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.

Dans ce projet nous nous intéresserons à la création d’un nouveau modèle permettant de simuler des enregistrements extracellulaires de l’activité électrique neurale dans le système nerveux périphérique. Ce modèle fut développé pour permettre une meilleure compréhension de l’impact des différentes propriétés des interfaces sur la qualité des signaux recueillis. Ce projet fut en particulier conduit pour répondre au contexte actuel qui voit le développement de nombreuses applications dans le domaine des neuro-prothèses et autres interfaces neurales à but biomédical. Nos intentions étaient de fournir un nouvel outil permettant de mieux comprendre les particularités des interfaces existantes ou d’aider à leur amélioration et à la planification de futures innovations. Ce modèle est construit comme la synthèse de la compréhension actuelle des différents rouages biophysiques impactant les enregistrements. Sa structure peut être perçue comme l’assemblage de différents sous-systèmes interconnectés et représentant chacun une dimension du processus. Il s’avère particulièrement efficace pour l’analyse comparative des performances entre diffèrent types/géométries d’électrodes invasives. Dans ce document, nous nous efforcerons d’expliquer en détail la structure et les paramètres de notre modèle. Nous décrirons ensuite les différents tests que nous avons entrepris pour sa validation expérimentale, ainsi que les différentes voies d’applications que nous avons commencé à explorer. Nous finirons par décrire les améliorations qui nous sont apparues comme nécessaires ou possibles et par une discussion sur les ouvertures futures offerte à ce domaine de recherche. / Neural interfaces are becoming a newly dynamic and promising field especially thanks to the numerous applications they could have in the biomedical domain. A great deal of these applications requires a monitoring of targeted neural activity. Among the different technologies available for such recording practice, chronic electrodes implanted in the peripheral nervous system offer a good compromise on the resolution versus invasiveness technological constraint. A large array of electrodes has been developed in this intention but there is still only a limited comprehension of their recording principles and weakness. This makes difficult any targeted improvement of the electrodes and led this field to be mainly dominated by a trial and error empirical approach simultaneously costly in funds, animal lives and time. In particular, intrafascicular electrodes, while providing exiting results for stimulation, have often failed in recordings. These electrodes typically show interesting recording performance right after implantation but have rapid decline of their efficacy up to the points that they often become useless after a few weeks. Such performance proves problematic as they drastically limit the transfer of experimental results to human applications. The extent of our work has been the development of a theoretical framework for the study of implantable electrodes. Our goal here has been to construct a model that could be used as a platform to better understand implanted electrode and compare their performance and possible improvement. We focused our work on intrafascicular electrode for the peripheral nervous system. However, our procedure could easily be applied to other type of interface. During this project we first constructed a detailed model of the recording biophysical process happening at the peripheral nerve electrical interface. This model encompasses all the mechanism known to influence the quality and shape of neural activity recordings. We have then recreated within our model specific controlled experiments and by comparing the properties of the simulated recording with their experimental counterparts demonstrated the potency of our approach to produce bio-plausible signals. This validated our model as an in silico alternative to compare and test electrodes. We then further developed this model to also simulate some of the changes happening in the nerve post implantation. In particular, we found that the growth of the fibrotic scar could already explain a large part of the signal degradation happening in the first weeks. Then to demonstrate the adaptability of this model we used it to compare the performance of the main type of electrodes implanted nowadays peripherally. Finally, as the main weakness of our model relied in its relative complexity and the related long computing time, we started to analyze how this model could be simplified without losing the precision necessary for the intended applications. In conclusion, this project led to the creation of a model which in its current form can be used as an in silico platform to test and compare electrodes. This will facilitate the planning and development of future peripheral neural interface by proving both more economical and informative that current strategies. Conjointly, we opened the way to future improvement of our model, leading to more practicality.

Résumé Problématique : La perte de dents est l’une des maladies chroniques associées à plusieurs altérations anatomiques et fonctionnelles de la cavité buccale et des voies respiratoires supérieures. Ces changements entraînent une détérioration de la qualité de vie liée à la santé bucco-dentaire (OHRQoL), en particulier chez les personnes âgées. Les prothèses complètes permettent d’améliorer l'apparence et peuvent restaurer certaines fonctions masticatoires altérées par l’édentement, créant ainsi un impact positif sur la qualité de vie liée à la santé buccodentaire. Cependant, le port continu des prothèses dentaires pendant la nuit, peut amener des problèmes de santé buccodentaires. Toutefois, certaines études ont montré que le fait de dormir avec une prothèse dentaire avait un impact positif sur la qualité du sommeil et la qualité de la vie. Objectifs : L’objet de ce projet de maîtrise est d’étudier l’impact du port nocturne des prothèses complètes sur l’OHRQoL, chez les patients âgés édentés et souffrant d’apnée obstructive du sommeil (AOS). Méthodologie : Ce projet de maîtrise est imbriqué dans un essai clinique croisé randomisé portant sur 70 patients âgés (65 ans et plus), complètement édentés et diagnostiqués avec une AOS modérée à sévère (IAH ≥ 10). Les participants ont été assignés au hasard à l'un des deux groupes (dormant avec ou sans les prothèses dentaires dans un ordre inverse), pendant deux périodes de 30 jours. Les données sur les effets du port nocturne des prothèses dentaires sur la qualité de vie liée à la santé et la qualité de vie liée à la santé buccodentaire ont été recueillies au début et au cours des deux visites de suivi, à l’aide du questionnaire Oral Health Impact Profil (OHIP-20) et du formulaire abrégé SF-36 respectivement. L'analyse des données a été réalisée à l'aide de modèles à effets mixtes pour les mesures répétées, considérant notamment le type d'intervention (dormir avec ou sans prothèses), la séquence d’intervention et la période. Résultats: Les résultats rapportés ci-dessous sont basés sur les données recueillies auprès de 63 patients. Le score global de l’OHIP-20 était légèrement plus élevé, mais non significatif (p=0.08), chez les patients qui dormaient avec leurs prothèses que chez ceux qui dormaient sans prothèses. Les scores de toutes les sous-échelles du questionnaire OHIP-20 ont augmenté chez les patients qui dormaient avec leurs prothèses, à l’exception de l’incapacité sociale, qui a légèrement diminué, et de handicap qui est resté inchangé. Cependant, l’impact négatif significatif n’a été signalé que pour deux scores de l’OHIP-20 : psycho-inconfort (p = 0,04) et incapacité physique (p = 0,05). Les scores OHIP-20 n’ont été influencés ni par la séquence de randomisation ni par le nombre de visites, à l’exception des scores de handicap, qui ont légèrement augmenté chez les sujets assignés à dormir avec leurs prothèses dentaires au cours de la première période de cette étude. En revanche, les résultats du SF-36 ont montré une amélioration des scores moyens de toutes les sous-échelles chez les personnes dormant avec leurs prothèses, mais les seuls impacts significatifs étaient constatés sur les aspects de la fonction sociale et du changement de l’état de santé (p <0,01 et p = 0,01 respectivement). La séquence d'attribution a eu un effet significatif sur la fonction physique (p = 0,03), la douleur (p = 0,02) et le changement de santé (p = 0,02). Le nombre de visites de suivi n'a eu un impact significatif que sur le domaine de la fonction physique (p = 0,03). Conclusion : Bien que dormir avec les prothèses dentaires puisse avoir un impact négatif sur les aspects psychiques et physiques d’OHRQoL, il pourrait également avoir un impact positif sur les aspects sociaux de la fonction et des changements de santé de la HRQoL. Les résultats de la recherche de ce travail de maitrise doivent être considérés comme préliminaires car l’analyse totale des données n’est pas encore terminée. / Problematic: Tooth loss is one of the chronic diseases associated with several anatomical and functional alterations in the oral cavity and the upper airway tract. These changes result in the deterioration in oral health-related quality of life (OHRQoL), particularly among the elderly. Complete dentures can enhance the appearance and restore some impaired masticatory functions, creating a positive impact on OHRQoL. However, continuous nocturnal wear of dentures may raise oral health problems. In contrast, some studies have found that the impact of sleeping with dentures is positive with regard to the quality of sleep and quality of life. Objectives: The aim of this Master’s study is to investigate the impact of sleeping with dentures on OHRQoL in edentulous elderly patients who suffer from obstructive sleep apnea (OSA). Methodology: This master research project is nested in a randomized, crossover trial study of 70 edentulous elderly patients diagnosed with moderate to severe OSA (AHI ≥10). The participants were randomly assigned to one of two groups (sleeping with or without the prosthesis in opposite order), for two periods with a 30-day interval between them. Data on the effect of nocturnal wearing of dentures on OHRQoL and health-related quality of life (HRQoL) were collected at the baseline and during the two follow-up visits, using the Oral Health Impact Profile (OHIP-20) and Short form (SF-36) questionnaires respectively. Data analysis was performed using mixed effect models appropriate for repeated measures including types of intervention (sleeping with or without dentures), sequence and visit number. Results: Results reported below are based on data collected from 63 patients. The overall OHIP-20 score was slightly higher among patients who wore their dentures while sleeping than in those who did not, but not at a significant level (p=0.08). The scores of all OHIP-20 subscales were increased among patients who slept with prosthesis, except for the social disability which slightly decreased, and the handicap remained at the same average. However, the significant negative impact was reported only for two OHIP scores: psycho-discomfort (p=0.04) and physical disability (p=0.05). OHIP-20 scores were influenced neither by the assignment sequence nor by the period, with an exception for handicap scores which slightly increased among elders assigned to sleep with dentures in the first period of this study. In contrast, SF-36 results showed an improvement in the mean scores in all subscales among the elderly when participants were sleeping with dentures, but the only significant impacts were found on social function and health change aspects (p <0.01, and p=0.01, respectively). The assignment sequence had a significant effect on physical function (p=0.03), pain (p=0.02), and health change (p=0.02). The follow-up visit number had a significant impact only on the physical function domain (p=0.03). Conclusion: While sleeping with dentures could have a negative impact on psycho-discomfort and physical discomfort aspects of OHRQoL, it could have a positive impact on the social function and health change aspects of HRQoL. The results of this Master’s research should be considered as preliminary since the total data analysis has not completed yet.

Les amputations d’un membre supérieur sont non seulement dévastatrices pour le bien-être physique, psychologique et social des patients, mais elles comportent également des répercussions financières importantes pour l’individu et le système de santé. Les allotransplantations de tissus composites vascularisés ont été proposées en tant que solution permettant de rétablir la forme et la fonction au détriment d’une immunosuppression à vie et d’un taux élevé de rejet chronique. Les prothèses myoélectriques combinent l’expertise chirurgicale avec les avancées technologiques pour réhabiliter les fonctions motrices d’un moignon amputé, mais elles demeurent limitées par un taux élevé d’abandon et des coûts importants. Dans les systèmes de santé avec des ressources limitées, les dirigeants ont la tâche complexe de partager équitablement l’allocation de ressources entre plusieurs maladies et interventions. Dans le domaine de l’économie de la santé, les analyses de type coût-bénéfice ont été développées pour répondre à ces questions. Les mesures d’utilité doivent incorporer l’impact que le traitement suscite sur l’espérance de vie et la qualité de vie. Ces utilités sont ensuite rapportées en fonction du coût, ce qui permet aux dirigeants de la santé de déterminer dans quels traitements il serait préférable d’investir les ressources. Dans cette thèse, nous proposons un modèle pour étudier les coûts-utilité des allotransplantations de la main et des prothèses myoélectriques. Pour commencer, une étude pilote a été effectuée sur les amputations du pouce traitées avec des lambeaux libres de l’orteil, ce qui nous a permis de confirmer la faisabilité des questionnaires d’utilité conçus. Par la suite, les utilités ont été mesurées dans une population d’amputés du membre supérieur, de patients réimplantés proximalement et de contrôles en santé. Les résultats démontrent que 1) les patients réimplantés rapportent la meilleure utilité avec les prothèses myoélectriques, 2) les amputés unilatéraux préfèrent significativement les prothèses myoélectriques également, et 3) aucune différence n’a été recelée entre les deux traitements chez les amputés bilatéraux. Au final, une analyse des coûts-bénéfices a été effectuée dans le contexte du système de santé canadien, démontrant que le traitement des patients amputés unilatéralement avec des prothèses myoélectriques permettrait de sauver davantage de coûts, alors que l’écart en épargnes monétaires se rétrécit pour les amputés bilatéraux traités avec une allotransplantation ou une prothèse. Avec les résultats rapportés dans cette thèse, nous pouvons proposer une mise à jour des indications de traitements pour les patients avec une amputation du membre supérieur. Basé sur l’analyse de type coût-utilité, nous concluons que les amputés unilatéraux sont de meilleurs candidats pour des prothèses myoélectriques, alors que les deux traitements sont encore adéquats pour les amputations bilatérales. / Amputations of the upper extremity are not only devastating for the patient’s physical, psychological and social well-being, but they also yield significant financial repercussions to the individual and the healthcare system. Vascularized composite allotransplantations of the upper extremity were proposed as a solution to restore form and function, albeit to the detriment of lifelong immunosuppression and high rates of chronic rejection. New-generation myoelectric prostheses combine surgical prowess with technological refinements to rehabilitate motor functions of the amputated stump, but remain plagued by high rates of abandonment and significant costs. In healthcare systems wherein resources are limited, financial regulators have the difficult task of proposing an equitable divide of resource allocations between a multitude of diseases and interventions. In the field of health economics, cost-benefit analyses were developed to assist in this decision-making process. Utility outcome measures need to encompass the impact that a treatment elicits on life expectancy and quality of life. Comparison of utilities of different interventions as a function of cost further indicates which route healthcare regulators should partake. In this thesis, we propose a model to study cost-utilities of hand allotransplantation and myoelectric prostheses. To begin, a pilot study was performed on thumb amputations treated with free toe flaps, which allowed to confirm the feasibility of the utility questionnaires that we developed. Afterwards, utilities and quality adjusted life years were measured in a population of upper extremity amputees, proximally replanted patients and healthy controls. Findings demonstrated that 1) replanted patients reported the highest utility outcomes for myoelectric prostheses, 2) unilateral amputees significantly preferred myoelectric prostheses as well, and 3) no significant preference between both interventions was obtained in patients with bilateral amputations. Finally, a cost-benefit analysis was performed in the context of the Canadian healthcare system, demonstrating that significant savings can be achieved with treatment of unilateral amputations with myoelectric prostheses, whereas the gap in cost savings between both treatment groups becomes less significant in bilateral amputees. With the findings reported in this thesis, we can propose an update of the indications for treatment in patients with upper extremity amputations. From the perspective of cost-utility analyses, we conclude that unilateral amputees are better candidates for myoelectric prostheses, and that both treatments can still be offered in cases of bilateral amputations.

Avec près de 25 000 cas en 2015, le cancer du sein est de loin le cancer le plus fréquent chez les femmes canadiennes. En termes de mortalité, le cancer du sein se place au deuxième rang (13,8%), derrière le cancer du poumon (26,5%). Suite au diagnostic, 70% des femmes avec un cancer de stade avancé et 30% des femmes avec cancer précoce choisiront de subir une mastectomie totale. Plusieurs options de reconstructions mammaires sont ensuite offertes. Plus de 70% des reconstructions se feront par la mise en place d’implants mammaires (plutôt que par reconstruction autologue utilisant les tissus de la patiente). Parmi les complications survenant après cette intervention, la contracture capsulaire en est une des plus fréquente. La contracture capsulaire se définit comme la contraction anormale de la capsule fibreuse se formant autour des implants mammaires, pouvant causer des douleurs en plus d’un mauvais résultat sur le plan esthétique. Les études cliniques ont démontré un risque accru de développer une contracture capsulaire chez les femmes ayant du suivre un protocole de radiothérapie. Si plusieurs études ont cherché à démontré l’influence des radiations sur l’histologie et l’immunologie du tissu capsulaire, aucune étude ne s’était intéressée à leur effet sur l’ultrastructure capsulaire. Notre équipe a récemment démontré que l’ultrastructure capsulaire dépendait de plusieurs facteurs, notamment de la texture prothétique et du délai de reconstruction. L’objectif de ce mémoire était de décrire l’impact de la radiothérapie sur l’ultrastructure capsulaire en comparant des capsules irradiées et non-irradiées en utilisant la microscopie éléctronique à balayage. Nous avons observé, chez les échantillons issus de capsules irradiés, une perte de relief au niveau de l’interface prothèse-capsule par rapport au échantillons non irradiés. Nous avons aussi démontré que cette caractéristique ultrastructurale est associée à la présence de contracture capsulaire. Enfin, ces effets néfastes de la radiothérapie semblent altérer la capacité de la capsule à adhérer à la prothèse mammaire. En conclusion, mon projet de maîtrise aura permis de décrire pour la première fois l’impact de la radiothérapie sur l’ultrastructure des capsules périprothétiques. Bien que nos résultats ne nous permettent pas d’expliquer de façon certaine le lien potentiel avec l’évolution vers un état de contracture capsulaire, ils laissent croire que cela serait associé avec un diminution de la stabilité de la capsule sur son implant, facteur auparavant évoqué comme ayant une rôle protecteur sur la contracture capsulaire. / With around 25,000 cases in 2015, breast cancer is the most common cancer among Canadian women. In term of mortality, breast cancer is second (13.8%), only behind lung cancer (26.5%). As part of the therapeutic approaches, around 70% and 30% of women with advanced and early breast cancer (respectively) will chose to have a total mastectomy. Following a mastectomy, few options of breast reconstruction are offered to the patients. More than 70% of breast reconstructions are implant-based. Among the complications following this surgery, capsular contracture (CC) is one of the most common. CC is defined as the abnormal, and sometimes painful, contraction of the fibrous capsule that normally grows aroung breast implants, resulting in a aesthetic failure and associated with a higher surgical revision rate. Many studies have demonstrated that the incidence of CC was higher among women who had undergone radiotherapy prior to their implant-based breast breast reconstruction procedure. Most of published studies focus on the influence of radiotherapy on capsular tissue at the immune-histological level but no study has described its influence on capsular architecture. As our team recently demonstrated that capsular ultrastructure is influenced by many factors (prosthetic texture, expansion timing). The main purpose was to describe the impact of radiotherapy on periprosthetic capsule ultrastructural features by comparing irradiated and non-irradiated capsules using scanning electron microscopy (SEM). We observed a significant loss of tridimensional texture at the implant-capsule interface in irradiated capsular samples. This feature was also found to be associated with CC. Finally, our results tend to show that radiotherapy impaires the stability of capsules by preventing them to grow withing their surrounding implant texure. In conclusion, the present research project offers the first description of the capsular response following exposiong to radiations. Even though our results do not allow us to conlude to a clear relation between loss of capsular architecture and a higher risk of CC, we think that the impairement of capsular stability might be part of the answer

Le sujet de cette thèse se situe dans le cadre général de la restauration du mouvement de membres paralysés à travers la stimulation électrique fonctionnelle (FES) implantée. L'objectif du projet était d'explorer la faisabilité d'utiliser les informations issues des fibres nerveuses sensorielles des récepteurs musculaires comme information de retour d'une commande en boucle fermée d'un système FES à travers des électrodes nerveuses périphériques intra fasciculaires. Des expérimentations animales aigues ont été réalisées pour mesurer les réponses afférentes des fuseaux neuromusculaires à des étirements passifs du muscle. Les enregistrements ont été réalisés en utilisant une nouvelle électrode Intra-fasciculaire (tfLIFE), développées par le Dr. Ken Yoshida à l'université d'Aalborg au Danemark. Un modèle du premier ordre de la réponse des fuseaux neuromusculaires à des étirements passifs a été proposé. Ce modèle prend en compte les propriétés non linéaires des activités neurales afférentes. De plus, l'estimation de l'état du muscle à partir d'un enregistrement ENG multicanaux a fourni des résultats plus robustes comparés à un enregistrement monocanal.<br />Pour que le modèle ci-dessus puisse être utilisé pour l'estimation de l'état du muscle, le taux de variation de la longueur du muscle pendant le mouvement doit avoir un effet négligeable sur les paramètres du modèle. Nous avons proposé dans cette thèse une approche pour la détection et la classification de pics dans l'enregisrement neural dans l'objectif d'isoler les activités neurales sensorielles des récepteurs musculaires ayant une sensibilité minimale à la vitesse de l'élongation musculaire. L'algorithme est basé sur la transformée en ondelettes continue multi-échelle utilisant des ondelettes complexes. Le système de détection utilise une simple détection par seuillage, couramment utilisée, particulièrement avec les enregistrements ayant un faible rapport signal sur bruit. Les résultats de classification des unités montrent que la classification développée est capable d'isoler l'activité ayant une relation linéaire avec la longueur du muscle. Ceci constitue une étape vers une estimation, en ligne basée modèle, de la longueur du muscle qui pourra être utilisée dans un système FES en boucle fermée utilisant des informations sensorielles naturelles.<br />Un des principaux problèmes limitant l'interprétation des données ENG est le faible niveau du signal neural par rapport à celui du bruit dans l'enregistrement. Nos hypothèses ont été que le blindage de l'implant aiderait à améliorer le rapport signal sur bruit. Des résultats expérimentaux, issus d'une étude préliminaire que nous avons réalisée, montrent que le placement d'électrodes standards à manchon placées autour du site d'implantation de la tfLIFE augmentait le niveau du signal ENG dans les enregistrements.

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