Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

L'amputation du membre supérieur, dont la prévalence est comparable à celle des maladies orphelines, induit chez les patients une perte considérable d'autonomie dans la majorité des tâches simples de la vie quotidienne. Pour pallier ces difficultés, les prothèses myoélectriques actuelles proposent une multitude de mouvements possibles. Cependant, leur contrôle non intuitif et lourd cognitivement requiert un apprentissage long et difficile, qui pousse une proportion importante de patients amputés à l'abandon de la prothèse. Dans cette thèse, nous avons cherché à identifier l'origine des difficultés et les manques du contrôle myoélectrique en comparaison au contrôle sensorimoteur naturel, dans le but à terme de proposer de meilleures solutions de restitution et de suppléance. Pour cela, nous avons manipulé diverses conditions expérimentales dans un contexte d'interface homme-machine simplifié où des sujets non amputés contrôlent un curseur sur un écran à partir de contractions isométriques, i.e. des contractions qui n'engendrent pas de mouvement. Cette condition isométrique nous a permis de nous approcher de la condition de la personne amputée contrôlant sa prothèse à partir de l'activité électrique (EMG) de ses muscles résiduels, en absence de mouvement articulaire. Durant une tâche d'atteinte de cible, nous avons entre autre démontré le bénéfice d'une adaptation conjointe du décodeur qui traduit les activités EMG en mouvement du curseur, venant s'ajouter à la propre adaptation du plan de mouvement des sujets en réponse à des perturbations orientées. De plus, il a été mis en évidence que ce bénéfice est d'autant plus important que la dynamique d'adaptation artificielle du décodeur s'inspire de celle de l'Homme. Dans des tâches d'acquisition et de poursuite de cible, impliquant davantage les mécanismes de régulation en ligne du mouvement, nous avons mis en évidence l'importance d'une congruence immédiate entre les informations sensorimotrices et la position du curseur à l'écran pour permettre des corrections rapides et efficaces. Dans une condition où le niveau de bruit du système est relativement faible, comme avec l'utilisation du signal de forces plus stable que l'habituel signal EMG, cette congruence explique, en partie, la supériorité d'un contrôle d'ordre 0 (i.e. position) sur un contrôle d'ordre 1 (i.e.} vitesse). Cependant, dès lors que le niveau de bruit est trop important, ce qui est le cas avec le signal EMG, le filtrage induit par l'intégration nécessaire au contrôle vitesse fait que celui-ci devient plus performant que le contrôle position. L'ensemble de ces résultats suggèrent qu'un décodeur adaptatif et intuitif, respectant et suppléant au mieux les boucles du contrôle sensorimoteur naturel, est le plus à même de faciliter le contrôle des futures prothèses. / Upper limb amputation, although quite rare, induces enormous loss of autonomy for patients in most daily life activities. To overcome this loss, current myoelectric prosthesis offers a multitude of possible movements. However, current controls of these movements are typically non-intuitive and cognitively demanding, leading to a high abandon rate in response to the long and tedious learning involved. In this thesis, we aimed at identifying difficulties and gaps associated with myoelectric controls when compared to natural sensorimotor control, with the long term goal of informing the design of better solutions for prosthesis control. To do so, we manipulated several experimental conditions in a simplified human-machine interface, where non-amputated subjects controlled a cursor on a computer screen from isometric contractions, i.e. muscle contractions produced in the absence of joint movement. This isometric condition was designed to get closer to a situation in which an amputee controls a myoelectric prosthesis using electrical activity (EMG) of his/her residual muscles, without movement of the missing limb. During aiming movements, we demonstrated the benefits of adapting the decoder that translate muscle activities into cursor movement in conjunction with the own subject’s adaptation of the planned movement direction in response to oriented perturbations. Furthermore, these benefits were showed to be even more important as the artificial decoder adaptation was inspired by the modeled adaptation of a human. In reaching and tracking movements toward fixed and moving targets, which increasingly involve online movement regulations, we revealed the importance of an immediate congruency between sensorimotor information and the cursor position on the screen for timely and efficient corrections. For conditions in which the level of noise associated with the control signal is relatively low, such as when using force that is more stable than the usual EMG signal used, this congruency partly explains the better performance obtained with zero order control (i.e. position) when compared to first order control (i.e. velocity). However, when the noise level increases, as is the case with EMG signals, the filtering property associated with the integration involved in a velocity control elicits better performances than with a position control. Taken together, these results suggest that intuitive and adaptive decoder, that supplies and judiciously complements natural sensorimotor feedback loops, is promising to facilitate future prosthesis controls.

L’objectif général de la présente thèse était d’étudier les effets et les facteurs d’influence des exercices et des programmes d’entraînement consistant en la co-contraction maximale isométrique volontaire (CCMIV) de l’articulation du coude : effet de l’entraînement en CCMIV sur la force explosive (Etude A), influence de l’heure habituelle d’entraînement (Etude B) et de charges additionnelles pendant les CCMIV (Etude C). Les résultats ont montré que 6 semaines d’entraînement en CCMIV peuvent améliorer simultanément la force maximale volontaire des muscles sans altération de la force explosive (Etude A et B) et indépendamment de l’heure habituelle d’entraînement (Etude B). Ces gains de force s’accompagnaient d’une augmentation de l’activité électromyographique des muscles agonistes (Etude A et B). Cependant, les résultats de l’étude B suggèrent que l’entraînement le matin s’accompagne d’un meilleur gain de la force musculaire, masquant ainsi les différences de force entre le matin et le soir. Par ailleurs, l’étude C a montré qu’une charge additionnelle (50% FMV) associée à une CCMIV modifie le pattern d’activation des muscles agonistes-antagonistes : augmentation du niveau d’activation des muscles agonistes et diminution de celui des antagonistes. Par conséquent, un programme d’entraînement en CCMIV avec charge additionnelle devrait comprendre des exercices avec charge pour les fléchisseurs et les extenseurs. De plus, les résultats de l’étude C suggèrent que le concept du fléchisseur équivalent pourrait être appliqué non seulement quand les fléchisseurs agissent comme agonistes mais aussi quand ils agissent comme antagonistes. / The aim of the present thesis was to study the effects and the influencing factors during the elbow joint maximal isometric voluntary co-contractions (MIVCC) exercises and training program: effect of the MIVCC training on the explosive force (Study A), influence of the time-of-day at which training was scheduled (Study B) and additional load during MIVCC (Study C). The results showed that six weeks of MIVCC training can simultaneously improve the maximum voluntary force, without altering the explosive force (Study A and B) and independently of the time-of-day at which training was scheduled (Study B). These improvements were accompanied by an increase in electromyography activity of agonist muscles (Study A and B). However, the results of study B suggest that morning training is accompanied by a higher strength improvement, by masking the strength differences between the morning and evening. Furthermore, the study C showed that additional load (50% MVF) associated with MIVCC modifies the activation pattern of the agonist-antagonist muscles: by increasing the activation level of the agonist muscles and decreasing the co-activation level of the antagonist muscles. Therefore, MIVCC training program with additional load should include exercises with load for flexor and extensor muscles. In addition, the results of the study C suggest that the concept of “flexor equivalent” may be applied not only when the flexor muscles acting as agonist but also when they acting as antagonist muscles.

Les systèmes neuromusculaire et musculosquelettique sont des systèmes de systèmes complexes qui interagissent parfaitement entre eux afin de produire le mouvement. En y regardant de plus près, ce mouvement est la résultante d'une force musculaire créée à partir d'une activation du muscle par le système nerveux central. En parallèle de cette activité mécanique, le muscle produit aussi une activité électrique elle aussi contrôlée par la même activation. Cette activité électrique peut être mesurée à la surface de la peau à l'aide d'électrode, ce signal enregistré par l'électrode se nomme le signal Électromyogramme de surface (sEMG). Comprendre comment ces résultats de l'activation du muscle sont générés est primordial en biomécanique ou pour des applications cliniques. Évaluer et quantifier ces interactions intervenant durant la contraction musculaire est difficile et complexe à étudier dans des conditions expérimentales. Par conséquent, il est nécessaire de développer un moyen pour pouvoir décrire et estimer ces interactions. Dans la littérature de la bioingénierie, plusieurs modèles de génération de signaux sEMG et de force ont été publiés. Ces modèles sont principalement utilisés pour décrire une partie des résultats de la contraction musculaire. Ces modèles souffrent de plusieurs limites telles que le manque de réalisme physiologique, la personnalisation des paramètres, ou la représentativité lorsqu'un muscle complet est considéré. Dans ce travail de thèse, nous nous proposons de développer un modèle biofidèle, personnalisable et rapide décrivant l'activité électrique et mécanique du muscle en contraction isométrique. Pour se faire, nous proposons d'abord un modèle décrivant l'activité électrique du muscle à la surface de la peau. Cette activité électrique sera commandé par une commande volontaire venant du système nerveux périphérique, qui va activer les fibres musculaires qui vont alors dépolariser leur membrane. Cette dépolarisation sera alors filtrée par le volume conducteur afin d'obtenir l'activité électrique à la surface de la peau. Une fois cette activité obtenue, le système d'enregistrement décrivant une grille d'électrode à haute densité (HD-sEMG) est modélisée à la surface de la peau afin d'obtenir les signaux sEMG à partir d'une intégration surfacique sous le domaine de l'électrode. Dans ce modèle de génération de l'activité électrique, le membre est considéré cylindrique et multi couches avec la considération des tissus musculaire, adipeux et la peau. Par la suite, nous proposons un modèle mécanique du muscle décrit à l'échelle de l'Unité Motrice (UM). L'ensemble des résultats mécaniques de la contraction musculaire (force, raideur et déformation) sont déterminées à partir de la même commande excitatrice du système nerveux périphérique. Ce modèle est basé sur le modèle de coulissement des filaments d'actine-myosine proposé par Huxley que l'on modélise à l'échelle UM en utilisant la théorie des moments utilisée par Zahalak. Ce modèle mécanique est validé avec un profil de force enregistré sur un sujet paraplégique avec un implant de stimulation neurale. Finalement, nous proposons aussi trois applications des modèles proposés afin d'illustrer leurs fiabilités ainsi que leurs utilité. Tout d'abord une analyse de sensibilité globale des paramètres de la grille HDsEMG est présentée. Puis, nous présenterons un travail fait en collaboration avec une autre doctorante une nouvelle étude plus précise sur la modélisation de la relation HDsEMG/force en personnalisant les paramètres afin de mimer au mieux le comportement du Biceps Brachii. Pour conclure, nous proposons un dernier modèle quasi­ dynamique décrivant l'activité électro-mécanique du muscle en contraction isométrique. Ce modèle déformable va actualiser l'anatomie cylindrique du membre sous une hypothèse isovolumique du muscle. / The neuromuscular and musculoskeletal systems are complex System of Systems (SoS) that perfectly interact to provide motion. From this interaction, muscular force is generated from the muscle activation commanded by the Central Nervous System (CNS) that pilots joint motion. In parallel an electrical activity of the muscle is generated driven by the same command of the CNS. This electrical activity can be measured at the skin surface using electrodes, namely the surface electromyogram (sEMG). The knowledge of how these muscle out comes are generated is highly important in biomechanical and clinical applications. Evaluating and quantifying the interactions arising during the muscle activation are hard and complex to investigate in experimental conditions. Therefore, it is necessary to develop a way to describe and estimate it. In the bioengineering literature, several models of the sEMG and the force generation are provided. They are principally used to describe subparts of themuscular outcomes. These models suffer from several important limitations such lacks of physiological realism, personalization, and representability when a complete muscle is considered. In this work, we propose to construct bioreliable, personalized and fast models describing electrical and mechanical activities of the muscle during contraction. For this purpose, we first propose a model describing the electrical activity at the skin surface of the muscle where this electrical activity is determined from a voluntary command of the Peripheral Nervous System (PNS), activating the muscle fibers that generate a depolarization of their membrane that is filtered by the limbvolume. Once this electrical activity is computed, the recording system, i.e. the High Density sEMG (HD-sEMG) grid is define over the skin where the sEMG signal is determined as a numerical integration of the electrical activity under the electrode area. In this model, the limb is considered as a multilayered cylinder where muscle, adipose and skin tissues are described. Therefore, we propose a mechanical model described at the Motor Unit (MU) scale. The mechanical outcomes (muscle force, stiffness and deformation) are determined from the same voluntary command of the PNS, and is based on the Huxley sliding filaments model upscale at the MU scale using the distribution-moment theory proposed by Zahalak. This model is validated with force profile recorded from a subject implanted with an electrical stimulation device. Finally, we proposed three applications of the proposed models to illustrate their reliability and usefulness. A global sensitivity analysis of the statistics computed over the sEMG signals according to variation of the HD-sEMG electrode grid is performed. Then, we proposed in collaboration a new HDsEMG/force relationship, using personalized simulated data of the Biceps Brachii from the electrical model and a Twitch based model to estimate a specific force profile corresponding to a specific sEMG sensor network and muscle configuration. To conclude, a deformableelectro-mechanicalmodelcouplingthetwoproposedmodelsisproposed. This deformable model updates the limb cylinder anatomy considering isovolumic assumption and respecting incompressible property of the muscle.

L’objectif de ce travail de thèse est de caractériser, chez les amputés unilatéraux du membre inférieur, les modalités posturales qui interviennent dans la régulation de l’équilibre orthostatique et d’étudier l’impact de l’amputation sur la production de force à la cheville physiologique. Une première étude a révélé la présence de trois modalités posturales afin de réguler le contrôle postural : les amputés transfémoraux adoptent une modalité posturale basée sur les paramètres de stabilité, les amputés transtibiaux optent pour une modalité posturale mixte et les non amputés se réfèrent aux paramètres de l’attitude posturale. Etant donné que l’articulation de la cheville joue un rôle essentiel dans la régulation de l’équilibre postural, il était alors pertinent d’investiguer la production de force à la cheville physiologique. Toutefois, les ergomètres permettant d’étudier l’articulation de la cheville présentent des biais de mesure majeurs. Dans ce cadre, une deuxième étude a été menée afin de développer et valider un nouvel ergomètre pour cheville : le B.O.T.T.E. Parallèlement, la mise en place d’une méthode de mesure basée sur le retour visuel permettant une quantification fiable du couple de force a fait l’objet d’une troisième étude. Ensuite, une quatrième étude visait à utiliser le B.O.T.T.E. pour investiguer l’impact de l’amputation sur la production de force à la cheville physiologique. Les résultats de cette étude confirment la présence d’un déficit au niveau du couple de force généré en flexion plantaire (conditions maximale et sous maximale) chez les amputés transfémoraux. Enfin, ce travail de thèse vise à aider les rééducateurs et les cliniciens à optimiser la prise en charge des patients amputés. / This Ph.D. thesis aims to evaluate the standing posture modalities and the ankle joint torque in the intact limb in unilateral lower limb amputees. A first study shows the presence of three posture modalities: the non-amputee group relied on standing erect, the transfemoral amputees’ stance depended on balance control and the transtibial amputees exhibited a mixed modality of simultaneously maintaining an upright stance and standing balance. Since the ankle muscles have a functional importance in standing posture modalities, it is imperative to investigate the ankle joint torque in the intact limb. However, the current devices used to assess the ankle joint present substantial limitations for the measurement. Thus, a second study was designed to develop and to validate a new ankle ergometer B.O.T.T.E. Moreover, a third study was achieved in order to estimate the effect of visual feedback on enhancing isometric maximal voluntary contractions. A fourth study was realized to investigate the ankle joint torque in the intact leg of unilateral lower limb amputees. The results show that transfemoral amputees produce less torque and are less steady compared to transtibial amputees and able-bodied individuals. Overall, the present findings of this Ph.D. thesis could have implications for clinical practice and for rehabilitation of patients with a lower limb amputation.