemeier et al. (2007) ont comparé les effets d’un entraînement en contractions concentriques et excentriques sur les tissus de l’unité myotendineuse. Leurs résultats indiquent que si les tissus tendineux sont sensibles aux deux modes de contraction pour leurs effets favorisant la synthèse de collagène, les structures musculaires sont spécifiquement sensibles au mode excentrique. Chez le sujet humain, Crameri et al. (2004) ont observé une série de contractions excentriques d’intensité maximale augmente la synthèse de collagène au sein de l’ensemble des tissus de l’unité myotendineuse. Ces résultats montrent que les effets de ce travail ne se limitent pas aux tissus tendineux, tels que certains protocoles thérapeutiques le suggéraient, et que le tissu musculaire doit désormais être associé à la discussion des effets de ce travail musculaire. Dans ce contexte, la deuxième question que nous avons posée est de savoir si l’étirement de l’unité myotendineuse préalablement activée, telle que se caractérise une contraction excentrique, modifie le rapport de compliance des tissus myotendineux par rapport aux méthodes classiques. Autrement dit, si l’étirement de l’unité myotendineuse activée favorise spécifiquement l’allongement de l’un des tissus de l’unité myotendineuse. <p><p>Dans une troisième partie, il nous a paru intéressant d'étudier le comportement à l’étirement de l’unité myotendineuse, dont la compliance était modifiée suite à une désadaptation à long terme. L’hypertonie spastique, qui caractérise une majorité de sujets parétiques spastiques, est généralement caractérisée par une augmentation anormale des résistances opposées à l'étirement passif (Carey et Burghart, 1993). L’origine de ces résistances peut être attribuée à des adaptations tant neurophysiologiques (Pierrot-Deseilligny et Mazières, 1985) que mécaniques et structurelles des tissus de l'unité myotendineuse (Berger et al. 1984 ;Tardieu et al. 1989). Il n’existe pourtant pas encore dans la littérature de consensus les définissant clairement (Fridén et Lieber, 2003). En outre, l’étude récente de Lieber et Fridén (2002) a mis en évidence des modifications de l’architecture des muscles fléchisseurs du carpe. Contrairement à ce qui est généralement proposé au sujet de la longueur des fascicules spastiques (Tardieu et al. 1982), Lieber et Fridén (2002) n’ont pas mis en évidence de raccourcissement de ces derniers. Ainsi, l’hypothèse de Tardieu et al. (1982), selon laquelle le raccourcissement des fascicules est à l’origine de l’augmentation des résistances à l’allongement, ne peut plus être soutenue. Il nous paraissait ainsi intéressant d’associer, à l’observation du comportement des fascicules, celui des tissus tendineux, dans le but de déterminer si l’une de ces deux structures présente des caractéristiques particulières, susceptibles d’expliquer le développement plus important de ces résistances à l’allongement. La troisième question que nous avons posée dans ce travail est de savoir comment se caractérise, à l’étirement, le rapport de compliance des tissus musculaire et tendineux dans un contexte de spasticité. <p><p>Outre le fait que la réponse à ces différentes questions soit fondamentale pour mieux comprendre et spécifier la pratique des méthodes d’étirement, l’objectif de notre travail est non seulement de mettre en évidence le tissu dont l’allongement est spécifiquement favorisé par l’une ou l’autre méthode, mais également de contribuer à différencier celui qui limite l’étirement global du système myotendineux. Dans ce contexte, il sera intéressant de pouvoir recommander la pratique d’une méthode particulière, en fonction des besoins spécifiques de chacun. <p> / Doctorat en Sciences de la motricité / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les résultats des chirurgies orthopédiques correctrices sont difficilement prévisibles et, malheureusement, parfois infructueux. D’autres maladies résultantes d’un handicap majeur tel que l’escarre sont encore très peu comprises. Malgré une prévalence dans la population conséquente, peu d’études ont été menées sur ces thèmes. L’étude volumétrique du muscle en tant que tissu mou actif manque d’informations détaillées. Particulièrement les déformations et raideurs subséquentes aux contractions de muscles à arrangement de fascicules complexes. La modélisation volumétrique des muscles, fournirait un outil puissant pour la simulation personnalisée des contraintes subies par le corps, durant des contactes prolongés ou récurrents avec des dispositifs médicaux standards et inadaptés à la morphologie, mais aussi la planification d’opérations chirurgicales ou de séquences de stimulation électrique fonctionnelle. Il n’existe actuellement aucun logiciel permettant la reconstruction automatique de l’architecture des fascicules, aponévroses et tendons à partir d’acquisitions IRM d’un patient spécifique. La méthode actuelle de modélisation volumétrique du muscle est coûteuse en temps de calcul, donc inefficaces pour des simulations temps-réel du comportement du système musculo-squelettique avec représentation des fonctions physiologiques. Cette thèse est dirigée par les contributions nombreuses qui restent encore à apporter dans le domaine. Les méthodes de modélisation actuelles basées sur la méthode des éléments finis classique sont complexes, manquent de flexibilité ou de précision en temps-réel. Nous proposons une approche multi-modèles basée sur le mapping barycentrique qui découple la fonction de densité d’énergie de déformations du muscle en un ensemble de modèles indépendants de moindre complexité, avec les objectifs suivants : - Améliorer la reconstruction de l’architecture musculaire à partir des acquisitions IRM en terme de complexité et flexibilité. - Séparer la modélisation du muscle en modèles simple et indépendants, de manière à offrir plus de flexibilité, en réduisant la complexité, qui permettront de découpler les résolutions des éléments déformables des éléments actifs du muscle. - En diminuant le nombre d’éléments finis garantissant la cohérence des résultats, nous diminuons le temps de calcul nécessaire à chaque pas de simulation .Nos méthodes s’inspirent des travaux précédents sur la représentation tri-dimensionnelle de la géométrie et l’architecture complexes des muscles de [Blemker and Delp, 2005]. De plus, la définition mathématique est étudiée [Chi et al., 2010] pour caractériser la densité d’énergie de déformations du muscle squelettique. En rapport avec les méthodes précédentes, nous revendiquons les avancées suivantes : - Amélioration de la représentation 3D des muscles de patients spécifiques avec architecture et géométrie complexes, à partir de mesures IRM. La méthode est plus flexible et rapide que les précédentes. - Une nouvelle méthode de modélisation des déformations musculaires via la modélisation découplée des différents tissus musculaires. Cette nouvelle approche permet une définition indépendante des fascicules musculaires, tissus conjonctifs, tendons et aponévroses en gardant une grande précision de déformations. Les performances sont confrontées au rendement de la méthode FEM classique. - Nous atteignons des vitesses de simulation élevées de muscles complexes sur des machines standards par rapport à la FEM. Les performances nous ont permis de simuler en temps-réel la force et les déformations d’un muscle d’individus spécifiques, avec une entrée d’activation actualisée en temps-réel à partir de mesures EMG. - La modélisation d’un muscle nécessite plus de compétence qu’une équipe de recherche peut envisager maitriser. L’approche multi-modèles permet un travail collaboratif, où chaque spécialiste se focalise uniquement sur son domaine de compétence. La modélisation en est extrêmement simplifiée. / Corrective orthopedic surgeries results are difficult to be predicted and, unfortunately, sometimes unsuccessful. Other diseases resulting from a motor disability as bedsores are still poorly understood, despite a significant prevalence in the population. However, studies on these topics still insufficient especially for the analysis considering the muscle as a soft tissue volumetric organ. Muscle fascicule architectures and their correlation with movement efficiency is poorly documented, it lack of the detailed information regarding its volumetric deformations and stiffness changes along with muscle contractions.Muscle volumetric modeling, would provide a powerful tool for the personalized accurate simulation of body stresses of disabled or SCI patients during prolonged or friction contacts with standard medical devices non-adapted to particular morphologies, but also the planning of surgeries or functional electrical stimulation sequences.There is currently no software for automatic reconstruction of the architecture of fascicles, aponeurosis and tendons from MRI acquisitions of a specific subject. Actual volumetric muscle modeling is expensive in computational time, and not effective for real-time simulations of musculoskeletal system behavior with representation of physiological functions. The objective of this thesis is directed by the many contributions that have yet to make in the area. The current modeling methods based on the conventional finite element method are complex, inflexible or inaccurate in real-time. We propose a multi-model based on barycentric mapping approach that decouples the muscle strain density energy function into a set of independent less complex models, with the following objectives:- Improve complex muscle architecture reconstruction from the MRI acquisitions in term of complexity and flexibility.- Split muscle modeling into simple independent models, to offer more flexibility and reducing complexity of modeling which allows to have independent resolutions between deformable elements and muscle fiber elements..- By reducing the number of finite elements ensuring consistency of results of force and deformations, we reduce the computation time required for each simulation.Our methods are inspired by the previous work on the three-dimensional representation of the geometry and the complex architecture of muscles [Blemker and Delp, 2005]. In addition, the mathematical definition is studied [Chi et al., 2010] to characterize the energy density of deformations of skeletal muscle.Related with the above methods, we demand the following advances:- Improved three-dimensional representation of specific patients with muscle architecture and complex geometry from MRI measurement for personalized modeling. The method is more flexible and faster than previous.- A novel modeling method for muscle deformation via decoupled modeling of solid and muscle fiber mechanics is established. This new modeling allowed independent definitions between deformable elements and fiber force generation elements while keeping its muscle deformation accuracy. The performance is compared to conventional FEM method. - We reach high computational speed on standard machines for muscle complex simulations compared to FEM. Real-time simulation of specific person’s muscle strain and force is performed with an activation input updated in real-time from surface EMG measures.- Muscle modeling requires interdisciplinary knowledge from different research team members. The multi-model approach allows collaborative work, where each specialist focuses only on its area of expertise thanks to the modular designed modeling.