La stimulation électrique fonctionnelle (SEF) a le potentiel de fournir une amélioration active aux blessés médullaires en termes de mobilité, de stabilité et de prévention des effets secondaires.Dans le domaine des système SEF pour les membres inférieurs, le couple articulaire adéquat doit être fournie de façon appropriée pour effectuer le mouvement prévu et maintenir l'équilibre postural. Toutefois, les changements d'état du muscle tels que la fatigue musculaire est une cause majeure qui dégrade ses performances. En outre, la plupart des patients, dont la blessure médullaire est complète, n'ont pas le retour sensorielle qui permet de détecter la fatigue et les capteurs de couples in-vivo ne sont pas disponible à l'heure actuelle. Les systèmes conventionnels de commande SEF sont soit en boucle ouverte ou pas assez robustes aux changements d'état du muscle. L'objectif de cette thèse est le développement de la prédiction du couple articulaire et la commande en boucle fermée afin d'améliorer les performances de la commande SEF en termes de précision, de robustesse et de sécurité pour les patients.Afin de prédire le couple articulaire induit de la SEF, l'électromyographie (EMG) induit est utilisé pour corréler l'activité musculaire électrique et mécanique. Bien que la fatigue musculaire représente une variation dans le temps, une dépendance aux sujets et aux protocoles, la méthode proposée d'identification adaptative, basée sur le filtre de Kalman, est capable de prédire le couple articulaire variant dans le temps de manière systématique. La robustesse de la prédiction du couple articulaire a été évaluée lors d'une tâche de suivi de la fatigue en expérimentation chez des sujets blessés médulaires.Les résultats montrent une bonne performance de suivi des variations d'état des muscles en présence de fatigue et face à d'autres perturbations. Basé sur les performances de précision de la méthode prédictive proposée, une nouvelle stratégie de commande basée sur le retour EMG, «EMG-Feedback Predictive Control» (EFPC), est proposée afin de contrôler de manière adaptative les séquences de stimulation en compensant la variation dans le temps de l'état du muscle. De plus, cette stratégie de commande permet explicitement d'éviter d'appliquer une stimulation excessive aux patients, et de générer les séquences de stimulation appropriées pour obtenir la trajectoire désirée des couples articulaires. / Functional electrical stimulation (FES) has the potential to provide active improvement to spinal cord injured (SCI) patients in terms of mobility, stability and side-effect prevention. In the domain of lower limb FES system, elicited muscle force must be provided appropriately to perform intended movement and the torque generation by FES should be accurate not to lose the posture balance. However, muscle state changes such as muscle fatigue is a major cause which degrades its performance. In addition, most of the complete SCI patients don't have sensory feedback to detect the fatigue and in-vivo joint torque sensor is not available yet. Conventional FES control systems are either in open-loop or not robust to muscle state changes. This thesis aims at a development of joint torque prediction and feedback control in order to enhance the FES performance in terms of accuracy, robustness, and safety to the patients.In order to predict FES-induced joint torque, evoked-Electromyography (eEMG) has been applied to correlate muscle electrical activity and mechanical activity. Although muscle fatigue represents time-variant, subject-specific and protocol-specific characteristics, the proposed Kalman filter-based adaptive identification was able to predict the time-variant torque systematically. The robustness of the torque prediction has been investigated in a fatigue tracking task in experiment with SCI subjects. The results demonstrated good tracking performance for muscle variations and against some disturbances.Based on accurate predictive performance of the proposed method, a new control strategy, EMG-Feedback Predictive Control (EFPC), was proposed to adaptively control stimulation pattern compensating to time-varying muscle state changes. In addition, this control strategy was able to explicitly avoid overstimulation to the patients, and conveniently generate appropriate stimulation pattern for desired torque trajectory.

The central integration of sensory information provided by various afferent receptors is required to control human movement. Although the function of individual afferent receptors is known, the complexity and interactivity of afferent information remains unclear, especially in scenarios which involve the reduction of information provided by one or more afferent receptors. Reduced plantar sensitivity is commonly associated with postural instability, which occurs in ageing, peripheral neuropathies, and other neurological disorders like Parkinson's disease. Although there has been a great advance in understanding afferent inputs during recent years, the role of afferent information in controlling movement is still unclear. Therefore, the aim of the present thesis is to investigate the effects of reduced plantar sensitivity on quasi-static and dynamic balance control, as well as muscle reflexes. The current thesis is comprised of five experiments. Two experiments were designed as preliminary investigations, while the remaining three experiments addressed the main questions of this thesis. The first experiment investigated a basic question about subjective foot sensitivity (vibration perception) measured in two different body positions: standing and sitting. Results of Experiment I showed no differences of vibration perception between both measured conditions. Therefore, comparing data from plantar sensitivity vibration tests performed during sitting and during standing (e.g. balance) is feasible. In Experiment II, the role of afferent information from plantar mechanoreceptors on quasi-static balance was investigated using two different cooling procedures: a permanently cooling thermal platform and conventional ice pads. COP total excursions, plantar temperatures, and scores of a Visual Analogue Scale (VAS) regarding subjective pain were analyzed. Experiment II demonstrated that constant and controllable cooling via the thermal platform is the superior approach with respect to subjective pain (VAS) and to reach and maintain the desired temperature throughout the trials. Furthermore, only cooling via the thermal platform induced postural instability, revealed by increased COP values. This instability was expected due to reduced plantar input, indicating no compensation by other sensory systems. Experiment III focused on the inter- and intraday- reliability of dynamic balance responses using the Posturomed device. Generally good relative and absolute reliability were found for COP excursions. This outcome was fundamental to proceed with dynamic balance measurements using the same setup. Subsequently, effects of reduced plantar cutaneous inputs via cooling on anticipatory and compensatory balance responses (unexpected perturbations) were explored in Experiment IV. COP and EMG data were used to analyze anticipatory and compensatory balance responses. No differences in COP or EMG parameters were found for the anticipatory responses after hyper-thermia, while decreased values for compensatory balance responses were observed in response to cooling. This was interpreted as a kind of overcompensatory behavior of the central nervous system (CNS) due to more cautious behavior induced after plantar cooling. Finally, the question regarding the interaction between afferent receptors arose in Experiment V, in which the effects of reduced plantar temperatures on the Achilles tendon stretch reflex and plantar flexion were examined. Short latency responses and maximal force of plantar flexion were analyzed. Cooling resulted in decreased amplitudes of short latencies, as well as in delays in time to maximal force of plantar flexion. These findings suggest that plantar inputs participate complementarily in the Achilles stretch reflex. Collectively, the current thesis contributes to understanding how plantar receptors are involved in movement control; not only do they seem to work as independent contributors, but they also appear to interact with other afferent receptors. Furthermore, an important outcome is that the reduced plantar inputs seem to induce different alterations in the organization of CNS inputs and outputs, according to different balance tasks: quasi-static responses, anticipatory responses, and compensatory responses. For the future, the use of other methods like microneurography and electroencephalography could be helpful to gain even more understanding of afferent interactions during the control of movements. Similar protocols may also be implemented in other populations, such as elderly people or patients suffering from neurological disorders, who exhibit continued decline or degeneration of sensory receptors. / Die zentrale Integration von sensorischen Informationen, die aus verschiedenen afferenten Rezeptoren zur Verfügung gestellt werden, ist erforderlich, um die menschliche Bewegung zu steuern. Obwohl die Funktion der einzelnen afferenten Rezeptoren bekannt ist, bleibt die Komplexität und Interaktivität von afferenten Information unklar, insbesondere in Szenarien, in denen die Verminderung von Informationen aus einem oder mehreren afferenten Rezeptoren eintritt. Reduzierte plantare Sensibilität wird häufig im Zusammenhang mit Haltungsinstabilität verbunden. Dies tritt häufig während des Alterns ein, bei peripheren Neuropathien und anderen neurologischen Erkrankungen, wie etwa bei der Parkinson-Krankheit. Obwohl es in den vergangen Jahren große Entwicklungen was das Verständnis afferenter Inputs gab, ist die Rolle afferenter Information bei der Bewegungskontrolle immer noch unklar. Daher ist das Ziel der vorliegenden Dissertation, den Einfluss der Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität auf das quasi-statische und dynamische Gleichgewicht, sowie auf den Reflex der Achillessehne, zu untersuchen. Die vorliegende Dissertation ist dazu aus fünf Untersuchungen aufgebaut. Zwei Untersuchungen werden als Voruntersuchungen präsentiert, während die übrigen drei Untersuchungen auf die Kernfragen dieser Doktorarbeit gerichtet sind. Die erste Untersuchung beschäftigt sich mit der grundlegenden Fragestellung bzgl. der subjektiven Fußsensibilität (Vibrationswahrnehmung), die in zwei verschiedenen Körperpositionen gemessen wurde: Im Stehen und im Sitzen. Ergebnisse aus Untersuchung I zeigten keine Unterschiede der Vibrationswahrnehmung zwischen den beiden Körperpositionen. Daher ist es möglich, Vergleiche zwischen Daten aus plantaren Vibrationswahrnehmungstests während des Sitzens und des Stehens (z.B. bei Gleichgewichtstests) durchzuführen. In Untersuchung II wurde die Rolle afferenter Informationen plantarer Mechanorezeptoren auf das quasi-statische Gleichgewicht mittels zwei unterschiedlicher Abkühlverfahren untersucht: eine permanente Abkühlung durch eine thermische Plattform und konventionelle Eis-Pads. Es wurden der COP Gesamtweg, plantar Temperaturen und eine visuelle Analogskala (VAS) in Bezug auf subjektive Schmerzen analysiert. Untersuchung II hat gezeigt, dass eine konstante und steuerbare Abkühlung über die thermische Plattform der überlegene Ansatz in Bezug auf subjektiven Schmerz (VAS) und bzgl. des Erreichens und Erhaltens einer gewünschten Temperatur innerhalb der Messungen ist. Weiterhin wurde nur durch die Abkühlung mittels thermischer Plattform eine posturale Instabilität induziert, evident durch erhöhte COP Gesamtwege. Diese Instabilität wurde aufgrund der Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität erwartet, was auf eine fehlende Kompensation durch andere Sinnessysteme hinzuweisen scheint. In Untersuchung III lag der Fokus auf der inter- und intra-Tag-Reliabilität dynamischer Gleichgewichtsantworten mittels des Posturomed-Trainingsgerätes. Im Allgemeinen wurden eine gute relative und absolute Reliabilität der COP Gesamtwege ermittelt. Dieses Ergebnis war von grundlegender Bedeutung, um die Nutzung des gleichen Setups für die folgenden dynamischen Gleichgewichtsmessungen (Untersuchung IV) zu ermöglichen. Anschließend wurden die Effekte einer Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität mittels Abkühlung auf antizipatorische und kompensatorische Antworten des dynamischen Gleichgewichts (anhand unerwarteter Störungen des Gleichgewichts) in Untersuchung IV erforscht. COP und EMG Daten wurden verwendet, um die antizipatorischen und kompensatorischen Antworten des Gleichgewichts zu analysieren. Nach der Abkühlung wurden bzgl. antizipatorischer Antworten keine Unterschiede in den COP und EMG Parametern gefunden. Im Hinblick auf kompensatorische Antworten zeigten sich reduzierte COP und EMG als Reaktion auf die Abkühlung. Dies wurde wie folgt interpretiert: aufgrund eines vorsichtigen Verhaltens, ausgelöst durch die verminderten sensorischen Inputs infolge der Abkühlung, kam es zu einer Art „Überkompensierungsverhalten“ des zentralen Nervensystems (ZNS). Schließlich stellte sich die Frage der Interaktion afferenter Rezeptoren in Untersuchung V, in welcher die Effekte reduzierter plantarer Temperaturen auf den Achillessehnen-Dehnungsreflex und die Plantarflexion untersucht wurden. Kurze Latenz Antworten (short latency responses) und die maximale Kraft der Plantarflexion wurden dabei analysiert. Die Abkühlung führte zu einer verminderten Amplitude der short latency responses sowie zu Verzögerungen der Zeit bis zur maximalen Kraft der Plantarflexion. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass plantare Inputs in komplementärer Weise am Achillessehnen-Dehnungsreflex beteiligt sind. Zusammenfassend lässt sich aussagen, dass die vorliegende Arbeit zum Verständnis beiträgt, wie plantare Rezeptoren an der Bewegungssteuerung beteiligt sind. Es scheint, dass diese nicht nur in unabhängiger Form zur Bewegungssteuerung beitragen, sondern dabei auch mit anderen afferenten Rezeptoren interagieren. Darüber hinaus ist ein wichtiges Resultat, dass die reduzierten plantaren Inputs scheinbar verschiedene Änderungen in der Organisation von Ein- und Ausgängen im ZNS induzieren. Dies erfolgt anhand unterschiedlicher Anforderungen an das Gleichgewicht: quasi-statische Antworten, antizipatorische Antworten und kompensatorischen Antworten. Für die Zukunft könnte die Implementierung anderer Methoden, wie Mikroneurographie und Elektroenzephalographie, hilfreich sein, um noch mehr Verständnis bezüglich afferenter Interaktionen während der Kontrolle von Bewegungen erlangen zu können. Ähnliche Protokolle könnten auch in anderen Populationen durchgeführt werden, wie ältere Menschen oder Patienten mit neurologischen Erkrankungen, die einen kontinuierlichen Rückgang oder Degenerationen sensorischer Rezeptoren zeigen.

Les prothèses myoélectriques modernes peuvent être dotées de plusieurs degrés de liberté ce qui nécessite plusieurs signaux musculaires pour en exploiter pleinement les capacités. Pour obtenir plus de signaux, il nous a semblé prometteur d'expérimenter si les 6 compartiments du biceps brachial pouvaient être mis sous tension de façon volontaire et obtenir ainsi 6 signaux de contrôle au lieu d'un seul comme actuellement. Des expériences ont donc été réalisées avec 10 sujets normaux. Des matrices d'électrodes ont été placées en surface au-dessus du chef court et long du biceps pour recueillir les signaux électromyographiques (EMG) générés par le muscle lors de contractions effectuées alors que les sujets étaient soit assis, le coude droit fléchi ~ 100 ° ou debout avec le bras droit tendu à l'horizontale dans le plan coronal (sur le côté). Dans ces deux positions, la main était soit en supination, soit en position neutre, soit en pronation. L'amplitude des signaux captés au-dessus du chef court du muscle a été comparée à ceux obtenus à partir du chef long. Pour visualiser la forme du biceps sous les électrodes l'imagerie ultrasonore a été utilisée. En fonction de la tâche à accomplir, l'activité EMG a était plus importante soit dans un chef ou dans l'autre. Le fait de pouvoir activer préférentiellement l'un des 2 chefs du biceps, même si ce n'est pas encore de façon complètement indépendante, suggère que l'utilisation sélective des compartiments pourrait être une avenue possible pour faciliter le contrôle des prothèses myoélectriques du membre supérieur. / The latest myoelectric prostheses have several degrees of freedom and therefore require a large number of myoelectric signals to fully exploit their capabilities. Muscle compartments, which are intra-muscular subdivisions innervated by an individual muscle nerve branch, can be exploited to provide additional independent muscle control sites to operate such prostheses. This research presents a work to investigate the activation of the 6 biceps brachii compartments in healthy subjects to see if they have the ability to activate those compartments voluntarily. Therefore, electromyographic (EMG) signals were recorded from an array of seven and ten pairs of equally spaced surface electrodes positioned across the short and long head of the biceps of ten healthy subjects. The EMG signals are collected in two positions: 1) with the subject seated, right elbow flexed ~100°, and 2) with the subject standing with the right arm extended horizontally in the coronal plane (90°shoulder abduction). In both positions, the hand is either fully supinated, neutral, or fully pronated. The average root mean square value of the EMG signals obtained from the pairs of electrodes positioned over the short head are compared with the average obtained for the other pairs placed over the biceps long head. Ultrasound imaging also used to visualize the long and short heads of the biceps in flexed and extended arm while the hand was in different postures. Depending on the task to be accomplished, activity was larger in one head or in the other. Being able to activate either head of the biceps, while not yet completely independently, suggests that the selective use of compartments could be a possible avenue for controlling upper limb myoelectric prostheses.

Afin d’être représentatif d’un niveau d’effort musculaire, le signal électromyographique (EMG) est exprimé par rapport à une valeur d’activation maximale. Comme l’épaule est une structure articulaire et musculaire complexe, aucune contraction volontaire isométrique (CVMi) proposée dans la littérature ne permet d’activer maximalement un même muscle de l’épaule pour un groupe d’individus. L’objectif de ce mémoire est de développer une approche statistique permettant de déterminer les CVMi optimales afin de maximiser les niveaux d’activation d’un ensemble de muscles de l’épaule. L’amplitude du signal EMG de 12 muscles de l’épaule a été enregistrée chez 16 sujets alors qu’ils effectuaient 15 CVMi. Une première approche systématique a permis de déterminer les 4 CVMi parmi les 15 qui ensemble maximisent les niveaux d’activation pour les 12 muscles simultanément. Ces 4 contractions ont donné des niveaux d’activation supérieurs aux recommandations antérieures pour 4 muscles de l’épaule. Une seconde approche a permis de déterminer le nombre minimal de CVMi qui sont nécessaires afin de produire un niveau d’activation qui n’est pas significativement différent des valeurs d’activation maximales pour les 16 sujets. Pour 12 muscles de l’épaule, un total de 9 CVMi sont requises afin de produire des valeurs d’activation qui sont représentatives de l’effort maximal de tous les sujets. Ce mémoire a proposé deux approches originales, dont la première a maximisé les niveaux d’activation qui peuvent être produits à partir d’un nombre fixe de CVMi tandis que la deuxième a permis d’identifier le nombre minimal de CVMi nécessaire afin de produire des niveaux d’activation qui ne sont pas significativement différentes des valeurs d’activation maximales. Ces deux approches ont permis d’émettre des recommandations concernant les CVMi nécessaires à la normalisation de l’EMG afin de réduire les risques de sous-estimer l’effort maximal d’un ensemble d’individus. / As a means to provide information on the intensity of the muscle activity, the electromyographic (EMG) signal must be expressed as a percentage of a maximum activation value. Because of the anatomical complexity of the shoulder, no single maximum voluntary isometric contraction (MVIC) has been found to maximally activate the same muscle for a group of subjects. The objective of this study is to develop a statistical approach to determine the optimal MVICs that can maximise the activation levels for several shoulder muscles. The amplitude of the EMG signal of 12 shoulder muscles was recorded as 16 subjects performed 15 MVICs in standardised positions. A first systematic approach was used to determine the optimal 4 MVICs amongst 15 that could maximise the activation levels of 12 shoulder muscles simultaneously. The activation levels produced by these 4 MVICs were significantly higher than those produced by previous recommendations. A second approach was adopted to identify the minimum number of MVICs that were required to produce muscle activation levels that did not significantly differ from the maximum activation values. For 12 shoulder muscles, 9 MVICs were necessary to produce muscle activation levels that were representative of the maximum effort of all 16 subjects. This study proposed two novel approaches, the first of which maximised the EMG activation levels that can be produced by a fixed number of MVICs while the second approach identified the minimum number of MVICs required to produce EMG activation levels that were not significantly different from the maximum values of activation. These two approaches provided guidelines with regards to the MVICs that are necessary to normalize the EMG signals of 12 shoulder muscles while reducing the risks of underestimating the maximum capacity of each individual.

Title: Electromyographic Analysis of the Different Handlebars Grips Effect on the Shoulder Blade Fixators Aims: The main objective of this thesis is to carry out a methodological study on the impact of different handlebars grips on the shoulder blades fixators. Result of the grip change is not only reduction of the upper fixators activity and the increase in the lower fixators activity but also co-contraction index increase and muscle fatigue reduction. Based on the hypothesis we assumed that the highest activity rate of the lower blades fixators and the lowest activity rate of the upper blades fixators will be during the handlebars brakes grip. The highest co- contraction index will occur during the handlebar brakes grip and the maximum muscular fatigue will occur during the grip at the top of the handlebars. The first part of the thesis is focused on the literature search and facts retrieval pertaining to the studied issue. In the second special part of the thesis we conducted a research during which the muscle activity of the upper and lower blade fixators was recorded. Three different handlebars grips were considered during the measurement using the cycle ergometer. Methods: Muscle activity was scanned and recorded using surface EMG. Maximal voluntary contraction of selected muscles based on...

L'estimation des forces musculaires nécessite le développement d'un modèle biomécanique. Une des étapes essentielle de ce type d'approche est la modélisation de l'interaction au sein du complexe muscle-tendon entre trois composants, les fibres musculaires, l'aponévrose et le tendon par un modèle de type Hill. L'objectif de ce travail doctoral était d'identifier les paramètres dans le modèle de type Hill qui jouent un rôle important dans l'estimation des forces musculaires et de proposer une méthode pour les définir. L’échographie a été utilisée pour estimer la relation force-déformation in vivo du tendon et de l'aponévrose, et le comportement in vivo des fibres musculaires au cours de la contraction pour chaque sujet et comme un moyen de quantifier la précision des modèles en mesurant le comportement in vivo des fibres musculaires et les comparer aux sorties du modèle. L'utilisation d'une définition de l'Élément Élastique en série spécifique au sujet dans les modèles biomécaniques joue un rôle important pour des activités où les forces musculaires sont importantes. Lors de tâches isométriques maximales, la relation force-déformation du tendon spécifique au sujet combiné à des contraintes sur la géométrie initiale conduit à des estimations de forces musculaires plus faibles et un comportement différent des fibres. En ce qui concerne des activités comme le hopping et la course, l’utilisation d’une relation force-déformation du complexe tendon-aponévrose spécifique au sujet permet d’estimer des forces musculaires plus grandes et entraîne un découplage du comportement des fibres musculaires plus important par rapport au complexe muscle-tendon. Pour des activités de marche, la définition de l’élément en série dans le modèle de type-Hill n'influence pas les forces musculaires. L'échographie apparaît comme un outil intéressant pour personnaliser les modèles et pourrait être appliqué sur des patients ayant un trouble neuromusculosquelettique. / The estimation of forces produced by the muscle-tendon complex around a joint needs the development of a neuromusculoskeletal model. One of essential step of this approach is the modeling by a Hill-type muscle model of the interaction within the muscle-tendon complex between three components: the muscle fiber, the aponeurosis, and the tendon. The objective of this work was to identify the parameters used as input into Hill-type muscle model that play an important role in muscle force estimation and to propose a method to define them. The ultrasonography has been used to estimate in vivo tendon and aponeurosis force-strain relationships, and the in vivo behavior of muscle fiber during the contraction for each subject. In addition, a method was proposed to quantify the model accuracy by estimating the in vivo behavior of muscle fiber and compare it with model outputs. The use of subject-specific definition of Series Elastic Element into the EMG-driven model plays an important role for activity at high level of muscle forces. During maximal isometric contraction, the subject-specific tendon force-strain relationship combined with constraint on initial muscle geometry (i.e., fiber length and muscle thickness) leads to lower estimated muscle forces and to a different behavior for the muscle fiber. Concerning highly dynamic tasks such as running and \textit{hopping}, the use of subject specific force-strain relationship for the tendon-aponeurosis complex allows to estimate higher muscle forces and leads to a heavier decoupling behavior between muscle fiber and muscle-tendon complex.The estimation of forces produced by the muscle-tendon complex needs the development of a neuromusculoskeletal model. One of essential step of this approach is the modeling by a Hill-type muscle model of the interaction within the muscle-tendon complex between three components: the muscle fiber, the aponeurosis, and the tendon. The objective of this work was to identify the parameters used as input into Hill-type muscle model that play an important role in muscle force estimation and to propose a method to define them. The ultrasonography has been used to estimate in vivo tendon and aponeurosis force-strain relationships, and the in vivo behavior of muscle fiber during the contraction for each subject. In addition, a method was proposed to quantify the model accuracy by estimating the in vivo behavior of muscle fiber and compare it with model outputs. The use of subject-specific definition of Series Elastic Element into the EMG-driven model plays an important role for activity at high level of muscle forces. During maximal isometric contraction, the subject-specific tendon force-strain relationship combined with constraint on initial muscle geometry (fiber length and muscle thickness) leads to lower estimated muscle forces and to a different behavior for the muscle fiber. Concerning highly dynamic tasks such as running and hopping, the use of subject specific force-strain relationship for the tendon-aponeurosis complex allows to estimate higher muscle forces and leads to a heavier decoupling behavior between muscle fiber and muscle-tendon complex. Concerning dynamic tasks with low force level such as walking, the estimation of muscle force was not influenced by the Series Elastic Element definition. The ultrasonography appears as a useful tool to personalize neuromusculoskeletal models and could be used for patient with neuromusculoskeletal disorders showing an alteration of tendon mechanical properties allowing to quantify the effect of rehabilitation program.

Auf der Radrennbahn können Leistungsdiagnostik und Techniktraining nur sehr eingeschränkt durchgeführt werden. Alternativen bieten sich mit Ergometer (Ergo) und Laufband (LB). Das erste Ziel dieser Arbeit war zu klären, inwieweit sich EMG, Pedalkraft und physiologische Kenngrößen beim Radfahren auf dem Ergo oder auf dem LB vom Radfahren auf der Bahn unterscheiden. Um die Wettkampfleistung beeinflussen zu können, müssen die Besonderheiten des Muskelkoordinationsmusters sowie des Tangentialkraft-Winkel-Kurvenverlaufes im wettkampfspezifischen Intensitätsbereich erkannt werden. Das zweite Ziel der Arbeit war daher die Analyse von Muskelaktivität und Tangentialkraft bei wettkampfnaher Belastung auf der Radrennbahn, um hieraus Erkenntnisse für die Trainingspraxis zu gewinnen. Im ersten Ergebnisteil zeigten sich signifikante Unterschiede für die physiologi-schen Kennwerte, die Tangentialkraft und die Muskelaktivität im Vergleich Bahn vs. Ergo (U1) sowie Bahn vs. LB (U2). Die mittlere Tangentialkraft und die physiologischen Kennwerte waren in der U1 und U2 auf der Bahn signifikant geringer als auf dem Ergo bzw. LB. Die Aktivität einiger Muskeln wies hingegen auf der Bahn signifikant höhere Werte auf als beim Ergo- und LB-Test. Im Vergleich Bahn vs. Ergo konnten für sechs und im Vergleich Bahn vs. LB für zwei der zehn abgeleiteten Muskeln signifikante Unterschiede nachgewiesen werden. Aus den Ergebnissen des ersten Untersuchungsteils kann gefolgert werden, dass für die Leistungsdiagnostik und das Techniktraining das LB dem Ergo vorgezogen werden sollte. Im zweiten Ergebnisteil wurde nachgewiesen, dass bestimmte Muskeln an der Anpassung der gesamten muskulären Beanspruchung an die wettkampfnahe Belastung besonders stark beteiligt sind. Im Kraft- und Radtraining sollte diesen Muskeln besondere Beachtung zukommen. Auch die Tangential-Kraft-Winkelkurve wies bei wettkampfnaher Belastung Besonderheiten auf, welche mit einem Feedbacktraining angesteuert werden könnten. / Performance diagnostics and technical training can only be carried out in a re-stricted manner on the cycling track. The alternatives are the ergometer (ergo) and treadmill (TM). The first objective of this paper was to clarify to what extent EMG, pedal force and physiological parameters during cycling on the ergo or TM differ from cycling on the track. The peculiarities of the muscle coordination pattern as well as the tangential force-angle-course of curve in the intensity range specific to competition must be recognized to be able to influence performance. The second objective of the paper was therefore the analysis of muscle activity and tangential force during stress on the cycle track close to the race to obtain findings for practical training as a result. In the first part of the results there were significant differences for the physio-logical parameters, the tangential force and the muscle activity when comparing track and ergo (U1) as well as track and TM (U2). The average tangential force and the physiological parameters in U1 and U2 on the track were significantly lower than on the ergo or TM. The activity of some muscles on the track, however, showed significantly higher values than on the ergo and TM test. When comparing track vs. ergo six of the ten derived muscles showed significant differences, when comparing track vs. TM it was two of the ten muscles. We can conclude from the results of the first part of the investigation that the TM is preferable to the ergo for performance diagnostics and technical training. The second part of the results showed that certain muscles play a significant role in the adaptation of the entire muscular stress to stress during the race. Special attention should be paid to these muscles during strength and cycle training. The tangential force-angle curve also showed peculiarities during stress close to the race, which could be controlled with feedback training.

Le réseau sans fil sur le corps humain ou « wireless body area network (WBAN) » est une nouvelle technologie de réseau sans fil dédié à la surveillance des paramètres physiologiques d’une personne. Le réseau est composé de dispositifs électroniques miniatures, appelés nœuds, disposés aux alentours ou à l’intérieur du corps humain. Chaque nœud est doté d’un ou plusieurs capteurs mesurant les paramètres physiologiques de la personne, comme l’électrocardiogramme ou bien la température du corps, et les caractéristiques de l’environnement qui l’entoure. Ces nœuds sont surtout soumis à une contrainte énergétique importante puisque la miniaturisation a réduit les dimensions de leurs batteries. Puisque les nœuds consomment la majorité de l’énergie pour transmettre les données, une solution pour diminuer leur consommation consisterait à compresser les données avant la transmission. Les méthodes classiques de compression ne sont pas adaptées pour le WBAN particulièrement à cause de la puissance de calcul requise et la consommation qui en résulterait. Dans cette thèse, pour contourner ces problèmes, nous utilisons une méthode à base de l’acquisition comprimée pour compresser et reconstruire les données provenant des nœuds. Nous proposons un encodeur simple et facile à mettre en œuvre pour compresser les signaux. Nous présentons aussi un algorithme permettant de réduire la complexité de la phase de reconstruction des signaux. Un travail collaboratif avec l’entreprise TEA (Technologie Ergonomie Appliquées) nous a permis de valider expérimentalement une version numérique de l’encodeur et l’algorithme de reconstruction. Nous avons aussi développé et validé une version analogique de l’encodeur en utilisant des composants standards. / A wireless body area network (WBAN) is a new class of wireless networks dedicated to monitor human physiological parameters. It consists of small electronic devices, also called nodes, attached to or implanted in the human body. Each node comprises one or many sensors which measure physiological signals, such as electrocardiogram or body heat, and the characteristics of the surrounding environment. These nodes are mainly subject to a significant energy constraint due to the fact that the miniaturization has reduced the size of their batteries. A solution to minimize the energy consumption would be to compress the sensed data before wirelessly transmitting them. Indeed, research has shown that most of the available energy are consumed by the wireless transmitter. Conventional compression methods are not suitable for WBANs because they involve a high computational power and increase the energy consumption. To overcome these limitations, we use compressed sensing (CS) to compress and recover the sensed data. We propose a simple and efficient encoder to compress the data. We also introduce a new algorithm to reduce the complexity of the recovery process. A partnership with TEA (Technologie Ergonomie Appliquées) company allowed us to experimentally evaluate the performance of the proposed method during which a numeric version of the encoder has been used. We also developed and validated an analog version of the encoder.

Cette thèse porte sur l’analyse des signaux sEMG multicanaux à l’aide de la transformée en ondelettes, de la transformation de Hilbert-Huang et d’autres méthodes d’analyse ou de traitement des signaux, telles que le filtrage de Kalman et de Goertzel, pour détecter, mesurer, filtrer et décomposer les signaux sEMG afin d’identifier des tendances dans le temps et en fréquence des mouvements de flexion-extension des doigts de la main en observant les signaux myoélectriques des muscles superficiels. Le but est de prédire le mouvement des doigts de la main et de minimiser le temps de calcul pour permettre de contrôler des prothèses à l’aide de capteurs superficiels. L’hypothèse est fondée sur l’idée que tous les mouvements de la main sont une réponse active de l’activité myoélectrique des muscles spécifiques et que l’activité électrique peut être mesurée comme un signal associé à une séquence de mouvement des éléments de la main (doigts). Chaque doigt peut effectuer une trajectoire de la position de repos à la position finale, cette trajectoire qui n’est évidemment pas instantanée, engendre un signal myoélectrique lui-même non instantanée. L’activité électrique du muscle est présente sur les signaux enregistrés. Cette activité électrique peut être reconnue par un algorithme à partir d’une base de données de modèles de mouvement. Comparer l’activité électrique des muscles en temps réel par rapport à ces données peut permettre de détecter une tendance du comportement de la main et donc de prévoir le mouvement spécifique avant ou en même temps. Cette prédiction doit autoriser une baisse du temps de réponse de la prothèse / This thesis deals with the analysis of multichannel sEMG signals using wavelet transform, Hilbert-Huang transformation and other signal analysis or processing methods such as Kalman and Goertzel filtering, for detecting, measuring, filtering and decomposing sEMG signals to identify patterns in the time and frequency of flexion-extension movements of the fingers of the hand by analyzing the myoelectric signals of the superficial muscles. The aim is to predict the movement of the fingers of the hand and to minimize the computation time to allow the control of prostheses by means of superficial sensors. The hypothesis is based on the idea that all hand movements are an active response of the myoelectric activity of specific muscles and that electrical activity can be measured as a signal associated with a sequence of motion of the elements of the hand (fingers). Each finger can make a trajectory from the rest position to the final position, this trajectory which is obviously not instantaneous, generates a non-instantaneous myoelectric signal itself. The electrical activity of the muscle is present on the recorded signals. This electrical activity can be recognized by an algorithm from a database of the motion models. Comparing the electrical activity of the muscles in real time with respect to these data can make it possible to detect a tendency in the behavior of the hand and therefore to predict the specific movement before or at the same time. This prediction must allow a reduction in the response time of the prosthesis

Die vorliegende Arbeit untersucht mit elektromyographischen und biomechanischen Methoden lokale muskuläre Ermüdung und die damit verbundenen Veränderungen in der Kinematik und Kinetik eines ausbelastenden Hebetests. Hierzu wurde der PILE-Test (Mayer et al., 1988) verwendet, der als Diagnostikverfahren in der Rehabilitation von Personen mit Rückenbeschwerden eingesetzt wird. In den letzten Jahren sind mathematische Verfahren entwickelt worden, um spektralanalytische Untersuchungen dynamischer Muskelkontraktionen durchführen zu können. In der vorliegenden Arbeit wurde einer dieser Ansätze im Rahmen eines Softwarepakets umgesetzt. Er beruht auf der Verwendung der ''Smooth-Pseudo-Wigner-Ville-Verteilung'', einer biquadratischen Transformation der Cohen-Klasse. Das Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Zeit- und Frequenzauflösung aus. Die spektralanalytische Untersuchung von sechs bewegungsrelevanten Muskeln während des Hebetests zeigte für die 22 männlichen Sportstudierenden signifikante Verringerungen der Medianfrequenz lediglich für die Signale der Rumpfstrecker (M. erector spinae, M. gluteus maximus). Dies konnte für die Signale des Kniestreckers (M. vastus lateralis) nicht beobachtet werden. Diese Ergebnisse korrespondieren mit den kinematischen Änderungen im Verlauf der Testdurchführung. Zwischen der Frequenzänderung des M. erector spinae vom Startintervall (geringe Last) zum Schlussintervall (hohe Last) und der Verringerung der Bewegungsamplitude der Rumpfextension wurde eine signifikante Korrelation festgestellt. Aufgrund der daraus ableitbaren Insuffizienz des M. erector spinae kommt es in der Initialphase der Hebung, in der die maximalen Bodenreaktionskräfte auftreten, für nahezu die Hälfte der Probanden zu einem Absenken des Rumpfes. Da dieses Verhalten mit einer erhöhten Belastung im Bereich der lumbalen Wirbelsäule assoziiert wird, sollte die Bewegungsausführung während des PILE-Tests kontrolliert werden, um Gesundheitsrisiken zu vermeiden. / Electromyographic and biomechanical methods were used to investigate localized muscle fatigue and changes in the kinematics during an exhausting lifting test. For this purpose the ''Progressive Isoinertial Lifting Evaluation'' (PILE) was utilized, which was published by Mayer (1988) as a method to quantify the lifting capacity of people with spinal disorders. Fatigue-related changes in the electromyographic signals of trunk and limb muscles were evaluated and compared to kinematic measures in order to determine whether fatigue influences motor behavior during the lifting test. Recent advances in the methodology of time-frequency analysis for electro- myographic signal processing provide a new way of studying localized muscle fatigue during dynamic contractions. One of these approaches was used to develop an algorithm for the analysis of highly dynamic muscle contractions. It is based on the ''smooth-pseudo-Wigner-Ville-distribution'', a biquadratic transformation of the Cohen class. The method is characterized by a high time and frequency resolution. Twenty-two male physical education students performed the lumbar PILE-test. During the lifting task, the median frequency significantly decreased over time in the trunk extensor muscles (erector spinae, gluteus maximus) but not in the limb muscles (vastus lateralis, gastrocnemius). This corresponds to changes in the kinematic. In the initial lifting phase, the range of motion of the knee joint increased from low to high loads, while the range of motion of the trunk decreased. Half of the subjects reached almost complete knee extension while the trunk was still in maximum flexion when lifting heavy loads. The change of median frequency of the erector spinae is significantly correlated with the reduction of trunk extension. These biomechanical changes are associated with increased peak torque at the lumbar spine. Therefore it is recommended to monitor the lifting technique during the PILE-Test to avoid health risks.