L'estimation de la force générée par un muscle est importante dans les études biomécaniques et pour les applications cliniques. Puisque cette force ne peut pas être mesurée directement, le signal électromyographique de surface (SEMG), reflétant le niveau d'activation musculaire, est utilisé pour quantifier la force développée. Cependant, tous les facteurs, contrôlant une contraction isométrique, n'influencent pas la force et le SEMG simultanément. Le but de ce travail de thèse est donc de développer un modèle de simulation conjointe du SEMG et de la force, afin d'étudier la relation EMG-force. Dans ce but, nous avons d'abord développé une nouvelle méthode de simulation de la force musculaire à partir d'un modèle d'EMG existant. Le modèle complet a été testé pour le choix de la stratégie de recrutement et l'influence de la durée de la consigne. Puis, nous avons utilisé une méthode de Monte Carlo pour étudier la sensibilité du modèle aux différents paramètres physiologiques d'entrée. Deux critères existants (relations EMG-force et force-variabilité de force) ainsi qu'un nouveau critère (erreur entre la consigne de force et la force générée), ont été utilisés pour optimiser les paramètres avec une consigne de force constante. Ce nouveau critère a ensuite été utilisé avec une consigne de force variable (sinusoïdale ou triangulaire), afin d'obtenir les plages optimales des paramètres. Enfin, pour évaluer notre modèle, nous avons réalisés des expérimentations et une simulation pour le biceps. Les résultats montrent que notre modèle EMG-force est capable de simuler qualitativement les comportements réels du biceps pour les contractions isotoniques et anisotoniques.

La modélisation du comportement mécanique de l'architecture musculo-squelettique sollicitée in situ constitue un enjeu tant en biomécanique, en réhabilitation, qu'en physiologie. Ceci nécessite d'évaluer des variables non directement mesurables comme les moments et les forces musculaires. Ces variables peuvent être estimées à partir de la conception de modèles biomécaniques qui nécessitent la formulation de certaines hypothèses et l'enregistrement de données expérimentales périphériques. Or, le système musculo-squelettique est redondant dans le sens où chaque degré de liberté est sous le contrôle de plusieurs actionneurs (muscles) aussi bien agonistes qu'antagonistes. L'utilisation conjointe de la modélisation biomécanique des systèmes musculaires et de l'optimisation numérique nous a permis de résoudre ce problème de redondance. Particulièrement dans ce travail, nous avons développé des techniques de modélisation et d'expérimentation permettant l'analyse des tensions des tendons mobilisant le doigt dans différentes situations de sollicitation. Ceci nous a permis de montrer que l'amplitude des moments passifs non musculaires ne devait pas être négligée dans les procédures de calcul. De plus, nous avons également utilisé de façon originale l'information EMG sous forme d'une contrainte d'inégalité dans les procédures d'optimisation. Ce travail a permis de mettre en évidence des résultats inédits concernant la distribution des tensions dans les tendons agonistes et antagonistes. Diverses adaptations du modèle sont discutées dans le document, la substitution de l'EMG invasif par de l'EMG de surface étant l'axe de recherche principal.

Le rachis lombaire est à la fois capable de répondre à des exigences de stabilité pour protéger les structures neurologiques ou ostéo-ligamentaires et de mouvement pour assumer les gestes de la vie quotidienne, professionnelle et sportive. La lombalgie, pathologie multifactorielle, s'accompagne de perturbations musculaires, réflexes ou comportementales. La complexité de ces adaptations explique pourquoi il est encore difficile de savoir comment un sujet devient lombalgique ou pourquoi il le reste. Ce travail de recherche s'est focalisé sur l'étude de certaines adaptations du rachis lombaire en situation aiguës ou chroniques. Les objectifs étaient d'analyser l'influence (i) des tissus de soutien sur le comportement musculaire lombaire (ii) du gainage abdominal sur l'efficience des membres inférieurs, (iii) de la fatigue des érecteurs spinaux sur la réponse réflexe chez le sujet sain et (iv) d'un programme de rééducation chez le lombalgique. Les résultats obtenus soulignent le rôle central de l'effecteur neuromusculaire lombaire. Le maintien de certaines postures entraîne des adaptations mécaniques (pression intramusculaire) et métaboliques (oxygénation musculaire) limitant l'efficience des érecteurs spinaux. Le renforcement abdominal, probablement par son action stabilisatrice lombaire, modifie la raideur du système tronc -membres inférieurs et peut-être l'aptitude au saut vertical. Une fatigue lombaire induite provoque une adaptation réflexe chez le sujet sain (gain d'amplitude et peut-être de latence) pour compenser la perte de force. Enfin, un programme de restauration fonctionnelle permettrait, chez le lombalgique chronique, de modifier les capacités d'anticipation en limitant les activations musculaires exagérées et la réponse réflexe à une perturbation, évoquant l'émergence de nouvelles stratégies d'adaptation. Ce travail suggère la possibilité de nouvelles approches dans un cadre sportif ou médical. / The lumbar spine is able to meet both stability requirements for protecting neurological and osteoligamentous spine structures and movement requirements for performing professional, sports, and daily life activities. Low back pain, a multi-factorial disease, is associated with abnormal muscle function, neuromuscular alterations, and adverse behavioural reactions. The complexity and the variability of all these changes explain why the exact cause of back pain remains unknown. This thesis focused on the study of the lumbar spine adaptations in various acute or chronic situations. The goal was to explore (i) the influence of posture and passive contributions on paraspinal muscle pressure and oxygenation adaptations, (ii) the consequences of abdominal reinforcement on trunk and leg stiffness, (iii) the effects of induced paraspinal fatigue or (iv) rehabilitation programs on reflex modulation in healthy subjects and chronic low back pain patients, respectively. The results emphasize the central role of the neuromuscular lumbar effector. Maintaining certain postures causes mechanical and oxygenation paraspinal muscular changes that may explain passive limitations on paraspinal muscle efficiency; the modifications induced by abdominal training in healthy subjects suggest a possible role of the spine on trunk and leg stiffness changes; a paraspinal muscle fatigue paradigm illustrates the reflex modulation which compensates a loss of force; finally, a functional restoration program designed for chronic low back pain disorders targets neuromuscular behaviour changes via modulation of the trunk reflex response, thus advocating a possible way to increase the range of control strategies. This work opens the door for new therapeutic strategies.

Le monitorage de la transmission neuromusculaire consiste à évaluer la contraction d’un muscle en réponse à des trains d’impulsions électriques délivrés sur son nerf moteur. Le curare ayant pour effet de bloquer la communication entre le nerf et le muscle, les réponses musculaires seront maximales avant injection de la drogue et s’atténueront au fur et à mesure du blocage neuromusculaire, jusqu’à atteindre une paralysie complète.<p><p>Au regard des principales limitations des moniteurs de curare actuels et des avantages qu'apporte le monitoring sur une variété de muscles, le monitorage par EMG semble être la meilleure alternative. Ce sont essentiellement les insuffisances dans la détection et la gestion des artefacts et des perturbations électriques qui rendent les moniteurs EMG actuels insuffisamment fiables et mal adaptés à l’usage clinique. <p><p>L'objectif de ce travail est dès lors d'identifier les causes de perturabations et apporter les remèdes nécessaires pour faire de l'EMG une méthode de confiance à la fois pour la recherche et la pratique quotidienne. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

En raison de leur implication potentielle dans la performance et la blessure, la compréhension des coordinations musculaires des ischio-jambiers représente aujourd’hui un enjeu en sciences du mouvement. Cependant, les méthodes actuelles basées sur la mesure de l’activation musculaire ou la modélisation musculo-squelettique ne permettent pas d’identifier les facteurs influençant les coordinations pour chaque individu. Explorer ces facteurs permettrait de mieux comprendre comment le système nerveux central explore et exploite l’ensemble des coordinations musculaires possibles afin d’adopter une solution permettant de réaliser la tâche demandée. Ce manuscrit a pour objectif de décrire les coordinations musculaires des ischio-jambiers à partir de données acquises in vivo. La partie expérimentale de ce travail s’articule autour de trois études qui ont exploré le couplage entre l’activation musculaire et les propriétés mécaniques des muscles. Ces travaux ont visé à comprendre les facteurs déterminants les coordinations de chaque individu, l’effet des coordinations musculaires de chaque individu sur leur performance et leur adaptation après une blessure musculaire.Les résultats de nos études montrent que les coordinations musculaires des ischio-jambiers varient substantiellement parmi les personnes actives et les athlètes de haut niveau. Nous avons montré que ces coordinations ne sont pas déterminées par les propriétés mécaniques de chaque muscle, i.e. le déséquilibre d’activation entre les ischio-jambiers n’est pas lié au déséquilibre de capacité de production de force. Ces coordinations apparaissent également plus ou moins avantageuses pour être performant dans une tâche d’endurance réalisée jusqu’à épuisement. Enfin, après la survenue d’une blessure, les coordinations musculaires diffèrent entre les jambes blessée et non blessée. Plus précisément, la contribution du muscle blessé au couple de force total est plus faible en comparaison du même muscle de la jambe opposée. Ces différences pourraient avoir des conséquences négatives à court-terme (pour la performance) et à long terme, pouvant hypothétiquement aller jusqu’à la récidive de la blessure. / The understanding of hamstrings coordination is a trending topic in human movement science because of their potential involvement in both performance and injury. However, current experimental methods based on muscle activation recording or musculoskeletal modeling do not enable the identification of the factors that influencing muscle coordination for each individual. Addressing this issue is fundamental to understand how the central nervous system explores and exploits a set of many feasible coordination to adopt a good enough solution that enables producing a given motor task. This manuscript aims at describing hamstring coordination with in vivo data. The experimental part of this work is based on three studies that explored the coupling between muscle activation and the hamstrings mechanical properties. Also, this work aims at understanding the factors that influence muscle coordination of each individual, the effect of muscle coordination on their performance and their adaptation after a muscle injury.Our results show that hamstrings coordination varies substantially among active and elite athletes. We have shown that hamstrings coordination was not determined by the mechanical properties of each muscle, i.e. the imbalance of activation between hamstrings is not related to the imbalance of force production capacity. In addition, hamstrings coordination appears more or less advantageous in order to perform during a time to exhaustion task. Finally, muscle coordination differs between injured and uninjured legs, even after the completion of rehabilitation. Specifically, the injured muscle contributes in a lower extent to hamstring total torque in comparison with the same muscle of the opposite leg. These differences could have negative consequences in the short term (for performance) and in the long term, which could hypothetically increase the risk of reinjury.

Title: Influence of race of horse and speed of it's walk on timing of muscles in hippotherapy Purposes: The goal of study is to find out if race of horse and speed of it's walk approaches muscles timing in the reverse sitting position. We also pretend quadrupedal locomotion activation. That would substantiate hippotherapy with sitting-unable children. : Methods: Surface Electromyography, physiotherapeutic screening Results: Muscles timing was different with selected races as well as with different speed of walk. Quadrupedal locomotion was certified. Keywords: hiporehabilitation, hippotherpy, reverse sitting, quadrupedal locomotion, race of a horse, surface electromyography

La prise en charge thérapeutique de la fatigue musculaire par le biais d’exercices physiques vise à améliorer la qualité de vie et implique habituellement des exercices unilatéraux ou l’électrostimulation neuromusculaire pour compenser une fonction musculaire altérée aussi bien chez les personnes saines ou dites vulnérables (e.g. atteintes d’une pathologie ou d’un traumatisme). La fatigue musculaire est une réduction de la capacité de production maximale de force, induite par l’exercice, que la tâche puisse être maintenue ou non (Bigland-Ritchie et al. 1983; Gandevia 2001; Enoka and Duchateau 2008). L’objectif général de cette thèse était d’étudier les stratégies d’activation neuromusculaire lors de la fatigue musculaire, de l’endurance musculaire et sur la performance musculaire au cours et/ou après des contractions volontaires et évoquées électriquement chez des personnes saines ou vulnérables tels que des enfants atteints d’infirmité motrice cérébrale (IMC) et des patients atteints de dystrophie musculaire facio-scapulo-humérale (DMFSH). / The clinical care of muscle fatigue with exercise therapies aim at quality of life improvement and usually involve unilateral exercises or neuromuscular electrical stimulation to compensate impaired muscle function in both healthy and health-compromised people. Muscle fatigue is a decline in maximal force production, induced with exercising, whether or not the task can be maintained (Bigland-Ritchie et al. 1983a; Gandevia 2001a; Enoka and Duchateau 2008). The overall objective of this thesis was to study the effect of neuromuscular activation strategies during muscle fatigue, endurance and muscle performance after voluntary and electrically evoked contractions in healthy and health-compromised populations such as children with cerebral palsy (CP) and patients with facioscapulohumeral muscular dystrophy (FSHD).

La prise en charge thérapeutique de la fatigue musculaire par le biais d'exercices physiques vise à améliorer la qualité de vie et implique habituellement des exercices unilatéraux ou l'électrostimulation neuromusculaire pour compenser une fonction musculaire altérée aussi bien chez les personnes saines ou dites vulnérables (e.g. atteintes d'une pathologie ou d'un traumatisme). La fatigue musculaire est une réduction de la capacité de production maximale de force, induite par l'exercice, que la tâche puisse être maintenue ou non (Bigland-Ritchie et al. 1983; Gandevia 2001; Enoka and Duchateau 2008). L'objectif général de cette thèse était d'étudier les stratégies d'activation neuromusculaire lors de la fatigue musculaire, de l'endurance musculaire et sur la performance musculaire au cours et/ou après des contractions volontaires et évoquées électriquement chez des personnes saines ou vulnérables tels que des enfants atteints d'infirmité motrice cérébrale (IMC) et des patients atteints de dystrophie musculaire facio-scapulo-humérale (DMFSH).

L’objectif de cette thèse est de développer des méthodes de décomposition des signaux électromyographiques (EMG) en signaux élémentaires, les trains de potentiels d’action d’unité motrice (TPAUM). Nous avons proposé deux modèles de génération des signaux et nous avons mis en évidence la propriété de cyclostationnarité et de cyclostationnarité floue de ces deux modèles. Dans l’objectif de la décomposition, nous avons enfin proposé une méthode de décomposition aveugle à partir de signaux EMG multi-capteurs en utilisant cette propriété. Nous présentons les limitations théoriques de la méthode, notamment par un seuil limite de la fréquence de décharge. Nous avons effectué une évaluation des performances de la méthode proposée avec comparaison à une méthode classique de séparation à l’ordre 2.Il a été montré que l’exploitation de la propriété de cyclostationnarité apportait de meilleures performances de séparation dans le cas bruité et non bruité, sur le modèle cyclostationnaire et sur le modèle cyclostationnaire flou. Les performances se trouvent dégradées lorsque la fréquence de décharge dépasse le seuil théorique. Cette évaluation a été réalisée au moyen de simulations de Monte-Carlo construites sur des observations réelles. Enfin, la méthode appliquée sur des données réelles a montré de bons résultats sur des signaux EMG intramusculaires. / The aim of this thesis is to develop decomposition methods of electromyographic (EMG) signals into elementary signals, called motor unit action potential trains (MUAPT). We proposed two signal generation models and we have demonstrated the cyclostationary and fuzzy cyclostationary properties of these. We finally proposed a blind decomposition method from multi-sensor EMG signals using these properties. We present the theoretical limitations of the method, in particular the existence of a limiting threshold of the discharge frequency. We conducted a performance evaluation of the proposed method with a comparison with conventional 2nd order separation method. It has been shown that the contribution of cyclostationarity property brings better performance in noisy and noiseless cases and in the cyclostationary and fuzzy cyclostationary model cases. We highlighted a performance degradation when the discharge frequency was beyond the theoretical threshold. This evaluation was performed via Monte Carlo simulations based on real observations. Finally, we presented real EMG signals results. The method has shown good results on intramuscular EMG signals.

La marche des enfants atteints de paralysie cérébrale est explorée dans des structures appelées laboratoires d’analyse quantifiée du mouvement depuis environ 30 ans. L’interprétation des données acquises dans ces laboratoires est difficile en raison d’obstacles méthodologiques, statistiques, et parce que la physiologie motrice n’est pas totalement connue. L’étude des signaux électromyographiques, indicateurs des activations musculaires dynamiques, fait l’objet de cette thèse. Nous avons effectué deux séries d’expérimentations aboutissant à quatre études de recherche sur la marche des enfants à développement typique et des enfants atteints de paralysie cérébrale unilatérale. L’effet de la vitesse de marche sur la coactivation musculaire, le lien entre cette coactivation et l’amplitude des mouvements du membre inférieur pendant la marche, les adaptations musculaires lors de la marche en virage, et les spécificités de ces adaptations chez les enfants paralysés cérébraux, ont été successivement étudiées. Ces résultats nous ont permis de préciser le rôle de facteurs physiologiques liés à la commande motrice, tels que la vitesse ou le changement de direction, mais également l’effet de la pathologie sur les activations musculaires observées. Les difficultés métrologiques et statistiques liées aux signaux étudiés ont cependant constitué des obstacles importants à l’interprétation de ces données en termes de contrôle moteur. La réflexion progressive sur ces problèmes méthodologiques a permis le développement par étapes de traitements statistiques spécifiques, parfois innovants, et l’émergence de propositions concernant la métrologie de l’électromyographie dynamique. / Children with cerebral palsy benefit from gait analyses in motion labs for approximately thirty years. The interpretation of the numerous data that can be obtained during such evaluations still remains cautious, because of methodological and statistical reasons, and because of the lack of an exhaustive knowledge regarding the motor control of gait. This Ph D thesis focused on the study of electromyographic signals, which are representative of the dynamic muscle activations during gait. We designed two series of experiments, leading to four studies into the dynamic electromyography during gait in children with unilateral cerebral palsy and their typically developing peers. The effect of gait speed on muscle coactivation, the impact of this coactivation on the range of motion during gait, the muscle adaptations to turning gait, and finally the specificities of these adaptations in children with cerebral palsy were investigated successively. The results of the studies give insight into the role of physiological factors linked to the motor control of gait, such as speed or change of direction, but also into the impact of pathology on the muscle activations, which are the parameters of interest. Some methodological and statistical difficulties, linked to the nature of the signals that are studied, compromise the possibility to interpret the data with respect to motor control. The continuous reflection on these methodological limitations allows the development of specific, appropriate statistical analyses, and the emergence of propositions regarding the metrology of dynamic electromyography.