Lorsqu’elle s’inscrit dans un contexte tel que celui des pays en développement, la notion de handicap se caractérise par des tendances bien singulières. C’est notamment en République de Guinée que nous avons décidé de centrer notre travail, traitant des problématiques liées aux handicaps physiques et plus particulièrement aux déficiences des membres inférieurs. Les objectifs fixés dans cette recherche consistent à expliquer les causes et les conséquences de la prédominance de ce type de déficiences à Conakry. De plus, parmi d’autres problématiques que soulève notre travail, nous nous intéressons aux représentations que reflètent les handicaps et aux influences qu’elles subissent de la part des croyances traditionnelles et religieuses. Notre travail s’inscrit donc à la fois dans la volonté d’établir un état des lieux de la situation actuelle et dans la réalisation d’un important travail de terrain qui a été mené à Conakry entre 2008 à 2011 auprès d’un millier de personnes. D’après nos résultats, la principale cause des déficiences des membres inférieurs est liée aux séquelles de la poliomyélite et à la présence d’autres facteurs de risques tels que l’insécurité routière. De plus, selon nos analyses, près de 80% des personnes atteintes de ce type de déficience résidant à Conakry sont issues de l’exode rural. Une fois installées à Conakry, elles optent pour les trois modes de subsistance à savoir : la pratique de la mendicité (48%), l’occupation d’un emploi (16%) et la prise en charge familiale (18%). Par ailleurs, chaque mode semble déterminer leur participation et leur intégration au sein de la société. Enfin, nos résultats montrent que près de la moitié des Guinéens croit en la sorcellerie et en la nature maléfique des handicaps. Comme nous l’expliquons, ces croyances influencent négativement les représentations des handicaps. Pour conclure, selon nos analyses la majorité des Guinéens s’accorde à définir le handicap comme un phénomène biomédical et le considère comme un problème individuel et non social. / While dealing with the context of the developing countries, the notion of handicap is characterized in a specific way. We carried out our study in the Republic of Guinea, particularly related to the problems of the handicap, more specifically with the disability of inferior members. The main objectives of this research consist in explaining the causes and the consequences of the ascendancy of this type of deficiencies in Conakry. Furthermore, among the other problems analyzed in this work, we are interested in the representations which reflect the handicaps and the influence of traditional and religious beliefs on handicap. Our work is aimed to present the current conditions of the situation and to carry out a significant work on the site. In this framework, we organized two surveys during 2008 and 2009, dealing with approximately 1000 persons. According to our results, the main cause of the deficiencies of lower limbs is associated to the aftereffects of the poliomyelitis and to the presence of the other risk factors, such as the lack of safety on the roads. Furthermore, according to our analyses, about 80 % of the people questioned, belonged to the rural depopulation. Once installed in Conakry, they opt for three modes of subsistence: the practice of begging (48 %), working (16 %) and the family care (18 %). Moreover, each mode seems to determine the participation and the integration of these individuals in the society. Finally, our results show that nearly half of the Guineans believe in the witchcraft and in the malefic nature of the handicaps. Consequently, the faith influences negatively on the interpretation of the handicaps. To conclude, according to our analyses, the majority of the Guineans agrees to define the handicap as a biomedical phenomenon and considers it as an individual and not a social problem.

L’évaluation de la Distance de Marche Maximale (DMM) des artériopathes claudicants représente un enjeu primordial puisqu'une DMM inférieure à 300 mètres est en faveur d'une prise charge chirurgicale. En routine clinique, la DMM est évaluée par questionnaires, méthode d'évaluation très subjective, ou par tests de marche sur tapis roulant qui sont protocole-dépendants et reproduisent mal la douleur habituelle. Aussi, l'objet de cette thèse est de tester la validité de méthodologies innovantes utilisant le GPS et la mesure transcutanée de la pression en dioxygène (TcPO2) lors d’un test de marche sur tapis roulant à l’égard de l’évaluation de la gêne fonctionnelle à la marche de patients artériopathes claudicants. La première étude montre que les scores au questionnaire EACHQ et la DMM déclarée par les patients sont plus corrélés à la DMM mesurée avec un GPS (reflet du patron de marche spontané) qu'aux scores du questionnaire WIQ, au test de marche de 6 minutes et au test sur tapis roulant. La seconde étude montre l'intérêt de la TcPO2 d'effort dans la détection des ischémies à l’exercice chez des patients présentant des Index de Pression Systolique de Cheville normaux. Les troisième et quatrième études montrent la fiabilité du GPS ainsi que son applicabilité dans l'évolution des paramètres de marche avant et après une revascularisation. Enfin, la cinquième étude suggère que le couplage GPS-accéléromètre permet l’estimation indirecte de la dépense énergétique chez le patient artériopathe. En conclusion, l'actimétrie (e.g., GPS, accéléromètre) et laTcPO2 d’effort constituent des méthodes valides et fidèles pour évaluer la marche de patients artériopathes claudicants. / Peripheral Arterial Diseased (PAD) is a major concern regarding their clinical care since a revascularization intervention is indicated below the cut-off point of 300 m. In clinical routine, MWD is usually assessed with clinical questionnaires, a highly subjective method, and with walking treadmill tests that are design-dependent and that hardly reproduce the usual pain of the patients during the walk. Therefore, the aim of this doctoral work is to test the validity of innovative methodologies based on GPS and Transcutaneous Pressure in Oxygen (TcPO2) during a treadmill test with respect to the assessment of the functional limitation in PAD patients. The first study shows that scores of the Estimation of Ambulatory Capacity by History-Questionnaire and MWD that is declared by the patients are more related to the GPS-measured MWD (that reflects the spontaneous walking pattern) than to the scores of the Walking Impairment Questionnaire, the 6-min walking test, and the walking treadmill test. The second study evidences the relevance of the use of TcPO2 during a walking treadmill test in detecting ischemia during exercise among patients with normal Ankle to brachial Index. The third and fourth studies show the reliability of the GPS as well as its applicability to the evolvement of the walking parameters following revascularization. Finally, the fifth study suggests that the GPS-accelerometer coupling is able to estimate the energy expenditure of PAD patients. To conclude, actimetry (e.g., GPS, accelerometer) and exercise TcPO2 are valid and reliable methods to evaluate the walk of PAD patients.

Le sujet de thèse concerne le développement de l'architecture de contrôle et la génération de trajectoire pour un exosquelette évolutif appelé SOL. Les résultats de l'étude biomédicale ont révélé que la progressivité de la maladie pouvait être résolue par une réadaptation précoce et continue tout au long de la croissance. Ainsi, l'importance de l'utilisation d'un exosquelette a un impact positif puisqu'il sert à la fois à la locomotion et à la réhabilitation. Cependant, les exosquelettes actuels ne peuvent pas être adaptés au changement continu de la biomécanique de l'adolescent tout au long de sa croissance. Par conséquent, le besoin de développer un exosquelette évolutif capable de faire face aux besoins croissants est un sujet interdisciplinaire. L'architecture de contrôle d'un tel dispositif évolutif a été abordée dans cette thèse, à la fois dans les développements matériels et logiciels pour incorporer autant que possible la fonctionnalité d'évolutivité. Les étapes initiales ont été franchies en vue d'atteindre l'objectif d'un exosquelette évolutif, en contribuant à la fois aux développements matériels qui permettent d'apporter d'autres améliorations tout au long de l'avancement du projet, et aux développements du firmware, qui ont répondu aux besoins en matière d'évolutivité au niveau du contrôle.L'extensibilité a également été abordée aux trois niveaux hiérarchiques de contrôle. Plus spécifiquement, une attention particulière a été accordée à la génération des trajectoires de référence de la marche pour une population en croissance. Enfin, grâce à la connaissance de la biomécanique du sujet, le contrôleur développé est capable d’identifier les trajectoires appropriées et injecter les trajectoires de référence des actionneurs de l’exosquelette SOL.Un premier prototype de l'exosquelette est utilisé pour manifester les résultats du générateur de marche évolutionnaire (E.G.G.) proposé. Comme premier prototype, un mouvement de marche libre dans l'air est testé, où la validation du matériel proposé et des boucles de contrôle sont démontrées. L'étude des réponses de contrôle des exosquelettes contre les perturbations externes probables et des scénarios de sécurité en cas de défaillance est encore un travail futur obligatoire avant de réaliser les premiers tests sur l'exosquelette humain. / The thesis' subject concerns the development of the control architecture and the trajectory generation for a scalable exoskeleton called SOL. The biomedical study outcomes revealed that the progressiveness of the disease could be solved by early and continuous rehabilitation throughout the growth. Thus, the importance of using an exoskeleton has a positive impact since it is used to provide locomotion and rehabilitation, at the same time. However, the current exoskeletons cannot be adapted to fit the continuous change of teenager biomechanics throughout his growth. Hence, the need for developing a scalable exoskeleton that can cope with the growing needs is still a challenging topic. Especially, the control architecture of such a scalable device was tackled in this thesis, in both hardware and software developments to incorporate the scalability features. Initiative steps have been passed towards the goal of achieving a scalable exoskeleton, by contributing in hardware developments that allowing further enhancements to be included throughout the advancement of the project. Firmware developments achieved have addressed the scalability needs in terms of control by considering the three hierarchical levels (which are: High, Middle, and low-levels of control). More specifically, a focus was dedicated to the generation of the gait reference trajectories for the growing population. Data were collected from healthy subjects wearing a passive exoskeleton to extract the proper joint trajectories, then, the data were processed to build a gait library to be deployed on the exoskeleton controller. Finally, by knowledge of the subject biomechanics, the controller is able to fetch the proper trajectories and inject the reference trajectories to the SOL's actuators. A first prototype of the exoskeleton is used to manifest the outcomes of the proposed Evolutionary Gait Generator (E.G.G.). As a first prototype, A free walking in air motion is tested, where the validation of the proposed hardware and control loops are demonstrated. Studying the exoskeletons' control responses against probable external disturbances and fail-safe scenarios are still future work mandatory before achieving first human-exoskeleton testing.

Résumé: But : Les objectifs étaient de 1) décrire les profils de force musculaires aux membres inférieurs (MIs) et les capacités aux déplacements des personnes présentant les phénotypes adulte classique (DM1-AC) et adulte tardif (DM1-AT) de la dystrophie myotonique de type 1 (DM1), et 2) d’explorer l’influence de la faiblesse des MIs sur les capacités aux déplacements dans cette population. Méthode : Cette étude consiste en une analyse secondaire de données issues d’une plus large recherche qui visait à identifier les déterminants de la participation sociale et de la qualité de vie de personnes atteintes de DM1 (n = 158 DM1-AC et n = 42 DM1-AT). La force de quatre groupes musculaires des MIs a été mesurée à l’aide du bilan musculaire manuel (BMM) et du bilan musculaire quantitatif (BMQ) par dynamométrie manuelle. Les capacités aux déplacements ont été évaluées à l’aide de tests standardisés (échelle d’équilibre de Berg, vitesse de marche et Timed Up & Go). Résultats : Le phénotype DM1-AT présente moins de faiblesse et d’incapacités que le phénotype DM1-AC (p < 0,001 – 0,020). Le BMM ne détecte pas de faiblesse chez le phénotype DM1-AT mais des pertes de force au BMQ de 12 % à 20 % ont été identifiées chez ce phénotype, excepté pour les fléchisseurs du genou, entrainant des limitations aux déplacements chez 22 % à 48 % de ces individus. Dans le phénotype DM1-AC, l’atteinte musculaire était légèrement plus importante en distal qu’en proximal. Selon ces résultats, les phénotypes DM1-AC et DM1-AT présentent des portraits distincts et les données relatives à chacun devraient être analysées séparément. Une progression générale de la faiblesse au BMQ et des scores aux tests fonctionnels a été observée en fonction des cotes de l’échelle Muscular Impairment Rating Scale (MIRS). Un déficit de force au BMQ (excepté pour les fléchisseurs du genou) et des incapacités fonctionnelles ont aussi été observés dès les premières cotes de la MIRS. Finalement, les dorsifléchisseurs de la cheville et les extenseurs du genou semblent être de bons indicateurs de la fonction des membres inférieurs en DM1. Conclusion : Cette étude a permis de dresser un portrait des atteintes de la force musculaire aux MIs et des capacités fonctionnelles liées aux déplacements pour chacun des phénotypes DM1-AC et DM1-AT de la DM1, ainsi que d’explorer la contribution de la faiblesse des groupes musculaires évaluées sur les capacités aux déplacements dans cette population. Ces résultats contribueront à mieux déterminer les cibles d’évaluation et d’interventions en réadaptation et à mieux définir le processus d’évaluation dans le contexte des essais thérapeutiques à venir. / Abstract: Purpose: The purposes of this study were 1) to describe lower limbs muscle strength and mobility capacities, and 2) to explore the respective contribution of lower limb muscle weaknesses on mobility in the adult and late-onset phenotypes of myotonic dystrophy type 1 (DM1). Methods: This study is a secondary analysis of part of the results of a larger study, whose purpose was to identify social participation and quality-of-life determinants in 200 DM1 patients (158 adult and 42 late-onset). The strength of four lower limb muscle groups was assessed using manual muscle testing (MMT) and handheld dynamometry quantitative muscle testing (QMT). Mobility capacities were assessed using standardized tests (Berg balance scale, 10 Meter Walk Test and Timed Up & Go). Results: Although the late-onset phenotype showed less weaknesses and mobility limitations than the adult phenotype (p <0.001-0.020), and although MMT showed no weakness in the late-onset phenotype, quantitative strength losses of 12-20% were measured in this phenotype, with the exception of the knee flexors. These weaknesses led to mobility limitations in 22-48% of participants with the late-onset phenotype. In the adult phenotype, muscle strength impairment was slightly more important distally than proximally (2-2.5/10 and 5.8-8.2% for MMT and QMT, respectively) (p <0.001-0.002). According to those results, the adult and late-onset phenotypes show different profiles of lower limb impairment, and should not be pooled for data analysis. A general progression of quantitative muscle weakness and of mobility scores was observed according to the Muscular Impairment Rating Scale (MIRS) classification. Quantitative weaknesses, with the exception of the knee flexors, and mobility limitations were observed from the first MIRS grades. QMT is therefore definitely a more effective tool for measuring weakness in DM1. Finally, ankle dorsiflexors and knee extensors seem to be good indicators of lower limb function in DM1. Conclusion: This study allowed a better characterization of lower limb weaknesses and mobility limitations in the adult and late-onset phenotypes of DM1, and explored the contribution of lower limb weaknesses on mobility capacities in this population. These results will be useful for developing more specific rehabilitation programs and for optimizing the evaluation of these impairments in the context of the upcoming therapeutic trials. Keywords: Myotonic dystrophy type 1, phenotypes, muscle strength, mobility capacities, lower limbs, explanatory variables, physiotherapy.

Dans l’hémiparésie consécutive à un AVC, une coactivation anormale des extenseurs du genou et de la cheville est souvent observée à la jambe atteinte lorsque la personne tente de bouger ou encore lors de la marche. Les mécanismes sous-jacents à cette coactivation sont mal compris. Bien que l’AVC entraîne une lésion supraspinale, des évidences démontrent le dysfonctionnement de certains circuits spinaux dans l’hémiparésie. Ce projet de doctorat visait à évaluer : 1) l’excitabilité des circuits spinaux intersegmentaires projetant des extenseurs du genou aux extenseurs de la cheville et 2) si un éventuel dysfonctionnement de ces circuits dans l’hémiparésie est associé à une coactivation anormale des extenseurs du genou et de la cheville lors de contractions statiques et au cours de la marche. La première étude compare la modulation de l’activité réflexe du soléaire suite à la stimulation du nerf fémoral entre des sujets hémiparétiques et sains. Une augmentation de la facilitation hétéronyme de courte latence et une diminution de l’inhibition ultérieure du réflexe H du soléaire ont été observées chez les sujets hémiparétiques. Ces résultats démontrent un dysfonctionnement des circuits intersegmentaires propriospinaux liant le quadriceps au soléaire suite à l’AVC. La deuxième étude démontre que ces changements dans la modulation hétéronyme des sujets hémiparétiques, évaluée au moyen de la méthode complexe basée sur l’activité réflexe du soléaire, sont similaires à ceux observés lorsque la modulation est évaluée en utilisant une méthode plus simple, soit celle de l’activité volontaire du soléaire. De plus, la modulation hétéronyme évaluée par les deux méthodes est corrélée avec l’atteinte motrice à la jambe parétique. La troisième étude a permis de quantifier une augmentation de la coactivation entre les extenseurs du genou et de la cheville lors de contractions volontaires statiques chez des personnes hémiparétiques par rapport à des personnes saines. De plus, le niveau accru de la coactivation involontaire des extenseurs de la cheville lors de l’activation volontaire des extenseurs du genou s’avère corrélé avec la modulation intersegmentaire du côté parétique. La quatrième étude a utilisé un indice temporel, soit l’intervalle entre les pics d’activation électromyographique (PAI), et un indice d’amplitude de coactivation (CAI) pour quantifier une augmentation de la coactivation entre les extenseurs du genou et de la cheville lors de la marche chez des personnes hémiparétiques par rapport à des personnes saines. Ces indices sont corrélés, pour certains groupes musculaires, avec la modulation intersegmentaire modifiée du côté parétique. Finalement, des résultats préliminaires montrent que la vibration mécanique du tendon rotulien (80 Hz) réduit la facilitation intersegmentaire accrue des sujets hémiparétiques. Ce projet doctoral a permis de mettre en lumière un dysfonctionnement de circuits spinaux liant le quadriceps et le soléaire dans l’hémiparésie consécutive à un AVC. Ce changement dans les mécanismes neurophysiologiques de la moelle épinière est corrélé avec des changements fonctionnels. Ainsi, ce dysfonctionnement pourrait contribuer à la coactivation involontaire entre les extenseurs du genou et de la cheville qui fait partie intégrante de la synergie pathologique en extension souvent rencontrée à la jambe parétique lors d’efforts en statique et pendant la marche. Finalement, une étude préliminaire suggère que la vibration mécanique serait une modalité sensorielle prometteuse pour réguler l’hyperexcitabilité des circuits spinaux qui contribuerait aux atteintes motrices chez les personnes hémiparétiques. / In stroke individuals, an abnormal coactivation of knee and ankle extensors is often observed when the paretic leg is voluntarily moved and during gait. The mechanisms underlying this abnormal coactivation are not well understood. Although, stroke is the result of a supraspinal lesion, studies have shown that spinal pathways might also be affected in hemiparesis. This doctoral project aims: 1) to assess intersegmental pathways projecting from knee extensors to ankle extensors in hemiparetic patients and 2) to evaluate whether a potential malfunction in these pathways after stroke is associated with an abnormal coactivation of leg extensors during static contractions and during gait. The first study of this project compares the effects of femoral nerve (FN) stimulation on soleus reflex activity in hemiparetic patients and healthy individuals. An increase of the early short-latency heteronymous facilitation and a decrease of the later inhibition of soleus H reflex induced by FN stimulation were observed in stroke patients. These results demonstrate the malfunction of intersegmental short propriospinal pathways linking quadriceps to soleus after stroke. The second study shows that these changes in the heteronymous modulation assessed with the complex method using soleus H reflex are similar to those found using a simpler method based on the modulation of soleus voluntary EMG. Moreover, changes in the propriospinal modulation observed with both methods were correlated with motor impairments of the paretic leg. The third study has quantified an increased coactivation of knee and ankle extensors during static contractions in stroke patients compared to healthy controls. Furthermore, the increased coactivation of ankle extensors during the voluntary contraction of knee extensors was related to the modified heteronymous modulation in the paretic leg. The fourth study has quantified an increased coactivation of knee and ankle extensors in hemiparetic gait using a temporal coactivation index, that was the peak activation interval (PAI) and a coactivation amplitude index (CAI). In some muscles, these indexes were correlated to the modified intersegmental modulation of soleus voluntary activity on the paretic side of stroke patients. Finally, preliminary results have shown that vibration of the patellar tendon (80 Hz) can reduce the enhanced heteronymous facilitation observed in the paretic leg. This doctoral project demonstrates the malfunction of intersegmental pathways linking quadriceps to soleus in hemiparesis following stroke. The neurophysiological alterations at the spinal level are correlated with functional changes. This malfunction could contribute to the abnormal involuntary coactivation of knee and ankle extensors often observed in the paretic leg while the person attempts to move or during gait. Finally, a preliminary study indicates that mechanical vibration could be a promising sensory modality in the regulation of the hyperexcitability of spinal reflex pathways, which is thought to participate in motor impairments after stroke.

La thérapie cellulaire suscite de grands espoirs dans le domaine cardiovasculaire. Cependant les premières études humaines sont décevantes. Parmi les explications avancées, citons un mauvais choix de cellules, une méthode de délivrance inadéquate, une préparation des cellules et des tissus hôtes insuffisante ou une trop grande mortalité cellulaire après injection.Durant ce travail nous avons voulu explorer 3 pistes d’optimisation de la thérapie cellulaire à visée pro-angiogénique utilisant les cellules souches mésenchymateuses (MSC) et contribué à l’exploration des mécanismes mis en jeu, en particulier en explorant le rôle du système Wnt/Frizzled.Nous avons tout d’abord étudié un système original de délivrance de cellules utilisant un « patch » musculaire cousu en regard d’un myocarde infarci de souris. Puis nous avons étudié l’effet d’une surexpression de sFRP1, inhibiteur de la voie Wnt, sur un modèle de matrice sous cutanée. Enfin, nous avons testé l’hypothèse qu’un préconditionnement hypoxique des cellules permettrait une meilleure survie cellulaire et améliorerait la réparation vasculaire et tissulaire après ischémie de patte chez la souris.Nos résultats permettent notamment de montrer que les MSC ont des capacités d’invasion des tissus ischémiques et qu’elles se différencient en péricytes en formant un réseau tridimensionnel de soutien aux cellules endothéliales. Par ailleurs, via sFRP1, nous mettons en évidence un rôle du système Wnt/Fzd dans l’effet pro-angiogénique. Enfin, nous montrons l’intérêt du préconditionnement hypoxique dont les effets sont médiés par Wnt4.L’ensemble de ces données permet d’envisager des voies d’optimisation de la thérapie cellulaire. / Some of the challenges facing stem-cell therapy for cardiac disease are which type of stem cell or progenitor cell is the best candidate for therapy, how to survive in the low oxygen environment of ischemic myocardium. Here we studied the potential of mesenchymal stem cells (MSCs) as vascular progenitor cells in vitro and in vivo, and we studied the effects of sFRP-1/Wnt signaling modulation or hypoxia on MSC properties. First, we demonstrated the beneficial effect of MSC application on ischemic heart repair using an original surgical model (patch) to deliver stem cells. This study showed that the contribution of the MSCs in the mouse infarcted myocardium was beneficial either on the scar (increase in angiogenesis, in cell proliferation, reduction in ventricular remodeling) or on the trophicity of the patch.Then we characterized the angiogenic properties of MSC in vitro and in vivo. Our data demonstrate that MSCs could be recruited and formed vascular structures around endothelial tubes. We showed in vivo that the surexpression of sFRP-1 (regulating factor of the Wnt system) in MSCs increased their potential of pericyte-like cells correlated with an increased maturation of the vessels via an intracellular GSK-3 dependent pathway in MSCs. Our next objective was to investigate the effects of hypoxia exposure on MSC before implantation for vascular and tissue regeneration in mice with hind limb ischemia. Our data suggest that hypoxic preconditioning has a critical role on MSC dynamic functions, shifting MSC location in situ to enhance ischemic tissue recovery, facilitating vascular cell mobilization and skeletal myoblast regeneration via a paracrine Wnt dependent mechanism.

Les problèmes neurologiques dus aux AVC et aux lésions de la moelle épinière ainsi que la faiblesse des muscles squelettiques peuvent considérablement affecter les capacités motrices des personnes infirmes ou âgées. Les solutions traditionnellement utilisées pour l’assistance et le traitement de ces personnes dépendantes, sont relativement coûteuses; en termes de prise charge, elles impliquent, pour les aidants et les services de santé, des efforts humains et des moyens financiers importants. Dans ce cadre, la robotique apparaît comme une solution bien adaptée et prometteuse pour développer des systèmes d’assistance permettant d’améliorer l’autonomie des personnes dépendantes. Les exosquelettes des membres inférieurs sont des robots portables, destinés à être utilisés en tant que dispositifs d’aide à la mobilité pour augmenter les capacités motrices des sujets porteurs, ou comme auxiliaires de rééducation neuromusculaire. Ce domaine de recherche a fait l’objet, ces dernières années, d’un intérêt grandissant au sein de la communauté robotique. Du fait qu’un exosquelette est caractérisé par une interaction physique et cognitive directe avec son porteur, sa fonction principale est de fournir une assistance adaptée aux capacités sensorimotrices du sujet porteur. Il est, par conséquent, nécessaire de développer des stratégies de commande basées sur l’intention de mouvement du porteur. Du point de vue de l’exosquelette, les contacts physiques avec le sujet porteur ou l’environnement sont considérés comme des perturbations affectant la bonne réalisation des mouvements désirés du porteur. Ces perturbations doivent être également être prises en compte lors de la conception des stratégies de commande.Dans cette thèse, nous proposons trois stratégies de commandes assistives pour les exosquelettes des membres inférieurs. Deux modes d’assistance sont étudiés ici: le mode passif où le sujet dispose de capacités motrices très limitées et ne développe quasiment aucun effort, et le mode actif-aidé où le sujet possède certaines capacités motrices mais qui sont insuffisantes pour réaliser de manière autonome un mouvement désiré. Dans la première stratégie de commande, le sujet est supposé être en mode passif. Une commande robuste par modes glissants, basée sur un observateur non-linéaire de perturbations (Nonlinear Disturbance Observer (NDO)), est développée pour garantir un suivi précis des mouvements désirés de l’articulation du genou. Dans la deuxième stratégie de commande, nous proposons une structure de commande en impédance active non-linéaire où le sujet est supposé être en mode actif-aidé. Cette stratégie de commande assistive est utilisée pour assister le porteur dans la réalisation d’activités physiques mono-tâche. L’évaluation des performances de la structure proposée sont étudiées dans le cadre de deux activités: la flexion/extension du genou et le transfert assis-debout. Enfin, la troisième stratégie de commande proposée est une commande contextualisée pour assister le porteur dans ses activités de marche. Nous proposons une approche permettant de détecter le mode de marche dès le début d’un nouveau pas, en utilisant les caractéristiques cinématiques du porteur, à savoir la position et la vitesse des pieds lors de la marche. L’approche de détection du mode de marche rend possible la sélection des modèles cinématique et cinétique appropriés pour chaque mode. Différentes stratégies d’assistance sont développées: compensation partielle de la gravité, assistance basée impédance de type ressort/amortisseur virtuel et assistance de type impédance nulle. Ces stratégies sont combinées différemment selon le mode de marche estimé. Pour évaluer les performances des stratégies de commande proposées, deux prototypes d’exosquelettes des membres inférieurs ont été développés: l’exosquelette de l’articulation du genou EICOSI, et l’exosquelette des membres inférieurs E-ROWA / Neurological problems caused by stroke and spinal cord injury as well as the weakness of skeletal muscles may considerably affect the motor ability of the elderly and infirm. Traditional solutions of assistance and treatment for these dependent people are relatively costly; they generally need significant human efforts and financial resources from caregivers and national healthcare centers. In this context, robotics appears as a convenient and promising solution to develop assistive systems for improving the autonomy of dependent people. Lower limb exoskeletons are wearable robots that can be used as assistive devices for augmenting the wearer’s motor ability and/or improving the effectiveness of neuromuscular rehabilitation. Recently, they have attracted increasing interest in the robotics community. As lower limb exoskeletons exhibit close cognitive and physical interactions with the wearer, a fundamental function is to provide appropriate power assistance by taking into account the wearer’s sensor-motor ability. Consequently, it is of great importance to develop human intention based control strategies. Meanwhile, from the exoskeleton’s viewpoint, the physical contacts with the wearer and the environment are both considered disturbances affecting the accomplishment of the wearer’s desired movements. These disturbances should also be taken into account during the design of control strategies.In this thesis, we develop three assistive control strategies for lower limb exoskeletons. In the meantime, two modes of assistance are studied: the passive mode in which the wearer has very limited motor ability as well as the active-assisted mode in which the wearer has certain motor ability but that is insufficient to perform autonomously a desired physical movement. In the first control strategy, the wearer is assumed to be in passive mode. A robust sliding mode control approach is developed based on the use of a nonlinear disturbance observer, in order to guarantee accurate tracking performance of desired knee joint movements. In the second control strategy, we propose a human intention based nonlinear active impedance control structure, in which the wearer is in an active-assisted mode. This assistive strategy is used to assist the wearer in single-task physical activities, for instance, the knee joint flexion/ extension movement. We investigate the performance of the proposed control structure based on two case studies: knee-joint flexion/extension movements and sit-to-stand movements. Finally, the third control strategy is developed to assist the wearer during walking activities. We propose a new approach that is able to detect the gait mode at the early beginning of a new step using the kinematic features namely velocity and position of the wearer’s feet during walking. The proposed gait mode detection approach makes it possible to select appropriate kinematic and kinetic models for each gait mode. Different assistive strategies are developed: partial gravity compensation, virtual-spring/damper based impedance assistance and zero impedance assistance. These strategies are combined differently according to the estimated wearer’s gait mode. To evaluate the proposed control strategies, two lower limb exoskeleton prototypes are developed: a knee joint lower limb exoskeleton, called EICOSI, and a full lower limb exoskeleton, called E-ROWA

La compréhension du fonctionnement du corps humain est un challenge de recherche an de prendre une décision médicale (le diagnostic, le traitement) adéquate dans le cas des pathologies liées au syst ème musculosquelettique. Pour faire face à cette problématique, dans un premier temps, un modèle biomécanique a été développé décrivant la dynamique du mouvement avec prise en considération des caractéristiques géométriques (os et muscles) et mécaniques du système musculo-squelettique. Une étude de sensibilité de ces paramètres géométriques à partir des données de la littérature a montré l'importance de la personnalisation des ces paramètres. En application, un cas d'étude clinique d'un sujet présentant une pathologie (Heine-Medin (polio)) a été étudié. Deux modèles personnalisés (un sujet sain et un sujet pathologique) ont été réalisés. Les résultats obtenus ont montré l'intérêt d'une modélisation personnalisée pour évaluer et concevoir des orthèses personnalisés. Dans un deuxième temps, nous avons proposé une nouvelle classe de modèle - un méta modèle (Système d'Aide à la Décision) - intégrant des résultats du domaine de l'ingénierie des connaissances pour prédire, diagnostiquer, classer et proposer un traitement des pathologies du système musculo-squelettique des membres inférieurs (anomalies rotationnelles (AR), enfants PC (Paralysie Cérébrale), pied bot). La modélisation de ce méta modèle se base sur les modèles mathématiques prédictifs pour prendre une décision médicale (une prédiction, un diagnostic, ou une classi cation). Le but nal est de dégager un résultat cliniquement applicable. Ce système est générique, exible, et extensible et permet donc l'étude et l'analyse de pathologies diverses du système musculosquelettique des membres inférieurs. Enn, une comparaison de ces deux approches de modélisation a été eectuée an d'évaluer leur complémentarité pour une utilisation clinique.

Dans l’hémiparésie consécutive à un AVC, une coactivation anormale des extenseurs du genou et de la cheville est souvent observée à la jambe atteinte lorsque la personne tente de bouger ou encore lors de la marche. Les mécanismes sous-jacents à cette coactivation sont mal compris. Bien que l’AVC entraîne une lésion supraspinale, des évidences démontrent le dysfonctionnement de certains circuits spinaux dans l’hémiparésie. Ce projet de doctorat visait à évaluer : 1) l’excitabilité des circuits spinaux intersegmentaires projetant des extenseurs du genou aux extenseurs de la cheville et 2) si un éventuel dysfonctionnement de ces circuits dans l’hémiparésie est associé à une coactivation anormale des extenseurs du genou et de la cheville lors de contractions statiques et au cours de la marche. La première étude compare la modulation de l’activité réflexe du soléaire suite à la stimulation du nerf fémoral entre des sujets hémiparétiques et sains. Une augmentation de la facilitation hétéronyme de courte latence et une diminution de l’inhibition ultérieure du réflexe H du soléaire ont été observées chez les sujets hémiparétiques. Ces résultats démontrent un dysfonctionnement des circuits intersegmentaires propriospinaux liant le quadriceps au soléaire suite à l’AVC. La deuxième étude démontre que ces changements dans la modulation hétéronyme des sujets hémiparétiques, évaluée au moyen de la méthode complexe basée sur l’activité réflexe du soléaire, sont similaires à ceux observés lorsque la modulation est évaluée en utilisant une méthode plus simple, soit celle de l’activité volontaire du soléaire. De plus, la modulation hétéronyme évaluée par les deux méthodes est corrélée avec l’atteinte motrice à la jambe parétique. La troisième étude a permis de quantifier une augmentation de la coactivation entre les extenseurs du genou et de la cheville lors de contractions volontaires statiques chez des personnes hémiparétiques par rapport à des personnes saines. De plus, le niveau accru de la coactivation involontaire des extenseurs de la cheville lors de l’activation volontaire des extenseurs du genou s’avère corrélé avec la modulation intersegmentaire du côté parétique. La quatrième étude a utilisé un indice temporel, soit l’intervalle entre les pics d’activation électromyographique (PAI), et un indice d’amplitude de coactivation (CAI) pour quantifier une augmentation de la coactivation entre les extenseurs du genou et de la cheville lors de la marche chez des personnes hémiparétiques par rapport à des personnes saines. Ces indices sont corrélés, pour certains groupes musculaires, avec la modulation intersegmentaire modifiée du côté parétique. Finalement, des résultats préliminaires montrent que la vibration mécanique du tendon rotulien (80 Hz) réduit la facilitation intersegmentaire accrue des sujets hémiparétiques. Ce projet doctoral a permis de mettre en lumière un dysfonctionnement de circuits spinaux liant le quadriceps et le soléaire dans l’hémiparésie consécutive à un AVC. Ce changement dans les mécanismes neurophysiologiques de la moelle épinière est corrélé avec des changements fonctionnels. Ainsi, ce dysfonctionnement pourrait contribuer à la coactivation involontaire entre les extenseurs du genou et de la cheville qui fait partie intégrante de la synergie pathologique en extension souvent rencontrée à la jambe parétique lors d’efforts en statique et pendant la marche. Finalement, une étude préliminaire suggère que la vibration mécanique serait une modalité sensorielle prometteuse pour réguler l’hyperexcitabilité des circuits spinaux qui contribuerait aux atteintes motrices chez les personnes hémiparétiques. / In stroke individuals, an abnormal coactivation of knee and ankle extensors is often observed when the paretic leg is voluntarily moved and during gait. The mechanisms underlying this abnormal coactivation are not well understood. Although, stroke is the result of a supraspinal lesion, studies have shown that spinal pathways might also be affected in hemiparesis. This doctoral project aims: 1) to assess intersegmental pathways projecting from knee extensors to ankle extensors in hemiparetic patients and 2) to evaluate whether a potential malfunction in these pathways after stroke is associated with an abnormal coactivation of leg extensors during static contractions and during gait. The first study of this project compares the effects of femoral nerve (FN) stimulation on soleus reflex activity in hemiparetic patients and healthy individuals. An increase of the early short-latency heteronymous facilitation and a decrease of the later inhibition of soleus H reflex induced by FN stimulation were observed in stroke patients. These results demonstrate the malfunction of intersegmental short propriospinal pathways linking quadriceps to soleus after stroke. The second study shows that these changes in the heteronymous modulation assessed with the complex method using soleus H reflex are similar to those found using a simpler method based on the modulation of soleus voluntary EMG. Moreover, changes in the propriospinal modulation observed with both methods were correlated with motor impairments of the paretic leg. The third study has quantified an increased coactivation of knee and ankle extensors during static contractions in stroke patients compared to healthy controls. Furthermore, the increased coactivation of ankle extensors during the voluntary contraction of knee extensors was related to the modified heteronymous modulation in the paretic leg. The fourth study has quantified an increased coactivation of knee and ankle extensors in hemiparetic gait using a temporal coactivation index, that was the peak activation interval (PAI) and a coactivation amplitude index (CAI). In some muscles, these indexes were correlated to the modified intersegmental modulation of soleus voluntary activity on the paretic side of stroke patients. Finally, preliminary results have shown that vibration of the patellar tendon (80 Hz) can reduce the enhanced heteronymous facilitation observed in the paretic leg. This doctoral project demonstrates the malfunction of intersegmental pathways linking quadriceps to soleus in hemiparesis following stroke. The neurophysiological alterations at the spinal level are correlated with functional changes. This malfunction could contribute to the abnormal involuntary coactivation of knee and ankle extensors often observed in the paretic leg while the person attempts to move or during gait. Finally, a preliminary study indicates that mechanical vibration could be a promising sensory modality in the regulation of the hyperexcitability of spinal reflex pathways, which is thought to participate in motor impairments after stroke.

Rationnel : L'implication établie des progéniteurs endothéliaux circulants dans les phénomènes de néovascularisation chez l'adulte a stimulé la recherche de thérapeutiques angiogènes basées sur la greffe de ces cellules. Deux types cellulaires au phénotype endothélial sont actuellement définis entre autres par leur cinétique d'apparition en culture : les progéniteurs précoces (CFU-EC ou CAC) et tardifs (ECFC). Notre équipe a montré que l'injection thérapeutique de cellules mononucléées de moelle osseuse (BM-MNC) permettait la néovascularisation du site ischémié chez des patients atteints d'artériopathie des membres inférieurs, et que les néovaisseaux formés avaient le phénotype d'ECFC. Nous avons dans un premier temps mesuré les concentrations de différentes protéines modulant l'angiogenèse, chez des patients atteints de pathologies ischémiques et cardiovasculaires, ou impliquant des anomalies vasculaires associées à la fibrose. Ainsi, le transforming growth factor - β1 (TGF-β1) dans la fibrose pulmonaire idiopathique (FPI), la thrombospondine-1 (TSP-1) dans l'artériopathie des membres inférieurs (AMI), et le placental growth factor (PlGF) chez les patients atteints de pathologies cardiovasculaires [syndrome coronarien aigu (SCA), ou patients devant subir une chirurgie de la valve ou un pontage coronarien], se sont distingués comme potentiel biomarqueur plasmatique dans ces pathologies, et ont été étudiés dans la biologie des ECFC humaines.Résultats : Le taux plasmatique de TGF-β1 est augmenté chez les patients atteints de FPI par rapport à la population contrôle ; il a un effet pro-angiogène in vivo (vascularisation des implants de Matrigel®) et in vitro (prolifération et migration des ECFC) via les récepteurs ALK-1, ALK-5 et TGF-βRII. Le taux plasmatique de TSP-1 est augmenté chez les patients artéritiques par rapport à la population contrôle. Par ailleurs les néovaisseaux formés de patients artéritiques ayant été traités par injection locale de BM-MNC expriment la TSP-1. Dans les modèles murins de Matrigel®-plugs et d'ischémie du membre inférieur (IMI), la TSP-1 induit une diminution de la vascularisation des implants ainsi qu'une diminution de la revascularisation du membre ischémié. In vitro, la TSP-1 augmente l'adhésion via un mécanisme N-Terminal dépendant, et diminue le potentiel angiogène (prolifération et migration) des ECFC via sa liaison au récepteur CD47, ce qui active la voie de signalisation SDF-1/CXCR4. Le taux plasmatique de PlGF est augmenté chez les patients atteints de SCA par rapport à 2 populations contrôles ; il est également augmenté chez les patients ayant subit une chirurgie cardiaque. Les PlGF-1 et -2 potentialisent la tubulogenèse des ECFC in vitro via la phosphorylation du récepteur VEGFR1. Cet effet est aboli lorsque le VEGFR1 est inhibé par ARN interférence ou par le composé chimique " 4321 ". De plus ce composé " 4321 " inhibe la vascularisation des implants de Matrigel®, ainsi que la revascularisation du membre ischémié dans le modèle d'IMI.Conclusions : Le TGF-β1 joue un rôle dans le remodelage vasculaire de la FPI via les ECFC ; la TSP-1 est un potentiel biomarqueur de l'angiogenèse induite par les ECFC dans l'AMI ; l'inhibition de la voie PlGF/VEGFR1 module la tubulogenèse induite par les ECFC, cellules impliquées dans la formation de nouveaux vaisseaux. Nous avons ainsi mis en évidence 3 protéines modulant l'angiogenèse dans 3 contextes pathologiques différents, caractérisés par un remodelage vasculaire et où les ECFC sont impliquées dans leurs mécanismes physiopathologiques. Ces 3 protéines se présentent donc comme de potentiels biomarqueurs plasmatiques, modulant les propriétés angiogènes des ECFC et pouvant influencer leur efficacité en tant que produit de thérapie cellulaire. Ces protéines jouent un rôle probable dans l'équilibre homéostatique au décours des pathologies concernées.