Développement et validation d'un modèle de simulation numérique personnalisé à une athlète de plongeon

Les entraîneurs en sports acrobatiques disposent de peu d’outils permettant d’améliorer leur compréhension des saltos vrillés et la performance des athlètes. L’objectif de ce mémoire était de développer un environnement graphique de simulation numérique réaliste et utile des acrobaties aériennes. Un modèle composé de 17 segments et de 42 degrés de liberté a été développé et personnalisé à une athlète de plongeon. Un système optoélectronique échantillonné à 300 Hz a permis l’acquisition de huit plongeons en situation réelle d’entraînement. La cinématique articulaire reconstruite avec un filtre de Kalman étendu a été utilisée comme entrée du modèle. Des erreurs quadratiques moyennes de 20° (salto) et de 9° (vrille) entre les performances simulées et réelles ont permis de valider le modèle. Enfin, une formation basée sur le simulateur a été offerte à 14 entraîneurs en sports acrobatiques. Une augmentation moyenne de 11 % des résultats aux questionnaires post-test a permis de constater le potentiel pédagogique de l’outil pour la formation.

Méthode numérique d'estimation du mouvement des masses molles

L’analyse biomécanique du mouvement humain en utilisant des systèmes optoélectroniques et des marqueurs cutanés considère les segments du corps comme des corps rigides. Cependant, le mouvement des tissus mous par rapport à l'os, c’est à dire les muscles et le tissu adipeux, provoque le déplacement des marqueurs. Ce déplacement est le fait de deux composantes, une composante propre correspondant au mouvement aléatoire de chaque marqueur et une composante à l’unisson provoquant le déplacement commun des marqueurs cutanés lié au mouvement des masses sous-jacentes. Si nombre d’études visent à minimiser ces déplacements, des simulations ont montré que le mouvement des masses molles réduit la dynamique articulaire. Cette observation est faite uniquement par la simulation, car il n'existe pas de méthodes capables de dissocier la cinématique des masses molles de celle de l’os. L’objectif principal de cette thèse consiste à développer une méthode numérique capable de distinguer ces deux cinématiques. Le premier objectif était d'évaluer une méthode d'optimisation locale pour estimer le mouvement des masses molles par rapport à l’humérus obtenu avec une tige intra-corticale vissée chez trois sujets. Les résultats montrent que l'optimisation locale sous-estime de 50% le déplacement des marqueurs et qu’elle conduit à un classement de marqueurs différents en fonction de leur déplacement. La limite de cette méthode vient du fait qu'elle ne tient pas compte de l’ensemble des composantes du mouvement des tissus mous, notamment la composante en unisson. Le second objectif était de développer une méthode numérique qui considère toutes les composantes du mouvement des tissus mous. Plus précisément, cette méthode devait fournir une cinématique similaire et une plus grande estimation du déplacement des marqueurs par rapport aux méthodes classiques et dissocier ces composantes. Le membre inférieur est modélisé avec une chaine cinématique de 10 degrés de liberté reconstruite par optimisation globale en utilisant seulement les marqueurs placés sur le pelvis et la face médiale du tibia. L’estimation de la cinématique sans considérer les marqueurs placés sur la cuisse et le mollet permet d'éviter l’influence de leur déplacement sur la reconstruction du modèle cinématique. Cette méthode testée sur 13 sujets lors de sauts a obtenu jusqu’à 2,1 fois plus de déplacement des marqueurs en fonction de la méthode considérée en assurant des cinématiques similaires. Une approche vectorielle a montré que le déplacement des marqueurs est surtout dû à la composante à l’unisson. Une approche matricielle associant l’optimisation locale à la chaine cinématique a montré que les masses molles se déplacent principalement autour de l'axe longitudinal et le long de l'axe antéro-postérieur de l'os. L'originalité de cette thèse est de dissocier numériquement la cinématique os de celle des masses molles et les composantes de ce mouvement. Les méthodes développées dans cette thèse augmentent les connaissances sur le mouvement des masses molles et permettent d’envisager l’étude de leur effet sur la dynamique articulaire.

Psychopathie chez les individus non incarcérés et coopération dans un dilemme du prisonnier itératif

Au niveau interpersonnel, la psychopathie implique un manque de considération d’autrui pouvant se manifester par la tromperie, la manipulation et l’exploitation. La présente thèse a investigué la relation entre les caractéristiques psychopathiques d'individus non incarcérés et la tendance à coopérer dans un jeu du dilemme du prisonnier itératif. Un total de 85 hommes ont été recrutés via une annonce qui ciblait des traits de personnalité correspondant à des caractéristiques psychopathiques exprimées de façon non péjorative. Plusieurs méthodes ont été employées pour rejoindre les participants : 46 ont participés en personne après avoir répondu à une invitation affichée dans un journal local ainsi que sur des babillards à proximité d'une université; 39 ont complété l'étude sur Internet après avoir été recrutés via un site web de petites annonces. Chaque participant a répondu à un questionnaire incluant l’Échelle Auto-rapportée de Psychopathie (Levenson, Kiehl, & Fitzpatrick, 1995) et l’Échelle Auto-rapportée des Indicateurs de Psychopathie de l’Enfance et de l’Adolescence (Seto, Khattar, Lalumière, & Quinsey, 1997). Ils ont également complété une simulation informatique du dilemme du prisonnier itératif comprenant 90 essais. La simulation informatique utilisée pour évaluer les participants en personne ainsi que la version accessible par Internet ont été conçues et programmées spécifiquement pour la présente thèse. La simulation informatique incluait trois stratégies souvent associées au dilemme du prisonnier itératif : donnant-donnant, donnant-donnant-généreux et gagne/reste-perd/change. Les analyses préliminaires ont montré que les participants vus en personne et ceux rejoints par Internet ne différaient pas en termes de variables sociodémographiques, des caractéristiques psychopathiques, de la désirabilité sociale et des réponses au dilemme du prisonnier. Une régression multiple standard a indiqué que les mesures psychopathiques ne pouvaient pas prédire le nombre total de choix coopératifs dans le jeu. Par contre, une corrélation négative a été trouvée entre les caractéristiques interpersonnelles et affectives de la psychopathie et la coopération dans le premier tiers du jeu. De plus, les participants qui présentaient davantage de caractéristiques psychopathiques interpersonnelles et affectives avaient plus souvent réussi à exploiter l'ordinateur en dénonçant alors que la simulation informatique coopérait. Des analyses multi-niveaux ont exploré la contribution de variables au niveau de la décision et au niveau de l'individu dans la prédiction du choix de coopérer ou de dénoncer lors de chaque essai du jeu; les interactions entre ces variables ont aussi été considérées. Les résultats ont montré que les variables au niveau de la décision influençaient généralement plus fortement les chances de coopérer que les variables au niveau de l'individu. Parmi les mesures de la psychopathie, seulement les caractéristiques interpersonnelles et affectives ont montré une association significative avec les chances de coopérer; les interactions avec le premier choix effectué dans le jeu et le premier tiers du jeu étaient significatives. Ainsi, si un participant avait coopéré au premier essai, la présence de caractéristiques psychopathiques interpersonnelles et affectives était associée à une diminution de ses chances de coopérer par la suite. Aussi, durant les 30 premiers essais du jeu, la présence de caractéristiques psychopathiques interpersonnelles et affectives était associée à une diminution des chances de coopérer. La stratégie adoptée par la simulation informatique n'avait pas d'influence sur le lien entre les caractéristiques psychopathiques et la probabilité de coopérer. Toutefois, le fait de jouer contre donnant-donnant était associé à de plus fortes chances de coopérer d'un essai à l'autre pour l'ensemble des participants. Globalement, les résultats suggèrent que les hommes non incarcérés présentant des caractéristiques psychopathiques ne seraient pas nécessairement portés à choisir systématiquement la non-coopération. En fait, les caractéristiques interpersonnelles et affectives de la psychopathie ont semblé se traduire par une tendance à faire bonne impression au départ, tenter rapidement d'exploiter autrui en dénonçant, puis finir par coopérer. Cette tendance comportementale est discutée, ainsi que la pertinence d'utiliser le dilemme du prisonnier itératif et les analyses multi-niveaux pour étudier le comportement interpersonnel des psychopathes.

Caractérisation tridimensionnelle de l’amplitude articulaire de l’épaule

L’épaule est l’articulation la plus mobile et la plus instable du corps humain dû à la faible quantité de contraintes osseuses et au rôle des tissus mous qui lui confèrent au moins une dizaine de degrés de liberté. La mobilité de l’épaule est un facteur de performance dans plusieurs sports. Mais son instabilité engendre des troubles musculo-squelettiques, dont les déchirures de la coiffe des rotateurs sont fréquentes et les plus handicapantes. L’évaluation de l’amplitude articulaire est un indice commun de la fonction de l’épaule, toutefois elle est souvent limitée à quelques mesures planaires pour lesquelles les degrés de liberté varient indépendamment les uns des autres. Ces valeurs utilisées dans les modèles de simulation musculo-squelettiques peuvent amener à des solutions non physiologiques. L’objectif de cette thèse était de développer des outils pour la caractérisation de la mobilité articulaire tri-dimensionnelle de l’épaule, en passant par i) fournir une méthode et son approche expérimentale pour évaluer l’amplitude articulaire tridimensionnelle de l’épaule incluant des interactions entre les degrés de liberté ; ii) proposer une représentation permettant d’interpréter les données tri-dimensionnelles obtenues; iii) présenter des amplitudes articulaires normalisées, iv) implémenter une amplitude articulaire tridimensionnelle au sein d’un modèle de simulation numérique afin de générer des mouvements sportifs optimaux plus réalistes; v) prédire des amplitudes articulaires sécuritaires et vi) des exercices de rééducation sécuritaires pour des patients ayant subi une réparation de la coiffe des rotateurs. i) Seize sujets ont été réalisé séries de mouvements d’amplitudes maximales actifs avec des combinaisons entre les différents degrés de liberté de l’épaule. Un système d’analyse du mouvement couplé à un modèle cinématique du membre supérieur a été utilisé pour estimer les cinématiques articulaires tridimensionnelles. ii) L’ensemble des orientations définies par une séquence de trois angles a été inclus dans un polyèdre non convexe représentant l’espace de mobilité articulaire prenant en compte les interactions entre les degrés de liberté. La combinaison des séries d’élévation et de rotation est recommandée pour évaluer l’amplitude articulaire complète de l’épaule. iii) Un espace de mobilité normalisé a également été défini en englobant les positions atteintes par au moins 50% des sujets et de volume moyen. iv) Cet espace moyen, définissant la mobilité physiologiques, a été utilisé au sein d’un modèle de simulation cinématique utilisé pour optimiser la technique d’un élément acrobatique de lâcher de barres réalisée par des gymnastes. Avec l’utilisation régulière de limites articulaires planaires pour contraindre la mobilité de l’épaule, seulement 17% des solutions optimales sont physiologiques. En plus, d’assurer le réalisme des solutions, notre contrainte articulaire tridimensionnelle n’a pas affecté le coût de calculs de l’optimisation. v) et vi) Les seize participants ont également réalisé des séries d’amplitudes articulaires passives et des exercices de rééducation passifs. La contrainte dans l’ensemble des muscles de la coiffe des rotateurs au cours de ces mouvements a été estimée à l’aide d’un modèle musculo-squelettique reproduisant différents types et tailles de déchirures. Des seuils de contrainte sécuritaires ont été utilisés pour distinguer les amplitudes de mouvements risquées ou non pour l’intégrité de la réparation chirurgicale. Une taille de déchirure plus grande ainsi que les déchirures affectant plusieurs muscles ont contribué à réduire l’espace de mobilité articulaire sécuritaire. Principalement les élévations gléno-humérales inférieures à 38° et supérieures à 65°, ou réalisées avec le bras maintenu en rotation interne engendrent des contraintes excessives pour la plupart des types et des tailles de blessure lors de mouvements d’abduction, de scaption ou de flexion. Cette thèse a développé une représentation innovante de la mobilité de l’épaule, qui tient compte des interactions entre les degrés de liberté. Grâce à cette représentation, l’évaluation clinique pourra être plus exhaustive et donc élargir les possibilités de diagnostiquer les troubles de l’épaule. La simulation de mouvement peut maintenant être plus réaliste. Finalement, nous avons montré l’importance de personnaliser la rééducation des patients en termes d’amplitude articulaire, puisque des exercices passifs de rééducation précoces peuvent contribuer à une re-déchirure à cause d’une contrainte trop importante qu’ils imposent aux tendons.