Lors de la cicatrisation, plusieurs types cellulaires dont les kératinocytes et les fibroblastes ainsi que plusieurs facteurs de croissance jouent d’importants rôles. La cicatrisation cutanée peut aussi être activée par des facteurs exogènes, dont la stimulation électrique (SE). La SE peut moduler les fonctions fibroblastiques durant la cicatrisation. Le fibroblaste contribue de façon active à la cicatrisation en sécrétant différentes protéines (collagène, fibronectine, élastine) pour favoriser le comblement tissulaire. Les fibroblastes adoptent aussi un phénotype contractile en exprimant l’α-actine contribuant à la fermeture de la plaie. Notre hypothèse est que certaines de ces fonctions fibroblastiques pourraient être modulées par une stimulation électrique. Pour vérifier cette hypothèse nous avons utilisé une membrane biocompatible et conductrice à base de polyethylene terephthalate (PET) recouvert de polypyrrole (PPy). Les fibroblastes dermiques humains ont été cultivés sur ces membranes conducteurs, puis exposés ou non à un courant pulsé (PES) selon deux régimes : soit 10s PES suivi de 1200s de repos, ou 300s PES suivi de 600s de repos, durant 24 h. Deux intensités électriques ont été étudiées, 50 et 100 mV/mm. Nos travaux démontrent que la SE favorise l’adhésion, la prolifération et la migration des fibroblastes dermiques. Ces activités cellulaires sont consolidées par une sécrétion importante de FGF2 et d’α-SMA. Il est important de noter que l’effet de la SE favorise le changement phénotypique des fibroblastes en myo-fibroblastes grâce à la voie des Smad et de TGFβ/ERK. Nous avons aussi démontré que l’effet de la SE est maintenue à long terme et est transférable de la cellule mère vers les cellules filles. En effet après sous-culture les cellules expriment toujours de façon importante l’α-SMA. En conclusion, nous avons démontré que la stimulation électrique pulsée module positivement les fonctions cicatricielles des fibroblastes humains. Ces travaux démontrent pour la première fois les voies de signalisation (Smad et TGFβ/ERK) sollicitées par la SE pour activer les fibroblastes lors de la cicatrisation. Ces travaux suggèrent l’utilisation de la SE pour favoriser la guérison/cicatrisation des plaies. / During skin wound healing, cutaneous cells particularly fibroblasts and keratinocytes as well as several growth factors play important roles. Wound healing can be activated by exogenous factors, including electrical stimulation (ES). ES can also modulate fibroblast functions. Fibroblasts contribute to healing by secreting structural proteins (collagen, fibronectin, elastin) to repair the wound area. Fibroblasts also adopt a contractile phenotype expressing α-actin contributing to wound closure. The hypothesis of the thesis is that fibroblasts proliferate and transdifferentiate into myofibroblasts by sensing pulsed electrical signals and adjusting relevant signalling pathways. To test this hypothesis we used biocompatible polyethylene terephthalate (PET) fabrics coated with electrically conductive polypyrrole (PPy). Human dermal fibroblasts were cultured on these conductive fabrics and exposed to the optimized pulsed ES: either 10s PES in a period of 1200s, or 300s PES in 600s period, for a total of 24 hours. Two electric intensities were studied, 50 and 100 mV/ mm. Our work showed that the PES promoted the adhesion, proliferation and migration of dermal fibroblasts. These cellular activities were consolidated by an elevated level of fibroblast growth factor 2 (FGF2) and the high expression of α-smooth muscle actin (α-SMA). Important findings were that PES promoted the phenotypic change of fibroblasts to myofibroblasts, and such change was coordinated through the Smad and TGFβ/ERK pathways. It also demonstrated that the effect of PES was able to maintain for a long period of time after the end of stimulation, and was transferable from the mother cells to the daughter cells. Following subculture, the electrically stimulated fibroblasts still expressed significant amount of α-SMA. In conclusion, this thesis demonstrates that PES through conductive fabrics can activate the wound healing functions in human dermal fibroblasts. This work revealed for the first time that Smad and TGFβ/ERK pathways are required by the PES-induced fibroblasts-to-myofibroblasts differentiation. This work also demonstrated that the PES activated cells can survive in vivo. These studies suggest the application of the PES in promoting tissue regeneration and wound healing.

La stimulation électrique (SE) semble favoriser la cicatrisation des plaies par ses effets sur les fibroblastes. Cependant, son interaction avec les kératinocytes n'a pas été bien établie. Le polypyrrole (PPy) en tant que biomatériau conducteur est un excellent candidat pour délivrer les SE aux cellules, ce qui devient plus évident avec le développement de la nouvelle membrane souple à base de PPy. Cependant, les faibles propriétés mécaniques limitent l'utilisation de cette membrane. La présente étude visait à améliorer la résistance mécanique de la membrane à base de PPy et étudier les comportements cellulaires et moléculaires des kératinocytes après exposition à des SE via cette nouvelle membrane PPy. Premièrement, la membrane souple à base de PPy a été renforcée par électrofilage, de manière synergique, avec des fibres de polyuréthane (PU) et de polylactide (PLLA). Des tests mécaniques ont confirmé que la résistance à la traction de la membrane a été considérablement augmentée. Ensuite, les kératinocytes ont été cultivés sur la membrane PPy renforcée, puis stimulés par des intensités électriques de 100 ou 200 mV mm⁻¹ pendant 6 ou 24 heures. Les cellules stimulées présentaient une capacité proliférative considérablement accrue. Les sécrétions d'IL-6, IL-1α, IL-8, GROα, FGF2 et VEGF-A ont également augmenté. Fait intéressant, l'SE de 24 heures a induit une « mémoire de stimulation » car les cellules stimulées ont montré une augmentation significative de formation de colonies (CFE) après 6 jours après l'exposition à la stimulation électrique. De plus, l'expression des kératines 5, 14 et 10/13 était significativement augmentée par la SE. La SE a augmenté l'expression de la phosphorylation des kinases ERK1/2. L'expression des protéines des kératinocytes de la peau humaine peut être activée par des stimulations électriques appropriées pour favoriser la cicatrisation des plaies cutanées. La membrane PPy souple renforcée peut servir de pansement conducteur pour faciliter l'exposition de la plaie à une stimulation électrique pour favoriser sa cicatrisation. / Keratinocytes as the principal skin cell type play a major role in wound closure. In the meantime, electrical stimulation (ES) has been found effective in promoting wound healing. However, the role of ES on keratinocytes has not been well established. Polypyrrole (PPy), especially the recently developed soft PPy membrane, is an electrically conductive biomaterial and a good candidate to deliver ES to cells. However, the weak mechanical strength of the soft PPy membrane has limited its practical use. The present work was to enhance the mechanical strength of this soft PPy membrane and to investigate the cellular and molecular behaviors of the keratinocytes underwent ES via this novel PPy membrane. Firstly, the soft PPy membrane was synergically reinforced with polyurethane (PU) and poly (L-lactic acid) (PLLA) fibers through electrospinning technology. Mechanical tests confirmed the significantly increased tensile strength, which rendered the originally fragile PPy membrane strong enough to stand ordinary manipulations without compromising its electrical properties. Afterwards, HaCaT keratinocytes were cultured on the PU/PLLA reinforced PPy membranes under electrical intensities of 100 and 200 mV mm⁻¹ for 6 or 24 hr. The electrically stimulated cells exhibited a considerably increased proliferative ability. Meanwhile, secretions of the IL-6, IL-1α, IL-8, GROα, FGF2 and VEGF-A increased as well. Interestingly, the 24 hr ES induced a "stimulus memory" by showing a significant rise in colony forming efficiency (CFE) 6 days post-ES. Additionally, the expressions of keratin 5, keratin 14, keratin 10 and keratin 13 were significantly modulated by ES. Finally, the phosphorylation of ERK1/2 kinases was regulated by ES. The overall results demonstrated that the proliferation, differentiation, and protein expression of human skin keratinocytes can be activated through appropriate ES to benefit skin wound healing. Moreover, the PU/PLLA reinforced soft PPy membrane may server as a conductive wound dressing to facilitate ES to wound.

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L'électrostimulation est une méthode de mieux en mieux comprise en physiologie humaine. D'un autre côté, la rupture du tendon d'Achille amène chez la personne l'ayant subi une perte de force et de volume chronique. L'objet de ce projet fut d'observer si la force et le volume d'une jambe peuvent être améliorés avec l'aide d'un entraînement en électrostimulation. 9 sujets divisés en deux groupes (expérimental = 6, témoin = 3) ont subit un pré-test où fut mesurée leur force de contraction concentrique, excentrique et isométrique lors du mouvement de flexion plantaire. Le volume de la jambe fut également mesuré par la prise de la circonférence du mollet au niveau du ventre des gastrocnémiens. Le groupe expérimental a suivi un entraînement en électrostimulation des fléchisseurs plantaires d'une seule jambe à une fréquence de 50 Hz, 5 secondes de travail, 15 secondes de repos pendant 15 minutes. L'entraînement eu lieu 3 fois par semaine durant 8 semaines. Le groupe témoin ne suivit aucun entraînement particulier durant les 8 semaines. Un test identique au pré test fut repassé 4 semaines (test intermédiaire) après le début de l'entraînement (ou du non-entraînement pour le groupe témoin). L'ensemble des mesures de force et de volume (post-test) fut repris après les 8 semaines d'entraînement (ou de non entraînement pour le groupe témoin). Une analyse comparative de la force et du volume des deux jambes avant et après la période de 8 semaines fut effectuée pour les deux groupes. Nous avons observé une augmentation significative de force concentrique et isométrique pour la jambe entraînée par électrostimulation du groupe expérimental. Aucun autre gain de force ne fut significatif pour les autres groupes. Aucun gain de volume ne fut significatif pour aucun groupe. Ces résultats laissent croire que l'électrostimulation peut améliorer la force d'une jambe et que cette technique pourrait être employée pour aider ceux ayant subi une rupture du tendon d'Achille. D'autres recherches sont nécessaires sur des personnes ayant subi une rupture du tendon d'Achille pour observer si un gain de volume serait possible et si les paramètres de stimulation pourraient être améliorés. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Électrostimulation, Rupture tendon d'Achille, Triceps sural, Force.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Un nombre considérable de personnes dans le monde souffrent de diabète, et beaucoup d'entre elles souffrent d'ulcères du pied diabétique. La prise en charge des ulcères du pied diabétique représente un important défi pour les patients et pour le système de la santé. Durant le processus de cicatrisation, les fibroblastes jouent un rôle important dans les phases d'inflammation, de prolifération et de remodelage. La stimulation des propriétés cicatrisantes des fibroblastes pourrait faciliter le traitement des patients souffrant d'ulcères du pied diabétique. Plusieurs études suggèrent que le champ électrique (CE) peut être utile pour moduler les activités cellulaires. Cependant, l'utilisation du CE pour favoriser la cicatrisation demeure sporadique due au manque d'études relatives aux mécanismes cellulaires activés lors de l'exposition des cellules aux SE. L'objectif à long terme de cette étude est d'analyser la possibilité d'utiliser le CE pour promouvoir la cicatrisation tissulaire chez les patients diabétiques. L'objectif spécifique est d'étudier les effets de la SE sur les comportements des fibroblastes diabétiques humains. À cette fin, les fibroblastes isolés de patients atteints d'un ulcère du pied diabétique ont été cultivés sur une membrane PPy/HE/PLLA biologiquement active, biocompatible et conductrice, puis soumises à différentes CE. Dans la première étape, les paramètres optimaux se référant à l'intensité de la SE, au temps de stimulation, au temps de culture après stimulation et à la croissance cellulaire ont été déterminés. Ensuite, les intensités optimales de ES ont été sélectionnées pour étudier l'effet du CE sur les propriétés cicatrisantes des fibroblastes de diabétiques. Ces propriétés cicatrisantes incluent la croissance cellulaire, la migration, la contraction de la plaie, l'organisation de la matrice extracellulaire et la sécrétion de facteurs de croissance et les cytokines. Finalement, un tissu en trois dimensions a été produit. Ce tissu est composé de fibroblastes de diabétiques cultivés dans une matrice collagénique, et de kératinocytes de diabétiques. Ce modèle nous a permis d'évaluer l'efficacité de la SE à favoriser la cicatrisation chez les diabétiques. Nos travaux montrent que la membrane Ppy/HE/PLLA peut être un bon candidat pour transférer de faible SE vers les cellules de diabétiques. Nous avons démontré que la SE augmente la croissance, la migration des fibroblastes. La SE augmente la sécrétion de facteurs de croissance et de cytokines impliquées dans la cicatrisation. Aussi, la SE favorise la fermeture des plaies. En conclusion, nos travaux démontrent que la SE peut être utilisée en clinique pour favoriser la cicatrisation des ulcères de pied diabétique. / A considerable number of people around the world have diabetes, and many of them suffer from diabetic foot ulcers. The care of diabetic foot ulcers represents a significant challenge for medical professionals and patients and causes a heavy burden to the public health system. During the wound healing process, fibroblasts play important roles in inflammation, proliferation, and remodeling phases, which makes fibroblasts an interesting target for manipulation. Many publications have suggested that electrical field (EF) may be useful in modulating cellular activities. Furthermore, available clinical studies have demonstrated the positive effect of electrical stimulation (ES) on wound healing. However, EF has yet to be widely accepted as a tool to stimulate tissue regeneration. This scarcity of using EF is mostly because of the lack of mechanistic understanding of how cells, including fibroblasts, interact with and respond to EF. The goal of this study is to investigate the effect of ES on human diabetic fibroblast behaviors. For this purpose, fibroblasts isolated from patients with diabetic foot ulcers (DFU) and biologically active and biocompatible PPy/HE/PLLA membranes were used to study the effect of ES on diabetic fibroblasts. In the first step, optimal ES parameters, including EF intensity, time of stimulation, culture time after stimulation, and cell viability/growth were evaluated. Then, the optimized ES parameters were used to study the effect of EF on different aspects of the diabetic human skin fibroblasts (DHSF) including growth, migration, wound contraction, extracellular matrix organization, and the secretion of different proteins such as growth factors and cytokines. As the last step, a diabetic human skin equivalent was produced to study the effect of ES on the crosstalk between diabetic fibroblasts and keratinocytes including the production of basement membrane proteins. The results of this thesis show that PPy/HE/PLLA membranes can be a good candidate for transferring the low DC ES to the DHSF. Importantly, ES was found to modulate DHSF activities favoring wound healing. Furthermore, this thesis suggests that ES applied to diabetic human skin equivalents could be used to manage DFU in a clinical setting.

Des membranes conductrices composées de polypyrrole (PPy) dopé à l'héparine (HE) et de polylactide biodégradable (PLLA) ont été produites pour transmettre une stimulation électrique (ES) à des cellules en culture. La préparation de ces membranes constituées de PPy/HE/PLLA nécessite beaucoup de temps ; et la reproductibilité n'était pas satisfaisante. Le premier objectif de cette étude est de raccourcir le temps de préparation, d'améliorer les propriétés conductrices des membranes fabriquées en PPy/HE/PLLA. Le deuxième objectif est d'évaluer la cytotoxicité des nouvelles membranes, et leur utilisation pour délivrer des stimulations électriques aux fibroblastes de peau humaine. Le PPy a été synthétisé par polymérisation oxydative en utilisant l'héparine comme co-dopant. Les particules de PPy ont été mélangées avec le PLLA dans un rapport de 1:9 (p/p) dans du chloroforme. La solution a ensuite été coulée et séchée pour former une fine membrane de PPy/HE/PLLA. Cette membrane a été analysée par microscopie électronique à balayage (MEB) pour la morphologie de surface et par spectroscopie infrarouge de Fourier (FTIR) pour la chimie de surface. Sa conductivité a été mesurée par un système de sonde à quatre points. Sa cytocompatibilité a été évaluée en utilisant des fibroblastes de peau humaine par coloration Hochets et test MTT. La stabilité électrique a été déterminée dans un milieu de culture cellulaire pendant 24 heures. L'effet de la ES a été évalué après 6 et 24 heures d'exposition des fibroblastes à un champ électrique de 200 mV/mm. La membrane en PPy/HE/PLLA a affiché une conductivité d'environ 1,6 × 10⁻⁴ S/cm. Les observations SEM ont montré que les particules de PPy formaient des agrégats uniformes dispersés sur la surface. L'analyse FTIR a confirmé la présence de PPy et de PLLA. Les membranes n'étaient pas cytotoxiques et ont délivré des ES pour augmenter la prolifération des fibroblastes. Le nouveau protocole améliore considérablement l'efficacité et la reproductibilité de la préparation des membranes. La nouvelle membrane PPy/HE/PLLA possède une conductivité et une stabilité adéquates pour soutenir la croissance cellulaire sous stimulation électrique. / Electrically conductive membranes made of heparin (HE)-doped polypyrrole (PPy) and biodegradable polylactide (PLLA) have been engineered to mediate electrical stimulation (ES) to cultured cells. The preparation of such PPy/HE/PLLA membranes was time-consuming, and reproducibility was not satisfactory. The first objective of this thesis is to shorten the preparation time, improve the property consistency, and characterize the properties of the new PPy/HE/PLLA membranes. The second objective is to evaluate the new membranes' cytotoxicity and their suitability as a conductive cell culture substrate in electrically stimulating human skin fibroblasts. The PPy was synthesized by oxidative polymerization using heparin as the co-dopant. The PPy particles were mixed with the PLLA at a 1:9 ratio (w/w) in chloroform. The solution was then cast and dried to form a thin PPy/HE/PLLA membrane. This membrane was analyzed by scanning electron microscopy (SEM) for surface morphology and by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) for surface chemistry. A four-point probe system was used to measure its conductivity. Its cytocompatibility was evaluated using human skin fibroblasts by Hoechst staining and MTT assay. The electrical stability was measured in a cell culture medium for 24 hours. The effect of ES was evaluated after 6- and 24-hour exposures of the fibroblasts to an electrical field of 200 mV/mm. The PPy/HE/PLLA membrane had a conductivity of about 1,6 × 10⁻⁴ S/cm. The SEM observations showed that the PPy particles formed uniform aggregates dispersed as "islands" on the surface. The FTIR analysis confirmed the presence of PPy and PLLA. The membranes were not cytotoxic and delivered ES to increase fibroblast proliferation. The new protocol significantly increases membrane preparation efficiency and reproducibility. The new PPy/HE/PLLA membrane has adequate conductivity and stability to support cell growth under ES.

Suite à une lésion (ex: blessure médullaire, accident vasculaire cérébral) ou une maladie neurodégénérative (ex: maladie de Parkinson), le système nerveux central humain peut être sujet à de multiples déficiences sensori-motrices menant à des handicaps plus ou moins lourds au cours du temps.Face aux méthodes thérapeutiques classiques, la stimulation électrique fonctionnelle (SEF) des muscles préservés permet de restaurer le mouvement et de fournir une assistance afin d’améliorer la condition des personnes atteintes et de faciliter leur réadaptation fonctionnelle.De nombreuses problématiques intrinsèques à la complexité du système musculo-squelettique et aux contraintes technologiques rendent néanmoins difficile la démocratisation de solutions de stimulation électro-fonctionnelle en dépit d’avancées majeures dans le domaine.Visant à favoriser l’utilisabilité et l’adaptabilité de telles solutions, cette thèse s’appuie sur un réseau de capteurs/actionneurs génériques embarqués sur le sujet, afin d’utiliser la connaissance issue de l’observation et l’analyse du mouvement pathologique des membres inférieurs pour étudier et valider expérimentalement de nouvelles solutions de commande de la SEF à travers une approche orientée-patient. / The human central nervous system (CNS) can be subject to multiple dysfunctions. Potentially due to physical lesions (e.g.: spinal cord injuries, hemorrhagic or ischemic stroke) or to neurodegenerative disorders (e.g.: Parkinson’s disease), these deficiencies often result in major functional impairments throughout the years.As an alternative to usual therapeutic approaches, functional electrical stimulation (FES) of preserved muscles enables to assist individuals in executing functional movements in order to improve their daily life condition or to help enhancing rehabilitation process.Despite major technological advances in rehabilitation engineering, the complexity of the musculoskeletal system and the technological constraints associated have led to a very slow acceptance of neurorehabilitation technologies.To promote usability and adaptability, several approaches and algorithms were studied through this thesis and were experimentally validated in different clinical and pathological contexts, using low-cost wearable sensors combined to programmable stimulators to assess and control motion through a patient-centered approach.

Environ 90 millions de personnes dans le monde souffrent de lésions de la moelle épinière. Cette thèse se focalise sur les individus paraplégiques ayant une lésion complète, c'est à dire les personnes souffrant de pertes sensorielles et motrices des membres inférieurs. Grâce aux progrès médicaux réalisés autour de la prise en charge des patients dès les premiers instants après l'accident, l'espérance de vie de ces personnes est maintenant comparable à celle de sujets dits normaux. Ceci a généré un changement radical dans les priorités de la recherche médicale qui aspire maintenant à améliorer leur qualité de vie. Les patients utilisant des fauteuils roulants sont soumis à des efforts musculaires et articulaires très intenses au niveau des membres supérieurs et particulièrement des épaules. Ces efforts sont observables durant les phases de propulsion du fauteuil, mais également dans la des tâches du quotidien telles que le transfert pour les activités domestiques ou la conduite. En conséquence les complications et les troubles musculo squelettiques sont fréquents chez ces patients ce qui peut causer une diminution ou même une perte totale des fonctions motrices encore préservées et de fait impacter l'autonomie de ces personnes. De part sa mobilité réduite la population paraplégique fait également face à d'autres problèmes médicaux comme la fragilité osseuse ou la mauvaise circulation sanguine. Ces changements métaboliques entrainent une augmentation du risque de diabète, risques d'escarres, et de la spasticité musculaire.L'utilisation de la Stimulation Electrique Fonctionnelle (SEF) pour la restauration du mouvement a montre son intérêt à la fois fonctionnel et thérapeutique. La restauration du mouvement au moyen de la SEF est étudiée depuis de nombreuses années mais le nombre de systèmes vraiment opérationnels et fonctionnels est toujours très limité. Dans ce contexte, le but de cette thèse est l'étude de solutions permettant d'améliorer la qualité de vie de personnes paraplégiques en restaurant les possibilités de lever de chaise, de transfert depuis le fauteuil roulant vers une autre surface et de maintien de la station érigée. Nous avons cherché au cours de ce travail à trouver un bon compromis entre la performance fonctionnelle du système d'assistance proposé et sa simplicité. Pour ce faire, nous nous sommes attachés, dans un contexte d'utilisation clinique et à domicile dans le futur, à réduire le nombre de capteurs ainsi que la complexité calculatoire.Dans cette thèse, nous avons réalisé l'étude du mouvement optimal à produire pour réaliser une tâche de lever de chaise qui réduirait les efforts au niveau des bras ainsi que la fatigue musculaire induite par l'utilisation de la SEF. Nous avons validé expérimentalement un nouveau système de contrôle en boucle-fermée pour le lever de chaise en réalisant des expériences incluant six patients paraplégiques.Les bénéfices de l'utilisation de la SEF pendant un mouvement de transfert en pivot chez le patient paraplégique ont été étudiés en utilisant un processus d´optimisation et un modèle biomécanique de l'humain.Enfin, une nouvelle solution pour le contrôle de la station érigée chez le patient paraplégique a été proposée dans cette thèse. Le contrôleur proposé permet un maintien de la station érigée prolongée tout en prenant en compte les mouvements volontaires du patient.Finalement, les résultats obtenus lors de cette thèse apparaissent comme très prometteurs et nous croyons que la recherche scientifique devrait persister dans cette voie tout en continuant les collaborations et interactions entre équipes médicales, ingénieurs et patients paraplégiques. / Today there are around 90 million people suffering from Spinal Cord Injury (SCI) worldwide. This thesis focuses on individuals who are complete paraplegic, i.e. persons suffering the loss of sensor and motor functions of their lower extremities. Thanks to improvements in emergency medical care, problems faced by SCI individuals after an accident are no longer life threatening, and their life expectancy is now comparable to that of able-bodied individuals. This has generated a shift of the priorities in medical research and practice away from survival and towards improvements in the quality of life for those living in a wheelchair. Wheelchair users are subjected to intense loads on the muscles and joints of the upper trunk and upper limbs during wheelchair propulsion, and in almost every other daily activity such as transfer, driving and household activities. Consequently, musculoskeletal pain is a common complication in the patients with SCI, which could cause a decrease or even total loss in remaining functional independence. Due to their limited mobility paraplegic population also faces many other medical problemsrelated with bone loading, cardio-circulatory stimulation, metabolic changeswhich increases the risk of diabetes development, oint extension, pressure sore prevention, and occurrence of muscle spasticity.The use of Functional Electrical Stimulation (FES) for motion restoration in paralyzed limbs proved to have a potential to provide both functional and therapeutic benefits. Movement restoration by means of FES in patients suffering from SCI has been a subject of research for many years, nevertheless, the number of effective FES systems is still limited. Hence, the aim of this thesis is to investigate solutions which would improve quality of life of people suffering from SCI by restoring the sit-to-stand, transfer from one surface to an other and standing movements that are lost due to SCI. We aim to find a good trade-off between achievable functionality of the FES system and its simplicity in terms of number of required sensors and computational cost and, accordingly, its applicability in clinical practice and daily life of paraplegic individuals. The following contributions have been made.In this thesis, we have investigated the optimal manner for performing the sit-to-stand movement which would reduce arm efforts and muscle fatigue induced by FES has been investigated. Also, we have experimentally validated new closed-loop system for sit-to-stand transfer for needs of a paraplegic person by performing experiments with six paraplegic patients. As part of the strategy of the system, patients were instructed to perform a rising motion in a manner previously calculated as optimal.The benefits from using FES during sitting-pivot-transfer motion in paraplegic patients have been investigated using optimization process and biomechanical modeling of the human body.In this thesis, we have proposes a new solution for control of standing posture in SCI patients by means of FES. The proposed controller enables prolonged standing and it is able to cope with voluntary movements of the patient.The authors find that the results obtained in this thesis are promising and believe that the scientific research should be proceeded in this direction. We also hope to continue the collaboration with medical staff as we strongly believe that through the collaborative work between engineers, clinicians and patients an effective solutions will be found.

La stimulation électrique fonctionnelle (FES) est présente depuis des décennies dans les centres de rééducation. Le principe de cette technique est de créer une dépolarisation de la membrane (potentiel d’action) des cellules excitables (axones ou myocytes) entrainant une contraction musculaire. Employée dans la plupart des cas pour le renforcement musculaire et la prévention des atrophies musculaires faisant suite à une lésion de la moelle épinière, la FES peut également être utilisée pour diminuer la spasticité et restaurer des mouvements des membres. Ainsi, certains dispositifs (neuroprothèses) utilisant la FES sont utilisés depuis plus de 25 ans, pour permettre à certains patients atteints de paralysies des membres supérieurs de pouvoir effectuer des préhensions. Les patients gagnent alors en autonomie dans les activités de la vie quotidienne ce qui limite leurs recours aux aides humaines. Cependant, bien que ce type de neuroprothèse se présente comme l’une des techniques les plus prometteuses pour le rétablissement de la fonction de préhension chez des sujets atteints d’une lésion de la moelle épinière, son utilisation reste limitée. En effet, les dispositifs de stimulation externe provoque des mouvements peu précis et les modes de pilote de cette stimulation, peu ergonomiques, ne sont pas accessibles à la plupart des patients lésés médullaires. Ces difficultés sont atténuées lorsque la stimulation est implantée et le mode de contrôle adapté à la pathologie. Parmi les dispositifs implantées, tous utilisent la stimulation des points moteurs pour rétablir des mouvements de main ce qui nécessite l’implantation de nombreuses électrodes et donc une opération chirurgicale lourde. Des complications liées aux matériels implantés peuvent apparaître au cours du temps. Ce travail de thèse propose une approche originale basée sur (i) la stimulation sélective nerveuse (à l’aide d’une électrode gouttière multi contact) pour rétablir des mouvements de préhension chez des patients tétraplégiques et (ii) l’utilisation de signaux émanant de muscles supra lésionnels pour le contrôle de cette stimulation. Des expérimentations humaines et animales réalisées en conditions aiguës ont démontré la faisabilité de notre approche. Ainsi, la stimulation du nerf sciatique par notre électrode gouttière a permis d’activer sélectivement plusieurs muscles antagonistes chez les 5 animaux de l’étude inclus dans l’étude. Une sélectivité intra fasciculaire est retrouvée chez 3 des 5 animaux. La stimulation du nerf médian chez un patient tétraplégique a permis d’activer sélectivement les muscles palmaris longuset flexor carpi radialis. Concernant le contrôle de la neuroprothèse, nous avons mis en évidence chez les 5 sujets tétraplégiques ayant participé aux expérimentations, une combinaison de muscles pouvant être utilisée pour piloter facilement un dispositif. Des contractions continues ou gradées de ces muscles peuvent être maintenues et ce, sans aucun apprentissage ou entrainement préalable. Les modalités de contrôle et les muscles préférentiels sont patient-dépendant. / Functional electrical stimulation (FES) is used for decades in rehabilitation centers. The principle of this technique is to create a membrane depolarization (action potential) of excitable cells (myocytes or axons) to cause a muscle contraction. Used in most cases for muscle strengthening and prevention of muscle atrophy following a spinal cord injury, FES can also be used to reduce spasticity and restore limb movement. For example, some devices (neuroprostheses) using FES are used for over 25 years, to allow some patients with paralysis of the upper limbs to perform hand movements. Patients then becoming more independent in activities of daily living which limits their use of human aid. However, although this type of neuroprosthesis stands as one of the most promising techniques for the recovery of the gripping function in subjects with spinal cord injury, its use is limited. Indeed, external stimulation devices cause imprecise movements and modes of control modes, not very ergonomic, are not accessible to most spinal cord injured patients. These difficulties are alleviated when the stimulation is implanted and control mode adapted to the pathology. Among the implanted devices all use the stimulation of motor pointsto restore hand movements which requires the implantation of many electrodes and therefore a major surgery. Complications related to the implanted materials can occur over time. This thesis proposes an original approach based on (i) selective nerve stimulation (using a multi contact cuff electrode) to restore gripping motion in tetraplegic patients and (ii) use of signals from supra lesional muscles to control this stimulation. Human and animal experimentations performed in acute conditions have demonstrated the feasibility of our approach. Thus, stimulation of the sciatic nerve by our cuff electrode allowed to selectively activate several antagonistic muscles in the 5 animals included in the study. Intra fascicular selectivity was found in 3 of 5 animals. The stimulation of the median nerve of a tetraplegic patient allowed to selectively activate the palmaris longus and flexor carpi radialis muscles. For the control of neuroprosthesis we demonstrated in the 5 tetraplegics subjects who participated in the experiments, a combination of muscles that can be used to easily control a device. Continuous or graded contractions of these muscles can be maintained, without any prior learning or training. The control modalities and preferential muscles are patient-dependent.

La stimulation électrique fonctionnelle (SEF) est une des techniques utilisées pour la rééducation ou la suppléance fonctionnelle de déficiences motrices. Un stimulateur génère des impulsions électriques qui induisent des contractions des muscles paralysés, au travers des unités motrices toujours intactes. Aujourd'hui, les systèmes fonctionnant en boucle ouverte sont majoritairement utilisés. Ils permettent aux chercheurs d'évaluer hors-ligne de la SEF. Cependant, leur réglage reste basé sur un cycle essai-erreur ce qui est loin de simplifier la mise en œuvre de systèmes en boucle fermée. Dans cette thèse, nous proposons une méthode de prédiction en temps-réel du couple en fonction de l'EMG conduisant à une nouvelle modalité de contrôle de l'activation musculaire sous SEF. L'EMG évoquée (eEMG) donne une image de l'effet de la SEF sur l'activité musculaire et est ainsi impliquée à la fois dans l'estimation du couple en temps réel et le contrôle. Le couple articulaire peut être estimé par l'eEMG en utilisant un filtre de Kalman et un modèle NARX - RNN. Le facteur d'oubli du filtre de Kalman doit être soigneuse-ment choisi de même que les réglages du schéma de calcul. C'est une limitation en particulier quand lorsque qu'il n'y a aucune connaissance a priori sur la force générée par le sujet sous SEF. La méthode proposée NARX-RNN n'a pas ce défaut et offre de meilleures performances que le filtre de Kalman. L'estimation du couple basée eEMG est donc utilisée hors-ligne et en-ligne en temps réel. Les performances comparées des algorithmes ont été effectues sur sujets sains et sujets blessés médullaires. Par ailleurs, le système temps-réel de contrôle de l'activation musculaire basé EMG a été développé sur la technologie sans fil Vivaltis. Enfin, afin de proposer un contrôle de plusieurs muscles, le concept de synergie a été utilisée pour estimer les activations musculaires cibles à partir d'un couple articulaire désiré. Les niveaux de synergie moyenne ont été utilisés pour valider l'extraction d'activation sur le sujet non inclus dans le calcul de la moyenne. L'erreur d'estimation est de 9.3% sur l'ensemble des sujets. Ces résultats vont dans le sens d'un contrôle d'une neuroprothèse basé synergie. En effet la combinaison des eux contributions de la thèse ouvre des perspectives nouvelles de modalité de contrôle de la SEF. / Functional electrical stimulation (FES) is one of existing rehabilitationtechniques to restore lost motor functions for motor-impaired subjects. Thestimulator generates electrical pulses to drive artificial contractions of theparalysed muscles, through activating intact motor units. Currently open-loopFES system is the most frequently used. The data acquired from the open-loop FESwould help researchers to make off-line analysis for evaluating performance ofFES systems. However, it should go through a trial and error manner, which isfar from facilitating a implementation of real-time closed-loop FES system.In this thesis, we propose and develop a method for real-time EMG-feedback torqueprediction and muscle activation control toward new modality in FES.The evoked electromyography (eEMG) which can reflect electrical muscleactivities under FES, is involved in both offline and real-time FES-inducedtorque estimation and muscle control systems. FES-induced joint torque can beestimated/predicted with eEMG by employing both Kalman filter and NonlinearAuto-Regressive with Exogenous (NARX) type recurrent neural network (RNN). Theforgetting factor of Kalman filter should be properly selected in advance andalso with proper computational settings. It is a limitation for some casesespecially when we do not have prior knowledge of new subject regarding expectedmuscle response intensity induced by FES. The proposed NARX-RNN does not sufferfrom such computational setting problems and also shows better estimation/prediction performances than that of Kalman filter.Evoked EMG based torque estimator is exploited from off-line situation toonline real-time system. Recursive Kalman filter and NARX-RNN are implementedfor real-time torque estimation/prediction with evoked EMG. The performance wasverified both in able-bodied and spinal cord injured subjects. Furthermore, real-time EMG-feedback muscle activation control in FES system is developed togetherwith wireless Vivaltis stimulator for specifying directly muscle activationinstead of conventionally specifying stimulation pattern.Toward natural multiple muscles control with multi-channel FES, muscle synergyconcept was introduced for inverse estimation of muscle activations from desiredjoint moment. The averaged synergy ratio was applied for muscle activationestimation with leave-one-out cross validation manner, which resulted in 9.3%estimation error over all the subjects. This result supports the common musclesynergy-based neuroprosthetics control concept. By combining this inverse estimation of muscle activations together with real-time EMG-feedback muscle activation control, it would open a new modality toward muscle synergy-basedmulti-muscle activation control in FES.