Effets de l'utilisation d'un exosquelette passif sur les paramètres physiologiques, la performance motrice et l'apprentissage moteur durant le transport de charges

Autor: Diamond-Ouellette, Gabriel
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2024
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Druh dokumentu: Texte::Thèse::Thèse de doctorat
Popis: Thèse ou mémoire avec insertion d'articles.
Introduction :** Le transport de charges durant la marche est essentiel voire obligatoire chez le personnel militaire. Pour des raisons opérationnelles, les militaires doivent effectivement marcher sur de longues distances en portant des charges pouvant aller jusqu'à 68 kg, ce qui représente environ 57 à 73% du poids corporel. Il a été démontré que le transport de charges peut affecter les paramètres biomécaniques, physiologiques ainsi que l'efficacité à la marche, ce qui augmente grandement les risques de blessures musculo-squelettiques. L'implémentation d'exosquelettes passifs chez l'humain, représente une nouvelle technologie d'assistance capable de diminuer l'impact du transport de charges lors de la marche et donc de possiblement réduire le risque de blessures. Cependant, il est actuellement difficile de tirer des conclusions sur les bénéfices des exosquelettes passifs durant la marche dû aux différentes méthodologies expérimentales. Les études sur ce sujet tentaient d'observer l'impact d'un exosquelette sans comprendre l'interaction avec l'utilisateur ou n'implémentaient pas de processus de familiarisation. Développer un processus de familiarisation avec les principes de l'apprentissage moteur durant l'évaluation d'un exosquelette permettrait de mieux évaluer les bénéfices physiologiques associés. **L'objectif général** de ce projet de doctorat est d'évaluer l'influence du port d'un exosquelette passif à court terme ainsi que l'influence d'un processus de familiarisation basé sur les principes de l'apprentissage moteur sur les performances motrices et physiologiques. Plus précisément, **l'exosquelette passif sera évalué** dans une condition laboratoire contrôlé et dans une condition semi-opérationnelle. Ces objectifs reposent sur les hypothèses que 1) la première exposition à l'exosquelette aura une influence négative sur les performances motrices et physiologiques et 2) le processus de familiarisation à l'exosquelette permettra un retour des performances motrices et physiologiques à un niveau de référence (c- à-d. sans exosquelette) ou à des bénéfices. **Méthodologie :** La phase II (étude 1 - chapitre 2) portait sur l'exploration des effets d'un exosquelette passif personnalisé sur des variables métaboliques. Trois soldats et leurs exosquelettes ont été recrutés pour marcher à huit différentes vitesses sur tapis roulant sous cinq conditions d'évaluations (1) Sans exosquelette, (2) Première exposition à l'exosquelette, (3) Exosquelette après familiarisation, (4) Sans exosquelette / suivi trois mois, (5) Exosquelette / suivi trois mois. Durant la phase III, l'exosquelette personnalisé évoluera vers un modèle ajustable afin de recruter 13 participants. Le protocole de l'étude 1 sera amélioré selon les commentaires des participants de la phase II (étude 2 - chapitre 3) en plus d'intégrer le test du six minutes de marche (étude 3 - chapitre 4) afin d'observer la performance motrice. En plus de mesurer le changement métabolique, de l'électromyographie de surface sera ajouté afin d'explorer l'effet de l'exosquelette sur l'activité musculaire. **Résultats :** Les résultats de l'étude 1 ont permis de valider l'importance d'une méthodologie robuste de marche sur tapis roulant afin d'évaluer l'impact d'un exosquelette passif personnalisé sur le coût métabolique à la locomotion dans des conditions de laboratoire contrôlées. Cette étude a abouti à une réduction du coût métabolique à la locomotion d'environ 15% comparativement à la condition sans exosquelette. Durant l'étude 2, le protocole expérimental de l'étude 1 a été reprit et appliqué à un groupe plus important de participants, cette fois équipés d'un exosquelette passif ajustable. Dans cette étude, il y a eu une augmentation de 15% du coût métabolique à la locomotion ainsi qu'une augmentation significative de l'activation musculaire. L'intégration de l'électromyographie de surface a permis de mieux comprendre certains mécanismes physiologiques associés au port de l'exosquelette. Enfin, l'étude 3 a permis de mesurer la performance motrice et de comprendre les mécanismes physiologiques sous-jacents de l'exosquelette passif ajustable lors d'un test fonctionnel, où le participant décide lui-même de sa vitesse de marche. Les résultats ont révélé une diminution de la performance motrice d'environ 13% lors de l'ajout de charge ainsi que lors du port de l'exosquelette passif ainsi qu'une augmentation de l'activité musculaire du vaste médial de 18%. Toutefois, il est à noter que la familiarisation a eu permis de d'augmenter légèrement la performance de marche et en réduisant simultanément le coût métabolique à la locomotion. **Conclusions :** Les résultats suggèrent l'importance d'introduire une période de familiarisation lors de l'acquisition d'un exosquelette passif afin de réduire l'augmentation initiale du coût métabolique à la locomotion et de l'activité musculaire. La familiarisation peut aussi avoir une influence sur la performance motrice. Il est donc important de s'assurer que le processus de familiarisation soit adapté à la population utilisant l'appareil car il semble y avoir un effet d'apprentissage.
Introduction:** Load carriage during walking is essential and even mandatory for military personnel. For operational reasons, military personnel often have to cover long distances while carrying loads weighing up to 68 kg, which represents approximately 57 to 73% of their body weight. It has been demonstrated that load carriage can affect biomechanical and physiological parameters, as well as walking efficiency, significantly increasing the risk of musculoskeletal injuries. The implementation of passive exoskeletons in humans represents a novel assistive technology capable of reducing the impact of load carriage during walking and potentially decreasing the risk of injuries. However, drawing conclusions about the benefits of passive exoskeletons during walking is currently challenging due to various experimental methodologies. Studies on this topic often aimed to observe the impact of an exoskeleton without understanding the user interaction or did not implement a familiarization process. Developing a familiarization process with motor learning principles during exoskeleton evaluation could better assess associated physiological benefits. The **main objective** of this thesis is to evaluate the short-term influence of wearing a passive exoskeleton and the influence of a familiarization process based on motor learning principles on motor and physiological performance. Specifically, the passive exoskeleton will be assessed in a controlled laboratory condition and in a semi-operational condition. These objectives are based on the hypotheses that 1) the initial exposure to the exoskeleton will have a negative impact on motor and physiological performance, and 2) the familiarization process with the exoskeleton will either return motor and physiological performance to a baseline level (i.e., without the exoskeleton) or result in benefits. **Methods:** In Phase II (Study 1 - Chapter 2), the exploration of the effects of a personalized passive exoskeleton on metabolic variables was conducted. Three soldiers and their exoskeletons were recruited to walk at eight different speeds on a treadmill under five evaluation conditions: (1) Without the exoskeleton, (2) First exposure to the exoskeleton, (3) Exoskeleton after familiarization, (4) Without exoskeleton / three-month follow-up, (5) Exoskeleton / three-month follow-up. In Phase III, the personalized exoskeleton will evolve into an adjustable model to recruit 13 participants. The Study 1 protocol will be improved based on feedback from Phase II participants (Study 2 - Chapter 3) and will integrate the six-minute walk test (Study 3 - Chapter 4) to observe motor performance. In addition to measuring metabolic changes, surface electromyography will be added to explore the effect of the exoskeleton on muscle activity. **Results:** The results of study 1 validated the importance of a robust treadmill walking methodology to assess the impact of a personalized passive exoskeleton on the metabolic cost of locomotion in controlled laboratory conditions. This study resulted in a approximately 15% reduction in the metabolic cost of locomotion compared to the condition without the exoskeleton. During Study 2, the experimental protocol of Study 1 was repeated and applied to a larger group of participants, this time equipped with an adjustable passive exoskeleton. In this study, there was a 15% increase in the metabolic cost of locomotion and a significant increase in muscle activation. The integration of surface electromyography helped better understand some physiological mechanisms associated with wearing the exoskeleton. Finally, Study 3 measured motor performance and understood the underlying physiological mechanisms of the adjustable passive exoskeleton during a functional test, where the participant decides their walking speed. The results revealed a decrease in motor performance of approximately 13% when adding load and when wearing the passive exoskeleton, along with an 18% increase in the activity of the vastus medialis. However, it is noteworthy that familiarization slightly increased walking performance while simultaneously reducing the metabolic cost of locomotion. Finally, study 3 measured motor performance and understanding the underlying physiological mechanisms of the adjustable passive exoskeleton during a "semi-operational" functional test, where the participant decides their own walking speed. The results showed a decrease in walking performance with the addition of load and when wearing the passive exoskeleton. However, it is noteworthy that familiarization had a beneficial effect by slightly improving walking performance and simultaneously reducing the metabolic cost of walking. **Conclusions:** The results suggest the importance of introducing a familiarization process when acquiring a passive exoskeleton to reduce the initial increase in the metabolic cost of walking and muscle activity. Familiarization can also influence motor performance. Therefore, it is important to ensure that the familiarization process is adapted to the population using the device, as there seems to be a learning effect.
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