Analyse d’information tridimensionnelle issue de systèmes multi-caméras pour la détection de la chute et l’analyse de la marche

Réalisé en cotutelle avec le laboratoire M2S de Rennes 2

Mesure de l’activité physique par accélérométrie : validation et précision de la mesure

Introduction : Les accéléromètres sont actuellement les appareils les plus utilisés pour mesurer le niveau d’activité physique, et ce, parce qu'ils évaluent les niveaux d'activité physique de façon objective. Toutefois, les mouvements humains sont difficiles à mesurer, et de nombreuses limitations doivent être prises en considération pour la bonne utilisation des accéléromètres. Les études présentées s’intéressent donc à la validité de la fonction podomètre des accéléromètres ainsi qu’à la validation de la composante accéléromètre d’un nouvel appareil multicapteur (SenseDoc). Méthode : Les sujets ayant participé à la première étude, qui consistait en la validation de la fonction podomètre des accéléromètres, ont marché sur un tapis roulant à trois vitesses différentes (2,5 km/h, 3,5 km/h et 4,8 km/h) pendant 5 minutes par palier. Un accéléromètre (ActiGraph GT3X) porté à la ceinture a enregistré le nombre de pas tandis qu'une caméra a enregistré la marche des participants. Pour la seconde étude, les participants portaient un accéléromètre Actigraph et un SenseDoc à la hanche. Les données brutes des accéléromètres et la mesure de la consommation d’oxygène par calorimétrie indirecte ont été mesurées lors de 14 activités réalisées en laboratoire allant de sédentaires à vigoureuses. Résultats : La première étude indique que les accéléromètres ont détecté seulement 53 % des pas à 2,5 km/h, 82 % à 3,5 km/h et 91 % à 4,8 km/h pour les personnes non obèses. Pour les personnes obèses, l'accéléromètre a détecté 47 % des pas à 2.5 km/h, 67 % à 3.5 km/h et 100 % à 4.8 km/h, des résultats significativement différents des personnes non obèses. La seconde étude confirme pour sa part que le SenseDoc est un outil valide de mesure du niveau d’activité physique. Les accéléromètres possèdent une bonne capacité prédictive de la dépense énergétique avec des valeurs de R carré de 0,84 et 0,80 respectivement pour l'Actigraph et le SenseDoc. Conclusion : À vitesse de marche lente, les accéléromètres sous-estiment le nombre de pas, et ce, dans une plus large mesure chez les personnes obèses que chez les personnes non obèses. Également, une méthode valide et transparente de transformation de données brutes d’accélérométrie a été divulguée dans l’étude avec le SenseDoc. Les travaux présentés dans ce mémoire visent à améliorer l’utilisation en milieu clinique et en recherche des accéléromètres et ouvrent la voie à une plus grande uniformité entre les études utilisant différents types d’accéléromètres.

Rôle des informations proprioceptives dans l’équilibre à la marche chez les personnes en santé et hémiparétiques

L'utilisation des informations proprioceptives pour le contrôle de l’équilibre à la marche est encore mal comprise chez les sujets en santé ou hémiparétiques suite à un accident vasculaire cérébral. Le but de cette étude était d’évaluer le rôle des informations proprioceptives dans le maintien de l'équilibre à la marche chez les patients en santé et hémiparétiques. Une analyse de mouvement en trois dimensions a été faite chez treize participants en santé et six hémiparétiques qui marchaient sur un tapis roulant instrumenté pour déterminer leur difficulté à maintenir l’équilibre postural et dynamique, évaluée respectivement par les forces stabilisante et déstabilisante. Des vibrations étaient appliquées en continu ou pendant la phase d’appui sur les muscles postérieurs du cou et sur le triceps sural du côté non-dominant/parétique. La vibration continue ou à l’appui du triceps sural a diminué, chez les sujets en santé, la difficulté à maintenir l’équilibre dynamique et postural (p< 0,01), avec une position du corps plus en arrière, sans changement des paramètres temporels de marche. L'équilibre et les paramètres temporels de la marche n'étaient pas modifiés significativement par la vibration à la nuque (p>.17). Aucun effet des vibrations n'a été mesuré chez les patients hémiparétiques (p> 0,45). Les informations proprioceptives sont donc bien utilisées lors de la marche, mais leur rôle dépendrait des conditions de marche et des afférences visuelles disponibles. Un changement dans les capacités d’intégration expliquerait l'absence d'effet des vibrations chez les patients hémiparétiques. D’autres études sont nécessaires pour comprendre l’intégration des informations proprioceptives et visuelles dans le contrôle de l’équilibre à la marche.

Carence en œstrogènes et bases moléculaires du métabolisme des triglycérides et du cholestérol dans le foie et l'intestin : effet de l'exercice physique

La stéatose hépatique et la détérioration du profil lipidique plasmatique sont des pathologies métaboliques favorisées par la carence œstrogénique post-ménopausique. Cependant les mécanismes à la base de ces pathologies n’ont été que très peu étudiés. Le but de cette thèse a été d’investiguer les mécanismes moléculaires possibles à l’origine de l’hypercholestérolémie et de l’accumulation des lipides (triglycérides : TG et cholestérol) dans le foie en utilisant un modèle animal de la ménopause, la rate Sprague Dawley ovariectomisée (Ovx). Nous avons également examiné si le changement des habitudes de vie comme la pratique de l’exercice physique pouvait prévenir ou corriger les modifications induites par l’Ovx. Enfin, rosuvastatine (statine) a été utilisée comme thérapie pharmacologique de l’hypercholestérolémie dans le but de comprendre son effet au niveau moléculaire chez la rate Ovx. L’objectif de la première étude était de déterminer comment l’Ovx peut affecter les niveaux de TG et de cholestérol dans le foie des rates nourries avec une diète riche en lipides (HF : 42% gras). Les rates ont été soumises à la diète HF ou normale pendant 6 semaines avant d’être Ovx ou Sham (ovariectomie simulée), puis maintenues aux mêmes conditions diététiques pour 6 autres semaines. L’Ovx a provoqué une accumulation de TG dans le foie, mais pas la diète HF seule. Cependant, lorsque l’Ovx était combinée à la diète HF, l’accumulation des TG était beaucoup plus importante comparé à ce qui était observé chez les rates Ovx soumises à la diète normale. L’expression génique (ARNm) de CPT1 (Carnitine palmitoyltransferase 1), PGC1α (Peroxisome proliferator-activated receptor gamma, coactivator 1) et PPARα (Peroxysome proliferetor activated receptor alpha) intervenant dans l’oxydation des acides gras dans le foie était augmentée par la diète HF (p ˂ 0.001; p ˂ 0.01; p ˂ 0.05 respectivement) ; mais atténuée (p ˂ 0.05; p ˂ 0.05; p ˂ 0.07 respectivement) lorsque les rates ont été Ovx, favorisant ainsi l’accumulation des TG dans le foie. La combinaison de la diète HF à l’Ovx a également provoqué une hypercholestérolémie et une accumulation de cholestérol dans le foie malgré la diminution de l’expression de la HMGCoA-r (3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase), enzyme clé de la synthèse du cholestérol. Ceci était associé à l’inhibition de l’expression génique de CYP7a1 (Cytochrome P450, family 7, subfamily a, polypeptide 1), suggérant une diminution de la synthèse des acides biliaires. Ayant constaté dans la première étude que l’Ovx élevait les niveaux de cholestérol hépatique et plasmatique, nous nous sommes fixés comme objectif dans la deuxième étude d’évaluer les effets de l’Ovx sur l’expression génique des transporteurs et enzymes responsables du métabolisme du cholestérol et des acides biliaires dans le foie et l’intestin, et de vérifier si l’exercice sur tapis roulant pouvait prévenir ou corriger les changements causés par l’Ovx. L’hypercholestérolémie constatée chez les rates Ovx comparativement aux Sham était accompagnée de la diminution de l’expression génique des récepteurs des LDL (R-LDL), des résidus de lipoprotéines (LRP1), de SREBP-2 (Sterol regulatory element binding protein 2) et de PCSK9 (Proprotein convertase subtilisin/kexin type 9) dans le foie, suggérant une défaillance dans la clairance des lipoprotéines plasmatiques. L’Ovx a aussi inhibé l’expression génique de la MTP (Microsomal triglyceride transfer protein) et stimulé celle de SR-B1 (Scavenger receptor class B, member 1); mais aucun changement n’a été observé avec CYP7a1. Ces changements moléculaires pourraient par conséquent favoriser l’accumulation de cholestérol dans le foie. L’exercice physique n’a pas corrigé les modifications causées par l’Ovx sur l’expression génique de ces molécules au niveau hépatique à l’exception de SREBP-2. Par contre, au niveau intestinal (iléum), l’exercice sur tapis roulant a inhibé l’expression génique des marqueurs moléculaires intervenant dans l’absorption des acides biliaires (OSTα/β, FXR, RXRα, Fgf15) et du cholestérol (LXRα, NCP1L1) au niveau de l’iléum chez les rates Sham entraînées. Ces adaptations pourraient prévenir le développement de l’hypercholestérolémie protégeant en partie contre la survenue de l’athérosclérose. Au vue des effets délétères (hypercholestérolémie et diminution de l’expression du R-LDL, PCSK9, LRP1, SREBP-2 et HMGCOA-r dans le foie) causés par l’Ovx sur le métabolisme du cholestérol constatés dans l’étude 2, la 3ième étude a été conçue pour évaluer l’efficacité de rosuvastatine (Ros) sur l’expression génique de ces marqueurs moléculaires chez les rates Ovx sédentaires ou soumises à l’entraînement volontaire. Ros a été administrée aux rates Ovx pendant 21 jours par voie sous-cutanée à la dose de 5mg/kg/j à partir de la 9ième semaine après l’Ovx. Ros n’a pas diminué la concentration plasmatique de LDL-C et de TC chez les rates Ovx. Par contre, Ros a stimulé (P ˂ 0.05) l’expression génique de PCSK9, SREBP-2, LRP1, HMGCoA-r et ACAT2 (Acyl-CoA cholesterol acyltransferase) mais pas significativement (P = 0.3) celle du R-LDL dans le foie des rates Ovx sédentaires et entraînées. Ros n’a pas réduit la concentration plasmatique de LDL-C probablement à cause de l’induction plus importante de PCSK9 par rapport au R-LDL. Cependant, la stimulation de LRP1 par Ros protège partiellement contre la survenue des maladies cardiovasculaires. En conclusion, les études de cette thèse indiquent que la baisse du niveau des œstrogènes entraîne des changements radicaux du métabolisme hépatique des TG et du cholestérol provoqués par des altérations de l’expression des gènes clés des voies métaboliques associées.

Relations entre la mobilité, la condition physique et les fonctions cognitives dans une perspective de vieillissement sain

Thèse effectuée en cotutelle (Université de Poitiers, France)

Évaluation clinique et biomécanique de deux différents types d’arthroplastie totale de genou

Différents dessins d’implants de prothèse totale de genou (PTG) sont utilisés en pratique clinique et chacun présente des caractéristiques biomécaniques spécifiques. Aucun implant n’a réussi à ce jour à reproduire parfaitement la biomécanique du genou naturel. Les objectifs de cette étude sont de comparer les résultats cliniques et biomécaniques tridimensionnels (3D) de deux types de PTG chez le même patient, puis de comparer la cinématique des PTG à celle d’un groupe de genoux asymptomatiques. Une cohorte de quinze patients avec un implant traditionnel dans un genou et un implant de nouvelle génération permettant un pivot dans le genou contralatéral a été étudiée. Le groupe contrôle était composé de trente-cinq genoux asymptomatiques. L’analyse de la cinématique 3D a été réalisée avec l’outil KneeKG (Emovi Inc. Canada) lors de la marche sur tapis roulant. L’évaluation clinique comprenait l’amplitude de mouvement ainsi que les questionnaires de perception articulaire, KOOS, Womac et SF-12. La comparaison de la cinématique des deux types de PTG a démontré quelques différences statistiquement significatives dans les plans sagittal et frontal alors que la comparaison des PTG et des genoux asymptomatiques a révélé plusieurs différences significatives dans les trois plans. Les scores cliniques des deux PTG ne comportaient pas de différence significative. Dans notre cohorte de patients, le design de l’implant a eu peu d’influence sur les résultats biomécaniques et cliniques. Les PTG n’ont pas reproduit une cinématique normale de genou. Beaucoup de travail et de recherche dans le développement de nouveaux implants sont encore nécessaires afin d’améliorer les résultats cliniques et de mieux reproduire la cinématique du genou naturel.

Video-based analysis of Gait pathologies

L’analyse de la marche a émergé comme l’un des domaines médicaux le plus im- portants récemment. Les systèmes à base de marqueurs sont les méthodes les plus fa- vorisées par l’évaluation du mouvement humain et l’analyse de la marche, cependant, ces systèmes nécessitent des équipements et de l’expertise spécifiques et sont lourds, coûteux et difficiles à utiliser. De nombreuses approches récentes basées sur la vision par ordinateur ont été développées pour réduire le coût des systèmes de capture de mou- vement tout en assurant un résultat de haute précision. Dans cette thèse, nous présentons notre nouveau système d’analyse de la démarche à faible coût, qui est composé de deux caméras vidéo monoculaire placées sur le côté gauche et droit d’un tapis roulant. Chaque modèle 2D de la moitié du squelette humain est reconstruit à partir de chaque vue sur la base de la segmentation dynamique de la couleur, l’analyse de la marche est alors effectuée sur ces deux modèles. La validation avec l’état de l’art basée sur la vision du système de capture de mouvement (en utilisant le Microsoft Kinect) et la réalité du ter- rain (avec des marqueurs) a été faite pour démontrer la robustesse et l’efficacité de notre système. L’erreur moyenne de l’estimation du modèle de squelette humain par rapport à la réalité du terrain entre notre méthode vs Kinect est très prometteur: les joints des angles de cuisses (6,29◦ contre 9,68◦), jambes (7,68◦ contre 11,47◦), pieds (6,14◦ contre 13,63◦), la longueur de la foulée (6.14cm rapport de 13.63cm) sont meilleurs et plus stables que ceux de la Kinect, alors que le système peut maintenir une précision assez proche de la Kinect pour les bras (7,29◦ contre 6,12◦), les bras inférieurs (8,33◦ contre 8,04◦), et le torse (8,69◦contre 6,47◦). Basé sur le modèle de squelette obtenu par chaque méthode, nous avons réalisé une étude de symétrie sur différentes articulations (coude, genou et cheville) en utilisant chaque méthode sur trois sujets différents pour voir quelle méthode permet de distinguer plus efficacement la caractéristique symétrie / asymétrie de la marche. Dans notre test, notre système a un angle de genou au maximum de 8,97◦ et 13,86◦ pour des promenades normale et asymétrique respectivement, tandis que la Kinect a donné 10,58◦et 11,94◦. Par rapport à la réalité de terrain, 7,64◦et 14,34◦, notre système a montré une plus grande précision et pouvoir discriminant entre les deux cas.

Analyse quantifiée de l'asymétrie de la marche par application de Poincaré

La marche occupe un rôle important dans la vie quotidienne. Ce processus apparaît comme facile et naturel pour des gens en bonne santé. Cependant, différentes sortes de maladies (troubles neurologiques, musculaires, orthopédiques...) peuvent perturber le cycle de la marche à tel point que marcher devient fastidieux voire même impossible. Ce projet utilise l'application de Poincaré pour évaluer l'asymétrie de la marche d'un patient à partir d'une carte de profondeur acquise avec un senseur Kinect. Pour valider l'approche, 17 sujets sains ont marché sur un tapis roulant dans des conditions différentes : marche normale et semelle de 5 cm d'épaisseur placée sous l'un des pieds. Les descripteurs de Poincaré sont appliqués de façon à évaluer la variabilité entre un pas et le cycle complet de la marche. Les résultats montrent que la variabilité ainsi obtenue permet de discriminer significativement une marche normale d'une marche avec semelle. Cette méthode, à la fois simple à mettre en oeuvre et suffisamment précise pour détecter une asymétrie de la marche, semble prometteuse pour aider dans le diagnostic clinique.

Assessing locomotion in cats trained on a flat treadmill and on a ladder treadmill before and after spinal cord injury (SCI)

Les effets des lésions de la moelle épinière sur la locomotion sont souvent évalués sur un tapis roulant avec une surface plane, ce qui demande peu d’implication active des structures supraspinales. L’objectif du présent travail est d’évaluer si un type d’entraînement nécessitant une plus grande part de contrôle volontaire (c.-à-d. supraspinal) pourrait améliorer la récupération de la marche chez le chat après une hémilésion unilatérale spinale au niveau thoracique (T10). Pour ce faire, pendant 6 semaines les chats ont été entrainés sur un tapis roulant conventionnel ou sur un tapis-échelle roulante, tâche requérant un placement des pattes plus précis. Les paramètres de la marche ont été évalués par cinématique et électromyographie (EMG) avant et une fois par semaine pendant 6 semaines après lésion. Nos résultats comparant la marche sur tapis conventionnel à celle sur échelle roulante montrent des différences dans les excursions angulaires et les couplages entre les membres. On observe aussi des différences dans l’amplitude des EMG notamment une augmentation de la deuxième bouffée du muscle Semitendineux (St) sur l’échelle roulante. Après l’hémilésion spinale cette bouffée disparait du côté de la lésion tandis qu’elle est maintenue du côté intact. Après l’entrainement sur échelle roulante, on observe des changements de trajectoire de la patte et une disparition du pied tombant (foot drag) qui suggèrent une amélioration du contrôle de la musculature distale. Nos résultats montrent que le patron locomoteur observé sur tapis conventionnel est influencé par le type d’entraînement procuré. De plus, certains paramètres de la locomotion suggèrent que l’entraînement sur échelle roulante, qui requiert plus de contrôle supraspinal, favorise une meilleure récupération de la marche après lésion spinale.

Modèles et méthodes pour la planification de la récolte forestière

Ce projet de recherche a été réalisé avec la collaboration de FPInnovations. Une part des travaux concernant le problème de récolte chilien a été effectuée à l'Instituto Sistemas Complejos de Ingeniería (ISCI) à Santiago (Chili).

Plasticity following spinalization and step-training in the cat

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Estimation de cartes d'énergie de hautes fréquences ou d'irrégularité de périodicité de la marche humaine par caméra de profondeur pour la détection de pathologies

Ce travail présente deux nouveaux systèmes simples d'analyse de la marche humaine grâce à une caméra de profondeur (Microsoft Kinect) placée devant un sujet marchant sur un tapis roulant conventionnel, capables de détecter une marche saine et celle déficiente. Le premier système repose sur le fait qu'une marche normale présente typiquement un signal de profondeur lisse au niveau de chaque pixel avec moins de hautes fréquences, ce qui permet d'estimer une carte indiquant l'emplacement et l'amplitude de l'énergie de haute fréquence (HFSE). Le second système analyse les parties du corps qui ont un motif de mouvement irrégulier, en termes de périodicité, lors de la marche. Nous supposons que la marche d'un sujet sain présente partout dans le corps, pendant les cycles de marche, un signal de profondeur avec un motif périodique sans bruit. Nous estimons, à partir de la séquence vidéo de chaque sujet, une carte montrant les zones d'irrégularités de la marche (également appelées énergie de bruit apériodique). La carte avec HFSE ou celle visualisant l'énergie de bruit apériodique peut être utilisée comme un bon indicateur d'une éventuelle pathologie, dans un outil de diagnostic précoce, rapide et fiable, ou permettre de fournir des informations sur la présence et l'étendue de la maladie ou des problèmes (orthopédiques, musculaires ou neurologiques) du patient. Même si les cartes obtenues sont informatives et très discriminantes pour une classification visuelle directe, même pour un non-spécialiste, les systèmes proposés permettent de détecter automatiquement les individus en bonne santé et ceux avec des problèmes locomoteurs.