À ce jour, aucune étude n'a déterminé l'influence de la direction de la perturbation sur l'habileté à rétablir l'équilibre pour éviter une chute chez les jeunes adultes et les personnes âgées. Également, aucune étude n'a encore établi lesquelles des capacités sensori-motrices, perceptuo-sensorielles et cognitives influencent le plus cette habileté. L'objectif général de cette thèse de doctorat est donc d'établir si la direction de la perte d'équilibre ainsi que l'âge influencent la performance du rétablissement de l'équilibre à la limite du possible et, lesquelles des capacités d'un groupe de jeunes adultes et d'un groupe de personnes âgées en santé sont les plus corrélées avec la performance dans chaque direction. Pour ce faire, nous avons déterminé l'angle d'inclinaison maximal vers l'avant, l'arrière, le côté dominant et non-dominant à partir duquel 16 personnes âgées (64-83 ans) et 16 jeunes adultes (18-30 ans) en santé pouvaient être soudainement relâchées et tout de même rétablir leur équilibre en faisant un seul pas. Les capacités sensori-motrices (ex : vitesse de pas, force musculaire), les capacités perceptuo-sensorielles (ex : temps de réaction) et les capacités cognitives (ex : attention, fonctions exécutives) des participants ont été évaluées à l'aide d'une batterie de tests cliniques et, certaines d'entre elles, lors de la tâche de rétablissement de l'équilibre. Les effets de l'âge et de la direction de la perte d'équilibre ont d'abord été déterminés par une analyse de variance avec mesures répétées. Les capacités cliniques et les mesures de performances qui prédisent le mieux l'angle d'inclinaison maximal ont ensuite été déterminées par régression linéaire multiple. Finalement, l'effet des angles d'inclinaison initiaux incrémentaux sur Ies mesures de performance a été déterminé par modèle de régression linéaire à croissance non conditionnelle. L'angle d'inclinaison maximal est, globalement, 32% plus grand chez les jeunes adultes que chez les personnes âgées. Cet angle maximal est 31% plus petit pour l'arrière et 23% plus petit pour le côté comparé à l'avant. La diminution de l'angle maximal avec l'âge était également 41% plus petite pour l'arrière comparé aux autres directions d'inclinaison. Ces différences d'angle maximal semblent être dues à des variations dans les paramètres liés à l'initiation, l'exécution et la géométrie de la réponse. La puissance musculaire des membres inférieurs est la variable clinique la plus associée à la performance du rétablissement de l'équilibre (R[indice supérieur 2] =47- 75%) tandis que c'est la vitesse du pas qui est la mesure de performance expérimentale la plus corrélée à l'angle maximal (R[indice supérieur 2] =61-83%). Finalement, une corrélation linéaire élevée existe entre l'angle d'inclinaison incrémental et la vitesse de pas moyenne (pseudo R[indice inférieur epsilon][indice supérieur 2] =72-92%), la vitesse de pas maximale (pseudo R[indice inférieur epsilon][indice supérieur 2] =68-92%) et la longueur du pas (pseudo R[indcie inférieur epsilon][indice supérieur 2] =39-72%). Les résultats de cette thèse démontrent que : a) la direction de la perturbation et l'âge influencent l'habileté à rétablir l'équilibre, b) l'aptitude clinique la plus associée à cette habileté est la puissance musculaire des membres inférieurs, c) la variable expérimentale la plus associée à cette habileté est la vitesse du pas, d) cette dernière, ensemble avec la longueur du pas, augmente avec la difficulté de la tâche de rétablissement de l'équilibre. Les variables cliniques et expérimentales sont donc en accord car puissance musculaire des membres inférieurs et vitesse du pas sont physiquement liées. Nous avons ainsi démontré que pendant le rétablissement de l'équilibre la synergie entre les capacités sensori-motrices d'un individu joue un rôle fondamental dans sa réussite ou son échec. Ceci devrait aider à mettre en place des programmes de prévention plus ciblés et donc, plus efficaces.

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

Die Patellaerstluxation ist eine besonders im jüngeren Lebensalter auftretende Verletzungsform. Bei persistierender Instabilität mit Rezidivereignissen ist die Rekonstruktion des medialen patellofemoralen Ligaments (MPFL) ein etabliertes Operationsverfahren. In dieser Arbeit wurde bei 17 Patienten (Durchschnittsalter 22,65 Jahre) die posturale Stabilität sowie das Kraftverhalten der Oberschenkelmuskulatur im Mittel 400,65 Tage nach Durchführung einer MPFL-Plastik in Form einer klinischen Verlaufsstudie bestimmt. Die Messung der posturalen Instabilität erfolgte im Einbeinstand auf einem Posturomed (Haider Bioswing). Dabei wurde aus der Ruheposition sowie nach Bewegungsimpuls in AP- und ML-Richtung die Wegstrecke der Standplattform aufgezeichnet. Bei allen Testmodi zeigten sich auf der operierten im Vergleich zur Gegenseite leichtgradig bessere Werte (nicht signifikant). Die Kraftdiagnostik erfolgte durch isokinetische Testung der Kniegelenksextensoren bzw. -flexoren im Seitenvergleich mittels Biodex System 3 (Medical Systems) zunächst unter konzentrischen Kontraktionsbedingungen bei 60°/s und 240°/s sowie im Anschluss bei exzentrischer Flexion bei 60°/s Winkelgeschwindigkeit. Im ersten Abschnitt zeigten sich auf der betroffenen Seite in die Knieextension niedrigere Werte als auf der Gegenseite (teilweise signifikant) bei keiner wesentlichen Differenz in die Flexion. Im zweiten Teil erzielten die Probanden im Mittel mit ihrem operierten Bein geringere Werte als mit dem nicht operierten Bein (teilweise signifikant). Zusammenfassend zeigt sich ca. ein Jahr postoperativ kein posturales Defizit jedoch ein Kraftdefizit des Streckapparates der operierten Seite. In der Literatur ist eine postoperative Quadrizepsdsyfunktion nach MPFL-Plastik vielfach beschrieben. Ein möglicher Pathomechanismus ist die arthrogene Muskelinhibition. Die Integration disinhibierender Maßnahmen in herkömmliche Rehabilitationsprogramme stellt einen denkbaren Therapieansatz dar. / Patellar luxation is an injury that affects especially young people. The reconstruction of the medial patellofemoral Ligament (MPFL) is an established surgical procedure in persistent instability with recurrent dislocation. This study examines the postural stability and force behavior of thigh muscles of 17 patients (average age 22.65 years) on average 400.65 days after MPFL reconstruction in a clinical follow-up study. The postural stability was measured with Posturomed (Haider Bioswing) by one-legged stance. Starting from resting position followed by impulse in AP- and ML-direction the distance of the platform was recorded. In all test modes slightly better results were achieved on the operated side compared to the non-operated side (not significant). The strength diagnosis was carried out by isokinetic testing of the knee joint extensors and flexors in a side-by-side comparison using Biodex System 3 (Medical Systems), first under concentric contraction conditions at 60°/s and 240°/s followed by eccentric flexion at 60°/s angular velocity. In the first section of testing the knee extension showed lower values on the affected side than on opposite side (partly significant) with no substantial difference in flexion. In the second section, the test subjects achieved with their operated leg lower values than with the non-operated leg (partly significant). In summary, one year postoperatively there is no postural deficit, but a strength deficit of the Quadriceps muscle on the operated side. Postoperatively dysfunction of the Quadriceps after MPFL reconstruction has been described frequently in the literature. A possible pathomechanism is the arthrogenic muscle inhibition. The integration of disinhibitory modalities into conventional rehabilitation programs is a conceivable therapeutic approach.

Le vieillissement de la population crée une augmentation des gens en perte d'autonomie et entraîne un accroissement des cas de chute qui ont des conséquences graves. En effet, au Canada, les chutes sont au deuxième rang des décès (25%) après les accidents de voiture, mais sont au premier rang des hospitalisations (58%), des visites à l'urgence (30%) et des incapacités permanentes (53%) pour les blessures non intentionnelles. Cela entraîne des coûts importants pour le système de santé canadien, soit 6.2 milliards de dollars en 2004. La solution réside donc dans la prévention des chutes, mais il n'existe pas de ligne directrice pour savoir à partir de quand il faudrait penser à améliorer l'habileté à rétablir l'équilibre. De plus, la direction dans laquelle la personne chute est importante, le côté augmentant le risque de fracture de la hanche de 3 à 5 fois. Malheureusement, aucune étude n'a examiné l'effet de l'âge et de la direction de la perte d'équilibre à la limite du possible dans la population âgée entre 33 et 61 ans. C'est pourquoi l'angle d'inclinaison maximal duquel 20 jeunes (25-44 ans), 16 mi-âgés (45-64 ans) et 16 âgés (65-85 ans) en santé ont pu tout de même rétablir leur équilibre avec un seul pas, après avoir été soudainement relâchés d'une inclinaison initiale vers l'avant, le côté et l'arrière a été déterminé. Les résultats ont démontré que les angles d'inclinaison maximum pour les jeunes étaient 23% plus grands que pour les mi-âgés et 48% plus grands que pour les âgés, tandis que les mi-âgés sont 33% plus grands que les âgés. Les angles d'inclinaison maximum pour l'avant étaient 23% plus grands que pour le côté et 22% plus grands que pour l'arrière. Ces déclins avec l'âge et la direction semblaient dûs à une diminution des capacités reliés à l'initiation, à l'exécution et à la géométrie de la réponse. Finalement, des régressions exponentielles ont démontré que les âges critiques où l'habileté à rétablir l'équilibre et éviter une chute diminue significativement étaient de 51.0, 60.6 et 69.9 ans pour l'avant, le côté et l'arrière respectivement. Donc, il a été démontré que l'âge affecte l'habileté à rétablir l'équilibre 10 ans plus tôt que le taux de chutes. Cela concorde avec les données provenant d'habiletés cliniques reconnues telles que l'équilibre debout unipodal et le trail making test A. Les études futures devraient donc non seulement inclure des adultes âgés de plus de 65 ans, mais aussi des adultes mi-âgés de moins de 65 ans. De plus, les âges critiques identifiés dans cette étude pourraient justifier un dépistage plus hâtif des adultes vieillissants afin de prévenir des chutes futures. Après l'acquisition des données, soit lors du traitement de signal, la détermination de la fréquence de coupure devient cruciale puisqu'elle peut distordre le signal, altérer les données et mener à de fausses conclusions. Malheureusement, la littérature sur le traitement de signal et les articles parus sur le sujet sont difficilement accessibles pour la plupart des biomécaniciens. Par conséquent, une procédure conviviale, visuelle et intuitive pour déterminer la fréquence de coupure de signaux biomécaniques est proposée. Cet algorithme utilise d'abord la densité spectrale de puissance et l'analyse résiduelle pour choisir une fréquence de coupure appropriée, puis évalue l'effet de ces fréquences de coupure sur un ensemble de données réelles, soit les données de l'expérience sur le rétablissement de l'équilibre présentée précédemment. Il est espéré que cette approche pratique améliore la compréhension du traitement de signal dans le domaine de la biomécanique et par conséquent, améliore les données présentées.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Les saccades verticales sont importantes pour l'exploration du monde visuel 3D. Ces mouvements complexes nécessitent le contrôle de la distribution d'innervation aux six muscles extraoculaires de chaque ¿il. Peu d'études existent chez quelques adultes. Elles montrent une asymétrie haut/bas : latence plus courte pour les saccades vers le haut, convergence pendant les saccades vers le bas et divergence pendant les saccades vers le haut. Une controverse persiste concernant l'origine centrale versus musculaire de la vergence. Cette thèse apporte des données de référence sur le développement des saccades verticales en interaction avec la vergence chez des enfants de 6 à 17 ans. Le résultat marquant est une convergence pendant toutes les saccades verticales qui diminue avec l'âge pour les saccades vers le haut, tendant vers la divergence de l'adulte. Ainsi, les asymétries haut/bas évoluent avec l'âge ; nos résultas plaident en faveur d'une synergie continue saccade-vergence qui soutiendrait un biais perceptif (champ visuel haut perçu comme plus lointain en profondeur que le champ visuel bas). Cette thèse étudie aussi le contrôle postural, focalisant sur l'interaction vision-oculomotricité-posture des enfants de 6 à 17 ans sains et des enfants avec strabisme. Les résultats montrent un effet stabilisateur de la vergence sur la posture, l'existence d'un espace privilégié pour la stabilité posturale (lointain pour strabismes divergents, mais proche pour strabismes convergents et enfants sains) et un bénéfice de la vision bi-oculaire rudimentaire présente chez des strabiques. Cette thèse ouvre des pistes multiples de recherche fondamentale en clinique. / Vertical saccades eye movements are very important for exploration of the 3-D space. There are complex movements, requiring control of the distribution of innervation to the six extraocular muscles of each eye. Few studies exist in some adults subjects. These showed up/down anisotropies: shorter latency for upward saccades, convergence during downward and divergence during upward saccades. A controversy remains about the origin, central versus muscular, of the vergence. This thesis provides referential developmental data of vertical saccades in interaction with vergence in children from 6 to 17 years. The striking result is a convergence of the eyes during all vertical saccades that decrease with age for upward saccades, tending towards divergence like adults. Thus up/down asymmetries changed with age, in line with a continuous saccade-vergence synergy that supports a perceptual bias (upper visual field further away in depth than lower visual field). This thesis studied also postural control, focusing on the vision-oculomotricity-posture interaction in children from 6 to 17 years old, and in children with strabismus. Our results showed a stabilizing effect of vergence on posture, the existence of a favorite space for postural stability in strabismic children (near for convergent and healthy children and far for divergent strabismus) and a benefit of bi-ocular visual stimulation. This thesis opens multiple avenues for fundamental research in clinic.

L'objectif général de ce travail de thèse était d'examiner, chez le sujet jeune et bien portant, l'adaptabilité des commandes motrices posturale et focale associées à une tâche de poussée bilatérale dynamique lorsque la capacité posturo-cinétique est spécifiquement contrainte par trois types de facteurs : i) le changement d'appui de bipodal à unipodal (1ère expérimentation), ii) la dominance posturale (appui unipodal sur la jambe dominante ou sur la jambe non dominante ; 2ème expérimentation), et iii) la fatigue posturale (3ème et 4ème expérimentation). Les résultats de la 1ère expérimentation ont montré que le système nerveux central augmentait la durée des ajustements posturaux anticipateurs (APA) en condition unipodale de façon à maintenir un niveau de forces inertielles équivalent à celui obtenu en condition bipodale, et donc à maintenir un niveau de contreperturbation anticipatrice équivalent. Il en résultait une performance focale (vitesse maximale) optimale. Les résultats de cette expérimentation, basée sur une analyse des caractéristiques biomécaniques des APA, ont également montré que ce type de stratégie adaptative caractérisée par un allongement de la durée des APA ne dépendait pas de la dominance posturale. En revanche, l'analyse électromyographique (2ème expérimentation) a révélé que la réponse adaptative des muscles posturaux au changement d'appui (de bipodal à unipodal) était asymétrique, i.e. que le niveau d'activation des muscles posturaux nécessaire à assurer une contre-perturbation posturale et une performance focale optimales était plus élevé lorsque les sujets se tenaient en appui unipodal sur la jambe non dominante que sur la jambe dominante. La capacité d'adaptation au changement d'appui serait donc meilleure dans cette dernière situation car plus " économique " en terme énergétique. Enfin, les résultats de la 3ème et de la 4ème expérimentation suggèrent que cette capacité d'adaptation est altérée suite à la répétition intensive de séries de contractions isométriques de haute intensité. Dans ces conditions de fatigue, l'amplitude des APA était en effet drastiquement réduite comparativement à la condition " non fatigue ". L'ensemble de ces résultats contribue à une meilleure connaissance des capacités d'adaptation des commandes motrices posturales et focales associées à l'exécution du mouvement volontaire.

Einleitung & Problemstellung: Beschwerden nach Beschleunigungsverletzungen der Halswirbelsäule sind oft nur unzureichend einzuordnen und diagnostizierbar. Eine eindeutige Diagnostik ist jedoch für eine entsprechende Therapie wie auch möglicherweise entstehende versicherungsrechtliche Forderungen notwendig. Die Entwicklung eines geeigneten Diagnoseverfahrens liegt damit im Interesse von Betroffenen wie auch Kostenträgern. Neben Störungen der Weichteilgewebe ist fast immer die Funktion der Halsmuskulatur in Folge eines Traumas beeinträchtigt. Dabei wird vor allem die sensorische Funktion der HWS-Muskulatur, die an der Regulation des Gleichgewichts beteiligt ist, gestört. In Folge dessen kann angenommen werden, dass es zu einer Beeinträchtigung der Gleichgewichtsregulation kommt. Die Zielstellung der Arbeit lautete deshalb, die möglicherweise gestörte Gleichgewichtsregulation nach einem Trauma im HWS-Bereich apparativ zu erfassen, um so die Verletzung eindeutig diagnostizieren zu können. Methodik: Unter Verwendung eines posturographischen Messsystems mit Kraftmomentensensorik wurden bei 478 Probanden einer Vergleichsgruppe und bei 85 Probanden eines Patientenpools Kraftmomente unter der Fußsohle als Äußerung der posturalen Balanceregulation aufgezeichnet. Die gemessenen Balancezeitreihen wurden nichtlinear analysiert, um die hohe Variabilität der Gleichgewichtsregulation optimal zu beschreiben. Über die dabei gewonnenen Parameter kann überprüft werden, ob sich spezifische Unterschiede im Schwankungsverhalten anhand der plantaren Druckverteilung zwischen HWS-Traumatisierten und den Probanden der Kontrollgruppe klassifizieren lassen. Ergebnisse: Die beste Klassifizierung konnte dabei über Parameter erzielt werden, die das Schwankungsverhalten in Phasen beschreiben, in denen die Amplitudenschwankungen relativ gering ausgeprägt waren. Die Analysen ergaben signifikante Unterschiede im Balanceverhalten zwischen der Gruppe HWS-traumatisierter Probanden und der Vergleichsgruppe. Die höchsten Trennbarkeitsraten wurden dabei durch Messungen im ruhigen beidbeinigen Stand mit geschlossenen Augen erzielt. Diskussion: Das posturale Balanceverhalten wies jedoch in allen Messpositionen eine hohe individuelle Varianz auf, so dass kein allgemeingültiges Schwankungsmuster für eine Gruppengesamtheit klassifiziert werden konnte. Eine individuelle Vorhersage der Gruppenzugehörigkeit ist damit nicht möglich. Die verwendete Messtechnik und die angewandten Auswerteverfahren tragen somit zwar zu einem Erkenntnisgewinn und zur Beschreibung des Gleichgewichtsverhaltens nach HWS-Traumatisierung bei. Sie können jedoch zum derzeitigen Stand für den Einzelfall keinen Beitrag zu einer eindeutigen Bestimmung eines Schleudertraumas leisten. / Introduction & Problem definition: Disorders after acceleration injuries of the cervical spine can often be classified and diagnosed only inadequately. But an explicit diagnosis is necessary as a basis for an adequate therapy as well as for possibly arising demands pursuant to insurance law. The development of suitable diagnosis methods is in the interest of patients as well as the cost units. Apart from disorders of the soft tissues there are almost always impairments of the function of the neck musculature. Particularly the sensory function of the cervical spine musculature, which participates in the regulation of the equilibrium, is disturbed by that. As a result in can be assumed that the postural control is also disturbed. Therefore the aim of this study was to examine the possibly disturbed postural motor balance after a whiplash injury of the cervical spine with the help of apparatus-supported methods to be able to unambigiously diagnose. Methods: postural measuring system based on the force-moment sensortechnique was used to record the postural balance regulation of 478 test persons and 85 patients which had suffered a whiplash injury. Data analysis was accomplished by linear as well as by nonlinear time series methods in order to characterise the balance regulation in an optimal way. Thus it can be determined whether there can be classified specific differences in the plantar pressure distribution covering patients with a whiplash injury and the test persons of the control group. Results: The best classification could be achieved by parameters which describe the variation of the postural balance regulation in phases in which the differences of the amplitudes of the plantar pressure distribution were relatively small. The analyses showed significant differences in the postural motor balance between the group of patients with whiplash injuries and the control group. The most significant differences (highest discriminate rates) could be observed by measurements in both-legged position with closed eyes. Discussion: Although the results achieved support the hypothesis mentioned above, is must be conceded that the postural motor balance showed a high individual variation in all positions of measurement. Therefore no universal variation model could be classified for the entirety of either group. This way an individual forecast of the group membership is impossible. As a result the measurement technology being used and the nonlinear time series analyses can contribute to the gain of knowledge and to the description of the regulation of postural control after whiplash injury. But at present they cannot contribute to an explicit determination of a whiplash injury for a particular case.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Dans ce travail de thèse, nous nous sommes consacrés au développement d’un système robotique permettant de reproduire en laboratoire l’ensemble des perturbations subies par un sujet humain dans un transport en commun afin d’analyser et de comprendre le mécanisme de son équilibre postural. La reproduction en laboratoire des perturbations nécessitent la conception d’une plateforme dynamique non contrainte dans son déplacement. L’analyse de l’équilibre humain nécessite également le développement d’un modèle du pendule inversé de l’homme afin de définir des indices quantitatifs d’équilibre et de procéder à des analyses statistiques et comparatives. Grâce aux objectifs fixés par ce travail de recherche, nous avons réalisé une plateforme mobile omnidirectionnelle compacte pouvant supporter un sujet pesant 120kg. Cette plateforme confère au sujet placé dessus une meilleure perception de confort et de sécurité. Ses performances en termes de poursuite de trajectoire et de commande des accélérations ont été effectuées et évaluées. Ces performances sont très satisfaisantes par rapport aux expérimentations menées dans le métro puisque les accélérations réalisées sont supérieures aux valeurs exigées par ce moyen de transport. Ainsi, la plateforme est capable de reproduire une perturbation compatible avec le métro. Nous avons proposé deux méthodes d’analyse basées sur des accéléromètres triaxiaux connectés et synchronisés à la plateforme pour l’évaluation des paramètres de couple et de position articulaires de la cheville, du genou et de la hanche du sujet. Les résultats obtenus sont comparables à ceux obtenus par un système plus couteux de capture de mouvement avec logiciel biomécanique. De nouveaux indices d’équilibre ont été proposés à partir des paramètres biomécaniques de 22 sujets. Ces indices peuvent être exploités par les thérapeutes pour analyser et prévoir la capacité de maintien de l’équilibre d’un passager dans le métro ou plus généralement dans les transports en commun. / In this thesis, we achieved the development of a robotic system to reproduce in laboratory all the disturbances undergone by a human subject in public transport in order to make an analysis of postural balance. Reproductive simulated disturbances in laboratory require developing a dynamic platform unconstrained in its movement. Analysis of postural balance also requires the development of an inverted pendulum model to define quantitative indices of stability and to make comparative and statistical analysis. According the objectives of this research work, we realized a compact omnidirectional mobile platform capable of supporting a weight of about 120kg. This platform gives the subject placed on it a better perception of comfort and safety. Its performances in terms of trajectory tracking and acceleration control are carried out and evaluated. These performances are very satisfactory compared to experiments in the subway since the produced accelerations are higher than the values required by this means of transport. Thus, the platform is able to reproduce the perturbation compatible with the subway. We proposed two methods of analysis based on triaxial accelerometers connected and synchronized platform for evaluating torque and joint position of the ankle, knee and hip of the subject. The results obtained are comparable to those obtained by more expensive motion capture system with biomechanical software. New postural balance indices have been proposed from the biomechanical parameters of 22 subjects. These indices can be used by therapists to analyze and predict the ability of maintaining the balance of a passenger in the subway or more generally in public transport.