Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada et Université du Québec à Chicoutimi, Chicoutimi, Canada. / La fasciopathie plantaire est l'une des atteintes musculosquelettiques la plus commune aux pieds. Elle a une prévalence de 7% dans la population autant chez les hommes que chez les femmes et touche principalement la tranche d'âge se situant entre 45 et 64 ans. Le fascia plantaire a comme rôle le support des différentes arches plantaires ainsi que le transfert des forces durant les différentes phases de la marche. Une blessure à celui-ci peut avoir un impact sur la fonctionnalité de l'individu. Ce mémoire a pour but d'évaluer si la fasciopathie plantaire a un impact sur l'équilibre postural ainsi que le patron de marche dans différentes conditions. 30 participants (15 avec fasciopathie plantaire) ont eu à effectuer 5 tâches d'équilibre différentes sur une plateforme de force sur laquelle les déplacements du centre de pression étaient analysés pour évaluer le contrôle postural. Les participants devaient aussi effectuer un test de marche sur le système GaitRite en marchant selon 3 vitesses différentes pour l'évaluation de différentes données spatio-temporelles à la marche. De plus, différentes mesures du pied étaient effectuées pour évaluer la mobilité ainsi que la douleur. Aucune différence statistiquement significative n'a été trouvée entre les deux groupes pour ce qui est des mesures cliniques du pied, excepté pour la douleur à la palpation qui était significativement plus élevée chez le groupe avec fasciopathie plantaire. Pour l'équilibre postural, une différence significative a été observée entre les deux groupes pour la variable aire de centre de pression (p < 0,01; d = 0,08) et vitesse d'oscillation dans la direction antéro-postérieure (p = 0,022; d = 0,04), suggérant une diminution du contrôle postural parmi les participants avec fasciopathie plantaire. Pour la marche, il a été démontré chez le groupe pathologique une diminution de la vitesse (p < 0,01; d = 0,12), la longueur des pas (p < 0,01; d = 0,16) et de la largeur des pas (p < 0,01; d = 0,18) par rapport au groupe contrôle durant les trois vitesses de marche effectuées. En conclusion, les individus atteints de fasciopathie plantaire présentaient une diminution du contrôle postural, surtout lors d'une tâche d'équilibre plus difficile (semi-tandem et unipodal) ainsi que des changements dans leur patron de marche comparativement à un groupe contrôle. Ces résultats ont des implications pour la prise en charge clinique associée aux limitations physiques comme l'équilibre et la marche des individus souffrant de fasciopathie plantaire lors d'un programme de réadaptation.

La spasticité affecte entre 67 et 78% des individus vivant avec une lésion médullaire (LM) d'origine traumatique, ainsi qu'entre 15 et 56% des individus ayant une LM non-traumatique. Ce phénomène s'identifie comme étant un désordre moteur caractérisé par une augmentation vélo-dépendante (vitesse-dépendante) du réflexe tonique d'étirement avec une exagération du réflexe ostéotendineux, résultant d'une hyperexcitabilité du réflexe d'étirement. L'impact de la spasticité des membres inférieurs sur la fonction locomotrice fait l'objet de vifs débats dans la littérature scientifique existante. Cette disparité pourrait être expliquée, en partie, par les limites des outils cliniques utilisés pour mesurer la spasticité. Les outils cliniques sont régulièrement basés sur une échelle ordinale de la résistance perçue par l'évaluateur lors d'un mouvement passif du segment évalué, ce qui soulève des questionnements quant aux qualités métrologiques de ces outils. Il a été suggéré qu'une évaluation de la spasticité basée sur des données neurophysiologiques, tel que le réflexe d'étirement, et effectuée pendant la marche, pourrait procurer une approche plus directe pour étudier la relation entre ce désordre et la fonction locomotrice. L'objectif principal de mes études de maîtrise consistait à décrire la réponse réflexe des muscles fléchisseurs plantaires (FP) à l'étirement, mesurée avec un protocole d'évaluation pendant la marche, chez des individus ayant subi une LM incomplète. Également, la relation entre la spasticité des FP et la fonction locomotrice a été étudiée. Pour atteindre ces buts, une orthèse robotisée électrohydraulique a été utilisée pour induire des étirements contrôlés des muscles FP, pendant la phase d'appui et la phase d'oscillation de la marche. Les résultats de cette étude pourront permettre de mieux comprendre le phénomène de la spasticité, et ainsi d'établir des bases solides pour justifier le développement et l'utilisation de protocoles d'évaluation de la spasticité basés sur des données neurophysiologiques ET effectués pendant la marche. À plus long terme, l'utilisation de ce type de protocole pourrait contribuer à démontrer l'efficacité de certaines interventions utilisées en physiothérapie ciblant la spasticité. / Spasticity affects approximately 67 to 78% of individuals living with a traumatic spinal cord injury (SCI), in addition to between 15 to 56% of individuals living with a non-traumatic SCI. This phenomenon is defined as a motor disorder characterized by a velocity-dependent increase in tonic stretch reflexes with exaggerated tendon jerks, resulting from hyperexcitability of the stretch reflex. Existing literature presents equivocal results regarding the impact of lower limb spasticity on locomotor function. These divergent results may be explained, at least partly, by the limitations of the clinical assessment tools used to measure spasticity. Clinical tools are regularly based on an ordinal scale and are focused on the perceived resistance to passive stretching, which raise questions about the metrological qualities of these tools. It has been suggested that an assessment of spasticity including neurophysiological data, such as stretch reflex (SR), performed during gait may provide a more direct approach to study the relationship between this disorder and locomotor function. The main objective of my master studies was to investigate plantarflexors SR response to stretching, using an assessment while walking among individuals living with an incomplete SCI. In addition, relationship between spasticity and locomotor function was studied. To achieve these goals, a robotic electrohydraulic orthosis was used to induce controlled plantarflexor stretches during the stance and swing phases of gait. Results of this study will allow to better understand spasticity, to establish solid justifications to develop and use assessment protocols based on neurophysiological data AND during gait. In the long term, the use of this type of assessment could contribute to demonstrating the effectiveness of interventions used in physical therapy targeting spasticity

Le contrôle sensorimoteur du pied est le fondement des adaptations de l’Homme à son environnement. La station debout et la marche nécessitent l’intervention de toutes les composantes du contrôle sensorimoteur, les mécanorécepteurs plantaires renseignant le système nerveux central sur la position du corps dans l'espace. Notre travail de thèse a consisté en un premier temps à établir un protocole permettant de quantifier la sensation tactile plantaire qui nous a permis de nous intéresser à l’effet des orthèses plantaires sur la perception tactile plantaire. Nos résultats mettent en évidence chez la majorité de nos sujets, que les orthèses appliquées sur les seuls appuis rétrocapitaux augmentent la discrimination des plus faibles charges mécaniques après 30 jours de port de semelles. Ces variations dépendent de la position du pied lors de la station debout et du pattern de marche. Nous avons aussi exploré le contrôle moteur lors du maintien de la station debout et d’un exercice de course à vitesse maximale. Après un effort statique maximal recrutant de façon sélective les muscles inverseurs du pied (tibialis antérior, TA), les surfaces d’appui plantaires et la surface du trajet du barycentre augmentent, il existe une altération du réflexe myotatique dans le seul TA faisant suite à des signes de fatigue électromyographique (réduction de fréquence médiane) après appui maximal. Faisant suite à un effort dynamique maximal (course sur tapis roulant), nous observons les mêmes phénomènes : augmentation des surfaces d’appui plantaire et du trajet du barycentre des pressions, et diminution de la fréquence médiane dans le seul muscle TA aux vitesses de course les plus élevées. / The sensorimotor control of foot placement and motion plays a key role in the adaptive response of human being to his environment. The participation of both sensory and motor components is needed to control the foot placement during gait and posture and mechanoreceptors in the foot sole give major information on the body position. First, we established a protocol to quantify the sensation of foot sole pressure stimulation, which allowed us to examine the effects of metatarsal pads, and heel lifts in healthy subjects. We observed that 30-days of occupational activities with metatarsal pads elicited significant changes in sensation, lowering the threshold for the detection of the lowest pressure loads and, depending on the pattern of foot placement during upright standing and walking, modifying the global gain for the foot sensation. Second, we examined the consequences of fatiguing static contraction of foot invertor muscles (tibialis anterior or TA) and of maximal running exercise on a treadmill on post-test changes in foot placement using a baropodometer, maximal force production by TA. Power spectrum analyses of electromyographic (EMG) events were performed during both static and dynamic efforts and we also explored the myotatic reflexes through the recording of the tonic vibratory response (TVR) in foot muscles. Our results showed significant changes in post-test foot placement in the direction of foot eversion in both situations, significant decrease in maximal inversion force, a leftward shift of EMG spectrum in the sole TA muscle, indicating EMG signs of fatigue, and 4) significant reduction of TVR amplitude in the sole TA muscle after sustained static effort.

La prévention des chutes chez les personnes âgées constitue aujourd'hui un objectif prioritaire en matière de santé publique. Bien que les mécanismes associés au vieillissement soient complexes et variables selon les individus, la détérioration des fonctions sensorielles semble être un des facteurs majeurs de la dégradation du contrôle postural. Cette diminution des performances posturales augmente la probabilité de chute. L'altération de la sensibilité cutanée qui apparaît avec l'âge est, en particulier, à l'origine de problèmes d'équilibre. Compte tenu de leur localisation à l'interface du corps et du support podal, les capteurs tactiles plantaires fournissent des informations très pertinentes sur les oscillations du corps par rapport à la verticale. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous nous sommes particulièrement intéressés aux effets d'une stimulation mécanique de la sole plantaire par le port de semelles à picots. Nos travaux ont mis en évidence que ce type de stimulation améliore dans certaines conditions la stabilité posturale chez les jeunes, chez les personnes âgées saines ou atteintes d'une neuropathie diabétique. Les bénéfices observés ne sont ni corrélés à la sensibilité cutanée plantaire, ni aux performances posturales initiales du sujet et varient selon les individus. L'enrichissement du contexte sensoriel apporté par les picots pourrait constituer une méthode de stimulation originale et particulièrement appropriée pour les personnes qui présentent des problèmes d'équilibre. Elle permettrait de reproduire dans une certaine mesure les effets bénéfiques d'un massage de la sole plantaire, ce qui éviterait ainsi l'intervention systématique d'un thérapeute. Les perspectives de ce travail sont nombreuses et nous permettront de déterminer le meilleur compromis en termes de durée, d'intensité, de fréquence de stimulation et de confort afin de pouvoir quantifier plus précisément la stimulation optimale.

La thèse Analyse multifactorielle de l’influence de l’environnement sur la stabilité et la locomotion humaine, propose des recherches théoriques et expérimentales dans le domaine complexe des influences du milieu environnant, à travers ses paramètres spécifiques, sur les performances de la locomotion et d’équilibre stable du corps humain. Elle met ensemble plusieurs domaines pour l’obtention d’une évaluation statistique des influences provenant des paramètres signifiants du milieu environnant sur la locomotion et sur l’équilibre stable, représentés par le centre de pression et par les forces générées dans la zone plantaire. La thèse est structurée en huit chapitres dont quatre sont concernés à l’introduction, les objectifs de la thèse, les conclusions, les contributions originales et le mode de valorisation de la recherche, ainsi qu’aux directions futures de développement, alors que les quatre suivants développent successivement, d’une manière consistante, le sujet de thèse débutant avec l’étude bibliographique dans le domaine spécifique, suivi de l’étude et l’analyse des paramètres spécifiques du milieu environnant, l’analyse de la locomotion et de la stabilité humaine et l’analyse expérimentale des influences de l’environnement sur la stabilité et la locomotion humaine. Elle contient 195 pages, 147 de figures, 22 tableaux et 5 annexes étendues sur 50 pages concernant les recherches expérimentales.Durant le programme de recherche, l’auteur a élaboré et publié 13 articles dans les proceedings des manifestations scientifiques en Roumanie et à l’étranger et a participé à deux contrats de recherche. / The thesis Contributions to research concerning the influences of the environment on human stability and locomotion proposes theoretical and experimental researches in the very complex domain of the influences of environment, described through its specific parameters, on locomotion and stable equilibrium of human body’s performances, characterized by pressure center and by the forces generated in the plantar area. The thesis is structured in eight chapters and, among them: four are concerned on introduction, thesis objectives, conclusions, original contribution and thesis valorization (published papers and research grants)/future research directions. The next four develop, consistently, the thesis subject, beginning with critical analyze of the specialized literature that is followed by the analyze of specific parameters of the environment, the analyze of the human locomotion and stability and of influences of environment on human locomotion and stable equilibrium. It contains 195 pages, 147 figures and 22 tables and is accompanied by 5 annexes on 50 pages concerning the experimental research. During the research program, the author elaborated and published 13 papers in the proceedings of different scientific events in Romania and abroad and was a part of two research teams for scientific grants.

Les gonalgies et les aponévrosites plantaires représentent la majorité des motifs de consultations d’un cabinet de podologie. Les patients souffrant de ces pathologies ressentent des douleurs au niveau du genou ou du pied qui peuvent être invalidantes. Bien que le port d’orthèses plantaires représente un traitement conservateur efficace, la prescription de ce traitement repose sur une connaissance empirique des effets de ce dernier. Le but de ce travail était donc d’étudier les effets des semelles orthopédiques à dominante biomécanique (modifiant la posture) ou proprioceptive (stimulant les capteurs de la sole plantaire) sur les modifications de la stratégie neurale chez les patients souffrant de ces pathologies et de déterminer quels pouvaient être les liens avec la diminution de la douleur ressentie. Pour cela, nous avons procédé à une évaluation de la douleur, un examen de la marche, un examen stabilométrique et des enregistrements électrophysiologiques (réflexes mesurés au repos et lors d’une contraction musculaire volontaire). L’évolution de ces différents paramètres a été mesurée après trois, six et neuf semaines de port d'orthèses plantaires. Les résultats obtenus ont été comparés à ceux recueillis chez des patients témoins indemnes de toute pathologie.Même si les résultats obtenus lors de ces études ne sont pas aussi concluants que nous l’aurions souhaité et que de nombreuses questions restent encore en suspend, ce travail a permis toutefois d’ouvrir au domaine de la podologie un champ de recherche jusque-là peu ou pas exploré. / Knee pain and plantar fasciitis represent most of the reasons for consultation of a podiatrist. Patients with these pathologies experience knee or foot pain that can be disabling. Although the use of foot orthoses is an effective conservative treatment, its prescription is based on an empirical knowledge of its effects. The aim of this study was to investigate the effects of foot orthoses based on biomechanical (modifying the posture) or proprioceptive (stimulating sensors of the plantar sole) principles on neural strategy changes in suffering patients and to determine the links with the decrease in perceived pain. For this, we performed a pain assessment, walking and stabilometric examination and electrophysiological recordings (reflexes measured at rest and during voluntary muscle contraction). The evolution of these different parameters was measured after three, six and nine weeks of wearing foot orthoses. The results obtained were compared with those obtained in control patients free from any pathology.Although the results of these studies are not as conclusive as we would have liked and many questions remain unresolved, this work has opened up to the podiatry a field of research until then little or not explored.

The raw data related to the second study of this thesis (Chapter 3) is available online in the section of supporting information at https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0232677. These files present the following data: S1 File. The pattern of foot orthosis depression/reformation for healthy subjects during walking with sport versus regular foot orthosis. S2 File. Raw data for the training session of sport foot orthosis. This Excel file consists three sheets in which the position of triad markers, the orientation of triad markers and the position of markers on plantar surface of foot orthosis are provided respectively. S3 File. Raw data for walking with sport foot orthosis. This Excel file consists two sheets in which the position of triad markers and the orientation of triad markers are provided respectively for subject 1. S4 File. The results of each participant during walking with sport foot orthosis. This .mat file includes “DispEachPoint” and “DispEachPointMean” which shows the displacement of each predicted marker on foot orthosis plantar surface during stance phase of walking relative to its corresponding position in static non weight-bearing for each trial and the average of trials respectively. In addition, “loc_stance” and “loc_meanstance” show the location of each predicted marker during stance phase of walking. “peaks” and “peaksMean” represent the minimum (depression) and maximum (reformation) value of displacement during walking S5 File. The results of each participant during walking with regular foot orthosis. This .mat file includes “DispEachPoint” and “DispEachPointMean” which shows the displacement of each predicted marker on foot orthosis plantar surface during stance phase of walking relative to its corresponding position in static non weight-bearing for each trial and the average of trials respectively. In addition, “loc_stance” and “loc_meanstance” show the location of each predicted marker during stance phase of walking. “peaks” and “peaksMean” represent the minimum (depression) and maximum (reformation) value of displacement during walking / Les orthèses plantaires (OP) sont des dispositifs médicaux fréquemment utilisés pour réduire les douleurs et blessures de surutilisation, notamment chez les personnes ayant les pieds plats. Le port d'OP permettrait de corriger les altérations biomécaniques attribuées à la déformation du pied plat, que sont la perte de l’arche longitudinale médiale et la pronation excessive du pied. Cependant, le manque de compréhension de la fonction des OP entraine une grande variabilité des OP prescrites en milieu clinique. L'objectif de cette thèse est d'approfondir les connaissances sur l’effet des OP sur la biomécanique, de quantifier les déformations des OP à la marche et de mettre en relation ces déformations avec la biomécanique du pied. La première étude a évalué la manière dont les différentes conceptions d'OP imposent des modifications dans le mouvement et le chargement appliqué sur le pied. Cet objectif a été atteint grâce à une revue systématique traitant des effets des OP sur la cinématique et la cinétique du membre inférieur pendant la marche chez des personnes ayant des pieds normaux. Les critères d'inclusion ont réduit les études à celles qui ont fait état des résultats pour les géométries les plus fréquentes des OP, à savoir les biseaux, les supports d’arche et les stabilisateurs de talon. La revue a mis en évidence que les orthèses avec un biseau médial peuvent réduire le moment d'éversion de la cheville. Aucune évidence significative n'a été trouvée dans notre méta-analyse sur l'efficacité des orthèses incluant des supports d’arche ou des stabilisateurs de talon. Les différents procédés et matériaux utilisés dans la conception des OP ainsi que les caractéristiques des pieds des participants pourraient expliquer la variabilité retrouvée au regard des effets des OP sur la biomécanique. La deuxième étude a apporté des informations précieuses et inédites sur le comportement dynamique des OP à la marche. La cinématique du contour des OP a été utilisée pour prédire la déformation de leur surface plantaire pendant la marche chez 13 individus ayant des pieds normaux en utilisant un réseau de neurones artificiels. Une erreur moyenne inférieure à 0,6 mm a été obtenue pour nos prédictions. En plus de la précision des prédictions, le modèle a été capable de différencier le patron de déformations pour deux OP de rigidités différentes et entre les participants inclus dans l’étude. Enfin, dans une troisième étude, nous avons identifié la relation entre la déformation des OP personnalisées et la biomécanique du pied à la marche chez 17 personnes avec des pieds plats. L'utilisation de modèles linéaires mixtes a permis d’exprimer les variations de la déformation des OP dans différentes régions en fonction des variables cinématiques du pied et de pressions plantaires. Cette étude a montré que l'interaction pied-OP varie selon les différentes régions de l’OP et les différentes phases du cycle de marche. Ainsi, des lignes directrices préliminaires ont été fournies afin de standardiser et optimiser la conception des OP. Dans l'ensemble, les résultats de cette thèse justifient l'importance d’'intégrer des caractéristiques dynamiques du pied de chaque individu dans la conception d'OP personnalisées. Des études futures pourraient étendre les modèles de prédiction de l'interaction pied-OP en incluant d'autres paramètres biomécaniques tels que les moments articulaires, les activations musculaires et la morphologie du pied. De tels modèles pourraient être utilisés pour développer des fonctions coût pour l'optimisation de la conception des OP par une approche itérative utilisant la simulation par les éléments finis. / Foot orthoses (FOs) are frequently used medical devices to manage overuse injuries and pain in flatfoot individuals. Wearing FOs can result in improving the biomechanical alterations attributed to flatfoot deformity such as the loss of medial longitudinal arch and excessive foot pronation. However, a lack of a clear understanding of the function of FOs contributes to the highly variable FOs prescribed in clinical practice. The objective of this thesis was to deepen the knowledge about the biomechanical outcomes of FOs and to formulate the dynamic behaviour of FOs as a function of foot biomechanics during gait. The primary study investigated how different designs of FOs impose alterations in foot motion and loading. This objective was achieved through a systematic review of all literature reporting the kinematics and kinetics of the lower body during walking with FOs in healthy individuals. The inclusion criteria narrowed the studies to the ones which reported the outcomes for common designs of FOs, namely posting, arch support, and heel support. The review identified some evidence that FOs with medial posting can decrease ankle eversion moment. No significant evidence was found in our meta-analysis for the efficiency of arch supported and heel supported FOs. The findings of this study revealed that differences in FO design and material as well as foot characteristics of participants could explain the variations in biomechanical outcomes of FOs. The second study provided valuable information on the dynamic behaviour of customized FOs. The kinematics of FO contour was used to predict the deformation of FO plantar surface in 13 healthy individuals during walking using an artificial intelligence approach. An average error below 0.6 mm was achieved for our predictions. In addition to the prediction accuracy, the model was capable to differentiate between different rigidities of FOs and between included participants in terms of range and pattern of deformation. Finally, the third study identified the relationship between the deformation of customized FOs and foot biomechanics in 17 flatfoot individuals during walking. The use of linear mixed models made it possible to identify the variables of foot kinematics and region-dependent plantar pressure that could explain the variations in FO deformation. This study showed that the foot-FO interaction changes over different regions of FO and different phases of gait cycle. In addition, some preliminary guidelines were provided to standardize and optimize the design of FOs. Overall, the results of this thesis justify the importance of incorporating the dynamic characteristics of each individual’s foot into the design of customized FOs. Future studies can extend the predictive models for foot-FO interactions by including other determinants of foot biomechanics such as joint moments, muscle activation, and foot morphology. Based on such extended models, the cost functions could be devised for optimizing the designs of customized 3D printed FOs through an iterative approach using finite element modeling.

L'objectif de ce travail est de proposer une nouvelle approche dans l'évaluation des dysfonctionnements de l'appareil locomoteur humain conduisant à des pathologies, au moyen de paramètres biomécaniques pertinents (angles et moments articulaires). Dans un premier temps, un rapprochement des données de la littérature avec les examens pratiqués en podologie pour l'étude de la marche a permis d'identifier les paramètres biomécaniques impliqués dans l'apparition de pathologies courantes : lombalgie, coxalgie et gonalgie. Ensuite, à partir de mesures expérimentales (système d'analyse gestuelle VICON et tapis de marche ADAL), les aspects statiques, cinématiques et dynamiques de l'activité locomotrice (modélisation d'une structure polyarticulée anthropomorphique représentative du membre inférieur) de sujets symptomatiques ont mis en évidence les défauts du mouvement articulaire (modèles patho-mécaniques) par rapport à la physiologie, et la pertinence des paramètres biomécaniques pour les décrire. L'analyse des modifications du mouvement suivant deux modalités : sans et avec semelle correctrice, a permis d'illustrer l'impact du mauvais alignement de la chaîne segmentaire sur les pincements de contact articulaire entraînant à terme la dégénérescence des cartilages (lombarthrose, coxarthrose et gonarthrose). Enfin, l'étude des liaisons entre les paramètres a montré l'influence des anomalies de positionnement du pied au sol sur les dysfonctionnements de la chaîne articulaire du membre inférieur