Les systèmes neuromusculaires et musculo-squelettique sont considérés comme un système de systèmes complexe. En effet, le mouvement du corps humain est contrôlé par le système nerveux central par l'activation des cellules musculaires squelettiques. L'activation du muscle produit deux phénomènes différents : mécanique et électrique. Ces deux activités possèdent des propriétés différentes, mais l'activité mécanique ne peut avoir lieu sans l'activité électrique et réciproquement. L'activité mécanique de la contraction du muscle squelettique est responsable du mouvement. Le mouvement étant primordial pour la vie humaine, il est crucial de comprendre son fonctionnement et sa génération qui pourront aider à détecter des déficiences dans les systèmes neuromusculaire et musculo-squelettique. Ce mouvement est décrit par les forces musculaires et les moments agissant sur une articulation particulière. En conséquence, les systèmes neuromusculaires et musculo-squelettique peuvent être évalués avec le diagnostic et le management des maladies neurologiques et orthopédiques à travers l'estimation de la force. Néanmoins, la force produite par un seul muscle ne peut être mesurée que par une technique très invasive. C'est pour cela, que l'estimation de cette force reste l'un des grands challenges de la biomécanique. De plus, comme dit précédemment, l'activation musculaire possède aussi une réponse électrique qui est corrélée à la réponse mécanique. Cette résultante électrique est appelée l'électromyogramme (EMG) et peut être mesurée d'une façon non invasive à l'aide d'électrodes de surface. L'EMG est la somme des trains de potentiel d'action d'unité motrice qui sont responsable de la contraction musculaire et de la génération du mouvement. Ce signal électrique peut être mesuré par des électrodes à la surface de la peau et est appelé I'EMG de surface {sEMG). Pour un muscle unique, en supposant que la relation entre l'amplitude du sEMG et la force est monotone, plusieurs études ont essayé d'estimer cette force en développant des modèles actionnés par ce signal. Toutefois, ces modèles contiennent plusieurs limites à cause des hypothèses irréalistes par rapport à l'activation neurale. Dans cette thèse, nous proposons un nouveau modèle de relation sEMG/force en intégrant ce qu'on appelle le sEMG haute définition (HD-sEMG), qui est une nouvelle technique d'enregistrement des signaux sEMG ayant démontré une meilleure estimation de la force en surmontant le problème de la position de l'électrode sur le muscle. Ce modèle de relation sEMG/force sera développé dans un contexte sans fatigue pour des contractions isométriques, isotoniques et anisotoniques du Biceps Brachii (BB) lors une flexion isométrique de l'articulation du coude à 90°. / The neuromuscular and musculoskeletal systems are complex System of Systems (SoS) that perfectly interact to provide motion. This interaction is illustrated by the muscular force, generated by muscle activation driven by the Central Nervous System (CNS) which pilots joint motion. The knowledge of the force level is highly important in biomechanical and clinical applications. However, the recording of the force produced by a unique muscle is impossible using noninvasive procedures. Therefore, it is necessary to develop a way to estimate it. The muscle activation also generates another electric phenomenon, measured at the skin using electrodes, namely the surface electromyogram (sEMG). ln the biomechanics literature, several models of the sEMG/force relationship are provided. They are principally used to command musculoskeletal models. However, these models suffer from several important limitations such lacks of physiological realism, personalization, and representability when using single sEMG channel input. ln this work, we propose to construct a model of the sEMG/force relationship for the Biceps Brachii (BB) based on the data analysis of a High Density sEMG (HD-sEMG) sensor network. For this purpose, we first have to prepare the data for the processing stage by denoising the sEMG signals and removing the parasite signals. Therefore, we propose a HD-sEMG denoising procedure based on Canonical Correlation Analysis (CCA) that removes two types of noise that degrade the sEMG signals and a source separation method that combines CCA and image segmentation in order to separate the electrical activities of the BB and the Brachialis (BR). Second, we have to extract the information from an 8 X 8 HD-sEMG electrode grid in order to form the input of the sEMG/force model Thusly, we investigated different parameters that describe muscle activation and can affect the relationship shape then we applied data fusion through an image segmentation algorithm. Finally, we proposed a new HDsEMG/force relationship, using simulated data from a realistic HD-sEMG generation model of the BB and a Twitch based model to estimate a specific force profile corresponding to a specific sEMG sensor network and muscle configuration. Then, we tested this new relationship in force estimation using both machine learning and analytical approaches. This study is motivated by the impossibility of obtaining the intrinsic force from one muscle in experimentation.

La végétation aquatique submergée (VAS) est une composante essentielle qui structure les écosystèmes aquatiques continentaux. Elle soutient plusieurs fonctions et services écosystémiques, dont le soutien d’habitats pour la faune, la stabilisation du rivage, le maintien d’une eau claire et la régulation des cycles des nutriments. Cependant, la VAS est soumise aux activités humaines qui modifient leur habitat, altère leur quantité et menacent le maintien de ces services. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre comment les quantités de la VAS répond aux variations environnementales et quels sont les effets de ces modifications sur les fonctions et services qu’elle soutient. Cet objectif est abordé de différents angles d’attaque et à différentes échelles spatiales et temporelles. Tout d’abord, une nouvelle méthode permettant des économies de temps et d’argent pour mesurer la biomasse de la VAS est proposée. À l’aide de deux modèles de calibration, la méthode combine trois techniques existantes couramment utilisées pour estimer la biomasse de la VAS : le prélèvement de biomasse dans des quadrats en plongée, le prélèvement à l’aide d’un râteau manié depuis la surface et l’échosondage à partir d’une embarcation. Cette approche offre l’avantage de limiter l’utilisation risquée et fastidieuse du quadrat avec plongeur, mais fournissant la mesure de biomasse la plus fiable. La première calibration avec le quadrat permet d’utiliser le râteau et corrige son biais, alors que la deuxième calibration entre râteau et échosondage convertit les valeurs mesurées par cette dernière en biomasse. L’utilisation de l’échosondage permet ainsi d’estimer plus rapidement la biomasse à grande échelle. La méthode est validée à partir de données d’échosondage qui sont confrontées avec des biomasses par quadrat, démontrant la robustesse de l’approche. Ensuite, les variations climatiques interannuelles et leurs effets sur la rétention de l’azote ont été évalués pendant six étés dans un herbier aquatique à la confluence de deux tributaires agricoles avec le fleuve Saint-Laurent. Des budgets d’azote journalier ont été estimés par la différence entre les concentrations modélisées de nitrate dans les tributaires et les concentrations sortantes de l’herbier mesurées par une sonde à haute fréquence. La rétention totale a été partitionnée en assimilation autotrophe et en dénitrification à partir de la variation diurne en nitrate. Les budgets ont été confrontés à un indice de biomasse de VAS, la pente de la surface du niveau de l’eau, qui a révélé un portrait détaillé de l’évolution de la biomasse au cours de la saison de croissance. Les résultats montrent que la rétention est influencée par les variations de niveau de l’eau, de température, de biomasse de la VAS et d’apports en nitrate. De hauts taux de consommation de nitrate sont rapportés, parmi les plus élevés mesurés en rivière, avec une biomasse accrue de plantes accrue favorisant l’élimination permanente par la dénitrification. Enfin, une synthèse sur les tendances, les facteurs globaux déterminant les quantité de VAS dans les lacs ainsi que comment les quantité y ont été mesurées est présentée. La compilation a été effectuée à l’aide d’une recherche par mot clés réalisée sur une base de données bibliographiques. La synthèse montre un portrait dynamique dans le temps et dans l’espace des quantités de VAS. Bien que les déclins de quantités soient prédominants, plusieurs séries temporelles récentes indiquent une récupération de la VAS, patrons qui varient selon les régions et les activités humaines. Les usages dans les bassins versants liés à l’eutrophisation sont associés aux déclins, particulièrement en Asie, alors que les augmentations sont surtout associées à la gestion de la VAS en Europe. Les tendances plus variables en Amérique du Nord sont associées à l’arrivée d’espèces envahissantes. Cette thèse innove en fournissant une nouvelle méthode qui facilite la mesure de la biomasse de la VAS à grande échelle. Elle contribue également aux connaissances sur la VAS et le cycle de l’azote en grande rivière en caractérisant la variation de la rétention de nitrate et en soulignant leur important rôle comme site de transformation dans ces écosystèmes. Finalement, elle contribue à la biogéographie de la VAS continentale dans les lacs, indique des lacunes de connaissance, souligne les développements méthodologiques souhaitables et informe sur l’influence de facteurs expliquant la variation de la VAS qui seront utiles pour sa gestion future. Ces informations seront profitables au maintien des fonctions et services soutenus par la VAS et à son utilisation comme une solution fournie par la nature face aux changements globaux. / Submerged aquatic vegetation (SAV) is an essential component that structures inland waters. SAV sustains numerous ecosystem services and functions, such as providing habitat for fauna, stabilizing shoreline, maintaining clear water and regulating nutrient cycles. However, SAV is submitted to human activities that modify their habitat, alter their quantities and threaten the ecosystem services they may provide. The objective of this thesis is to better understand how SAV quantities responds to environmental variations, and what are the effect of these modifications on the functions and services they sustain. This objective is approached in different ways and at various spatial and temporal scales. First, a new cost-effective method to measure SAV biomass is proposed. The method combines three existing techniques by means of two calibration models. This approach has the advantage of reducing the hazardous and cumbersome use of quadrats with divers, whilst providing the most accurate biomass measure. The first calibration with the quadrat allows for the application of the rake and corrects for its bias, while the second calibration between rake and echosounding converts the values measured by the latter into biomass. The use of echosounding thus allows for the estimation of biomass more rapidly at larger scale. The method is validated from echosounding data that are compared to quadrat biomasses, demonstrating the robustness of the approach. Second, interannual climate variation and their effect on nitrogen retention were evaluated during six summers in a SAV meadow at the confluence zone of two agricultural tributaries with the Saint Lawrence River. Daily nitrogen budgets were estimated as the difference between modelled nitrate concentration in the tributaries and concentration outflowing the SAV meadow measured with a high frequency sensor. Total retention was partitioned into autotrophic assimilation and denitrification from the diel nitrate variation. The budgets were compared to an indicator of SAV biomass, the slope of water level surface, which provided a detailed portrait of biomass changes throughout the growing season. The results show that retention is influenced by variation in water levels, temperature, SAV biomass and nitrate inputs. Among the highest nitrate uptake rates are reported compared to previous measurements in inland waters, with plant biomass favoring permanent removal through denitrification. Third, a synthesis on trends and drivers of SAV quantities in lakes, as well as on how it was measured is presented. The compilation was conducted from a keyword search on a bibliographic database. The synthesis shows a dynamic depiction in space and time of SAV quantities. Although decreasing quantities are predominant, many recent time series indicate SAV recovery, and these patterns vary with regions and human activities. Direct activities in watersheds leading to eutrophication are associated with decreases, particularly in Asia, while increases are more associated with SAV management in Europe. Trends are more variable in North America due to invasive species. This thesis innovates by providing a new method facilitating SAV biomass measurement at large scale. The thesis also contributes to knowledge on SAV and on nitrogen cycling in large rivers by characterizing the variation in nitrate retention. Finally, the thesis contributes to inland SAV biogeography, identifies knowledge gaps, indicates desirable methodological developments and informs on drivers of SAV that could inform its future management. This information will be beneficial for the preservation of the ecosystem services and functions provided by SAV and its use as a nature-based solution against global changes.

Ultraprecision single point diamond turning is required to produce parts with sub-nanometer surface roughness and sub-micrometer surface profiles tolerances. These parts have applications in the optics industry, where tight form accuracy is required while achieving high surface finish quality. Generally, parts can be polished to achieve the desired finish, but then the form accuracy can easily be lost in the process rendering the part unusable. Currently, most mid to low spatial frequency surface finish errors are inspected offline. This is done by physically removing the workpiece from the machining fixture and mounting the part in a laser interferometer. This action introduces errors in itself through minute differences in the support conditions of the over constrained part on a machine as compared to the mounting conditions used for part measurement. Once removed, the fixture induced stresses and the part’s internal residual stresses relax and change the shape of the generally thin parts machined in these applications. Thereby, the offline inspection provides an erroneous description of the performance of the machine. This research explores the use of a single, high resolution, capacitance sensor to quickly and qualitatively measure the low to mid spatial frequencies on the workpiece surface, while it is mounted in a fixture on a standard ultraprecision single point diamond turning machine after a standard facing operation. Following initial testing, a strong qualitative correlation exists between the surface profiling on a standard offline system and this online measuring system. Despite environmental effects and the effects of the machine on the measurement system, the capacitive system with some modifications and awareness of its measurement method is a viable option for measuring mid to low spatial frequencies on a workpiece surface mounted on an ultraprecision machine with a resolution of 1nm with an error band of ±5nm with a 20kHz bandwidth. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)