Development of models and methods bringing musculoskeletal modeling to clinical applications

Dans un contexte où l'on voit émerger une demande croissante en termes de prévention, diagnostic, suivi et traitement, la modélisation numérique est devenue un outil incontournable pour comprendre les conditions de fonctionnement du système musculo-squelettique et quantifier des données encore inaccessibles par mesure directe telles que les efforts musculaires, ligamentaires ou de contact. De nombreux modèles ont été proposés et plusieurs logiciels commerciaux ont vu le jour ces dernières années autour de cette problématique. Ces derniers proposent d'utiliser un modèle générique, généralement basé sur un squelette de sujet adulte, afin de calculer ce type de données via des programmes de calcul plus ou moins ouverts. Néanmoins, si l'on s'écarte du cas idéal de l'homme adulte asymptomatique, ces modèles sont, pour le moment, tout à fait critiquables car difficiles à personnaliser. Ainsi, de nombreuses équipes se penchent aujourd'hui sur le développement d'une mise à échelle géométrique qui pourrait permettre à terme d'avoir un modèle sujet-spécifique. Cependant, très peu de travaux sont initiés autour de l'adaptation des algorithmes d'optimisation permettant d'obtenir les forces recherchées. Il est pourtant indispensable de personnaliser également ces programmes de calcul pour différentes pathologies. Les travaux de cette thèse reposent ainsi sur le développement d'algorithmes pour le calcul des forces musculo-tendineuses et ostéo-articulaires pendant la marche. Pour cela, un modèle musculo-squelettique versatile du membre inférieur, basé sur un paramétrage en coordonnées naturelles et comprenant une représentation détaillée des articulations de la cheville et du genou, est introduit. Un processus d'optimisation multicritères est également proposé, reposant sur la méthode par pseudoinverse et permettant l'introduction des forces ostéo-articulaires dans le problème de minimisation des forces musculo-tendineuses. De manière générale, cette thèse propose des bases de réflexion et de travail pour le développement de programmes de calcul appliqué et applicables à l'étude des pathologies de la marcheBecause of the increasing need of prevention, diagnosis, monitoring and treatment, numerical modeling has become an interesting tool to understand the interactions of the musculoskeletal system and to replace measurements that are still invasive for some data such as muscles, ligaments or contact forces. Many models have been proposed and some musculoskeletal simulation softwares are now avalaibales. These softwares are based on a generic model, developed using cadaver data of an adult man, and allow computing internal forces using some algorithms that are not always accessible. However, these models and algorithms are mainly adapted to the case of an asymptomatic adult man and their application to another subject, such as a pathologic subject, is criticism. Consequently, many studies have been proposed to develop geometric subject-specific models. Nevertheless, very few works have been proposed to personalize optimization algorithms that are used to solve the muscular redundancy problem, even if it seems essential to link them to pathologies. The objectives of this thesis were to develop new algorithms for musculo-tendon and osteo-articular force computation during gait. An original and versatile musculoskeletal model is developed using parameters based on natural coordinates and detailed kinematics models for both knee and ankle joints. Then, a multicriteria optimization procedure is proposed, based on the pseudoinverse method and allowing the simultaneous computation of osteo-articular and musculo-tendon forces. On the whole, this study proposes a new method to develop models and methods that could be used in the future for clinical applications during gai