No description available.

Contexte : Après 65 ans, une femme sur deux souffre d’incontinence urinaire (IU) et de celles-ci, 25% souffrent de symptômes sévères (>10 épisodes/semaine). Une association positive a été établie entre l’IU liée à l’urgence (IUU) ou l’IU mixte (IUM) et les chutes. Cependant, les caractéristiques de force musculaire des membres inférieurs, d’équilibre, de mobilité et de fonction des femmes âgées avec IUU/IUM ont été peu étudiées jusqu’à maintenant. L’objectif principal de cette étude était donc de comparer la force des membres inférieurs, l’équilibre, la mobilité et la fonction chez les femmes âgées présentant ou non de l’IUU/IUM. L’objectif secondaire était de déterminer la relation de ces caractéristiques et la sévérité de l’IU. Méthode : Dans cette étude pilote transversale, 20 femmes avec IUU/IUM ont été appariées à 20 femmes continentes pour l’âge et l’IMC. Les participantes étaient âgées de 65 ans ou plus, vivaient à domicile et étaient capables de se déplacer de façon sécuritaire, sans aide technique. Des questionnaires validés et des tests standardisés ont permis de recueillir de l’information sur les symptômes d’IU (questionnaire ICIQ-UI SF), puis d’évaluer la force musculaire des membres inférieurs (dynamométrie des fléchisseurs et extenseurs des genoux, test du 30-Second Sit-to-Stand), l’équilibre (test d’équilibre unipodal, Four Square Step Test, questionnaire Activities-Specific-Balance-Confidence), la mobilité (10-Meter Walk Test, 6-Minute Walk Test) et la fonction (questionnaire Human Activity Profile, questionnaire SF-12). Résultats : Comparativement aux femmes continentes, les femmes avec IUU/IUM ont présenté des différences significatives au niveau de l’équilibre: temps réduit au test unipodal du côté dominant (p˂0,001) et non-dominant (p˂0,005); score inférieur sur la version adaptée du Activities-Specific Balance Confidence Scale (p=0,01). Les femmes avec IUU/IUM ont également présenté des différences significatives au niveau de la mobilité: vitesse de marche réduite (p=0,01); évaluation de la santé physique moins élevée mesurée à l’aide du SF-12 (p=0,01). Aucune différence n’a été observée entre les groupes quant à la force musculaire des membres inférieurs et la fonction. Aucune association significative n’a été observée entre la sévérité des symptômes d’IU rapportés par les femmes avec IUU/IUM et les mesures de force musculaire des membres inférieurs, d’équilibre, de mobilité et de fonction. Conclusion : Les résultats de cette étude suggèrent des atteintes à l’équilibre et la mobilité chez les femmes âgées avec IUU/IUM. D’autres études sont cependant nécessaires pour confirmer ces résultats. Les études futures sur cette clientèle devraient inclure l’évaluation de groupes musculaires additionnels (i.e. hanches, chevilles). En rapportant les calculs de puissance de tailles d’échantillon, cette étude pilote ouvre la voie à d’autres projets de plus large envergure. / Context : After the age of 65, the prevalence of urinary incontinence (UI) is one in two women. A positive correlation between falls and urgency UI (UUI) or mixed UI (MUI) has been identified. However, lower-extremity impairments in older women with UUI/MUI have not been thoroughly investigated. The primary goal of this study was to compare lower limb strength, balance, mobility and function in older women with and without UUI/MUI. The secondary goal was to evaluate the association between these measurements and UI severity. Methods : Forty older women with and without UUI/MUI completed standardized tests to gather data on UI symptoms (ICIQ-UI SF questionnaire) lower limb strength (knee flexor/extensor dynamometry, 30-Second Sit-to-Stand Test), balance (Single Leg Stance Test, Four Square Step Test, Activities-Specific-Balance-Confidence questionnaire), mobility (10-Meter Walk Test, 6-Minute Walk Test) and function (Human Activity Profile questionnaire, SF-12 questionnaire). Results : Significant differences in balance and mobility were observed between groups. Women with UI had shorter single leg stance times both on the dominant (p˂0.001) and non-dominant (p˂0.005) sides, lower balance confidence scores (p=0.01) and slower gait speeds (p=0.01). Women with UI also reported a significantly lower self-perceived health (p=0.01). No significant differences were observed in knee flexor/extensor strength and in function. No significant correlations were found between the severity of the UI symptoms reported by women with UI in the ICIQ-UI-SF and the measurements of lower limb muscle strength, balance, mobility or function Conclusion : The results from this pilot study suggest balance and mobility impairments in high-functioning older women with UUI/MUI. More studies are needed to confirm these results. By reporting power calculation for sample size, this pilot study provides a useful basis to design and conduct larger studies.

Les travaux présentés dans cette mémoire visent à développer de nouvelles méthodes qui exploitent les propriétés de cyclostationnarité pour traiter des signaux de force de réaction du sol enregistrées au cours de la marche et la course à pied. Nous nous intéressons à l’analyse de la locomotion humaine dans trois domaines d´études: une étude liée à la pathologie, une deuxième liée directement à l’âge et une troisième relative à la fatigue. En effet, la détection du risque de chute chez les personnes âgées pour fin de prévention contre la chute constitue un enjeu majeur, car cette chute entraine d’une part un nombre de décès important et d’autres part se traduit par un cout élevée de la santé publique. Par ailleurs, l’étude de la fatigue musculaire en particulier pour l’amélioration des performances des sportifs de haut niveau a fait l’objet de nombreux travaux de recherche & développement. La recherche et le développement de nouvelles méthodes et d’indicateurs dans le domaine de traitement de signal dans le but de caractériser la locomotive humaine, permettrait des avancées intéressantes dans les enjeux évoqués ci-dessus. La complexité des signaux GRF est définie par le système neuromusculaire qui génère ce signal. Une meilleure connaissance de ce système nécessite le développement des méthodes de séparation de sources et des outils avancés de traitement du signal pour mieux décrire le système considéré. En effet, nous montrons dans cette thèse que les signaux GRF peuvent être modélisés dans un cadre cyclostationnaire élargi. Les composantes de signal GRF (contribution active et passive) sont séparées par de nouvelles techniques de séparation de sources. Cette modélisation ouvre de nouvelles perspectives pour la décomposition et identification des sources individuelles. D'autre part, on exploite les caractères cyclostationnaire des signaux dans le cadre de la méthode d'analyse en composantes morphologique (MCA). Cet algorithme nous permet de séparer avec succès les composantes d’ordre 1 et d’ordre 2 des signaux considérés. Finalement, nous nous proposons un nouveau modèle utile pour l'étude et la caractérisation de cyclostationnarité. Il présente l'effet de la variation aléatoire de la pente sur le spectre du signal cyclique. Nous appelons ce modèle (modèle cyclostationnaire à pente aléatoire). Nous appliquons ce modèle pour l'étude des signaux biomécaniques où nous considérons la pente comme une mesure spécifique extraite des forces de réaction du sol. Les résultats montrent que la pente et les polynômes à coefficients aléatoires du pic passive peuvent jouer un rôle important et fournir des informations intéressantes concernant la fatigue et concernant la performance de marche et course à pied / The research work presented in this dissertation, involves the development of novel methodologies and methods, for the exploitation of cyclostationarity properties and for the treatment of ground reaction force signals, recorded during walking and running. We are especially interested in the analysis of human locomotion in three fields of interest: a study relating to pathology, a study directly related to age, and a study of muscle fatigue. Indeed, the detection of risk of falling among the elderly for the prevention of falls is of major concern. This is because falling on the one hand leads to a large number of deaths and secondly, resulting in higher costs of public health.Study the muscle fatigue in particular has occupied taken a big share out of this research due to the importance of such events like strenuous level of sports. Research and development of new methods and indicators in the field of signal processing for better characterizing the human locomotion, would allow interesting advances in the aforementioned issues. The complexity of GRF signals is defined by the neuromuscular system which generates this signal. Improved knowledge of this system requires developing source separation methods and advanced signal processing tools to better describe the system under consideration. Indeed, we will endeavor to show in this dissertation that GRF signals can be modeled within an enlarged cyclostationary framework. The GRF signal components (active and passive contribution) are separated by means of new source separation techniques. This modeling opens new perspectives for the decomposition and identification of individual sources. On the other hand, we exploit the cyclostationary characters of signals in the context of Morphological component analysis (MCA) method. Such algorithm enables us to successfully separate the first and second order components of the signals under consideration. Finally, we provide a new model useful for studying and characterizing cyclostationarity. It presents the impact of random slope variation on the cyclic spectrum of the signal. We call this model the random slope modulation (RSM). We apply this model for studying biomechanical signals where we consider the slope as a specic measure extracted from the vertical ground reaction forces. The results show that the slope and polynomial random coefficients of passive peaks can play important role and provide interesting information concerning fatigue and concerning running / walking performance

Pour mieux comprendre et traiter les troubles musculosquelettiques présents à l’épaule, une meilleure connaissance de la contribution et de la fonction de chaque muscle de l’articulation glénohumérale est nécessaire. L’analyse des forces musculaires et articulaires est une étape importante pour comprendre les mécanismes de blessures et les pathologies. Ces forces musculaires peuvent être estimées de façon non invasive grâce à des modèles musculosquelettiques. Le défi est de prédire de façon physiologique les trajectoires musculaires et les bras de levier afin de s’assurer d’avoir une cohérence des forces musculaires dans les modèles musculosquelettiques. L’objectif de cette thèse était d’améliorer la géométrie musculaire des modèles musculosquelettiques de l’épaule en passant par plusieurs méthodes différentes d’implémentation des trajectoires musculaires. À cet égard, nos objectifs spécifiques étaient de : (1) améliorer la géométrie musculaire des modèles multicorps rigides grâce à l’implémentation de contraintes transverses; (2) évaluer la fiabilité d’un modèle éléments finis pour l’estimation des bras de levier et (3) tester la sensibilité de la prédiction des bras de levier aux incertitudes sur les zones d’insertions musculaires; (4) établir une base de données de bras de levier 3D pour des mouvements de grande amplitude; (5) quantifier de façon expérimentale les changements architecturaux des muscles entre l’état au repos et différents niveaux de contraction isométrique. (1) Deux modèles multicorps rigides de la coiffe des rotateurs ont été développés : un modèle classique intégrant une représentation des lignes d’action en 1D et un modèle possédant des contraintes transverses entre les lignes d’action permettant une représentation 2D. La représentation 2D avec des contraintes transverses permet une représentation plus physiologique des trajectoires musculaires et des bras de levier que les modèles classiques 1D. Toutefois, lors de mouvement allant au-delà de 90° d’élévation du bras, lorsque les points d’origine et d’insertion se rapprochent, les bras de levier et les longueurs musculaires sont mal estimés, car le modèle ne prend pas en compte les déformations du volume musculaire. (2) Un modèle éléments finis a été développé à partir de données d’imagerie médicale. Ce modèle permet une estimation des bras de levier fidèle aux données d’IRM. Contrairement aux modèles multicorps rigides, notre modèle élément finis rend compte du fait qu’un même muscle peut avoir plusieurs actions selon la position de sa ligne d’action par rapport au centre de rotation de l’articulation. (3) Le modèle a également servi à faire une étude de sensibilité des bras de levier : les zones d’insertion des différents muscles de la coiffe des rotateurs et du deltoïde ont été déplacées et les bras de levier associés calculés. Les résultats montrent qu’une variation de 10 mm des points d’insertion sur la tête humérale peut amener un muscle à changer de fonction (par exemple adduction plutôt que d’abduction). (4) Une collecte de données expérimentales effectuées sur quatre épaules a permis de collecter les bras de levier du deltoïde et des muscles de la coiffe des rotateurs pour des mouvements de grande amplitude. Ces résultats permettent de mieux comprendre le rôle des muscles de l’articulation glénohumérale lors de la réalisation de différents mouvements. Le deltoïde antérieur a une grande action en flexion et en adduction; le deltoïde moyen est un fort abducteur; le deltoïde postérieur agit en extension. Contrairement au deltoïde, l’infra-épineux et le petit rond ont principalement une fonction de rotateur externe. (5) Une collecte de données impliquant 14 sujets a été réalisée dans le but de quantifier les changements de géométrie musculaire et d’angle de pennation associés à la contraction pour les muscles du biceps, triceps et deltoïde. Les angles de pennation ont été obtenus grâce à un système d’échographie et les changements de géométrie externe des muscles ont été mesurés grâce à un capteur de structure. Les résultats montrent que les changements architecturaux pour les muscles étudiés se produisent principalement entre 0 et 25% de contraction maximale volontaire (aucune différence significative observée entre 25 et 50%). Le muscle le plus affecté par les changements architecturaux est le biceps. Cette thèse a évalué différentes approches de modélisation de la géométrie musculaire : l’approche la plus bio-fidèle étant finalement la modélisation par éléments finis, car elle permet de prendre en compte les interactions entre les structures et les déformations musculaires. De plus, nous avons montré l’importance d’estimer avec rigueur les paramètres d’entrée (zones d’insertions musculaires) des modèles et de bien évaluer la bio-fidèlité des modèles développés avant de les utiliser dans des contextes cliniques. Dans ce but, de nouvelles données ont été acquises en termes de déformations musculaires et d’angle de pennation pour permettre l’évaluation de modèle intégrant de l’activation musculaire. / Understanding and treating musculoskeletal disorders of the shoulder requires additional knowledge of the contribution and function of each muscle of the glenohumeral joint. The analysis of muscle and joint forces is an important step in understanding injury mechanisms and pathologies. These muscle forces can be estimated non-invasively using musculoskeletal models. The challenge is to physiologically predict muscle trajectories and moment arms to ensure consistency of muscle forces in musculoskeletal models. The aim of this thesis was to improve muscle geometry in musculoskeletal models of the shoulder by testing several different techniques for implementing muscle trajectories. Our specific objectives were to: (1) improve muscle geometry of rigid multibody models by using transverse constraints; (2) assess the reliability of a finite element model for estimating moment arms and (3) evaluate the sensitivity of moment arm predictions to uncertainties in muscle insertion areas; (4) create a database of 3D moment arms for movements with high ranges of motion; (5) experimentally quantify muscles’ architectural changes between resting state and different levels of isometric contractions. (1) Two rigid multibody models of the rotator cuff were developed: a classic model representing muscles with lines of action in 1D and a 2D model with transverse constraints between lines of action of a single muscle. The 2D model (with transverse constraints) gives a more physiological representation of muscle trajectories and moment arms than the classical 1D model. However, for arm movements beyond 90° of elevation, when the origin and insertion points get closer, moment arms and muscle lengths are misestimated due to the mode’s inability to account for muscle volume deformations. (2) A finite element model of the glenohumeral joint was developed based on medical imaging. Moment arms were computed and compared to the literature and MRI data. Our finite element model produces moment arms consistent with the literature and MRI data. Unlike rigid multibody models, our finite element model accounts for the fact that one muscle can have several actions depending on the position of its line of action relative to the centre of rotation of the joint. (3) The model was used to study moment arm sensitivity: insertion areas of rotator cuff muscles and the deltoid were moved, and associated moment arms have been computed. Results showed that a 10 mm variation in insertion points on the humeral head could cause a muscle to change function (for example performing adduction rather than abduction). (4) The 3D moment arms were assessed on four post-mortem human surrogates during movements with high ranges of motion. Results of the study gave us a better understanding of muscle functions during different movements. The main findings of the study were that the anterior deltoid was the largest flexor and had an adduction component, the median deltoid was a strong abductor, and the posterior deltoid acted in extension. Unlike the deltoid, the infraspinatus and teres minor were the largest external rotators of the shoulder. (5) Experimental measurements were performed on 14 subjects in order to quantify changes in muscle geometry and pennation angles associated with different levels of contraction for the biceps, triceps and deltoid. Pennation angles were measured on subjects using a portable ultrasound system. External muscle deformations were measured with an iPad equipped with a structure sensor. Changes in muscle architecture for the biceps, triceps and deltoid during isometric contractions occurred mostly between 0 and 25% of maximal voluntary contraction (no significant difference was observed between 25 and 50%). Changes were higher for the biceps than other muscles. This thesis evaluated different approaches to model muscle geometry: the approach leading to the most physiological result was the finite element model due to modeling of the interactions between structure and muscle deformations. Additionally, we demonstrated the importance of rigorously estimating input parameters (muscle insertion areas) and of properly evaluating the bio-fidelity of the models developed before using them in clinical contexts. New data was acquired regarding muscle deformations and pennation angles to evaluate models integrating muscle activation.

Une naissance prématurée vient interrompe le développement normal de plusieurs organes, notamment du cœur et des poumons, occasionnant des altérations structurelles et fonctionnelles des systèmes jusqu’à l’âge adulte. Bien que les bienfaits de la pratique d’activité physique (AP) sur la santé générale et la capacité d’exercice chez la population en santé et la population à risque sont bien connus. Toutefois, aucune étude n’a encore évalué si la population de jeunes adultes nés très prématurément pourrait également bénéficier de ces bienfaits. Le présent mémoire a donc pour objectif d’évaluer la faisabilité et d’estimer l’effet d’une intervention supervisée en exercice de 14 semaines sur la santé cardiorespiratoire et musculaire des jeunes adultes nés très prématurément comparativement à des jeunes adultes nés à terme (contrôles). Les données de cet essai clinique pilote non randomisé ont été recueillies avant, pendant et après l’exercice. La première étude a rapporté que l’intervention en exercice était sécuritaire, appréciée et bien respectée par les jeunes adultes nés très prématurément, mais que le recrutement était difficile, dû au haut niveau d’engagement nécessaire. Cette même étude a également révélé que l’intervention a permis aux jeunes adultes nés très prématurément d’augmenter leur niveau d’AP d’intensité moyenne à élevée. La seconde étude a pu estimer la réponse des femmes ayant complété un nombre suffisant de séances d’entrainement et a révélé qu’elles ont amélioré leur endurance musculaire (pompes et redressements assis) ainsi que leur capacité aérobie. Toutefois, suivant l’intervention, la force et la puissance de leurs membres inférieurs de même que leur ventilation minute durant l’effort sont demeurées moindres que celles des femmes nées à terme. L’intervention par l’exercice est donc faisable et sécuritaire pour des individus nés très prématurément et suggère l’amélioration de certains paramètres cardiorespiratoires et musculaires des femmes nées très prématurément. Ces résultats indiquent le potentiel de l’exercice comme intervention non pharmacologique pour contrer les dommages physiologiques causés par une naissance prématurée. / Premature birth interrupts the normal development of several organs, particularly the heart and lungs, causing structural and functional alterations of the systems in adulthood. Although the benefits of physical activity on general health and exercise capacity in healthy and at-risk populations are well known, no studies have yet evaluated whether the population of young adults born very preterm could also benefit from these effects. The objective of this master’s thesis is therefore to evaluate the feasibility and estimate the effect of a supervised 14-week exercise intervention on the cardiorespiratory and muscular health of young adults born very preterm compared to young adults born at term (controls). Data from this non- randomized pilot trial were collected before, during, and after the exercise intervention. The first study showed that the exercise intervention was safe, valuable, and appreciated by young adults born very preterm, but that recruitment in the program was difficult due to the high level of commitment. The same study also showed that young adults born very preterm increased their moderate-to-high intensity PA levels following the intervention. The second study estimated the response of women who completed a sufficient number of training sessions and revealed that women born very preterm improved their muscular endurance (push-ups and sit-ups) as well as their aerobic capacity. However, following the intervention, their lower limb strength and endurance as well as their minute ventilation during exercise remained lower than women born at term. Exercise intervention is therefore feasible and safe for individuals born very preterm and could lead to improvement of certain cardiorespiratory and muscular parameters in women born very preterm, demonstrating the potential of exercise as a non-pharmacological intervention to mitigates the effects of premature birth on health.

L’utilisation à long terme d’un fauteuil roulant après une lésion de la moelle épinière (LMÉ) est associée à une augmentation de la sédentarité et une diminution du niveau d’activité physique. Malheureusement, ces changements mènent à un cycle de déconditionnement qui contribue à l’augmentation de risques, au développement ou à l’aggravation de problèmes secondaires de santé touchant les membres supérieurs et inférieurs. En ce sens, 60 % de la population avec LMÉ présentent des douleurs et déficiences aux membres supérieurs. Aux membres inférieurs, l’ostéoporose est fréquente et chaque année, 10 % de la population avec LMÉ subit des fractures. Conséquemment, des répercussions sur la fonction et la qualité de vie en résultent. Pour contrer ce cycle vicieux, l’activité physique est recommandée. La marche au sol assistée par un exosquelette robotisé est une intervention prometteuse puisqu’elle nécessite des efforts musculaires aux membres supérieurs et augmente la mise en charge aux membres inférieurs. Toutefois, des cas de fractures aux membres inférieurs ont été rapportés. Ainsi, cette thèse visait à élaborer un algorithme d’entraînement préliminaire pour minimiser les risques de fractures pendant l’intervention, et à explorer les effets sur la force musculaire aux membres supérieurs, la performance et les habilités auto-rapportées en fauteuil roulant, et des marqueurs de force et de remodelage osseux aux membres inférieurs. L’algorithme d’entraînement a été développé par un consensus d’experts en suivant les critères de densité minérale osseuse de l’Organisation mondiale de la Santé. Dix individus (4 femmes, 46±11 ans) avec une LMÉ chronique (≥18 mois), qui utilisent un fauteuil roulant comme principale mode de locomotion, ont été recrutés pour suivre un programme de marche (16 semaines, 1 à 3 séances/sem). Les mesures suivantes ont été effectuées pré et post intervention : la force musculaire fonctionnelle (poussées/tirées sur une roue de fauteuil roulant, force de préhension), la masse musculaire (absorptiométrie), et la force relative (force/masse) aux membres supérieurs ; des tests de performance (vitesse de propulsion naturelle et maximale, slalom) et un questionnaire d’habilités en fauteuil roulant (Wheelchair Skills Test Questionnaire) ; l’ostéodensitométrie et la géométrie osseuse (CT-scan) aux membres inférieurs, ainsi que des marqueurs sanguins de remodelage osseux (ostéocalcine, télopeptide-C). La taille d’échantillon étant limitée (tests non paramétriques), un changement était significatif si : p<0,1 ; taille d’effet ≥0,5 ; et variation relative >5 %. D’une part, l’algorithme préliminaire a permis de moduler le volume d’entraînement en fonction du profil osseux (ostéoporose, ostéopénie et préservé) et aucun cas de fracture n’a été rapporté pendant le programme d’entrainement. D’autre part, suivant l’intervention, la force et la masse musculaire aux membres supérieurs sont demeurées stables. Néanmoins, la vitesse de propulsion naturelle a augmenté. Par ailleurs, une réponse osseuse prometteuse a été observée aux membres inférieurs (fémur : augmentation du contenu minéral osseux, et des indexes de résistance à la compression et à la flexion, mais réduction de l’épaisseur de l’os cortical ; tibia : augmentation de la section transversale corticale, et de l’index de résistance à la torsion). Ainsi, à la lumière des résultats, des interventions multimodales (ex. : combinées à des exercices plus ciblés aux membres supérieurs ou la pharmacothérapie pour l’ostéoporose aux membres inférieures) pourraient s’avérer nécessaires pour optimiser les effets potentiellement bénéfiques d’un tel programme, tant aux niveaux des membres supérieurs et inférieurs que sur la fonction quotidienne. / Long-term wheelchair use following a spinal cord injury (SCI) is associated with increased sedentary behaviour and decreased levels of physical activity. Unfortunately, these changes lead to a cycle of deconditioning that increases the risk, development, and/or aggravation of one or more secondary health conditions affecting the upper and lower limbs. In the upper limbs, pain and impairments are present in up to 60% of the SCI population. In the lower limbs, osteoporosis is commonly experienced. Further, each year up to 10% of this population experience fractures. Consequently, negative repercussions on function and quality of life are experienced. To counter this vicious cycle, physical activity is recommended. Overground exoskeleton-assisted walking is a promising intervention to help counter the cycle, since it requires muscular efforts in the upper limbs and increases weight bearing on the lower limbs. However, such an intervention is not without risk: cases of fractures in the lower limbs have been reported. Thus, this thesis aimed to develop a preliminary training algorithm to minimize the risk of fractures during the intervention, and to explore the effects of exoskeleton-assisted walking on upper limb muscle strength, performance and self-reported wheelchair skills, and strength and bone remodeling markers in the lower limbs. First, the training algorithm was developed by expert consensus following bone mineral density criteria from the World Health Organization. Thereafter, 10 individuals (4 women, 46±11 years) with chronic SCI (≥18 months), who use a wheelchair as their primary mode of locomotion, were recruited into the walking program (16 weeks, 1 to 3 sessions/week). The following measurements were taken pre and post intervention: functional muscle strength (pushing/pulling on a wheelchair wheel, grip strength), muscle mass (absorptiometry), and relative strength (strength/mass) of the upper limbs; wheelchair performance tests (natural and maximal propulsion speed, slalom) and skills (Wheelchair Skills Test Questionnaire); bone densitometry and bone geometry (CT-scan) in the lower limbs, as well as blood markers of bone remodeling (osteocalcin, telopeptide-C). Since the sample size was limited (non-parametric tests), a significant change was observed if three criteria were met: p<0.1; effect size ≥0.5; and relative change >5%. The preliminary algorithm modulated the training volume according to bone profile (osteoporosis, osteopenia and preserved) and no cases of fracture occurred. Following the intervention, strength and muscle mass in the upper limbs remained stable whereas only natural propulsion speed increased. Overall, a promising bone response was measured in the lower limbs (femur: increased bone mineral content, bone strength index, and stress-strain index, but decreased cortical bone thickness; tibia: increased cortical cross-sectional area, and polar moment of inertia). Ultimately, multimodal interventions (e.g., combining with specific upper limb exercises or pharmacotherapy for osteoporosis in the lower limbs) may be necessary to optimize the potential beneficial effects of such a program, both on the upper and lower limbs, and on function.

La planche coréenne est une discipline de cirque exigeante d’un point de vue technique. Il s’agit d’une longue planche à bascule sur laquelle deux acrobates, placés à chaque extrémité, se catapultent continuellement pour effectuer des sauts acrobatiques. Les acrobates utilisent une technique spécifique pour le décollage et l’atterrissage. La planche coréenne, comme tout équipement de cirque, n’a pas de standard de fabrication et il existe une grande variété de planches. Les acrobates, les entraîneurs et les concepteurs d'équipements bénéficieraient d’avoir plus d'informations sur la biomécanique de la performance et sur la mécanique de la planche, afin d'améliorer le développement des techniques acrobatiques et la conception des planches. L’objectif de la thèse était de mieux comprendre l’interaction entre l’équipement de cirque et la performance acrobatique en planche coréenne. À cet égard, les quatre objectifs spécifiques étaient de : (1) Établir l’influence de la hauteur de saut, du participant, de la planche et de la technique de réception sur les forces d’impact et les taux de chargement; (2) Quantifier l’influence de plusieurs facteurs biomécaniques cinématiques sur la hauteur de saut; (3) Déterminer la différence de contribution musculaire et de durée des phases du mouvement entre acrobates débutants et acrobates élites; et (4) Caractériser mécaniquement différentes planches et mettre en évidence la contribution du renvoi de flexion de la planche sur la hauteur de sauts. Cette thèse présente l’ensemble des travaux effectués pour lier les caractéristiques de la planche au mouvement de l’acrobate. En effet, le mouvement de l’acrobate, sauter à grande hauteur, génère des forces élevées sur la planche lors de la réception, ce qui met en mouvement la planche. L’équipement ensuite permet un transfert de force vers l’acrobate qui s’élance. Finalement, ce dernier doit utiliser une technique optimale avec une synchronisation et une contribution musculaire précis, afin de gagner une hauteur suffisante pour la performance. Nos différentes études ont permis de montrer que le facteur qui influence le plus les forces d’impact et le taux de chargement lors de la réception est la hauteur de saut (40% d’influence relative). La force maximale mesurée est de 13.5 fois le poids corporel de l’acrobate, ce qui peut représenter un risque de blessure. La hauteur de saut est en majorité influencée par la vitesse verticale du centre de masse de l’acrobate-partenaire qui se réceptionne, de la vitesse verticale de la planche et de l’amplitude des hanches lors du décollage. Ces deux derniers paramètres peuvent être contrôlés par les acrobates ou les concepteurs de planche coréenne. Nous démontrons, de plus, que les acrobates débutants sont plus longs dans la préparation au décollage, le décollage et l’atterrissage comparativement aux acrobates experts. Cependant, il n’y avait pas de différence claire entre les débutants et les professionnels quant à l’activité musculaire lors du décollage et atterrissage, ce qui indique que la temporalité est sûrement plus importante que l’activité musculaire. Nous trouvons aussi que le renvoi de flexion (énergie élastique de la planche) est non négligeable (46 % d’influence relative) et contribue donc à la hauteur de saut. Finalement, le paramètre mécanique le plus important pour quantifier et comparer les planches est la raideur. Les quatre planches de l’étude ont une raideur qui varie entre 12.2 kN/m et 19.6 kN/m. Ce paramètre peut probablement guider les futures conceptions de planche. Collectivement, ces quatre études mettent en évidence que la synchronisation temporelle du mouvement des acrobates et du mouvement de la planche est l’élément crucial dans cette discipline. / Korean teeterboard is a technically demanding circus discipline. The apparatus resembles a seesaw, and two acrobats take turns jumping vertically, performing complex acrobatic figures and landing back on the apparatus. Acrobats use a specific technique during take-off and landing. Furthermore, like most circus equipment, there are no standards regarding the design of the teeterboard and there is a wide variety of teeterboards. Acrobats, trainers and equipment’s designers would benefit to know more about the relationship between the biomechanics of the performance and the mechanics of the board. This understanding would help improving acrobatic techniques and optimize the design of teeterboards. The purpose of the thesis was to better understand the interaction between the circus equipment and the acrobats’ performance in Korean teeterboard. To this end, this thesis was divided into four specific goals: (1) Define the influence of the jump height, the teeterboard and the landing technique on impact forces and loading rates; (2) Quantify the influence of various kinematic factors to the jump height; (3) Determine the differences between expert and novice acrobats with respect to muscular contribution and duration of the phases of the movement ; and, (4) mechanically characterize different types of teeterboards and highlight the contribution of the recoil effect to the jump height. This thesis covers the work carried out to link the characteristics of the teeterboard to the movement of the acrobat. The movement of the acrobat, i.e., jumping at high height, generates high forces during landing, which set in motion the board. The equipment then enables the transfer of this force to the other acrobat taking-off. This acrobat should use an optimal technique with a precise timing and muscular contribution, to gain sufficient height for their performance. This body of work demonstrated that the most important factor influencing the impact forces and loading rates was jump height (40% of relative influence). Maximal recorded force was 13.5 times the acrobat’s bodyweight, raising concerns about risk of injury. Jump height was mainly influenced by the vertical velocity of the center of mass of the acrobat landing, the vertical velocity of the teeterboard and the hip range of motion at take-off. The last two parameters can be controlled by acrobats, trainers, or designers of Korean teeterboard. We also found that novice acrobats are longer in the following phases: preparation for take-off, take-off, and landing. However, there was no clear difference in muscular amplitude during take-off and landing between novice and professional acrobats. This indicates that timing may be more important than muscular amplitude. We showed that recoil effect (elastic strain energy of the board) strongly contributed to the jump height (46% of relative influence). Finally, the most important mechanical parameter to quantify and compare teeterboards was the stiffness. The stiffness of the four teeterboards analyzed in this study ranged from 12.2 kN/m to19.6 kN/m. This result can guide future designs of teeterboard. The results from this thesis highlight the fact that temporal synchronization of the movement from both acrobats and the movement of the board is crucial in this discipline.

La répétition d’efforts de faible intensité provoque de la fatigue musculaire et représente un facteur de risque de développement des troubles musculosquelettiques (TMS) à l’épaule. La détection de la fatigue musculaire permettrait de meilleures interventions de prévention de TMS liés au travail répétitif. L’objectif de ce mémoire est de développer de nouveaux indicateurs permettant d’évaluer le mouvement des travailleurs à l’aide de capteurs inertiels portatifs afin d’offrir un outil d’évaluation du niveau de fatigue employable sur le terrain. Pour ce faire, vingt-quatre travailleurs ont réalisé une tâche de travail avant et après une tâche de pointage répétitif (RPT) générant de la fatigue musculaire. La fatigue était évaluée à l’aide de l'échelle CR10 de Borg toutes les 30s et d’une contraction maximale réalisée toutes les 2 minutes. Des données de capteurs inertiels, positionnés sur le tronc et les membres supérieurs des travailleurs, ont été analysées en temps-fréquence et leur coordination inter-segment calculée afin d’extraire des indicateurs de fatigue. Les résultats montrent une augmentation du spectre de puissance et de la variabilité de la coordination sur les segments proximaux du haut du corps (tête, sternum, bassin, épaule, bras, avant-bras et main) pendant la RPT. Aussi, une augmentation du spectre de puissance moyen a été observée sur les segments du bras (main, avant-bras et bras supérieur) pendant la tâche de travail réalisée immédiatement après la RPT. En conclusion, il semblerait possible, en observant de tels changements cinématiques, de détecter la fatigue musculaire des travailleurs en industrie à l’aide de capteurs inertiels. / The repetition of low-intensity efforts causes muscle fatigue and represents a risk factor for the development of musculoskeletal disorders (MSD) in the shoulder. The detection of muscle fatigue would allow for better interventions to prevent MSDs related to repetitive work. The objective of this dissertation is to develop new indicators to evaluate the movement of workers using portable inertial sensors to provide a tool for evaluating the level of fatigue that can be used in the field. To do this, twenty-four workers performed a work task before and after a repetitive pointing task (RPT) generating muscle fatigue. Fatigue was assessed using the Borg CR10 scale every 30s and a maximal contraction performed every 2 minutes. Data from inertial sensors, positioned on the trunk and upper limbs of the workers, were analyzed in time-frequency and their inter-segment coordination calculated to extract indicators of fatigue. The results show an increase in the power spectrum and coordination variability on the proximal upper body segments (head, sternum, pelvis, shoulder, arm, forearm and hand) during RPT. Also, an increase in the average power spectrum was observed over the arm segments (hand, forearm, and upper arm) during the work task performed immediately after RPT. In conclusion, it would seem possible, by observing such changes in kinematics, to detect muscle fatigue in industrial workers using inertial sensors.

Cette thèse vise à répondre à trois questions fondamentales: 1) La diminution de l’excitabilité corticospinale et le manque d’inhibition intracorticale observés suite à la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) du cortex moteur de la main atteinte de sujets hémiparétiques sont-ils aussi présents suite à la SMT du cortex moteur de la jambe atteinte? 2) Est-ce que les altérations dans l’excitabilité corticomotrice sont corrélées aux déficits et incapacités motrices des personnes ayant subi un accident vasculaire cérébral depuis plus de 6 mois? 3) La vibration musculaire, étant la source d’une forte afférence sensorielle, peut-elle moduler l’excitabilité corticomotrice et améliorer la performance motrice de ces personnes? Premièrement, afin d’appuyer notre choix d’intervention et d’évaluer le potentiel de la vibration mécanique locale pour favoriser la réadaptation des personnes ayant une atteinte neurologique, nous avons réalisé une révision en profondeur de ses applications et intérêts cliniques à partir d’informations trouvées dans la littérature scientifique (article 1). La quantité importante d’information sur les effets physiologiques de la vibration contraste avec la pauvreté des études qui ont évalué son effet thérapeutique. Nous avons trouvé que, malgré le manque d’études, les résultats sur son utilisation sont encourageants et positifs et aucun effet adverse n’a été rapporté. Dans les trois autres articles qui composent cette thèse, l’excitabilité des circuits corticospinaux et intracorticaux a été étudiée chez 27 sujets hémiparétiques et 20 sujets sains sans atteintes neurologiques. Les fonctions sensorimotrices ont aussi été évaluées par des tests cliniques valides et fidèles. Tel qu’observé à la main chez les sujets hémiparétiques, nous avons trouvé, par rapport aux sujets sains, une diminution de l’excitabilité corticospinale ainsi qu’un manque d’inhibition intracorticale suite à la SMT du cortex moteur de la jambe atteinte (article 2). Les sujets hémiparétiques ont également montré un manque de focus de la commande motrice lors de l’activation volontaire des fléchisseurs plantaires. Ceci était caractérisé par une augmentation de l’excitabilité nerveuse des muscles agonistes, mais aussi généralisée aux synergistes et même aux antagonistes. De plus, ces altérations ont été corrélées aux déficits moteurs au membre parétique. Le but principal de cette thèse était de tester les effets potentiels de la vibration des muscles de la main (article 3) et de la cuisse (article 4) sur les mécanismes neuronaux qui contrôlent ces muscles. Nous avons trouvé que la vibration augmente l’amplitude de la réponse motrice des muscles vibrés, même chez des personnes n’ayant pas de réponse motrice au repos ou lors d’une contraction volontaire. La vibration a également diminué l’inhibition intracorticale enregistrée au quadriceps parétique (muscle vibré). La diminution n’a cependant pas été significative au niveau de la main. Finalement, lors d’un devis d’investigation croisé, la vibration de la main ou de la jambe parétique a résulté en une amélioration spécifique de la dextérité manuelle ou de la coordination de la jambe, respectivement. Au membre inférieur, la vibration du quadriceps a également diminuée la spasticité des patients. Les résultats obtenus dans cette thèse sont très prometteurs pour la rééducation de la personne hémiparétique car avec une seule séance de vibration, nous avons obtenu des améliorations neurophysiologiques et cliniques. / This thesis aims to answer three basic questions: 1) Are the decrease in corticospinal excitability and the lack of intracortical inhibition observed following transcranial magnetic stimulation (TMS) of the affected hand motor cortex of stroke patients present after TMS of the affected leg motor cortex? 2) Are the alterations in corticomotor excitability correlated with motor impairments and disabilities of subjects who have suffered a stroke for over six months? 3) Can muscle vibration, as a source of strong sensory afference modulate corticomotor excitability and improve motor performance of these subjects? First of all, to support our choice of intervention and to assess the potential of local mechanical vibration to promote the recovery of persons with neurological impairment, we conducted a thorough review of its physiological effects and clinical applications in the scientific literature (article 1). The wealth of information on the physiological effects of vibration contrasts with the lack of studies that have evaluated its therapeutic effects. Nevertheless, we found that, despite the paucity of studies, the results on its clinical use are encouraging and positive and no adverse effects were reported. In the other three articles included in this thesis, the excitability of corticospinal and intracortical circuits has been studied in 27 hemiparetic patients and in 20 healthy subjects without neurological disease or injury. Sensorimotor functions were also evaluated with valid and reliable clinical tests. Similar to that observed in the hand of hemiparetic patients, we found, compared to the healthy subjects, a decrease of corticospinal excitability and a lack of intracortical inhibition following TMS of the affected leg motor cortex (Article 2). The hemiparetic patients also showed a lack of focus of the motor output during voluntary activation of plantar flexors. This was characterized by an increase in the neural excitability not only of the agonist muscles, but also of the synergists and even the antagonist muscles. The main goal of this thesis was to test the potential effects of vibrating hand (Article 3) and thigh (Article 4) muscles on the neural mechanisms that control these muscles. We found that vibration increases the amplitude of motor responses in the vibrated muscles and even produces a response in subjects with no motor response at rest or during a voluntary contraction. The vibration also decreased the intracortical inhibition recorded in the paretic quadriceps muscle (vibrated muscle). The decrease was however not significant at the hand. Finally, using a cross-over design study, the vibration of the paretic hand or leg resulted in specific improvements in hand dexterity or leg coordination, respectively. In the lower limb, quadriceps vibration also reduced the spasticity in patients. The results obtained in this thesis are very promising for stroke rehabilitation because with a single session of vibration, we obtained neurophysiological and clinical improvements.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Avec l'émergence des voyages spatiaux, plusieurs adaptations physiologiques ont été recensées en état d'apesanteur. L'apesanteur dans l'espace décroît l'activité et le chargement mécanique des muscles les plus importants pour déplacer et supporter le poids du corps, dans le but de maintenir une posture droite. Ces muscles, principalement les groupes musculaires des membres inférieurs, sont appelés muscles supporteurs du poids ; en réponse à une utilisation réduite, ils s'affaissent et dépérissent, ou s'atrophient. Les changements incluent une réduction de la grosseur du muscle [59, 60], la décomposition des protéines musculaires [61], la réduction de la force [69, 70] et de l'endurance [60] musculaires, de même que des changements dans les types de fibres présentes dans les muscles [61]. La faiblesse et le mauvais fonctionnement musculaire survenant suite à une exposition aux vois spatiaux réfèrent communément à l'atrophie musculaire fonctionnelle induite par microgravité (l'atrophie musculaire fonctionnelle signifie une réduction du volume des muscles liée à l'inactivité). Aucun de ces changements ne présente un problème pour les astronautes tant et aussi longtemps qu'ils n'effectuent que de légers travaux. Pour les astronautes, le problème devient critique lorsqu'ils reviennent sur terre et que les muscles affaiblis sont de nouveau soumis à la force de gravité intégrale. Dans une situation d'urgence, les individus aux muscles affaiblis seraient moins aptes à répondre rapidement ou à utiliser la force musculaire. À présent, l'atrophie musculaire fonctionnelle des muscles des membres inférieurs induite par microgravité demeure un sérieux problème pour les astronautes qui poursuivent un vol spatial prolongé. Des contremesures comme l'exercice physique [91] peuvent aider au maintien de la -force et des fonctions musculaires, toutefois l'exercice seul est insuffisant pour prévenir l'excès en perte musculaire. Ainsi, il est nécessaire de développer des solutions plus efficaces. La présente recherche a été entreprise afin d'évaluer l'efficacité de la stimulation électrique thérapeutique (SET) pour minimiser l'atrophie musculaire fonctionnelle et le mauvais fonctionnement musculaire chez des patients ayant subi une reconstruction du ligament croisé antérieur (LCA). Le LCA est fréquemment lésé au cours de pratiques sportives. Une atrophie et un affaiblissement significatifs du groupe musculaire du quadriceps femoris (GMQF) survient suite à la reconstruction du LCA [131] et s'applique aux adaptations neuromusculaires survenant chez les astronautes suite à une exposition prolongée en état d'apesanteur. L'objectif de cette recherche était d'entreprendre des expériences préliminaires afin de déterminer le paradigme de stimulation le plus efficace pour minimiser l'atrophie musculaire fonctionnelle des membres inférieurs induite par microgravité chez les astronautes. Le recours à des patients ayant subi une reconstruction du LCA fournit un modèle adéquat servant à étudier les traitements pouvant minimiser de tels déficits des fonctions musculaires. Au total, 24 patients ont été assignés au hasard dans deux groupes, soit un groupe expérimental (n=12) ou un groupe contrôle (n=12), suite à la reconstruction du LCA grâce à une greffe du tendon patellaire. Durant les 12 semaines suivant l'opération, tous les patients ont suivi un programme standard de réhabilitation. De plus, le groupe expérimental a reçu un traitement par SET pendant six à huit heures, et ce, cinq soirs par semaine. Le torque maximal isocinétique du GMQF, le travail et la puissance moyenne ont été mesurés dans les deux membres inférieurs à 60°/sec et à 180°/sec, en plus de l'activation neurale (iEMG) et de la fréquence de la puissance -médiane (MED) des muscles vastus medialis et vastus lateralis, avant l'opération et à six et 12 semaines après l'opération. Toutes les mesures ont été standardisées en pourcentage du GMQF sain. Les résultats indiquent qu'après l'opération, le torque maximal isocinétique, le travail et la puissance moyenne étaient significativement réduits (p<0,01) dans le GMQF lésé, et ce pour les deux vitesses, à six et à 12 semaines, comparativement aux valeurs préopératoires. L'activité iEMG du muscle vastus lateralis était significativement réduite à six (p<0,01) et à 12 semaines (p<0,05) suite à l'opération. Toutefois, aucune réduction significative de l'activité iEMG du vastus medialis n'a été observée, et ce pour les deux vitesses, à six et à 12 semâmes après l'opération. Le MED est passé à des fréquences plus basses dans les muscles vastus lateralis (p<0,01) et vastus medialis (p<0,05) lorsque mesurée à six semaines. Cependant, 12 semaines après l'opération, le MED du vastus lateralis était revenu aux valeurs préopératoires, alors que le changement de MED du vastus medialis persistait (p<0,05). Aucune différence significative n'a été observée entre les groupes contrôle et expérimental en terme de mesures du torque maximal isocinétique et d'activation des muscles vastus lateralis et vastus medialis tout au long de l'étude. En conclusion, la SET combinée à la réhabilitation n'a pas fourni de bénéfice supplémentaire en terme d'amélioration de la récupération du GMQF au début de la phase postopératoire chez des patients ayant subi une reconstruction du LCA grâce à une greffe du tendon patellaire.