SCAPHOID AND LUNATE CARPAL MECHANICS OVER THE SPECTRUM OF HEALTHY FUNCTION

When ligaments within the wrist are damaged, the resulting loss in range of motion and grip strength can lead to reduced earning potential and restricted ability to perform important activities of daily living. Left untreated, ligament injuries ultimately lead to arthritis and chronic pain. Surgical repair can mitigate these issues but current procedures are often non-anatomic and unable to completely restore the wrist’s complex network of ligaments. An inability to quantitatively assess wrist function clinically, both before and after surgery, limits the ability to assess the response to clinical intervention. Previous work has shown that bones within the wrist move in a similar pattern across people, but these patterns remain challenging to predict and model. In an effort to quantify and further develop the understanding of normal carpal mechanics, we performed two studies using 3D in vivo carpal bone motion analysis techniques. For the first study, we measured wrist laxity and performed CT scans of the wrist to evaluate 3D carpal bone positions. We found that through mid-range radial-ulnar deviation range of motion the scaphoid and lunate primarily flexed and extended; however, there was a significant relationship between wrist laxity and row-column behaviour. We also found that there was a significant relationship between scaphoid flexion and active radial deviation range of motion. For the second study, an analysis was performed on a publicly available database. We evaluated scapholunate relative motion over a full range of wrist positions, and found that there was a significant amount of variation in the location and orientation of the rotation axis between the two bones. Together the findings from the two studies illustrate the complexity and subject specificity of normal carpal mechanics, and should provide insights that can guide the development of anatomical wrist ligament repair surgeries that restore normal function.

An Ergonomic Evaluation of a Wrist Brace for Canadian Tree Planters

Tree planting is one of the most physically demanding occupations in Canada and as a result, tree planters are at an elevated risk of injury, specifically at the wrist. Wrist injuries develop on account of the highly repetitive nature of the job, as well as other musculoskeletal risk factors including non-neutral wrist postures and high impact forces sustained at the wrist during shovel-ground impact. As a result, wrist brace use has become common among planters, in an effort to limit deviated wrist postures while also providing enhanced stability at the wrist. The external stability provided by a wrist brace is thought to reduce the muscular effort required to provide stiffness at the wrist during shovel-ground impact. Since these prospective benefits have not been formally investigated, the purpose of this study was to determine the effect of a wrist brace on wrist posture, muscle activity, and joint rotational stiffness about the wrist joint (for two degrees of freedom: flexion/extension and ulnar/radial deviation). We hypothesized that the brace would promote more neutrally aligned wrist angles, and that muscle activity and joint rotational stiffness would also decrease when participants wore the brace. Fourteen tree planters with at least one season of experience were recruited to complete two planting conditions in a laboratory setting: one condition while wearing the brace (with brace, WB) and one condition without the brace (no brace, NB). The results from this study showed that at shovel-ground impact muscle activity trended towards increasing in three muscles when participants wore the brace. Additionally, wrist angles improved about the flexion/extension axis of rotation while increasing in deviation about the ulnar/radial axis of rotation when participants wore the brace. Joint rotational stiffness increased when participants wore the wrist brace. Participants from this study indicated difficulty gripping the shovel due to the bulk of the wrist brace, and this feature is discussed with possible suggestions for future iterations of design. In addition to grip diameter this analysis also prompts the suggestion that hand length and experience should also be considered in the design of tree planting tools, specifically an ergonomic aid such as a wrist brace.

PROGNOSTIC FACTORS PREDICTING FUNCTIONAL OUTCOME AT FOUR MONTHS FOLLOWING ACUTE ANKLE SPRAIN

PROGNOSTIC FACTORS PREDICTING FUNCTIONAL OUTCOME AT FOUR MONTHS FOLLOWING ACUTE ANKLE SPRAINBleakley C.M.1, O'Connor S.R.1, Tully M.A.2, Rocke L.G.3, MacAuley D.C.1, Bradbury I.4, Keegan S.4, McDonough S.M.11University of Ulster, Health & Rehabilitation Sciences Research Institute, Newtownabbey, United Kingdom, 2Queen's University, UKCRC Centre of Excellence for Public Health (NI), Belfast, United Kingdom, 3Royal Victoria Hospital, Department of Emergency Medicine, Belfast, United Kingdom, 4Frontier Science (Scotland), Kincraig, Inverness-shire, United KingdomPurpose: To identify clinically relevant factors assessed following acute ankle sprain that predict functional recovery at four months post-injury.Relevance: Ankle sprains are one of the most common musculoskeletal injuries with an estimated 5000 new cases occurring each day in the United Kingdom. In the acute phase, ankle sprains may be associated with pain and loss of function. In the longer-term there is a risk of residual problems including chronic pain or reinjury. Few studies have sought to examine factors associated with a poor long-term prognosis.Participants: 101 patients (Age: Mean (SD) 25.9 (7.9) years; Body Mass Index (BMI): 25.3 (3.5) kg/m2) with an acute grade 1 or 2 ankle sprain attending an accident and emergency department or sports injury clinic. Exclusion criteria included complete (grade 3) rupture of the ankle ligament complex, bony ankle injury or multiple injuries.Methods: Participants were allocated as part of a randomised controlled trial to an accelerated intervention incorporating intermittent ice and early therapeutic exercise or a standard protection, rest, ice, compression, and elevation intervention for one week. Treatment was then standardised in both groups and consisted of ankle rehabilitation exercises focusing on muscle strengthening, neuromuscular training, and sports specific functional exercises for a period of approximately four to six weeks. On initial assessment age, gender, mechanism of injury, presence of an audible pop or snap and the presence of contact during the injury were recorded. The following factors were also recorded at baseline and at one and four weeks post-injury: weight-bearing dorsi-flexion test, lateral hop test, presence of medial pain on palpation and a positive impingement sign. Functional status was assessed using the Karlsson score at baseline, at week four and at four months. Reinjury rates were recorded throughout the intervention phase and at four months.Analysis: A mixed between-within subjects analysis of variance (ANOVA) was used to determine the effect of each factor on functional status at week four and at four months. Significance was set at a Bonferroni adjusted level of 0.0125 (0.05/4).Results: Eighty-five participants (84%) were available at final follow-up assessment. Pain on weight-bearing dorsi-flexion and lateral hop tests at week four were both associated with a lower functional score at four months post-injury (P = 0.011 and P = 0.001). No other significant interactions were observed at any other timepoint (baseline or week one). There were only two reinjuries within the four month follow-up period with a further two reported at approximately six months post-injury. We were therefore unable to determine whether any factors were associated with an increased risk of reinjury.Conclusions: Potential prognostic factors on initial or early examination after acute ankle sprain did not help predict functional recovery at four months post-injury. However, pain on weight-bearing dorsi-flexion and lateral hop tests observed at four weeks were associated with a slower rate of recovery.Implications: Some clinical tests may help identify patients at risk of poor functional recovery after acute ankle sprain. However, further work is required to examine factors which may be predictive on initial assessment.Key-words: 1. Prognostic factors 2. Recovery 3. Ankle sprainFunding acknowledgements: Physiotherapy Research Foundation, Chartered Society of Physiotherapy, Strategic Priority Fund; Department of Employment and Learning, Northern Ireland.Ethics approval: Office for Research Ethics Committee (UK).

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Ponts composites bois-béton collaborant en portée simple : théorie, essais et conception

Avec le vieillissement des infrastructures routières au Québec, plusieurs ponts de courte portée devront être reconstruits à neuf au cours des prochaines années. La pratique usuelle est de les concevoir entièrement en béton ou en systèmes mixtes acier-béton. Toutefois, avec l’avancement de la recherche dans le domaine du bois, le système hybride bois-béton est envisageable. Le but est de tirer profit des avantages de chaque matériau en les disposant aux endroits appropriés. Le tablier du pont est constitué d’une dalle de béton qui agit en compression et protège des intempéries les poutres en bois lamellé-collé qui résistent en traction. L’enjeu est la capacité de lier efficacement ces deux matériaux pour qu’ils puissent reprendre les efforts dus aux charges de conception avec un glissement d’interface minimal. De nombreux chercheurs ont proposé diverses méthodes pour répondre à cette problématique. Les connecteurs locaux (vis, clous) sont moins rigides et se déforment beaucoup à l’ultime. À l’inverse, les connecteurs continus offrent une rigidité très élevée, de petits déplacements à rupture sans négliger la plasticité du système. Pour cette raison, le connecteur choisi est le HBV Shear, une mince bande d’acier de 90mm de hauteur perforée de trous de 10mm. Sa moitié inférieure est collée dans une fente pratiquée dans la poutre et la partie supérieure est immergée dans le béton. Pour caractériser le comportement du connecteur, dix essais en cisaillement simple ont été effectués. Ils ont permis de quantifier la rigidité et d’apprécier la ductilité qui s’installe dans le système par l’ajout de l’acier. Par la suite, six poutres hybrides simple de 4 m, deux systèmes à poutres double de 4m et deux poutres hybrides de 12m de portée ont été amenées à la rupture en flexion. Ces essais ont montré que le connecteur se brisait sous l’effort de manière ductile avant la rupture fragile de la poutre en bois. Les résultats ont aussi prouvé que les méthodes de calculs utilisées estiment correctement la séquence de rupture ainsi que le comportement du système avec une très grande efficacité. Finalement, un tablier de pont composite a été conçu pour résister aux efforts à l’ultime, en service et à long terme.

Modélisation du comportement des bétons fibrés à ultra-hautes performances par la micromécanique : Effet de l'orientation des fibres à l'échelle de la structure

Cette thèse s’inscrit dans le contexte d’une optimisation industrielle et économique des éléments de structure en BFUP permettant d’en garantir la ductilité au niveau structural, tout en ajustant la quantité de fibres et en optimisant le mode de fabrication. Le modèle développé décrit explicitement la participation du renfort fibré en traction au niveau local, en enchaînant une phase de comportement écrouissante suivie d’une phase adoucissante. La loi de comportement est fonction de la densité, de l’orientation des fibres vis-à-vis des directions principales de traction, de leur élancement et d’autres paramètres matériaux usuels liés aux fibres, à la matrice cimentaire et à leur interaction. L’orientation des fibres est prise en compte à partir d’une loi de probabilité normale à une ou deux variables permettant de reproduire n’importe quelle orientation obtenue à partir d’un calcul représentatif de la mise en oeuvre du BFUP frais ou renseignée par analyse expérimentale sur prototype. Enfin, le modèle reproduit la fissuration des BFUP sur le principe des modèles de fissures diffuses et tournantes. La loi de comportement est intégrée au sein d’un logiciel de calcul de structure par éléments finis, permettant de l’utiliser comme un outil prédictif de la fiabilité et de la ductilité globale d’éléments en BFUP. Deux campagnes expérimentales ont été effectuées, une à l’Université Laval de Québec et l’autre à l’Ifsttar, Marne-la-Vallée. La première permet de valider la capacité du modèle reproduire le comportement global sous des sollicitations typiques de traction et de flexion dans des éléments structurels simples pour lesquels l’orientation préférentielle des fibres a été renseignée par tomographie. La seconde campagne expérimentale démontre les capacités du modèle dans une démarche d’optimisation, pour la fabrication de plaques nervurées relativement complexes et présentant un intérêt industriel potentiel pour lesquels différentes modalités de fabrication et des BFUP plus ou moins fibrés ont été envisagés. Le contrôle de la répartition et de l’orientation des fibres a été réalisé à partir d’essais mécaniques sur prélèvements. Les prévisions du modèle ont été confrontées au comportement structurel global et à la ductilité mis en évidence expérimentalement. Le modèle a ainsi pu être qualifié vis-à-vis des méthodes analytiques usuelles de l’ingénierie, en prenant en compte la variabilité statistique. Des pistes d’amélioration et de complément de développement ont été identifiées.

Composites and foams based on polylactic acid (PLA)

Cette étude est destinée à la production et à la caractérisation des composites d’acide polylactique (PLA) et des fibres naturelles (lin, poudre de bois). Le moussage du PLA et ses composites ont également été étudiés afin d’évaluer les effets des conditions de moulage par injection et du renfort sur les propriétés finales de ces matériaux. Dans la première partie, les composites constitués de PLA et des fibres de lin ont été produits par extrusion suivit par un moulage en injection. L’effet de la variation du taux de charge (15, 25 et 40% en poids) sur les caractéristiques morphologique, mécanique, thermique et rhéologique des composites a été évalué. Dans la deuxième étape, la poudre de bois (WF) a été choisie pour renforcer le PLA. La préparation des composites de PLA et WF a été effectuée comme dans la première partie et une série complète de caractérisations morphologique, mécanique, thermique et l’analyse mécanique dynamique ont été effectués afin d’obtenir une évaluation complète de l’effet du taux de charge (15, 25 et 40% en poids) sur les propriétés du PLA. Finalement, la troisième partie de cette étude porte sur les composites de PLA et de renfort naturel afin de produire des composites moussés. Ces mousses ont été réalisées à l’aide d’un agent moussant exothermique (azodicarbonamide) via le moulage par injection, suite à un mélange du PLA et de fibres naturelles. Dans ce cas, la charge d’injection (quantité de matière injectée dans le moule: 31, 33, 36, 38 et 43% de la capacité de la presse à injection) et la concentration en poudre de bois (15, 25 et 40% en poids) ont été variées. La caractérisation des propriétés mécanique et thermique a été effectuée et les résultats ont démontré que les renforts naturels étudiés (lin et poudre de bois) permettaient d’améliorer les propriétés mécaniques des composites, notamment le module de flexion et la résistance au choc du polymère (PLA). En outre, la formation de la mousse était également efficace pour le PLA vierge et ses composites car les masses volumiques ont été significativement réduites.

Effet du greffage de TiO2 à la surface de fibres de lin sur les propriétés mécaniques d'un composite PLA/fibre de lin longues unidirectionnelles

Les matériaux composites sont utilisés dans beaucoup de domaines pour leurs propriétés mécaniques spécifiques, leur mise en forme facile et leur bas coût. Cependant, lorsque les composites pétro-sourcées sont en fin de vie, le traitement des déchets a un fort impact environnemental. C’est pour cette raison que les industriels se tournent vers des matériaux bio-sourcés. Ils souhaitent ainsi abaisser le coût des matières premières mais aussi se donner une image plus « verte » grâce à l’utilisation de matériaux renouvelables et/ou compostables. Le projet présenté s’inscrit dans dans cette optique où il est question d’élaborer de nouveaux composites à renfort et matrices bio-sourcés et tout particulièrement des composites fibre de lin/acide polylactique (PLA). Ces derniers sont généralement appelés bio-composites. L’originalité de cette étude réside dans le traitement des fibres de lin afin de les compatibilité avec la matrice PLA. Le traitement consiste au greffage de dioxyde de titane sur la surface de fibres de lin fonctionnalisée par oxydation au TEMPO. Ces fibres longues sont ensuite utilisées comme renfort sous forme de tissu unidirectionnel dans la matrice PLA. Le comportement mécanique en traction, flexion et la résistance à l’impact de ces biocomposites sont étudiés afin d’analyser l’influence du traitement des fibres sur leur performances.

Towards a performance based design of shear walls based on damage criteria = Vers un dimensionnement performanciel des murs de refend basé sur des critères d'endommagement

Le dimensionnement basé sur la performance (DBP), dans une approche déterministe, caractérise les objectifs de performance par rapport aux niveaux de performance souhaités. Les objectifs de performance sont alors associés à l'état d'endommagement et au niveau de risque sismique établis. Malgré cette approche rationnelle, son application est encore difficile. De ce fait, des outils fiables pour la capture de l'évolution, de la distribution et de la quantification de l'endommagement sont nécessaires. De plus, tous les phénomènes liés à la non-linéarité (matériaux et déformations) doivent également être pris en considération. Ainsi, cette recherche montre comment la mécanique de l'endommagement pourrait contribuer à résoudre cette problématique avec une adaptation de la théorie du champ de compression modifiée et d'autres théories complémentaires. La formulation proposée adaptée pour des charges monotones, cycliques et de type pushover permet de considérer les effets non linéaires liés au cisaillement couplé avec les mécanismes de flexion et de charge axiale. Cette formulation est spécialement appliquée à l'analyse non linéaire des éléments structuraux en béton soumis aux effets de cisaillement non égligeables. Cette nouvelle approche mise en œuvre dans EfiCoS (programme d'éléments finis basé sur la mécanique de l'endommagement), y compris les critères de modélisation, sont également présentés ici. Des calibrations de cette nouvelle approche en comparant les prédictions avec des données expérimentales ont été réalisées pour les murs de refend en béton armé ainsi que pour des poutres et des piliers de pont où les effets de cisaillement doivent être pris en considération. Cette nouvelle version améliorée du logiciel EFiCoS a démontrée être capable d'évaluer avec précision les paramètres associés à la performance globale tels que les déplacements, la résistance du système, les effets liés à la réponse cyclique et la quantification, l'évolution et la distribution de l'endommagement. Des résultats remarquables ont également été obtenus en référence à la détection appropriée des états limites d'ingénierie tels que la fissuration, les déformations unitaires, l'éclatement de l'enrobage, l'écrasement du noyau, la plastification locale des barres d'armature et la dégradation du système, entre autres. Comme un outil pratique d'application du DBP, des relations entre les indices d'endommagement prédits et les niveaux de performance ont été obtenus et exprimés sous forme de graphiques et de tableaux. Ces graphiques ont été développés en fonction du déplacement relatif et de la ductilité de déplacement. Un tableau particulier a été développé pour relier les états limites d'ingénierie, l'endommagement, le déplacement relatif et les niveaux de performance traditionnels. Les résultats ont démontré une excellente correspondance avec les données expérimentales, faisant de la formulation proposée et de la nouvelle version d'EfiCoS des outils puissants pour l'application de la méthodologie du DBP, dans une approche déterministe.

Athletic groin pain (part 2): a prospective cohort study on the biomechanical evaluation of change of direction identifies three clusters of movement patterns

Background: Athletic groin pain (AGP) is prevalent in sports involving repeated accelerations, decelerations, kicking and change-of-direction movements. Clinical and radiological examinations lack the ability to assess pathomechanics of AGP, but three-dimensional biomechanical movement analysis may be an important innovation. Aim: The primary aim was to describe and analyse movements used by patients with AGP during a maximum effort change-of-direction task. The secondary aim was to determine if specific anatomical diagnoses were related to a distinct movement strategy. Methods: 322 athletes with a current symptom of chronic AGP participated. Structured and standardised clinical assessments and radiological examinations were performed on all participants. Additionally, each participant performed multiple repetitions of a planned maximum effort change-of-direction task during which whole body kinematics were recorded. Kinematic and kinetic data were examined using continuous waveform analysis techniques in combination with a subgroup design that used gap statistic and hierarchical clustering. Results: Three subgroups (clusters) were identified. Kinematic and kinetic measures of the clusters differed strongly in patterns observed in thorax, pelvis, hip, knee and ankle. Cluster 1 (40%) was characterised by increased ankle eversion, external rotation and knee internal rotation and greater knee work. Cluster 2 (15%) was characterised by increased hip flexion, pelvis contralateral drop, thorax tilt and increased hip work. Cluster 3 (45%) was characterised by high ankle dorsiflexion, thorax contralateral drop, ankle work and prolonged ground contact time. No correlation was observed between movement clusters and clinically palpated location of the participant's pain. Conclusions: We identified three distinct movement strategies among athletes with long-standing groin pain during a maximum effort change-of-direction task. These movement strategies were not related to clinical assessment findings but highlighted targets for rehabilitation in response to possible propagative mechanisms. Trial registration number NCT02437942, pre results.

Influência do Dynamic Tape na funcionalidade do quadríceps na dor não especifica do joelho do atleta de judô

Introdução: O judô é um esporte que implica uma grande variedade de gestos, ações e aptidões físicas, entre as quais, capacidade de controlo postural, equilíbrio, flexibilidade e força. Quando observada as áreas mais afetas na pratica do judô a região do joelho é das que possui maior incidência. O objetivo deste estudo foi avaliar os efeitos da aplicação do Dynamic Tape (DT), um tape biomecânico, na funcionalidade do quadriceps de atletas de judô masculino com dor não específica no joelho em termos de equilíbrio, força, flexibilidade e dor. Metodologia: A amostra foi constituída por 37 indivíduos, tendo os participantes sido submetidos a testes, primeiramente sem Dynamic Tape (SDT) e posteriormente com Dynamic Tape (CDT). Os testes aplicados foram o Standing Stork Test (SST), o Y Balance Test (YBT), o Four Square Step Test (FSST),o Single Leg Hop Test (SLHT), e o Teste de flexão do membro inferior (TFMI) e o Teste de extensão do membros (TEMI) e a escala numérica de dor (END) no final de todos os testes. Resultados: Não foram observadas diferenças significativas para o teste SST (p=0,6794), porém os teste YBT, SLHT, TFMI, TEMI e END (p<0,0001), assim como FSST (p=0,0026) entre os momentos CDT e SDT demonstraram diferenças estatísticamente significativas, produzindo a aplicação do DT efeitos positivos. Na performance do atleta. Conclusão: A aplicação do DT não foi capaz de melhorar de forma significativa o equilíbrio estático, no então demonstrou influenciar o equilíbrio semi-dinâmico, dinâmico, a flexibilidade e a dor.

Development of ultra-high-performance concrete (UHPC) using waste glass materials ─ towards innovative eco-friendly concrete

Le béton conventionnel (BC) a de nombreux problèmes tels que la corrosion de l’acier d'armature et les faibles résistances des constructions en béton. Par conséquent, la plupart des structures fabriquées avec du BC exigent une maintenance fréquent. Le béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) peut être conçu pour éliminer certaines des faiblesses caractéristiques du BC. Le BFUP est défini à travers le monde comme un béton ayant des propriétés mécaniques, de ductilité et de durabilité supérieures. Le BFUP classique comprend entre 800 kg/m³ et 1000 kg/m³ de ciment, de 25 à 35% massique (%m) de fumée de silice (FS), de 0 à 40%m de poudre de quartz (PQ) et 110-140%m de sable de quartz (SQ) (les pourcentages massiques sont basés sur la masse totale en ciment des mélanges). Le BFUP contient des fibres d'acier pour améliorer sa ductilité et sa résistance aux efforts de traction. Les quantités importantes de ciment utilisées pour produire un BFUP affectent non seulement les coûts de production et la consommation de ressources naturelles comme le calcaire, l'argile, le charbon et l'énergie électrique, mais affectent également négativement les dommages sur l'environnement en raison de la production substantielle de gaz à effet de serre dont le gas carbonique (CO[indice inférieur 2]). Par ailleurs, la distribution granulométrique du ciment présente des vides microscopiques qui peuvent être remplis avec des matières plus fines telles que la FS. Par contre, une grande quantité de FS est nécessaire pour combler ces vides uniquement avec de la FS (25 à 30%m du ciment) ce qui engendre des coûts élevés puisqu’il s’agit d’une ressource limitée. Aussi, la FS diminue de manière significative l’ouvrabilité des BFUP en raison de sa surface spécifique Blaine élevée. L’utilisation du PQ et du SQ est également coûteuse et consomme des ressources naturelles importantes. D’ailleurs, les PQ et SQ sont considérés comme des obstacles pour l’utilisation des BFUP à grande échelle dans le marché du béton, car ils ne parviennent pas à satisfaire les exigences environnementales. D’ailleurs, un rapport d'Environnement Canada stipule que le quartz provoque des dommages environnementaux immédiats et à long terme en raison de son effet biologique. Le BFUP est généralement vendu sur le marché comme un produit préemballé, ce qui limite les modifications de conception par l'utilisateur. Il est normalement transporté sur de longues distances, contrairement aux composantes des BC. Ceci contribue également à la génération de gaz à effet de serre et conduit à un coût plus élevé du produit final. Par conséquent, il existe le besoin de développer d’autres matériaux disponibles localement ayant des fonctions similaires pour remplacer partiellement ou totalement la fumée de silice, le sable de quartz ou la poudre de quartz, et donc de réduire la teneur en ciment dans BFUP, tout en ayant des propriétés comparables ou meilleures. De grandes quantités de déchets verre ne peuvent pas être recyclées en raison de leur fragilité, de leur couleur, ou des coûts élevés de recyclage. La plupart des déchets de verre vont dans les sites d'enfouissement, ce qui est indésirable puisqu’il s’agit d’un matériau non biodégradable et donc moins respectueux de l'environnement. Au cours des dernières années, des études ont été réalisées afin d’utiliser des déchets de verre comme ajout cimentaire alternatif (ACA) ou comme granulats ultrafins dans le béton, en fonction de la distribution granulométrique et de la composition chimique de ceux-ci. Cette thèse présente un nouveau type de béton écologique à base de déchets de verre à ultra-hautes performances (BEVUP) développé à l'Université de Sherbrooke. Les bétons ont été conçus à l’aide de déchets verre de particules de tailles variées et de l’optimisation granulaire de la des matrices granulaires et cimentaires. Les BEVUP peuvent être conçus avec une quantité réduite de ciment (400 à 800 kg/m³), de FS (50 à 220 kg/m³), de PQ (0 à 400 kg/m³), et de SQ (0-1200 kg/m³), tout en intégrant divers produits de déchets de verre: du sable de verre (SV) (0-1200 kg/m³) ayant un diamètre moyen (d[indice inférieur 50]) de 275 µm, une grande quantité de poudre de verre (PV) (200-700 kg/m³) ayant un d50 de 11 µm, une teneur modérée de poudre de verre fine (PVF) (50-200 kg/m³) avec d[indice inférieur] 50 de 3,8 µm. Le BEVUP contient également des fibres d'acier (pour augmenter la résistance à la traction et améliorer la ductilité), du superplastifiants (10-60 kg/m³) ainsi qu’un rapport eau-liant (E/L) aussi bas que celui de BFUP. Le remplacement du ciment et des particules de FS avec des particules de verre non-absorbantes et lisse améliore la rhéologie des BEVUP. De plus, l’utilisation de la PVF en remplacement de la FS réduit la surface spécifique totale nette d’un mélange de FS et de PVF. Puisque la surface spécifique nette des particules diminue, la quantité d’eau nécessaire pour lubrifier les surfaces des particules est moindre, ce qui permet d’obtenir un affaissement supérieur pour un même E/L. Aussi, l'utilisation de déchets de verre dans le béton abaisse la chaleur cumulative d'hydratation, ce qui contribue à minimiser le retrait de fissuration potentiel. En fonction de la composition des BEVUP et de la température de cure, ce type de béton peut atteindre des résistances à la compression allant de 130 à 230 MPa, des résistances à la flexion supérieures à 20 MPa, des résistances à la traction supérieure à 10 MPa et un module d'élasticité supérieur à 40 GPa. Les performances mécaniques de BEVUP sont améliorées grâce à la réactivité du verre amorphe, à l'optimisation granulométrique et la densification des mélanges. Les produits de déchets de verre dans les BEVUP ont un comportement pouzzolanique et réagissent avec la portlandite générée par l'hydratation du ciment. Cependant, ceci n’est pas le cas avec le sable de quartz ni la poudre de quartz dans le BFUP classique, qui réagissent à la température élevée de 400 °C. L'addition des déchets de verre améliore la densification de l'interface entre les particules. Les particules de déchets de verre ont une grande rigidité, ce qui augmente le module d'élasticité du béton. Le BEVUP a également une très bonne durabilité. Sa porosité capillaire est très faible, et le matériau est extrêmement résistant à la pénétration d’ions chlorure (≈ 8 coulombs). Sa résistance à l'abrasion (indice de pertes volumiques) est inférieure à 1,3. Le BEVUP ne subit pratiquement aucune détérioration aux cycles de gel-dégel, même après 1000 cycles. Après une évaluation des BEVUP en laboratoire, une mise à l'échelle a été réalisée avec un malaxeur de béton industriel et une validation en chantier avec de la construction de deux passerelles. Les propriétés mécaniques supérieures des BEVUP a permis de concevoir les passerelles avec des sections réduites d’environ de 60% par rapport aux sections faites de BC. Le BEVUP offre plusieurs avantages économiques et environnementaux. Il réduit le coût de production et l’empreinte carbone des structures construites de béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) classique, en utilisant des matériaux disponibles localement. Il réduit les émissions de CO[indice inférieur 2] associées à la production de clinkers de ciment (50% de remplacement du ciment) et utilise efficacement les ressources naturelles. De plus, la production de BEVUP permet de réduire les quantités de déchets de verre stockés ou mis en décharge qui causent des problèmes environnementaux et pourrait permettre de sauver des millions de dollars qui pourraient être dépensés dans le traitement de ces déchets. Enfin, il offre une solution alternative aux entreprises de construction dans la production de BFUP à moindre coût.

Gait analysis of the hind limb in Labrador Retrievers with and without cranial cruciate ligament disease

Cranial cruciate ligament (CCL) deficiency is the leading cause of lameness affecting the stifle joints of large breed dogs, especially Labrador Retrievers. Although CCL disease has been studied extensively, its exact pathogenesis and the primary cause leading to CCL rupture remain controversial. However, weakening secondary to repetitive microtrauma is currently believed to cause the majority of CCL instabilities diagnosed in dogs. Techniques of gait analysis have become the most productive tools to investigate normal and pathological gait in human and veterinary subjects. The inverse dynamics analysis approach models the limb as a series of connected linkages and integrates morphometric data to yield information about the net joint moment, patterns of muscle power and joint reaction forces. The results of these studies have greatly advanced our understanding of the pathogenesis of joint diseases in humans. A muscular imbalance between the hamstring and quadriceps muscles has been suggested as a cause for anterior cruciate ligament rupture in female athletes. Based on these findings, neuromuscular training programs leading to a relative risk reduction of up to 80% has been designed. In spite of the cost and morbidity associated with CCL disease and its management, very few studies have focused on the inverse dynamics gait analysis of this condition in dogs. The general goals of this research were (1) to further define gait mechanism in Labrador Retrievers with and without CCL-deficiency, (2) to identify individual dogs that are susceptible to CCL disease, and (3) to characterize their gait. The mass, location of the center of mass (COM), and mass moment of inertia of hind limb segments were calculated using a noninvasive method based on computerized tomography of normal and CCL-deficient Labrador Retrievers. Regression models were developed to determine predictive equations to estimate body segment parameters on the basis of simple morphometric measurements, providing a basis for nonterminal studies of inverse dynamics of the hind limbs in Labrador Retrievers. Kinematic, ground reaction forces (GRF) and morphometric data were combined in an inverse dynamics approach to compute hock, stifle and hip net moments, powers and joint reaction forces (JRF) while trotting in normal, CCL-deficient or sound contralateral limbs. Reductions in joint moment, power, and loads observed in CCL-deficient limbs were interpreted as modifications adopted to reduce or avoid painful mobilization of the injured stifle joint. Lameness resulting from CCL disease affected predominantly reaction forces during the braking phase and the extension during push-off. Kinetics also identified a greater joint moment and power of the contralateral limbs compared with normal, particularly of the stifle extensor muscles group, which may correlate with the lameness observed, but also with the predisposition of contralateral limbs to CCL deficiency in dogs. For the first time, surface EMG patterns of major hind limb muscles during trotting gait of healthy Labrador Retrievers were characterized and compared with kinetic and kinematic data of the stifle joint. The use of surface EMG highlighted the co-contraction patterns of the muscles around the stifle joint, which were documented during transition periods between flexion and extension of the joint, but also during the flexion observed in the weight bearing phase. Identification of possible differences in EMG activation characteristics between healthy patients and dogs with or predisposed to orthopedic and neurological disease may help understanding the neuromuscular abnormality and gait mechanics of such disorders in the future. Conformation parameters, obtained from femoral and tibial radiographs, hind limb CT images, and dual-energy X-ray absorptiometry, of hind limbs predisposed to CCL deficiency were compared with the conformation parameters from hind limbs at low risk. A combination of tibial plateau angle and femoral anteversion angle measured on radiographs was determined optimal for discriminating predisposed and non-predisposed limbs for CCL disease in Labrador Retrievers using a receiver operating characteristic curve analysis method. In the future, the tibial plateau angle (TPA) and femoral anteversion angle (FAA) may be used to screen dogs suspected of being susceptible to CCL disease. Last, kinematics and kinetics across the hock, stifle and hip joints in Labrador Retrievers presumed to be at low risk based on their radiographic TPA and FAA were compared to gait data from dogs presumed to be predisposed to CCL disease for overground and treadmill trotting gait. For overground trials, extensor moment at the hock and energy generated around the hock and stifle joints were increased in predisposed limbs compared to non predisposed limbs. For treadmill trials, dogs qualified as predisposed to CCL disease held their stifle at a greater degree of flexion, extended their hock less, and generated more energy around the stifle joints while trotting on a treadmill compared with dogs at low risk. This characterization of the gait mechanics of Labrador Retrievers at low risk or predisposed to CCL disease may help developing and monitoring preventive exercise programs to decrease gastrocnemius dominance and strengthened the hamstring muscle group.

Distal limb osteoarthritis in the horse

The aim of this thesis was to study two objective methods of osteoarthritis (OA) diagnosis in horses and use them on the assessment of new intra-articular treatments. The studied methods were a new inertial-sensor based system of lameness detection and cartilage biomarkers in serum. It was found that distal limb flexion is significantly correlated to the presence of metacarpo-phalangeal OA in hind limbs and that inertial-sensors are sensitive in detecting asymmetry in these cases. A positive and significant correlation was observed between Coll2-1 concentration in serum and the presence of joint disease in males and young horses. Fib3-2 measurement has good potential to be used since it is not influenced by sex or age. Using an experimental model of OA, adipose stem cells pre-activated with interferon-gamma decreased joint inflammation and radiographic lesions. In clinical cases, a single injection of high-concentrated and high-molecular weight hyaluronic-acid decreased joint inflammation and biomarkers’ concentration; OSTEOARTRITE DO MEMBRO DISTAL NO CAVALO Resumo: A finalidade desta tese foi estudar dois métodos de diagnóstico objetivo de osteoartrite (OA) em equinos e aplicá-los na avaliação de novas terapias intra-articulares. Utilizou-se um sistema de sensores de movimento e foi avaliada a concentração de biomarcadores de cartilagem no soro. Concluiu-se que a flexão distal positiva está correlacionada com OA na articulação metacarpofalângica nos membros posteriores e que os sensores são sensíveis na detecção de assimetria nestes casos. Existe uma correlação positiva e significativa entre as concentrações de Coll2-1 e a presença de doença articular, sobretudo em machos e jovens. A dosagem de Fib3-2 tem utilidade por não ser influenciada pelo sexo nem idade. Num modelo experimental da doença, a terapia à base de células estaminais reduziu a inflamação articular e as lesões radiográficas. Em casos clínicos, o tratamento com ácido-hialurónico de alta concentração e peso molecular provoca uma diminuição da inflamação articular e dos biomarcadores no soro.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.