Introduction. Les capacités et les possibilités de déplacement en fauteuil roulant manuel (FRM) sont déterminantes pour l'intégration sociale et professionnelle des usagers. Objectifs. Approfondir la connaissance des contraintes de déplacement en FRM à travers 2 études. La 1ère pour identifier les habitudes et préciser les difficultés des usagers ; la 2nde, induite par les résultats de la 1ère, pour évaluer les effets du dévers, encore méconnus, sur les astreintes cardiaques, énergétiques, musculaires et subjectives. Méthodes. La 1ère étude a été menée par questionnaire complété par 118 sujets paraplégiques en FRM. La 2nde étude, en laboratoire avec 25 hommes paraplégiques, comporte 2 tests : un test d?effort sur ergocycle à bras et un test de propulsion de 300 m et 8 conditions combinant 4 dévers (0, 2, 8 et 12 %) et 2 vitesses (0,97 m.s-1 et une vitesse choisie "de confort"). Résultats. La 1ère étude révèle un environnement peu adapté, avec des moyens de transport et des bâtiments souvent inaccessibles sans aide, et des gènes limitant les sorties des usagers parmi lesquelles figure le dévers. La 2nde étude indique des astreintes cardiaques, énergétiques et musculaires significativement modifiées par le dévers et par la vitesse (p < 0,01). L'astreinte subjective n'est pas modifiée par la vitesse. Des différences entre 0 et 2 % sont faibles mais existent. Un dévers de 12 % est difficilement réalisable. Les équilibres des activités musculaires changent dès 2 % de dévers. Le niveau lésionnel modifie de façon très importante les stratégies de déplacements et les niveaux d'astreintes mesurées ou perçues. Discussion-Conclusion. Les effets du dévers sont perceptibles dès 2 % et sont nets et délétères à 8 %. Ce travail permet de proposer de façon plus argumentée un modèle d'astreintes qui conforte le seuil de dévers fixé réglementairement à 2 % permettant à la grande majorité des usagers de FRM de se déplacer de façon autonome et de rester actifs / Introduction. Displacement capacities and possibilities in manual wheelchair (MWC) are strong determinants of social and occupational integration of MWC users. Objectives. Improve the knowledge of the strains involved by displacement in MWC through 2 studies; the first one to identify habits and difficulties of MWC users. The second one, induced by the results of the first one, has assessed the poorly known cardiac, energetic, muscular and subjective strains of the displacement of MWC users on a cross slope. Methods. The first study was a survey answered by 118 paraplegics habitual MWC users. The second one, a laboratory study conducted with 25 paraplegic men, includes 2 tests: a sub maximal arm-cranking test and a 300 m propulsion test with 8 conditions combining 4 cross slopes (0, 2, 8 et 12%) and 2 velocities (0,97 m.s-1 and a "comfortable" chosen one). Results. The first study shows an adverse environment, with many places unreachable without help and disturbances, like cross slope, which hinders users' displacements. The second study demonstrates the increases of cardiac, energetic, muscular and subjective strains with cross slope. Differencies between 0 and 2% cross slopes are low but quantified. Displacement on a 12% cross slope is very difficult. The balance of muscles activities is changing at 2% cross slope. The injury level makes deep changes in the displacements strategies and in as well perceived as measured strain levels. Discussion-Conclusion. Effects of cross slope are perceived for as low as 2% and onwards values. They are high and deleterious at 8%. This work allows to construct a model of cross slope strains which confirms that the regulatory 2% cross slope limit is well chosen because it allows most MWC users to move without help and remain active

RESUME : Le fauteuil roulant manuel (FRM), aide technique utilisée pour compenser des problèmes moteurs, asseoit le patient et induit l'utilisation des bras comme membres moteurs. Cette fonction est non naturelle et occasionne souvent des pathologies spécifiques. L'objectif de ce travail de thèse est d'apporter une contribution scientifique à l'étude de la biomécanique de propulsion en FRM en fournissant des outils de quantification. Ces outils sont une modélisation mécanique des efforts de propulsion, le développement d'un système d'analyse cinématique et la conception d'un FRM instrumenté de terrain, nommé CERAHFIT. Nous avons montré par exemple que le paramètre de résistance au roulement est primordial pour obtenir des modélisations mécaniques réalistes. Notre système d'analyse du mouvement est constitué d'une acquisition vidéo classique associée à un mannequin numérique calqué sur le sujet filmé pour reconstruire son mouvement en trois dimensions. Ce système peut être complété par les acquisitions de CERAHFIT qui permettent de mesurer les efforts au niveau du système de soutien du corps et au niveau des mains-courantes. La prochaine étape sera des acquisitions avec sujets pathologiques dans le but d'obtenir des informations objectives pour conseiller sur les réglages d'un FRM et sa conception.

L'objet de cette thèse est de proposer une méthode de calcul de la puissance mécanique développée par les utilisateurs de fauteuil roulant manuel (FRM) pour se déplacer sur le terrain. Cette méthode est basée sur un modèle mécanique 3D intégrant la cinématique des segments du Sujet et des éléments du FRM, et les efforts exercés par le Sujet sur le FRM. La vérification expérimentale de ce modèle a nécessité l'utilisation simultanée d'un système vidéographique 3D et d'un fauteuil roulant instrumenté (FRET-1) permettant la mesure des efforts appliqués par le Sujet sur le siège et sur les mains courantes du FRET-1 au cours d'un déplacement en ligne droite sur le plat. Les paramètres de résistance au roulement ont été calculés ainsi que la puissance dissipée par ces résistances. La puissance cinétique et la puissance du poids du système {Sujet + FRM} ont également été calculées puis utilisées pour calculer la puissance mécanique interne du système {Sujet + FRM}. La méthode présentée dans cette thèse ouvre des perspectives intéressantes en termes d'évaluation des capacités physiques des utilisateurs de FRM, d'optimisation des techniques de propulsion et d'amélioration de l'accessibilité des lieux publics et privés.

Le développement et la médiatisation du sport de haut niveau, notamment en fauteuil roulant, ont changé l 'image du handicap et favorisé le développement d'infrastructures permettant la pratique handisport, reconnue comme bénéfique pour la santé physique et psychique des personnes handicapées...Dans ce contexte, en partenariat avec un joueur de tennis fauteuil de haut niveau, l'objet de ces travaux a été d'étudier l'influence des réglages du fauteuil roulant sur son comportement en match, afin de l'optimiser pour le sport concerné. Ces travaux se concentrent d'abord sur les résistances au mouvement, en particulier dans les paliers des roues, lors du roulement en ligne droite et en rotation. La méthode consiste à créer d'abord un modèle mécanique représentatif du mouvement pour ensuite le valider avec une série d'expérimentations et l'exploiter. L'étude du sportif en mouvement sur son fauteuil a nécessité l'adaptation d'un modèle volumique à une personne assise, avec estimation des paramètres inertiels par mesures rapides. Ce modèle a été appliqué à l'étude de la propulsion à vitesse maximale, pour vérifier l'influence de la position du siège sur ce mouvement. Enfin une étude expérimentale des paramètres influant sur la rotation du fauteuil a mis en avant la forte influence de la position du centre de gravité du sujet sur la rotation, corroborée par un modèle mécanique.Les résultats issus de ces travaux ont permis de mieux comprendre les influences des réglages sur le comportement du fauteuil, de modifier certains réglages pour le sportif et d'orienter la conception d'un nouveau fauteuil. Ces études ont par ailleurs eu des retombées sur les fauteuils conventionnels et entre temps, notre sportif est devenu N°1 mondial...

Cette thèse appréhende des questions scientifiques d'un point de vue de la data science, dans le cadre de l'analyse des séries temporelles issues de la locomotion en fauteuil roulant manuel (FRM). Compression et classification des séries temporelles à l'aide de DTW : l'algorithme Dynamic Time Warping (DTW) est souvent utilisé car il permet d'éviter de petites distorsions entre les séries temporelles au cours de leur alignement. Cependant, DTW produit parfois des alignements pathologiques qui se produisent, lorsque au cours de la comparaison de deux séries temporelles X et Y, un point de données de la série temporelle X est comparé à une grande sous-séquence de Y. Nous démontrons que la compression de séries temporelles à l'aide de l'approximation par morceaux (Piecewise Aggregate Approximation) (PAA) augmente considérablement la qualité de l'alignement avec DTW. Classification non supervisée de séries temporelles basée sur la distance Frobenius : Un shapelet non supervisé (U-shapelet) est une sous-séquence d'une série temporelle utilisée pour segmenter un jeu de données. Notre but est de découvrir des u-shapelets sur des séries temporelles incertaines. Pour ce faire, nous proposons un score de dissimilarité robuste à l'incertitude appelé FOTS dont le calcul est basé sur la décomposition en vecteurs propres et la comparaison des matrices d'autocorrélation de la série temporelle. Ce score est robuste à la présence d'incertitude ; il n'est pas très sensible aux changements transitoires ; il permet de saisir des relations complexes entre des séries temporelles telles que les oscillations et les tendances, et il est également bien adapté à la comparaison de séries temporelles courtes. Le score FOTS a été utilisé avec l'algorithme Scalable Unsupervised Shapelet Discovery pour le clustering de 17 jeux de données, et il a montré une amélioration substantielle de la qualité du clustering par rapport à l'indice Rand. Représentation symbolique de série temporelles cycliques basée sur les propriétés des cycliques : L'analyse des séries temporelles cycliques de la biomécanique est basée sur la comparaison des propriétés de leurs cycles. En général, les algorithmes de fouille de données ignorent cette particularité, nous proposons une représentation symbolique des séries temporelles cycliques basées sur les propriétés de cycles, appelés SAX-P. Les chaînes de caractères résultantes peuvent être comparées en utilisant la distance de distorsion temporelle dynamique (DTW). L'application de SAX-P aux moments propulsifs de trois sujets (S1, S2, S3) se déplaçant en FRM a mis en évidence de caractère asymétrique de leur propulsion. La représentation symbolique SAX-P facilite l'interprétation clinique des résultats de classification. / This thesis addresses scientific issues from a data science perspective as part of the analysis of time series from manual wheelchair locomotion (FRM).Compression and classification with Dynamic Time Warping: Dyna- mic Time Warping (DTW) is a time series alignment algorithm that is often used because it considers that it exits small distortions between time series during their alignment. However, DTW sometimes produces pathological alignments that occur when, during the comparison of two time series X and Y, one data point of the time series X is compared to a large subsequence of data points of Y. In this chapter, we demonstrate that compressing time series using Piecewise Aggregate Approximation (PAA) is a simple strategy that greatly increases the quality of the alignment with DTW. This result is particularly true for synthetic data sets.Frobenius correlation based u-shapelets discovery for time series clustering: An unsupervised shapelet (u-shapelet) is a sub-sequence of a time series used for clustering a time series dataset. The purpose of this chapter is to discover u-shapelets on uncertain time series. To achieve this goal, we propose a dissimilarity score robust to uncertainty called FOTS whose computation is based on the eigen- vector decomposition and the comparison of the autocorrelation matrices of the time series. This score is robust to the presence of uncertainty; it is not very sensitive to transient changes; it allows capturing complex relationships between time series such as oscillations and trends, and it is also well adapted to the comparison of short time series. The FOTS score has been used with the Scalable Unsupervised Shapelet Discovery algorithm for the clustering of 17 datasets, and it has shown a substantial improvement in the quality of clustering with respect to the Rand Index. This work defines a novel framework for clustering of uncertain time series.Symbolic representation of cyclic time series based on properties of cycles: The analysis of cyclic time series from bio-mechanics is based on the comparison of the properties of their cycles. As usual algorithms of time series classification ignore this particularity, we propose a symbolic representation of cyclic time series based on the properties of cycles, named SAX-P. The resulting character strings can be compared using the Dynamic Time Warping distance. The application of SAX-P to propulsive moments of three subjects (S1, S2, S3) moving in Manual Wheelchair highlight the asymmetry of their propulsion. The symbolic representation SAX-P facilitates the reading of the cyclic time series and the clinical interpretation of the classification results.

Le développement et la médiatisation du sport de haut niveau, notamment en fauteuil roulant, ont changé l 'image du handicap et favorisé le développement d'infrastructures permettant la pratique handisport, reconnue comme bénéfique pour la santé physique et psychique des personnes handicapées...Dans ce contexte, en partenariat avec un joueur de tennis fauteuil de haut niveau, l'objet de ces travaux a été d'étudier l'influence des réglages du fauteuil roulant sur son comportement en match, afin de l'optimiser pour le sport concerné. Ces travaux se concentrent d'abord sur les résistances au mouvement, en particulier dans les paliers des roues, lors du roulement en ligne droite et en rotation. La méthode consiste à créer d'abord un modèle mécanique représentatif du mouvement pour ensuite le valider avec une série d'expérimentations et l'exploiter. L'étude du sportif en mouvement sur son fauteuil a nécessité l'adaptation d'un modèle volumique à une personne assise, avec estimation des paramètres inertiels par mesures rapides. Ce modèle a été appliqué à l'étude de la propulsion à vitesse maximale, pour vérifier l'influence de la position du siège sur ce mouvement. Enfin une étude expérimentale des paramètres influant sur la rotation du fauteuil a mis en avant la forte influence de la position du centre de gravité du sujet sur la rotation, corroborée par un modèle mécanique.Les résultats issus de ces travaux ont permis de mieux comprendre les influences des réglages sur le comportement du fauteuil, de modifier certains réglages pour le sportif et d'orienter la conception d'un nouveau fauteuil. Ces études ont par ailleurs eu des retombées sur les fauteuils conventionnels et entre temps, notre sportif est devenu N°1 mondial... / The development of Paralympics has done a lot for a more positive image of handicap and has opened up new opportunities for the practice of disability sport, known to be highly beneficial for the physical and psychological health of disabled people. Conducted in close partnership with a high level tennis player, this study focuses on the influence of the wheelchair settings on its behavior in order to adapt this behavior to wheelchair tennis playing. The study first highlighted the forces of resistance to straight line or rotating wheelchair movements, thanks to mechanical models validated by experiments. Then, the inertial parameters of the seated player's body segments were assessed by adapting a volumic model to the sitting position, and his propulsion at maximal velocity was studied, in order to understand the effect of the seat fore-and-aft position on this movement. Then, an experimental study proved the major influence of the center of gravity position on free rotation, which was modelized too.In a nutshell, this research work has led to a better understanding of the effects of the wheelchair settings on its behavior, its results have allowed to modify various settings on our partner's wheelchair and can be used as a basis for future wheelchair conception/design. They have also proved useful for conventional wheelchairs and in the meantime, our tennis player partner has become wheelchair tennis world champion…

L’étude de la biomécanique de la locomotion en fauteuil roulant manuel (FRM) a pour objectif de limiter le risque d’apparitions de blessures du membre supérieur, en optimisant la facilité à se déplacer. De nombreuses études ont montré qu’un ajustement des réglages du FRM avait un impact sur la mobilité. Néanmoins, les modèles utilisés dans la littérature pour représenter les interactions « sujet-FRM » et « FRM-environnement » possédaient plusieurs limitations. Ainsi, l’objectif premier de la thèse était la mise en place d’un modèle musculo-squelettique du membre supérieur permettant de modéliser l’interaction entre le sujet et le FRM, en utilisant des méthodes expérimentales adaptées pour appliquer ce modèle. Le second objectif était de construire un modèle mécanique du FRM en mouvement permettant de calculer les forces de réaction entre le sol et les roues du FRM. Le dernier objectif était d’appliquer une procédure d’optimisation numérique des réglages du FRM incluant les modèles développés durant la thèse. Le modèle musculo-squelettique développé a permis d’analyser la biomécanique du membre supérieur lors de la locomotion en FRM chez les sujets recrutés lors des campagnes de mesures. L’optimisation des réglages du FRM a été mise en place à partir du modèle mécanique du FRM, permettant de confirmer l’influence de plusieurs réglages sur la mobilité en FRM. Enfin, des perspectives d’amélioration de la procédure d’optimisation des réglages ont été explorées, à partir d’algorithmes de génération prédictive du mouvement. / The study of manual wheelchair (MWC) locomotion biomechanics aims at lowering the risk of upper limbs injuries, by optimizing mobility. Several studies have showed that adjusting MWC settings had an impact on MWC mobility. However, the models used in the literature to depict the « user-MWC » and « MWC-floor » interactions had several limitations. Thus, the first aim of this thesis was to develop a musculoskeletal model of the upper limbs allowing to describe the « user-MWC » interaction, by using adapted experimental methods to apply this model. The second aim of the thesis was to implement a mechanical model of the MWC allowing to compute ground reaction forces during locomotion. The final aim of the thesis was to apply a numerical optimisation procedure, including the models developed during the thesis, to optimize MWC settings. The musculoskeletal model developed during the thesis allowed to analyze biomechanics of the upper limbs during MWC locomotion among subjects recruited during experimental sessions. The MWC settings optimization was implemented with the mechanical model developed during the thesis and confirmed the influence of various MWC settings on mobility. Eventually, improvement perspectives for the numerical optimization procedure of MWC settings were explored, based on predictive movement generation with optimal control algorithms.

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L’objectif principal de ce travail était d’évaluer les situations à risque de TMS chez les utilisateurs de fauteuil roulant manuel (FRM). Pour cela un indice d’inconfort articulaire biomécanique basé sur une cotation par logique floue a été créé. Il fut ensuite utilisé dans trois situations d’usage courant du FRM : propulsion, transfert et franchissement. L’objectif secondaire de ce travail était d’identifier les articulations les plus délétères au sein de chaque activité. L’étude 1 a permis de mettre en évidence que l’Inconfort Articulaire est moyen lors de la propulsion sur sol plat et augmente avec la pente. L’étude 2 souligne que la stratégie de positionnement du tronc lors d’un transfert par pivot n’influence pas le niveau de risque déjà important du transfert mais que le niveau d’inconfort varie entre les deux bras. Enfin la troisième étude a permis de mettre en évidence un niveau de risque plus important au cours du franchissement d’obstacle que lors de la propulsion. La montée des roues arrière étant la phase la plus exigeante. L’analyse des activités de la vie quotidienne a pour objectif d’évaluer les AVQ les plus délétères pour les utilisateurs de FRM afin « d’orienter » l’utilisation du FRM pour préserver leurs MS en limitant les activités les plus à risques. L’Indice d’Inconfort Articulaire focal de chaque activité a permis de mettre en évidence les articulations les plus à risques au cours de chaque activité : le poignet et l’épaule. La prévalence importante des TMS chez les utilisateurs de FRM et la survenue possible tout au long de leur vie nécessite la mise en place d’un suivi avec pour objectif premier de prévenir l’apparition des TMS. / The main objective of this work was to evaluate MD risk situations in manual wheelchair users (MWU). To do a biomechanical joint discomfort index based on a fuzzy quote was created. It was then used in three common use cases of MWU: propulsion, transfer and curb ascent. The secondary objective of this study was to identify the most deleterious joints within each activity.The study 1 helped highlight the discomfort Articular is medium during propulsion on level ground and increases with the slope. The study 2 emphasizes that the positioning strategy of the trunk during a pivot transfer does not affect the already high level of risk transfer but the level of discomfort varies between the two arms. Finally, the third study to show a higher level of risk in the curb ascent that during propulsion. The rise of the rear wheels is the most demanding phase.Analysis of the daily activities (DA) aims to assess the most deleterious DA for MWU in order to "guide" the MW use to preserve their UL by limiting the most risky activities. The focused articular discomfort index of each activity helped to highlight the most at-risk joints in each activity: the wrist and shoulder. The high prevalence of MDs among MWU and possible occurrence throughout their lifetime requires the establishment of a monitoring with the primary objective to prevent the development of MDs. We observed in these studies that the level of risk varies from one skill to another as well as joint stress. However, to be complete analysis of the risk level should be taking into account environmental aspects.

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