Ce travail explore des solutions afin d'améliorer la reconnaissance des gestes de la main à l'aide de signaux électromyographiques. Grâce aux prothèses myoélectriques, cette technologie a le potentiel de transformer la vie des amputés des membres supérieurs. Malheureusement, les prothèses myoélectriques disponibles sur le marché peinent à reproduire fidèlement les gestes de la main, car il est complexe de déduire l'intention de l'utilisateur à partir de l'activité musculaire mesurée, particulièrement entre différentes utilisations de la prothèse. Pour adresser ce problème, ce travail présente une solution logicielle permettant, à l'aide d'un nouveau capteur flexible d'électromyographie haute densité (HD-EMG) à 64 électrodes, de renforcer la robustesse de la détection contre différentes sources de variations. Cette innovation repose sur l'introduction d'une approche d'augmentation des données par décalage circulaire (ABSDA) couplée à un réseau de neurones à convolution (CNN) et une version anticrénelée (AA-CNN) permettant d'améliorer la robustesse de la classification au mouvement des électrodes et à la variabilité entre les séances. La méthode ABSDA-CNN proposée améliore significativement la précision de la reconnaissance des gestes. Ce travail examine également le potentiel de l'apprentissage machine sur graphes, un domaine émergent qui applique la théorie des graphes à l'intelligence artificielle. En utilisant cette approche pour représenter les capteurs HD-EMG sous forme de graphes, il est possible de capitaliser sur leur structure géométrique naturelle afin de construire des réseaux de neurones sur graphes (GNN) novateurs qui surpassent les réseaux à convolution traditionnels. L'introduction de ces nouvelles architectures permet d'explorer la notion d'invariance en translation des réseaux de neurones en démontrant l'importance d'apprendre la position des électrodes pour améliorer la précision de la reconnaissance des gestes Finalement, une plateforme embarquée sans fil est introduite pour réaliser de la reconnaissance de gestes en temps réel, grâce à un accélérateur Coral Tensor Processing Unit (TPU). Cette solution permet d'intégrer l'intelligence artificielle directement dans les prothèses, supprimant la dépendance à des équipements externes coûteux. Pour une meilleure flexibilité, le système propose la calibration des modèles d'inférence localement ou à distance par le biais d'un serveur. L'exploration des techniques de quantification des données à 8 bits démontre que la compatibilité matérielle peut être obtenue sans sacrifier les performances. / This work explores solutions to improve hand gesture recognition using electromyographic signals. Thanks to myoelectric prostheses, this technology has the potential to radically transformthe lives of upper limb amputees. Unfortunately, the myoelectric prostheses currently availableon the market struggle to faithfully reproduce hand gestures because it is complex to correctlyinfer the user's intention from the measured muscle activity, especially between different usesof the prosthesis. To address this problem, this work presents a software solution that, with the help of anew flexible high-density electromyography (HD-EMG) sensor with 64 electrodes, enhancesthe robustness of detection against various sources of variations. This innovation is basedon the introduction of an array barrel-shifting data augmentation (ABSDA) coupled witha convolutional neural network (CNN) and an anti-aliased version (AA-CNN) to improverobustness to electrode movement, forearm orientation, and inter-session variability. Theproposed ABSDA-CNN method significantly improves the accuracy of gesture recognition. This work also examines the potential of graph machine learning, an emerging field that applies graph theory to artificial intelligence. By using this approach to represent HD-EMGsensors as graphs, it is possible to capitalize on their natural geometric structure to constructinnovative graph neural networks (GNNs) that surpass traditional convolutional networks. The introduction of these new architectures allows for the exploration of the notion of invariance to translation of neural networks by demonstrating the importance of learning electrodepositions to improve gesture recognition accuracy. Finally, a wireless embedded platform is introduced for real-time gesture recognition, thanksto a Coral Tensor Processing Unit (TPU) accelerator. This solution enables the integration ofartificial intelligence directly into prostheses, eliminating the dependency on expensive externalhardware. For enhanced flexibility, the system offers model calibration locally or remotely viaa server. Exploring 8-bit data quantization techniques shows that hardware compatibility canbe achieved without sacrificing performance.

Bien que l’imagerie motrice positive ait été bien étudiée et est utilisée en réhabilitation, l’effet de l’imagerie motrice négative est beaucoup moins connu. Le but de cette recherche était de définir si l’intention et/ou l’imagerie motrice négative serait en mesure de réduire l’effet d’une stimulation magnétique transcrânienne (SMT) sur le cortex moteur. Vingt participants ont reçu trente stimulations de SMT dans trois situations différentes : En restant passif, en portant une attention particulière aux sensations dans leur main ou en tentant de réduire l’effet de la SMT. La moitié des participants ont utilisé une stratégie d’imagerie motrice, l’autre moitié leur intention. Dans les deux cas, l’amplitude dans la condition de modulation n’a pas été réduite de façon significative. / Although positive motor imagery has been widely studied and is used in rehabilitation, the effect of negative motor imagery on our motor system is less well understood. Our goal was to ascertain whether intention and/or negative visual imagery is effective in decreasing the twitch resulting from transcranial magnetic stimulation (TMS) over the primary motor cortex. Twenty participants received 30 TMS stimulations in three different conditions: remaining passive, paying particular attention to the sensations in their hand, and attempting to modulate the amplitude of the resulting movement. To do this, half the participants used an imagery strategy, whereas the other half used an intention strategy. In both cases, amplitude in the modulation condition was not significantly reduced.

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

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L'utilisation quotidienne du fauteuil roulant manuel (FRM) entraîne chez certaines personnes âgées, tout comme chez les jeunes et/ou les athlètes handicapés, un surmenage de la structure anatomique des épaules. Ce fait est responsable à la longue de phénomènes dégénératifs et douloureux entraînant des dépenses de santé supplémentaires. Dans un but préventif, les recherches présentées ci-dessous visent à réduire le travail de la ceinture scapulaire au cours de la propulsion du FRM. Une étude épidémiologique préliminaire a révélé l'étendue de ce problème. Par ailleurs l'étude anatomo-pathologique a montré l'inefficacité des soins destinés à diminuer les douleurs d'épaules. La revue bibliographique a aussi révélé les lacunes de la littérature concernant les aspects de la propulsion du FRM par la population âgée et amputée. Dans un premier temps, une chaîne de mesure destinée à appréhender les aspects dynamique, cinématique et électromyographique de la propulsion du FRM, a été développée et validée. Ce dispositif a permis d'étudier la technique de propulsion du FRM par les personnes âgées souffrant ou non de douleurs d'épaules. Les résultats ont révélé certaines causes et conséquences probables de ces douleurs. Ils permettront aux cliniciens d'améliorer la conduite d'un processus de prévention. Ces investigations ont abouti à la mise au point et à la validation d'un prototype de propulsion peu coûteux et adaptable à tous les types de FRM. Ce dispositif innovant met en œuvre une liaison élastique entre la main courante et la roue motrice. Les analyses expérimentales et les résultats cliniques ont révélé l'intérêt de cette invention dans l'amélioration du confort d'utilisation du FRM et dans la réduction des contraintes articulaires du membre supérieur. Les retombées de ce travail sont à caractère scientifique et technologique mais aussi médical, humain et économique.

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

Le pouce opposable de la main joue un rôle essentiel dans le comportement humain, permettant une prise bien plus précise que celle des singes avec les pouces opposables. Comment le cerveau contrôle t-il les mains aussi précisément? Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié comment différentes régions du cerveau dédiées au contrôle moteur, en particulier le cortex moteur (M1) et l’aire motrice supplémentaire (AMS), contribuent à une pince pouce-index précise. Les résultats de nos études révèlent que des neurones dans l’AMS, en complément de ceux dans M1, communiquent directement avec les motoneurones de la moelle épinière contrôlant les muscles de la main. De plus, SMA communique aussi efficacement que M1 avec les muscles de la main, alors que chez le singe, celle avec M1 est plus efficace. Cette différence fonctionnelle dans la voie AMS-muscles entre le singe et l’Homme pourrait expliquer la plus grande capacité de ce dernier à contrôler finement la force produite par les doigts. / The human hand's opposable thumb plays a large role in human behavior, allowing for a grip far more precise than that of monkeys with opposable thumbs. However, it isn't well understood how the brain controls the hands in such a precise way. In these studies, we investigate how different parts of the brain dedicated to motor tasks, in particular the motor cortex (M1) and the supplementary motor area (SMA), contribute to a precise thumb-index finger grip. Our experiments suggest that some neurons in the SMA, in addition to those well-described in M1, may connect directly to the motoneurons in the spinal cord controlling the hand muscles. Moreover, we found that SMA communicates with the hand muscles as efficiently as M1, while in monkeys, SMA communicates less efficiently than M1. This functional difference in the SMA-muscles pathway between monkey and human may account for the higher capacity of the latter to precisely control the force produced by digits.

Ce travail de thèse s'est intéressé à l'étude des facteurs permettant d'expliquer les performances fonctionnelles des membres inférieurs des personnes âgées. Dans une première étude, nous avons montré que la puissance maximale (Pmax) ainsi que sa composante appelée la vitesse optimale (Vopt) obtenues lors d'un test de force-vitesse des extenseurs du genou, sont des facteurs déterminants de la performance fonctionnelle des personnes âgées évaluées sur 3 tests : marche sur 6m, se relever et s'assoir 5 fois de suite à partir d'une chaise et monter 6 marches d'escalier. Ainsi, plus une personne possède une Pmax et une Vopt élevées, plus ses performances lors de tests fonctionnels seront élevées. De plus, la Vopt étant considérée comme une évaluation indirecte du pourcentage de fibres rapides, les sujets ayant les plus grandes valeurs de Vopt sont les plus performantes aux tests fonctionnels. La deuxième étude a mesuré et comparé l'activité électromyographique (EMG) du quadriceps lors des tests de contraction isométrique volontaire maximal (IMVC), de détermination de la puissance maximale et des tests fonctionnels cités cidessus. La mesure du signal EMG au cours de ces différents tests a permis de déterminer dans quelle mesure le type de tâche induit une activation maximale ou non. Les personnes âgées montrent une capacité à davantage activer leurs quadriceps lors des tests de de contraction concentrique plutôt qu'isométrique ou excentrique. Les tests utilisant l'IMVC comparé aux tests de détermination de la puissance et de monté de marche, et de lever de chaise ne seraient pas les tests les plus appropriés pour mesurer les capacités maximales d'activation neuromusculaires chez la personne âgée. Il ressort de ces résultats une amélioration du testing de la personne âgée et des orientations pour la réhabilitation / This work has focused on the study of factors that explain the functionals performances of the lower limbs of the elderly. In a first study we showed that the maximum power (Pmax) and its component called the optimal speed (Vopt) obtained during a test of force-velocity of the knee extensors, are important determinants of functional performance elderly evaluated on three tests: walking on 6m, sit to stand 5 times from a chair and climbing 5 stairs. The more a person has a high Pmax and Vopt, the more its performance during functional tests will be. In addition, Vopt is considered an indirect assessment of the percentage of fast fibers; subjects with the highest values of Vopt are best performers during functional tests. The second study measured and compared the electromyographic (EMG) activity of the quadriceps when tested for isometric maximum voluntary contraction (IMVC), determination of maximum power and functional tests mentioned above. Measurement of EMG signal during these tests was used to determine to what extent the type of task induced a maximum activation or not. Older people show a greater ability to activate their quadriceps muscles when tested for concentric contraction rather than isometric or eccentric contractions. Tests using the IMVC compared to tests for determining the power, sit-tostand and stairs climbing would not be the most appropriate tests to measure the maximum neuromuscular activation capacity in the elderly. From these results improved testing of the elderly and guidelines for rehabilitation are proposed

Ces dernières années, des travaux importants ont été observés dans le développement du contrôle prothétique afin d'aider les personnes amputées du membre supérieur à améliorer leur qualité de vie au quotidien. Certaines prothèses myoélectriques modernes des membres supérieurs disponibles dans le commerce ont de nombreux degrés de liberté et nécessitent de nombreux signaux de contrôle pour réaliser plusieurs tâches fréquemment utilisées dans la vie quotidienne. Pour obtenir plusieurs signaux de contrôle, de nombreux muscles sont requis mais pour les personnes ayant subi une amputation du membre supérieur, le nombre de muscles disponibles est plus ou moins réduit selon le niveau de l’amputation. Pour accroître le nombre de signaux de contrôle, nous nous sommes intéressés au biceps brachial, vu qu’anatomiquement il est formé de 2 chefs et que de la présence de compartiments a été observée sur sa face interne. Physiologiquement, il a été trouvé que les unités motrices du biceps sont activées à différents endroits du muscle lors de la production de diverses tâches fonctionnelles. De plus, il semblerait que le système nerveux central puisse se servir de la synergie musculaire pour arriver à facilement produire plusieurs mouvements. Dans un premier temps on a donc identifié que la synergie musculaire était présente chez le biceps de sujets normaux et on a montré que les caractéristiques de cette synergie permettaient d’identifier la posture statique de la main lorsque les signaux du biceps avaient été enregistrés. Dans un deuxième temps, on a réussi à démontrer qu’il était possible, dans un cube présenté sur écran, à contrôler la position d’une sphère en vue d’atteindre diverses cibles en utilisant la synergie musculaire du biceps. Les techniques de classification utilisées pourraient servir à faciliter le contrôle des prothèses myoélectriques. / In recent years, important work has been done in the development of prosthetic control to help upper limb amputees improve their quality of life on a daily basis. Some modern commercially available upper limb myoelectric prostheses have many degrees of freedom and require many control signals to perform several tasks commonly used in everyday life. To obtain several control signals, many muscles are required, but for people with upper limb amputation, the number of muscles available is more or less reduced, depending on the level of amputation. To increase the number of control signals, we were interested in the biceps brachii, since it is anatomically composed of 2 heads and the presence of compartments was observed on its internal face. Physiologically, it has been found that the motor units of the biceps are activated at different places of the muscle during production of various functional tasks. In addition, it appears that the central nervous system can use muscle synergy to easily produce multiple movements. In this research, muscle synergy was first identified to be present in the biceps of normal subjects, and it was shown that the characteristics of this synergy allowed the identification of static posture of the hand when the biceps signals had been recorded. In a second investigation, we demonstrated that it was possible in a virtual cube presented on a screen to control online the position of a sphere to reach various targets by using muscle synergy of the biceps. Classification techniques have been used to improve the classification of muscular synergy features, and these classification techniques can be integrated with control algorithm that produces dynamic movement of myoelectric prostheses to facilitate the training of prosthetic control.