Évaluation biomécanique de la locomotion à la suite d'une arthroplastie de la hanche

Depuis les dernières années, la prévalence de personnes souffrant de dégénérescence des cartilages articulaires, communément appelée ostéoarthrite (OA), ne cesse d’augmenter. Les douleurs articulaires et les raideurs musculaires associées à cette pathologie mènent à des limitations des capacités fonctionnelles, à une perte de mobilité et d’autonomie affectant grandement la qualité de vie de ces personnes. Afin de soulager les personnes souffrant de cette pathologie, l’arthroplastie de la hanche est une procédure chirurgicale fréquemment utilisée. À la suite de cette chirurgie, une amélioration de la qualité de vie et une reprise des capacités fonctionnelles sont souvent observées. Cependant, comparativement à des sujets sains, la vitesse de marche est diminuée, une faiblesse des muscles abducteurs de la hanche est constatée et des mouvements compensatoires au niveau du tronc sont persistants. L’objectif de cette thèse est d’évaluer le patron locomoteur chez des patients qui subiront une arthroplastie de la hanche. Plus spécifiquement, les adaptations locomotrices pré et post-opératoires seront quantifiées dans le but d’apporter des modifications aux programmes de réhabilitation pour ainsi favoriser un patron locomoteur sans déficit. Afin de répondre à cet objectif, trois études distinctes ont été effectuées. Dans le cadre de la première étude, l’impact de l’implantation d’une prothèse totale de la hanche avec une tête fémorale de large diamètre et une prothèse de resurfaçage a été évalué par rapport aux sujets sains lors de la locomotion. Au cours de cette étude, le contrôle du tronc a été analysé en utilisant la distance entre le centre de masse corporel et le centre articulaire de la hanche opérée. Suite aux résultats obtenus, aucune différence majeure n’existe entre les deux types de prothèses en ce qui a trait au contrôle du tronc et ce, à un an post-opératoire. Lors de la deuxième étude, la symétrie des paramètres biomécaniques des membres inférieurs lors de la locomotion chez des patients ayant bénéficié de l’implantation d’une prothèse de la hanche a été caractérisée suite à un programme d’exercices péri-opératoires (pré et post-opératoire). Lors de cette étude, le programme d’exercices péri-opératoires était complémentaire au protocole de réadaptation du centre hospitalier. D’après les résultats obtenus lors de cette étude exploratoire, ce programme d’exercices péri-opératoires semble permettre d’améliorer la symétrie de la puissance et du travail musculaire au niveau de la hanche, du genou et de la cheville favorisant ainsi un patron de marche avec de minimes compensations. Finalement, dans le cadre de la troisième étude, l’approche prédictive et l’approche fonctionnelle, utilisées pour localiser le centre articulaire de la hanche, ont été comparées aux mesures radiographiques, chez des patients à la suite d’un remplacement articulaire de la hanche. À la suite de cette étude, les résultats démontrent que l’utilisation de l’approche fonctionnelle est plus appropriée chez des patients ayant bénéficié d’une arthroplastie de la hanche. En effet, cette approche individualisée est plus précise ce qui, par conséquent, permettra d’obtenir des résultats de plus grande qualité lors d’analyses biomécaniques de la locomotion.

L'importance du système noradrénergique aux niveaux thoracique et lombaire de la moelle épinière pour la locomotion du chat

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Age and species related variation in the development of growth plates of the knee and implications for the locomotion of Australopithecus afarensis

Comprendre l'évolution de la bipédie est un élément essentiel à la recherche en paléoanthropologie, car ce comportement est le trait le plus important utilisé pour identifier les fossiles comme appartenant à la lignée des hominines. La topographie de la surface infradiaphysaire du fémur et du tibia pourrait donner un aperçu du comportement locomoteur des espèces fossiles, mais n'a pas été étudiée de façon approfondie. Ce trait reflète directement les différences dans la locomotion, puisque la surface change de topographie pour mieux résister aux charges encourues par les mouvements réguliers. Le plan infradiaphysaire du fémur chez les humain est relativement plat, tandis que la surface est plus irrégulière chez les grands singes. Dans ce projet, les métaphyses du genou ont été étudiées d’une manière quantifiée afin de percevoir les différences entre espèces et mieux comprendre le développement ontogénique de ces traits. Les angles formés par les protrusions et les creux de ces surfaces ont été mesurés à partir de points de repère enregistrés en trois-dimensions sur les métaphyses du genou chez les humains, chimpanzés, gorilles, et orangs-outans, et chez trois fossiles Australopithecus afarensis, afin d’observer de l’effet de facteurs tel le stade de croissance et l’appartenance à une espèce sur la topographie des plaques de croissance du genou. Les angles d’obliquité du fémur et du tibia ont aussi été mesurés et analysés. Les résultats ont révélé que le stade développemental et l’appartenance à une espèce et, par association, le mode de locomotion, ont un effet significatif sur les métaphyses du genou. Il a également été constaté que les mesures d'Australopithecus afarensis chevauchent les valeurs trouvées chez les humains et chez les grands singes, ce qui suggère que cette espèce avait possiblement conservé une composante arboricole dans son comportement locomoteur habituel.

Rôle du système du trijumeau dans la locomotion chez le nouveau-né d’opossum (Monodelphis domestica)

L’opossum Monodelphis domestica naît très immature et grimpe sans aide de la mère, du sinus urogénital à une mamelle où il va s’attacher pour poursuivre son développement. Des informations sensorielles sont nécessaires pour guider le nouveau-né vers la mamelle et les candidats les plus probables sont le toucher, l’équilibre et l’olfaction. Pour tester l’action des différents systèmes sur la motricité chez l’opossum nouveau-né, des régions céphaliques du trijumeau, du vestibulaire et de l’olfaction ont été stimulées électriquement sur des préparations in vitro en comparaison avec une stimulation seuil T (intensité minimale de la stimulation à la moelle épinière cervicale induisant le mouvement des membres antérieurs). Par comparaison, un mouvement similaire était induit par des stimulations à ~2T du ganglion du trijumeau, à ~20 T du complexe vestibulaire, et à ~600 T des bulbes olfactifs. L’étude de l'innervation de la peau faciale et des voies relayant les informations du trijumeau vers la moelle épinière (ME) a été approfondie en utilisant de l’immunohistochimie pour les neurofilament-200 et du traçage rétrograde avec du Texas-Red couplé à des Dextrans Aminés. De nombreuses fibres nerveuses ont été révélées dans le derme de plusieurs régions de la tête. Quelques cellules du ganglion trigéminal projettent à la ME rostrale, mais la majorité projette vers la médulla caudale où se trouvent les neurones secondaires du trijumeau ou des cellules réticulospinales. Les résultats de cette étude indiquent une influence significative des systèmes du trijumeau et du vestibulaire, mais pas de l'olfaction, sur le mouvement des membres antérieurs des opossums nouveau-nés.

Contribution du globus pallidus lors de la locomotion sous guidage visuel.

Les nombreuses études cliniques sur les maladies affectant les noyaux gris centraux (NGC) ont montré l’importance des déficits moteurs engendrés par un dysfonctionnement de ces structures. La locomotion est particulièrement affectée chez ces patients, ce qui suggère un rôle important des NGC dans le contrôle de celle-ci. En revanche, très peu d’études fondamentales ont enregistré l’activité des neurones des NGC durant la locomotion chez des modèles intacts. Le globus pallidus, en tant qu’une des principales structures de sortie des NGC, constitue une cible idéale pour étudier le signal transmis par les NGC au thalamus et au tronc cérébral. L’objectif de notre étude est de mieux comprendre la contribution que joue le segment externe du globus pallidus (GPe) dans le contrôle de la locomotion sous guidage visuel. Cette étude constitue le premier rapport d’enregistrements de l’activité des neurones du GPe lors de modifications volontaires de la marche sous guidage visuel. Notre hypothèse générale est que le GPe contribue au contrôle de la locomotion, et particulièrement lors des modifications de la marche. Nous avons enregistré l’activité des neurones du GPe de chats au repos, puis marchant sur un tapis et enjambant des obstacles. Nos résultats ont révélé que la plupart des cellules montraient peu de changements lors de la locomotion non-obstruée par rapport au repos. En revanche, la moitié des neurones enregistrés présentaient une modulation significative de leur décharge durant l’enjambement de l’obstacle. Nous avons observé une majorité de ces cellules qui diminuaient leur fréquence et un tiers de neurones qui l’augmentaient pendant le pas modifié, suggérant que le GPe exerce sur le mouvement un contrôle dépendant du contexte, permettant sélectivement l’augmentation ou la diminution de l’activité motrice. De plus, presque toutes les cellules déchargeaient durant la totalité de la phase de balancement du membre antérieur controlatéral, ce qui semble indiquer une contribution du GPe dans le timing et la durée de cette phase. Finalement, la moitié des neurones présentaient un changement réciproque entre la condition de lead et la condition de trail. Ce résultat suggère que le GPe participerait à la sélection d’action du membre lors des modifications de la marche. Nos résultats illustrent la complexité de l’activité du GPe lors de la locomotion sous guidage visuel et ils sont compatibles avec une contribution plus générale au mouvement que celle exercée par le cortex moteur.

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.

Studies on Rubber Composition as Passive Acoustic Materials in Underwater Electro Acoustic Tranducer Technology and Their aging Characteristic

The research work has been in the area of compounding and characterization of rubbers for use in under water electro acoustic transducers. The study also covers specific material system such as encapsulation materials, baffle material, seal material, etc. Life prediction techniques of under water rubbers in general have been established with reference to more than one functional property. Ranges of passive materials, besides the active sensing material go into the construction of underwater electro acoustic transducers. Reliability of the transducer is critically dependent on these passive materials. Rubbers are a major class of passive materials. The present work concentrates on these materials. Conventional rubbers are inadequate to meet many of the stringent function specific requirements. There exists a large gap of information in the rubber technology of underwater rubbers, particularly relating to underwater electro acoustic transducers. This study is towards filling up the gaps of information in this crucial area. Water intake into rubber is considered as the single most important issue for the long-term performance of rubbers, especially Neoprene. In this study, the cause and effects of a range of parameters affecting the water absorption by diffusion and permeation have been investigated.

Investigations on Ultrasonic Transducer Array Systems for NDE of Underwater Pipelines

The main objective of carrying out this investigation is to develop suitable transducer array systems so that underwater pipeline inspection could be carried out in a much better way, a focused beam and electronic steering can reduce inspection time as well. Better results are obtained by optimizing the array parameters. The spacing between the elements is assumed to be half the wavelength so that the interelement interaction is minimum. For NDT applications these arrays are operated at MHz range. The wavelengths become very small in these frequency ranges. Then the size of the array elements becomes very small, requiring hybrid construction techniques for their fabrication. Transducer elements have been fabricated using PVDF as the active, mild steel as the backing and conducting silver preparation as the bonding materials. The transducer is operated in the (3,3) mode. The construction of a high frequency array is comparatively complicated. The interelement spacing between the transducer elements becomes considerably small when high frequencies are considered. It becomes very difficult to construct the transducer manually. The electrode connections to the elements can produce significant loading effect. The array has to be fabricated using hybrid construction techniques. The active materials has to be deposited on a proper substrate and etching techniques are required to fabricate the array. The annular ring, annular cylindrical or other similar structural forms of arrays may also find applications in the near future in treatments were curved contours of the human body are affected.

Studies on underwater propagation development of programmable arrays

The thesis presented here includes the designing of underwater transducer arrays, taking into account the ‘interaction effects’ [30] among the closely packed radiators. Methods of minimizing the ‘interaction effects‘ by modifying the radiating aperture, are investigated. The need for this study arises as it is one of the important peculiar limitations that stands in the way of achieving maximum range of transmission of acoustic signals. Application of the modified array format for the generation of narrow beam low frequency sound waves, through nonlinear interactions, is discussed. Other techniques that can be advantageously exploited in array synthesis are also investigated

Studies on rubber compositions as passive acoustic materials in underwater electro acoustic transducer technology-and their aging characteristics

Rubber has become an indispensable material in Ocean technology. Rubber components play critical roles such as sealing, damping, environmental protection, electrical insulation etc. in most under water engineering applications. Technology driven innovations in electro acoustic transducers and other sophisticated end uses have enabled quantum jump in the quality and reliability of rubber components. Under water electro acoustic transducers use rubbers as a critical material in their construction. Work in this field has lead to highly reliable and high performance materials which has enhanced service life of transducers to the extent of 1015 years. Present work concentrates on these materials. Conventional rubbers are inadequate to meet many of the stringent functional of the requirements. There exists large gap of information in the rubber technology of under water rubbers, particularly in the context of under water electro acoustic transducers. Present study is towards filling up the gaps of information in this crucial area. The research work has been in the area of compounding and characterisation of rubbers for use in under water electro acoustic transducers. The study also covers specific material system such as encapsulation material, baffle material, seal material, etc. Life prediction techniques of under water rubbers in general has been established with reference to more than one functional property. This thesis is divided into 6 chapters.

Numerical Simulation of Two-Part Underwater Towing System

The motion instability is an important issue that occurs during the operation of towed underwater vehicles (TUV), which considerably affects the accuracy of high precision acoustic instrumentations housed inside the same. Out of the various parameters responsible for this, the disturbances from the tow-ship are the most significant one. The present study focus on the motion dynamics of an underwater towing system with ship induced disturbances as the input. The study focus on an innovative system called two-part towing. The methodology involves numerical modeling of the tow system, which consists of modeling of the tow-cables and vehicles formulation. Previous study in this direction used a segmental approach for the modeling of the cable. Even though, the model was successful in predicting the heave response of the tow-body, instabilities were observed in the numerical solution. The present study devises a simple approach called lumped mass spring model (LMSM) for the cable formulation. In this work, the traditional LMSM has been modified in two ways. First, by implementing advanced time integration procedures and secondly, use of a modified beam model which uses only translational degrees of freedoms for solving beam equation. A number of time integration procedures, such as Euler, Houbolt, Newmark and HHT-α were implemented in the traditional LMSM and the strength and weakness of each scheme were numerically estimated. In most of the previous studies, hydrodynamic forces acting on the tow-system such as drag and lift etc. are approximated as analytical expression of velocities. This approach restricts these models to use simple cylindrical shaped towed bodies and may not be applicable modern tow systems which are diversed in shape and complexity. Hence, this particular study, hydrodynamic parameters such as drag and lift of the tow-system are estimated using CFD techniques. To achieve this, a RANS based CFD code has been developed. Further, a new convection interpolation scheme for CFD simulation, called BNCUS, which is blend of cell based and node based formulation, was proposed in the study and numerically tested. To account for the fact that simulation takes considerable time in solving fluid dynamic equations, a dedicated parallel computing setup has been developed. Two types of computational parallelisms are explored in the current study, viz; the model for shared memory processors and distributed memory processors. In the present study, shared memory model was used for structural dynamic analysis of towing system, distributed memory one was devised in solving fluid dynamic equations.

Underwater Target Localization, Tracking and Classification

Underwater target localization and tracking attracts tremendous research interest due to various impediments to the estimation task caused by the noisy ocean environment. This thesis envisages the implementation of a prototype automated system for underwater target localization, tracking and classification using passive listening buoy systems and target identification techniques. An autonomous three buoy system has been developed and field trials have been conducted successfully. Inaccuracies in the localization results, due to changes in the environmental parameters, measurement errors and theoretical approximations are refined using the Kalman filter approach. Simulation studies have been conducted for the tracking of targets with different scenarios even under maneuvering situations. This system can as well be used for classifying the unknown targets by extracting the features of the noise emanations from the targets.

RMAC-M: Extending the R-MAC Protocol for an Energy Efficient, Delay Tolerant Underwater Acoustic Sensor Network application with a mobile data mule node

One of the major applications of underwater acoustic sensor networks (UWASN) is ocean environment monitoring. Employing data mules is an energy efficient way of data collection from the underwater sensor nodes in such a network. A data mule node such as an autonomous underwater vehicle (AUV) periodically visits the stationary nodes to download data. By conserving the power required for data transmission over long distances to a remote data sink, this approach extends the network life time. In this paper we propose a new MAC protocol to support a single mobile data mule node to collect the data sensed by the sensor nodes in periodic runs through the network. In this approach, the nodes need to perform only short distance, single hop transmission to the data mule. The protocol design discussed in this paper is motivated to support such an application. The proposed protocol is a hybrid protocol, which employs a combination of schedule based access among the stationary nodes along with handshake based access to support mobile data mules. The new protocol, RMAC-M is developed as an extension to the energy efficient MAC protocol R-MAC by extending the slot time of R-MAC to include a contention part for a hand shake based data transfer. The mobile node makes use of a beacon to signal its presence to all the nearby nodes, which can then hand-shake with the mobile node for data transfer. Simulation results show that the new protocol provides efficient support for a mobile data mule node while preserving the advantages of R-MAC such as energy efficiency and fairness.

Design and Development of a Remotely Operated Underwater Multi-Robot Manipulator Controller

For the scientific and commercial utilization of Ocean resources, the role of intelligent underwater robotic systems are of great importance. Scientific activities like Marine Bio-technology, Hydrographic mapping, and commercial applications like Marine mining, Ocean energy, fishing, aquaculture, cable laying and pipe lining are a few utilization of ocean resources. As most of the deep undersea exploration are beyond the reachability of divers and also as the use of operator controlled and teleoperated Remotely Operated Vehicles (ROVs) and Diver Transport Vehicles (DTVs) turn out to be highly inefficient, it is essential to have a fully automated system capable providing stable control and communication links for the unstructured undersea environment.