Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de la simulation par mannequins numériques de l'homme (en anglais Digital Human models ou DHM) en vue d'applications ergonomiques. Plus précisément, il s'intéresse à la modélisation du système musculosquelettique et des efforts musculaires développés au cours du mouvement.Dans un première partie est présenté le développement numérique de modèles musculosquelettiques du membre inférieur et supérieur sous l'environnement Matlab. Ces modèles ont été évalués par examen des bras de levier musculaires pour la géométrie, et par comparaison avec des mesures expérimentales de couples articulaires maximaux (FMV) pour les efforts prédits.Dans une seconde partie, le modèle musculosquelettique du membre inférieur a été utilisé pour évaluer le rôle des muscles bi-articulaires au cours de la marche. Pour cela deux méthodes de calcul des efforts musculaires ont été utilisées, permettant de mettre en évidence les particularités fonctionnelles de ces muscles. Les résultats indiquent notamment que la prise en compte des muscles bi-articulaires est nécessaire à une estimation correcte des efforts musculaires et des efforts de contact articulaires, potentielles sources d'inconfort.Puis ont été étudiés les capacités d'effort maximale en flexion-extension isométrique du coude. L'expérimentation a été effectuée au sein de l'INRETS de Bron et comprenait 9 sujets volontaires masculins. Cette étude a permis d'évaluer le modèle numérique développé en termes de prédiction de capacités d'effort, ainsi que d'ouvrir la voie à des méthodes de scaling permettant d'ajuster un modèle musculosquelettique au sujet étudié.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre de la simulation par mannequins numériques de l’homme (en anglais Digital Human models ou DHM) en vue d’applications ergonomiques. Plus précisément, il s’intéresse à la modélisation du système musculosquelettique et des efforts musculaires développés au cours du mouvement.Dans un première partie est présenté le développement numérique de modèles musculosquelettiques du membre inférieur et supérieur sous l’environnement Matlab. Ces modèles ont été évalués par examen des bras de levier musculaires pour la géométrie, et par comparaison avec des mesures expérimentales de couples articulaires maximaux (FMV) pour les efforts prédits.Dans une seconde partie, le modèle musculosquelettique du membre inférieur a été utilisé pour évaluer le rôle des muscles bi-articulaires au cours de la marche. Pour cela deux méthodes de calcul des efforts musculaires ont été utilisées, permettant de mettre en évidence les particularités fonctionnelles de ces muscles. Les résultats indiquent notamment que la prise en compte des muscles bi-articulaires est nécessaire à une estimation correcte des efforts musculaires et des efforts de contact articulaires, potentielles sources d’inconfort.Puis ont été étudiés les capacités d’effort maximale en flexion-extension isométrique du coude. L’expérimentation a été effectuée au sein de l’INRETS de Bron et comprenait 9 sujets volontaires masculins. Cette étude a permis d’évaluer le modèle numérique développé en termes de prédiction de capacités d’effort, ainsi que d’ouvrir la voie à des méthodes de scaling permettant d’ajuster un modèle musculosquelettique au sujet étudié. / This work deals with the use of Digital Human models (DHM) for ergonomic applications. More precisely, it focuses on the modelling of the musculoskeletal system and muscular forces developed during movement.In the first part, the development of numerical musculoskeletal models of the lower and upper limbs under the Matlab environment is presented. These models were evaluated by examination of the muscles’ lever arms (for geometry) and by experimental measurements of maximum voluntary force (MVF) (for predicted muscle forces).In a second part, the lower limb muscular model was used to evaluate the role of biarticular muscles during gait. To achieve this, two methods were used, allowing to highlight the functional specificities of these muscles. The results indicate in particular that taking into account biarticular muscles is necessary to a correct estimation of muscle forces and joint contact forces, which are potential discomfort sources.Finally, the maximal force capacity of isometric elbow flexion-extension has been studied. The goal was to set up scaling methods allowing to fit the muscular model to the studied subject’s capacities. The experiment took place at INRETS, and implicated 9 male voluntary subjects. This study allowed to evaluate the model in terms of maximal force capacity prediction, and openend the path to new scaling methods for musculoskeletal models.

Health, illness and treatment representations have been described as key factors for return to work. However, questionnaires assessing the individual's representations must be adapted and further validated prior to their use among a clientele in a work disability situation following a musculoskeletal disorder (MSD). This study proposes 3 objectives to fill this gap in the scientific literature. For the first objective, a self-administered questionnaire assessing illness representations, the Revised Illness Perception Questionnaire (IPQ-R), was adapted using a group consensus technique. The group was composed of experts in the work disability field. For the second objective, a qualitative pre-test was performed among a sample of workers from the target population, in order to assess item clarity. For the third objective, the adapted questionnaire and 8 selected instruments measuring separate components of the representation were administered to workers in a work disability situation following an MSD. For the first objective, results from the consensus group indicated 8 items to be removed from the original version. The concept of"illness" was modified for"current health condition" and 26 items were added in order to better assess representations related to work disability. For the second objective, results from the qualitative pre-test (n=9) confirmed item clarity. Participants' characteristics were representative of the target population. For the third objective, the sample consisted of 23 women and 20 men, with an average age of 41 and an average duration of work absence of 8 months. Internal consistency is generally satisfactory (with Cronbach's alphas from 0.58 to 0.87). Construct validity was assessed through multiple regression analyses performed with each of the questionnaire's 9 dimensions and significant independent variables. Final models explain a good proportion of the variance (adjusted r[superscript 2] from 0.33 to 0.70) for each dimension, except for the Cyclical timeline dimension. In summary, the psychometric properties of the adapted version of the Revised Illness Perception Questionnaire for Work Disability (IPQR-WD) are satisfactory. The use of the IPQR-WD in research and in clinic will facilitate a systematic evaluation of the worker's representations.

L'ergonomie est un facteur de conception des postes de travail important, l'apparition de troubles musculo-squelettiques (TMS) y étant directement liée. L'objectif de cette thèse est la conception d'outils d'analyse du membre supérieur utilisables pour améliorer l'ergonomie des postes de travail et diminuer les risques d'apparition de TMS. Les contributions principales de cette thèse sont : - Un modèle biomécanique du membre supérieur basé sur l'anatomie fonctionnelle ; - Une chaine de traitement complète, de la capture de mouvements à l'estimation des efforts musculaires « par dynamique inverse » ; - L'ajout de contraintes complémentaires simulant la co-activation des muscles agonistes et antagonistes au mouvement ; - La présentation et l'évaluation d'une méthode d'estimation des efforts musculaires par interpolation ; - La définition et l'évaluation d'un critère ergonomique permettant d'évaluer la pénibilité d'un mouvement.

Le cycliste de haut niveau a comme objectif principal : gagner et optimiser sa performance. Une question souvent soulevée par le sportif et son encadrement est le lien entre l’asymétrie, la performance et la santé. Dans ce contexte nous analysons dans un premier temps l’adaptation cinématique et musculaire de la jambe dominante chez le cycliste professionnel au cours du test incrémental jusqu’à épuisement proposé par la FFC. Les résultats ont montrés que l’incrément depuissance modifie la coordination musculaire avant d’impacter la cinématique articulaire. Ensuite nous proposons une nouvelle méthodologie afin d’étudier l’évolution cinématique de l’asymétrie spatio-temporelle au cours de ce test. Les résultats ont permis de démontrer que le niveau d’asymétrie est plus important hors du plan sagittal, ce qui peut entraîner un risque de blessures, principalement au genou. Enfin, nous examinons l’influence de la fatigue sur le niveau d’asymétriearticulaire et musculaire par l’intermédiaire d’une modélisation numérique musculo-squelettique sur une population de cyclistes de haut niveau. Les résultats ont permis de démontrer que l’asymétrie musculaire est différente entre l’analyse électromyographique et musculosquelettique. De plus, le côté dominant présente un niveau plus élevé concernant les forces musculaires et de réactions intersegmentaires. D’un point de vue générale, les méthodologies employées dans cemanuscrit comportent une application directe pour le cyclisme. Cependant, elles peuvent être réutilisées dans d’autres activités, sportive ou non, d’un point de vue performance et prévention des blessures. / The high-level cyclist main goal is to win and optimize his performance. A question often raised by the athlete and his coaching is the link between asymmetry, performance and health. In this context, we analyze the kinematic and muscular adaptation of the dominant leg of professional cyclist during the incremental test to exhaustion of the FFC. The results showed that the increase of power output modifies the muscular coordination before impacting joint kinematics. Then, wepropose a new methodology to study the kinematic evolution of the spatio-temporel asymmetry during this test. The results showed that asymmetry level is greater outside the sagittal plane, which can creat a risk of injuries mainly for the knee. Finally, we examine the influence of fatigue on the level of muscular asymmetry though musculosketal modeling on a population of high level cyclists. Results showed that muscle asymmetry is different between electromyographic and musculoskeletal analysis. Moreover, the dominant side has a higher level of muscle strength and intersegmental reactions. From a general point of view, the methodologies used in this manuscipt have a direct application for cycling. However, they can be reused in other activities, from a performance and injury prevention viewpoint.

L'objectif de ce travail a été d'acquérir une meilleure connaissance de la motricité humaine tant au niveau clinique que fondamentale à travers deux études bien précises. La première portait sur une étude clinique à savoir, l'influence d'injection ciblée de toxine botulique au niveau du couple musculaire rectus fémoris – semitendinosus sur la vélocité mise en jeu au cours de la marche globale d'enfants infirmes moteurs cérébraux (IMC). La deuxième portait quant à elle sur une question plus fondamentale, à savoir, la modélisation biomécanique avancée du système musculo-squelettique au cours de la phase d'appui de la marche. En ce qui concerne l'étude clinique, le but a donc été à la fois biomécanique et clinique. D'un point de vue expérimental, plusieurs étapes ont été nécessaires avant la mise en place du protocole final utilisé à l'heure actuelle. De plus, un long travail d'analyse a été réalisé avec le clinicien responsable de ce projet, le docteur Dohin, afin d'établir et de sélectionner les critères cinématiques et cinétiques qui nous ont semblés pertinents. Ainsi, cette étude a été l'occasion de valider les critères discriminatifs d'évaluation en analyse quantifiée de la marche (AQM) pour des résultats visant à améliorer ou à restaurer la marche chez les enfants infirmes moteurs cérébraux. Au niveau fondamental, le but de notre étude a été la mise en place d'un protocole expérimental et des méthodes de calculs permettant d'évaluer quantitativement le fonctionnement du système ostéo-articulaire et musculaire non pathologique. Pour cela, une modélisation avancée a été développée afin d'appréhender le rôle des différentes structures : géométrie articulaires, ligaments, muscles, dans le fonctionnement des articulations humaines à travers des mouvements tel que la marche. D'un point de vue expérimental, l'acquisition de via points directement sur le sujet, permettant ainsi la personnalisation des bras de levier selon la morphologie de notre sujet, a été une étape importante et originale de notre travail. Afin de vérifier la pertinence de nos bras de levier « personnalisés », nous avons dans un premier temps, utilisé une technique d'optimisation statique « classique » visant à minimiser le critère : sommes des contraintes musculaires au carré. Les résultats obtenus sont tout à fait cohérents avec ceux présentés dans la littérature et avec le mouvement étudié. D'un point de vue modélisation, nous avons décidé d'affiner la représentation numérique du comportement du muscle pour rendre le modèle plus proche de la réalité. Ainsi, le comportement mécanique du complexe musculo-tendineux c'est-à-dire les relations forces longueurs, forces vitesses d'élongations et forces activations ont été prises en compte grâce au modèle rhéologique de Hill. Pour cela une étude bibliographique poussée a été nécessaire afin de cerner les nombreuses contraintes liées aux comportements mécaniques du complexe musculo-tendineux. Suite à cette étude bibliographique, nous avons sélectionné la modélisation mathématique la mieux adaptée à nos besoins. Les équations mathématiques mises en place dans notre travail contiennent donc de nombreux paramètres physiques tel que : la force isométrique maximale, la section physiologique, la longueur optimale de la fibre musculaire, l'angle de pennation, la longueur du tendon à partir de laquelle une force est développé... Une fois les forces musculaires calculées à partir du modèle rhéologiques de type Hill, ces dernières ont été implémentées dans la fonction d'optimisation classique. Plusieurs critères ont été alors testés. Le but étant d'essayer de comprendre l'influence du critère sur nos résultats et lequel serait à utiliser afin de prédire au mieux les forces musculaires mises en jeu au de la phase d'appui de la marche. Puis pour finaliser notre étude, les réactions articulaires au niveau de la cheville et du genou ont été calculées à partir des différentes configurations. Dans un premier temps, à partir des forces musculaires prédites par l'optimisation statique classique puis à partir de l'optimisation statique avec le critère modifié. Ceci nous a permis de voir au niveau de la réaction articulaire l'influence de la prise en compte des paramètres physiologiques des muscles. Cette donnée est très importante dans le domaine de la rééducation fonctionnelle et pour les concepteurs de prothèse.

L'émergence Troubles Musculo-Squelettiques (TMS) en industrie constitue un véritable fléau ayant de lourdes conséquences socio-économique en France. Afin de réduire la pénibilité au travail et les risques TMS, les industriels s'engagent dans une politique de réaménagement des postes de travail par la mise en œuvre de moyens robotisés d'assistance aux opérateurs. Dans cette politique de prévention, le groupe PSA Peugeot Citroën aspire à utiliser des cobots et des exosquelettes comme dispositifs d'assistance pour améliorer les conditions de travail des opérateurs. Mais pour mettre en œuvre ces types de robot en usine, il est nécessaire de quantifier leurs apports ergonomiques. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse, dont l'objectif est de proposer une méthode d'évaluation de robots collaboratifs visant à être mis en œuvre dans les usines PSA Peugeot Citroën. Dans le cadre de ces travaux, nous avons utilisé l'exosquelette mono-bras droit ABLE, conçu par le CEA-LIST. A partir d'une analyse biomécanique d'une tâche de manipulation humaine, nous avons pu évaluer l'apport de l'exosquelette en termes de réduction de charge physique de l'utilisateur. Aussi avons-nous proposé dans ces travaux d'analyser les mécanismes neuromusculaires résultants du mouvement effectué en interaction avec l'exosquelette. Sur la base de la théorie du contrôle moteur humain et en utilisant une méthode d'optimisation inverse, les fonctions objectifs telles que jerk, le couple articulaire, ou l'énergie, caractérisant la tâche de manipulation humaine en termes d'efforts, de cinématique et de temps d'exécution, ont été identifiées. Cette meilleure compréhension du mouvement du membre supérieur humain a permis ensuite de revenir sur la conception de l'exosquelette afin de proposer une stratégie de commande optimisée à l'exécution de tâches de travail en environnement industriel. / The emergence of Musculo-Squelettal Disorders (MSD) in the industry is a real blight, having major socioeconomic consequences in France. In order to reduce work painfulness and MSD risks, some industries are committing to modifying workstations by assisting operators with robotic devices. Following this MSD prevention policy, PSA Peugeot Citroen aims to use cobots or exoskeletons as assistive devices to improve workers conditions. However, implementing this type of robot in factories requires quantifying their ergonomic benefit. In this context, the objective of this thesis is to develop a method to assess collaborative robot that are intended to be used in PSA Peugeot Citroen factories. In this framework, the right mono-arm ABLE exoskeleton, designed by the CEA-LIST has been used. With a biomechanical analysis of an industrial manipulation task, we have been able to assess the benefit of the exoskeleton in terms of physical load reduction. We also proposed in this work to assess neuromuscular mechanisms underlying the industrial task performed in interaction with the exoskeleton. On the basis of the human motor control theory and using an inverse optimisation method, objectives functions such as jerk, joint torque or energy that characterize the human manipulation task in terms of efforts, kinematics and execution time, have been identified. This improved understanding of human upper limb movements then allowed reviewing the exoskeleton design in order to propose an optimal command strategy adapted to the execution of industrial tasks.

Les blessures médullaires induisent chez les sujets atteints des déficiences motrices qui se traduisent par une paralysie partielle ou totale. Face aux limites des méthodes thérapeutiques classiques telles que la chirurgie et les médicaments, la stimulation électrique fonctionnelle (FES) des muscles représente une solution alternative combinant à la fois des bénéfices thérapeutiques largement prouvés et la possibilité de contrôler les membres paralysés à des fins de suppléance fonctionnelle. Cependant, le contrôle artificiel par FES pose un certain nombre de problèmes liés à la nature redondante de l'actionnement musculaire. Par conséquent, le choix des séquences de stimulation électrique est souvent fait de manière empirique, basé sur la seule expérience des cliniciens. Ainsi, la compréhension et la caractérisation des systèmes musculosquelettiques sous FES s'avèrent nécessaire. Elles impliquent la modélisation des différents phénomènes biomécaniques et physiologiques ainsi que l'identification des paramètres du modèle. Les principales contributions de cette thèse sont 1) la mise en place d'un protocole d'identification non-invasif des paramètres du système musculosquelettique sous FES et son application dans le cadre de l'articulation du genou chez les blessés médullaires humains et 2) la synthèse des séquences de stimulation électrique en utilisant des techniques d'optimisation non-linéaire basées sur le modèle identifié.

Les pathologies du système musculosquelettique concernant les déformations / anomalies osseuses et musculaires (e.g. paralysie cérébrale) ont un fort impact sur la qualité de vie des personnes concernées. Les objectifs de la thèse sont d’approfondir les études précédentes en intégrant la modélisation de l’incertitude des données biomécaniques et biomédicales dans les modèles de diagnostic prédictif des pathologies du système musculosquelettique. L’intervalle a été choisi pour représenter l’incertitude des données biomécaniques. Ce formalisme est simple et peu coûteux sur le plan du calcul. Les données (physiologiques, morphologiques, mécaniques et analyse du mouvement) ont été recueillies à partir de la littérature en utilisant les moteurs de recherche des articles scientifiques fiables pour établir un espace d’incertitude. La nouvelle méthode de classement (nommée US-ECM) proposée est une méthode de classement semi-supervisé qui utilise la partition crédale pour représenter les connaissances partielles sur les clusters. L’utilisation de la fonction de croyance pour représenter ces éléments de connaissance permet de les combiner d’une manière souple et robuste. De plus, l’extension de cette méthode avec un espace d’incertitude multidimensionnelle a montré la meilleure performance par rapport à la version originale. L’analyse des avis d’expert permettra d’inclure ou d’exclure les sources de données selon leurs niveaux de fiabilité. Ensuite, le modèle de regroupement (US-ECM) développé sera appliqué sur une nouvelle base de données pour évaluer l’impact de la fiabilité des données sur la performance de diagnostic. / The aim of the project is to investigate the modeling of the reliability/incertitude/imprecision of biomedical and biomechanics data (medical images, kinematics/kinetics/EMG data, etc.) and its propagation in the predictive diagnosls models of the disorders of musculoskeletal systems. These diagnosis models will be based on multimodal and multidimensional patient data (3D medical imaging, mechanical data,dinical data,etc.). The literature-based data have been collected to estabish an uncertainty space, which represents fused data from multiple sources, of morphological, mechanical, and movement analysis properties of the musculoskeletal system from multiple sources (i.e. research papers from Science Direct and Pubmed). After that,a new clustering method (US-ECM) is proposed for integrating fused data from multiple sources ln form of a multidimensional uncertainty space (US). Reliability of biomechanical data was evaluated by a fusion approach expert opinion. Reliability criteria of a data source (ie scientific paper published) focus on the technique used the acquisition protocol and measurement and the number of data. A system of questionnaires was developed to co!lect expert opinion. Then, the theory of beliet functions has been applied to merge these opinion to establish a confidence level each data source.

Au Québec, l’amélioration de l’accès aux soins de première ligne est basée sur le développement des Groupes de Médecine de Famille (GMF). Depuis 2014, les GMF sont incités à diversifier leur offre de service en incluant de nouvelles professions (physiothérapie, nutrition, inhalothérapie ou kinésiologie). Actuellement, peu de données sont disponibles sur leurs pratiques au sein d’un GMF. L’objectif du mémoire était d’évaluer la pratique de la physiothérapie en première ligne pour les patients souffrant de pathologies musculosquelettiques, au GMF Universitaire de l’Hôpital Maisonneuve-Rosemont de Montréal (GMF-U HMR). Une 1ère étude rétrospective (revue de 100 dossiers) visait à décrire la clientèle ayant consulté en physiothérapie au GMF-U HMR et son parcours de soins. Une 2nde étude, prospective, évaluait la fonction et la qualité de vie de patients lors d’une évaluation initiale en physiothérapie et à 3 mois, à l’aide de questionnaire autorapportés. La satisfaction envers l’évaluation et le processus de soins en physiothérapie et la perception des patients de l’efficacité des équipes de soins étaient évaluées. La clientèle du service de physiothérapie du GMF-U HMR était d’âge varié, de profil socio-économique faible et consultait pour des troubles musculosquelettiques de toutes localisations. Les 52 participants exprimaient une diminution de leur qualité de vie et des incapacités fonctionnelles modérées. Les soins de physiothérapie visaient l’autonomisation du patient (i.e. éducation thérapeutique et exercices à domicile, principalement). À 3 mois, l’évolution de la qualité de vie était significative. L’évolution de la fonction était significative pour les participants souffrant du membre supérieur. Les participants exprimaient de hauts niveaux de satisfaction envers la prise en charge en physiothérapie et une haute perception d’efficacité de l’équipe soignante. Ce projet suggère de l’intérêt de la physiothérapie auprès de la clientèle du GMF-U HMR. D’autres études sont nécessaires à travers les GMF du Québec afin de confirmer ces observations faites auprès de la clientèle du GMF-U HMR. / In Quebec, improving the access to primary care is based on the development of family medicine groups (FMGs). Since 2014, FMGs have diversified their service offerings into new professions (physiotherapy, nutrition, respiratory therapy or kinesiology). This choice of professional is specific to each FMGs but there is little data available to support this choice. The objective of the dissertation was to evaluate the practice of physiotherapy in primary care for patients with musculoskeletal disorders at University FMGs of Montreal Maisonneuve-Rosemont Hospital (UFMGs HMR). A first retrospective study (review of 100 files) aimed to describe the clientele who consulted in physiotherapy at the GMF-U HMR and its care pathway. A second, prospective study assessed the function and quality of life of patients during an initial assessment in physiotherapy and at 3 months, using self-reported questionnaire. Satisfaction with assessment and process of physiotherapy care and patient perception of the effectiveness of care teams was also assessed. The clientele of the UFMGs HMR physiotherapy department was of varied age, of low socio-economic profile and consulted only for musculoskeletal disorders of all locations. participants expressed a decrease in their quality of life and moderate functional disability. Physiotherapy care was aimed at patient empowerment (i.e. therapeutic education and home exercise, mainly). At 3 months, the evolution of the quality of life was significant. The evolution of function was significant for participants suffering from the upper limb. Participants expressed high levels of satisfaction with the management of physiotherapy and a high perception of the effectiveness of the health care team. This project suggests the interest of physiotherapy with UFMGs HMR clients. Further studies are needed across Quebec FMGs to confirm these observations made to the GMF-U HMR clientele.