Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2004. / Bibliogr.: f. 92-112. Publié aussi en version électronique.

La diminution de la force et l'exacerbation de la fatigue neuromusculaire sont fortement impliquées dans l'altération des capacités fonctionnelles, de la tolérance à l'effort et du pronostic de patients porteurs de pathologies chroniques variées. Ces altérations peuvent trouver leurs origines dans des atteintes primaires de la fonction neuromusculaire et/ou des atteintes secondaires causées par exemple, par une diminution de l'activité spontanée favorisée par une pathologie chronique. Ainsi, la faiblesse et la fatigabilité musculaire sont des symptômes très fréquemment rapportés dans les maladies neuromusculaires (myopathies/neuropathies d'origine génétique ou acquise), les pathologies impliquant le système cardiovasculaire (insuffisance cardiaque) et/ou respiratoire (broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO)). Ces symptômes sont aussi fréquemment associés aux syndromes idiopathiques de douleurs chroniques accompagnées d'anomalies de la nociception (syndrome fibromyalgique). Le développement d'outils d'évaluation bien tolérés et fiables de la force, de l'endurance et de la fatigue neuromusculaire est d'une importance cruciale pour approfondir la compréhension des mécanismes physiopathologiques et pour disposer de critères de jugement de qualité dans le cadre d'études observationnelles et interventionnelles. Dans ce contexte, la stimulation artificielle électrique s'est révélée être un outil performant pour évaluer in situ la fonction musculaire chez l'humain au repos et au cours de l'exercice. Plus spécifiquement, la stimulation magnétique des troncs nerveux périphériques a montré des prédispositions intéressantes pour l'évaluation de la fonction des muscles locomoteurs et respiratoires dans le cadre clinique. Au cours de ce travail, nous avons développé des outils d'évaluation de la force, de l'endurance et de la fatigue neuromusculaire en utilisant la neurostimulation magnétique et des protocoles d'exercice potentiellement applicables chez le patient. Nous avons étudié leurs capacités à détecter des différences liées au sexe, l'âge et au statut d'entrainement. Dans un second temps, nous avons appliqué nos évaluations dans le cadre de maladies neuromusculaires et de syndromes douloureux chroniques. Chez le patient BPCO, nous avons étudié les phénomènes de fatigue des muscles respiratoires et locomoteurs, leur impact sur la réponse à l'effort ainsi que leurs relations entre eux et avec les symptômes perçus. Chez ces patients, nous avons recherché les effets d'un entraiment d'une prise en charge combinant un entrainement des muscles locomoteurs et un entrainement des muscles respiratoires sur ces paramètres. / Strength loss and enhanced neuromuscular fatigue are major contributing factors of impaired functional capacities, exercise tolerance and prognosis in patients with various chronic diseases. These alterations can rely on primary deficiencies of neuromuscular function and/or secondary impairments caused by decreased spontaneous physical activity promoted by a chronic disease. Consequently, muscle weakness and enhanced fatigability are frequently reported symptoms in neuromuscular (inherited or noninherited myopathies/neuropathies), cardiovascular (chronic cardiac failure) and respiratory diseases (chronic obstructive pulmonary disease (COPD)) and idiopathic painful syndromes associated with alteration of nociception (fibromyalgia syndrome). The development of reliable and well-tolerated evaluations of muscle strength, endurance and fatigue is of major interest to better understand the physiopathology of the diseases and to provide relevant outcomes for observational or interventional studies. Artificially muscular electrical stimulation has been recognized as a valuable tool for noninvasive assessments of neuromuscular function at rest and during exercise in human. Recently, magnetic stimulation showed interesting skills to assess both peripheral and respiratory muscles in the clinical field. During this work, we developed tools to assess muscle strength, endurance and fatigue using magnetic neurostimulation and exercise protocols usable in patients. We studied its ability to detect differences related to sex, age and training status. Then we used these procedures in neuromuscular diseases and fibromyalgia syndrome. In COPD patients, we assessed respiratory and locomotor muscle fatigue and studied how these phenomena impact on exercise response and perceived symptoms. In these patients, we also assessed the combined effects of locomotor and respiratory muscle training on these parameters.

Cette thèse a pour but de mettre au point un nouvel outil de rééducation neuromusculaire. Elle a pour fonction, l'amélioration de la qualité et de la durée des séances de renforcement musculaire et de réentraînement de la motricité de sujets atteints de déconditionnement musculaire. Un électromyostimulateur "intelligent" utilisant en même temps des techniques d'électromyostimulation (EMS) couplées aux analyses de l'électromyogramme (EMG) est développé et permet d'asservir en temps réel les paramètres de stimulation d'un muscle en fonction de son état de fatigue physiologique. Le contrôle ainsi effectué sur les paramètres de stimulation en fonction de la réponse musculaire électrique (onde M) offre la possibilité de stimuler un muscle en prenant en compte une information sur la réaction du muscle à l'électrostimulation / This project aims to develop a new tool for neuromuscular reeducation. Its function is to improve the quality and the duration of muscular strengthening training sessions and training of motor function for patients suffering from muscle deconditioning. A "smart" electromyostimulator using, at the same time, techniques of electrostimulation (EMS) and analysis of electromyography (EMG) allows the control in real time electrical stimulation parameters considering the physiological fatigue of the stimulated muscle. This control, performed on stimulation parameters depending on electrical response of muscles (M wave), allows the muscle stimulation taking into account the muscular reaction to the electrical stimulation

La diminution de la force et l'exacerbation de la fatigue neuromusculaire sont fortement impliquées dans l'altération des capacités fonctionnelles, de la tolérance à l'effort et du pronostic de patients porteurs de pathologies chroniques variées. Ces altérations peuvent trouver leurs origines dans des atteintes primaires de la fonction neuromusculaire et/ou des atteintes secondaires causées par exemple, par une diminution de l'activité spontanée favorisée par une pathologie chronique. Ainsi, la faiblesse et la fatigabilité musculaire sont des symptômes très fréquemment rapportés dans les maladies neuromusculaires (myopathies/neuropathies d'origine génétique ou acquise), les pathologies impliquant le système cardiovasculaire (insuffisance cardiaque) et/ou respiratoire (broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO)). Ces symptômes sont aussi fréquemment associés aux syndromes idiopathiques de douleurs chroniques accompagnées d'anomalies de la nociception (syndrome fibromyalgique). Le développement d'outils d'évaluation bien tolérés et fiables de la force, de l'endurance et de la fatigue neuromusculaire est d'une importance cruciale pour approfondir la compréhension des mécanismes physiopathologiques et pour disposer de critères de jugement de qualité dans le cadre d'études observationnelles et interventionnelles. Dans ce contexte, la stimulation artificielle électrique s'est révélée être un outil performant pour évaluer in situ la fonction musculaire chez l'humain au repos et au cours de l'exercice. Plus spécifiquement, la stimulation magnétique des troncs nerveux périphériques a montré des prédispositions intéressantes pour l'évaluation de la fonction des muscles locomoteurs et respiratoires dans le cadre clinique. Au cours de ce travail, nous avons développé des outils d'évaluation de la force, de l'endurance et de la fatigue neuromusculaire en utilisant la neurostimulation magnétique et des protocoles d'exercice potentiellement applicables chez le patient. Nous avons étudié leurs capacités à détecter des différences liées au sexe, l'âge et au statut d'entrainement. Dans un second temps, nous avons appliqué nos évaluations dans le cadre de maladies neuromusculaires et de syndromes douloureux chroniques. Chez le patient BPCO, nous avons étudié les phénomènes de fatigue des muscles respiratoires et locomoteurs, leur impact sur la réponse à l'effort ainsi que leurs relations entre eux et avec les symptômes perçus. Chez ces patients, nous avons recherché les effets d'un entraiment d'une prise en charge combinant un entrainement des muscles locomoteurs et un entrainement des muscles respiratoires sur ces paramètres.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La recherche technologique au service du handicap est devenue une priorité nationale de santé publique. La Médecine Physique et de Réadaptation, qui prend notamment en charge les altérations du système neuromusculaire, est directement concernée par cet enjeu médico-sociétal. Parmi les disciplines qu'elle coordonne, la kinésithérapie occupe une place fondamentale, participant en particulier au diagnostic et à la thérapeutique des troubles du contrôle de la posture.<br />Dans ce contexte, ce travail doctoral a visé au développement et à la validation de solutions biomédicales innovantes d'amélioration du contrôle de la posture bipédique de personnes souffrant d'une altération de leur système sensori-moteur.<br />La mise en place de ces solutions nécessitant l'établissement préalable d'évaluations posturales objectives, fiables, valides et utilisables, ainsi que de fondements théoriques scientifiquement établis présumant de leur efficacité, trois objectifs complémentaires ont été poursuivis.<br />Sur un plan méthodologique, d'une part, notre travail a permis de proposer un protocole et des paramètres fiables, valides, utiles et utilisables d'évaluation posturographique des capacités de contrôle de la posture bipédique à des fins de diagnostic et de suivi des prises en charge.<br />Sur un plan fondamental dans le domaine des neurosciences comportementales, d'autre part, notre travail a permis une meilleure compréhension des mécanismes mis en jeu dans le contrôle de la posture bipédique.<br />Sur un plan appliqué à la clinique, enfin, les résultats de ces travaux nous ont permis de développer, mettre en place et évaluer l'efficacité d'une prise en charge à court terme fondée sur l'exploitation du paradigme de suppléance perceptive et dédiée à la compensation des déficits posturaux chez les personnes atteintes de lésion vestibulaire et chez les personnes amputées du membre inférieur.

Ce travail doctoral poursuivait deux objectifs : D'une part, proposer une triple contribution méthodologique à l'analyse de la coordination motrice. Cette contribution consiste premièrement à analyser la sensibilité des résultats d'une procédure de dynamique inverse à la qualité des données d'entrée anthropométriques et à proposer une recommendation quant à la méthode d'estimation des BSP à utiliser pour déterminer au mieux les moments musculaires nets. Deuxièmement, une évolution d'un modèle biomécanique associant des données périphériques de différente nature (cinématique, anthropométrie, torseur dynamique externe, EMG) dans une procédure d'optimisation numérique et permettant d'estimer les moments développés par les groupes musculaires agoniste et antagoniste de l'articulation du genou est présentée. Les évolutions apportées visent à prendre en compte la baisse de capacit'e de production de force du groupe musculaire dûe à la fatigue en se basant sur une analyse fréquentielle du signal EMG réalisée par une transformée en ondelettes. Troisièmement, une méthode d'estimation des tensions musculaires est développée avec pour objectif une prédiction optimale de l'activité musculaire antagoniste. D'autre part, analyser la coordination musculaire lors d'une tâche de "squat" réalisée en présence d'une perturbation interne ou externe des conditions de réalisation de la tâche. L'ajout d'une charge supplémentaire modifiait les conditions externes de réalisation de la tâche tandis que la présence d'une fatigue musculaire représentait une perturbation interne. Les résultats de l'analyse de la coordination musculaire montrent une exploitation de la redondance musculaire orientée vers la stabilité de l'articulation et la production de mouvements coordonnés. De plus, la gestion de cette redondance en présence de fatigue diffère de celle observée lors de l'ajout d'une charge. Le Système Nerveux Central exploite donc différemment, mais toujours de manière optimale, la redondance musculaire pour faire face à une perturbation.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La fatigue musculaire est un phénomène transitoire communément expérimenté dans la vie quotidienne. Principalement associée à un déficit de production de force, elle s’accompagne également d’une augmentation de l’effort mental à fournir pour déployer un niveau de force particulier. L’augmentation du taux de décharge des afférences nociceptives de petit diamètre (groupes III et IV) lors de contractions fatigantes modifie l’expression des commandes motrices – notamment en raison de processus inhibiteurs associés à leur intégration aux niveaux spinal et supraspinal – ce qui affecte finalement la production motrice. C’est la raison pour laquelle une intention motrice similaire avec et sans fatigue se traduira par des formes gestuelles différentes. Une problématique qui n’a jusque-là jamais été abordée dans la littérature concerne la capacité du Système Nerveux Central (SNC) à anticiper les effets de la fatigue musculaire de façon prédictive. Cette capacité prédictive sera étudiée dans ce travail de thèse au moyen de paradigmes expérimentaux faisant intervenir des processus de contrôle prédictifs de la posture, i.e. les Ajustements Posturaux Anticipés (APAs). Du fait que de nombreux travaux montrent que les APAs sont modulés en fonction des caractéristiques mécaniques du mouvement à venir, l’altération des capacités des muscles focaux grâce à des protocoles de fatigue maîtrisés nous a permis d’apprécier la capacité du SNC à en prédire les effets. Nous verrons que cette capacité est condition-dépendante, à savoir qu’elle dépend de la nature des contractions effectuées (volontaires vs. électro-induites) et du niveau de contraintes cognitives et temporelles imposées lors de la préparation du mouvement / Muscle fatigue is a transient and commonly experienced phenomenon. It is mainly associated with loss of force and leads to higher effort to produce a particular force level. The increased discharge rate of the nociceptive afferents (group III and IV) during fatiguing contractions alters motor command expression and finally motor production. An issue that has never been addressed in the literature is the Central Nervous System (CNS) capacity to anticipate muscle fatigue effects in a predictive fashion. This predictive capacity will be investigated thanks to experimental paradigms involving postural predictive processes of control, namely Anticipatory Postural Adjustments (APAs). Because numerous works show that APAs are modulated as a function of the mechanical properties of the upcoming movement, the induction of muscle fatigue at the levels of the focal muscles allowed us to appreciate the CNS capacity to predict muscle fatigue effects. We will demonstrate that this capacity is condition-dependent, i.e. it depends on the nature of the fatiguing contractions performed (voluntary vs. electro-induced) and on the level of cognitive and temporal constraints during movement preparation

Les troubles musculo-squelettiques liés au travail causent des maladies physiques et mentales chez les travailleurs, réduisent leur productivité et causent de grandes pertes aux industries et à la société. Cette thèse porte sur l'évaluation du risque physique de troubles musculo-squelettiques liés au travail, pour laquelle quatre points clés sont identifiés : la mesure de la charge de travail, l'évaluation de l'effet de l'accumulation de la charge de travail, la quantification des caractéristiques individuelles et l'intégration de l'évaluation des risques dans les outils de modélisation numérique humaine. Dans l'état de l'art, les études épidémiologiques des désordres musculo-squelettiques et les méthodes actuelles utilisées pour l'évaluation des risques physiques sont présentées, ainsi que les études concernant les quatre points clés. La deuxième partie présente une étude expérimentale portant sur 17 sujets afin d'explorer un nouvel indicateur de la fatigue musculaire avec EMG de surface. Dans la partie suivante, des développements sont faits pour intégrer un modèle de fatigue musculaire dans OpenSim, un logiciel de modélisation humaine numérique, avec lequel la diminution de capacité de chaque muscle est prévisible pour une tâche donnée. Les valeurs prévues peuvent s'appliquer à l'évaluation des risques physiques. La quatrième partie présente le travail de construction d'un modèle musculosquelettique à chaîne complète dans OpenSim, étant donné qu'aucun modèle actuel ne couvre les muscles du torse et tous les membres. Une attention particulière est portée à la méthode utilisée par OpenSim pour adapter les propriétés inertielles du modèle aux individus. Les erreurs de la méthode sont évaluées à l'aide des données de référence provenant du scanner 3D du corps entier. Dans la dernière partie, le nouveau modèle de la chaîne complète est appliqué à l'analyse de la posture d'une tâche de perçage en hauteur. L'activité musculaire varie en fonction des postures, ce qui est suggéré comme indicateur des charges posturales. / Work-related musculoskeletal disorders cause physical and mental illnesses in workers, reduce their productivity and cause great losses to industries and society. This thesis focuses on the assessment of the physical risk of work-related musculoskeletal disorders in industry, for which four key points are identified: measuring workloads, assessing the effect of workload accumulation, quantifying individual characteristics and integrating the risk assessment into digital human modeling tools. In the state of the art, the epidemiologic studies of musculoskeletal disoders and the current methods used for its physical risk assessment are reviewed, as well as the studies concerning the four key points. The second part presents an experimental study involving 17 subjects to explore a new indicator to muscle fatigue with surface EMG. In the next part, efforts are made to integrate a muscle fatigue model into OpenSim, a digital human modeling software, with which the capacity decrease of each muscle is predictable for a given task. The predicted values could be applicable to the physical risk assessment. The fourth part introduce the work to build up a Fullchain musculoskeletal model in OpenSim in view that no current model covers muscles of the torso and all the limbs. Special attention is paid to the method used by OpenSim to adapt the model inertial properties to individuals. Errors of the method is evaluated with reference data coming from the whole-body 3D scan. In the last part, the newly built Full-chain model is applied on the posture analysis of an overhead drilling task. The muscle activition varies as a function of postures, which is suggested as the indicator of posture loads.