Compensation Active de Tremblements Pathologiques des Membres Supérieurs via la Stimulation Electrique Fonctionnelle

Active Pathological Tremor Compensation on the Upper Limbs using Functional Electrical Stimulation

• Auteur / Autrice : Antônio Padilha Lanari Bó
• Direction : Philippe Poignet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie informatique, automatique et traitement du signal
• Date : Soutenance le 13/12/2010
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Tanneguy Redarce
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Poignet, Christian Geny, Jean-Louis Divoux, Christine Azevedo-Coste
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guillaume Morel, Philippe Cinquin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stimulation électrique

Kalman, Filtrage de

Troubles moteurs

Mots clés libres

Tremblement pathologique

Stimulation Electrique Fonctionelle

Contrôle d'impedance

Modélisation neuromusculosquelettique

Filtre de Kalman

Pathological tremor

Functional Electrical Stimulation

Impedance control

Neuromusculoskeletal modeling

Kalman filter

Résumé

Le tremblement, défini comme un mouvement rythmique involontaire, est un des mouvements anormaux les plus fréquents. Le tremblement n'est pas une pathologie mortelle, mais elle diminue souvent considérablement la qualité de vie de la personne. Les traitements efficaces ne sont pas encore disponibles, puisque les solutions pharmacologiques et chirurgicales souffrent encore de limitations en termes d'efficacité, de risques et de coûts. Une alternative consiste à utiliser des technologies d'assistance, tels que les exosquelettes ou la Stimulation Électrique Fonctionnelle (SEF).Néanmoins, la conception de systèmes actifs de compensation des tremblements présente plusieurs défis. Un tel système doit être capable, par exemple, d'atténuer les tremblements tout en minimisant la fatigue, la douleur et l'inconfort induit. Il doit aussi distinguer entre le tremblement et le mouvement volontaire, afin de réduire les interférences sur les mouvements intentionnels.Cette thèse se concentre donc sur l'évaluation de l'usage de la SEF pour atténuer le tremblement. Une première contribution concerne le développement des modèles neuromusculosquelettiques pour étudier l'influence des boucles réflexes sur la dynamique du tremblement, ainsi que la modulation de l'impédance de l'articulation via la co-contraction induite par la SEF. Un algorithme pour estimer en ligne le tremblement et ses caractéristiques tout en filtrant le mouvement volontaire a été proposé et validé sur patients. Enfin, un système SEF pour atténuer le tremblement basé sur le contrôle d'impédance a été conçu et évalué sur patients, alors qu'une deuxième stratégie en boucle fermée a été testée sur des sujets sains.

Tremor, defined as an involuntary, approximately rhythmic and roughly sinusoidal movement, is one of the most common movement disorders. It is not a life-threatening pathology, but it often decreases significantly the person's quality of life. Today, effective treatments for pathological tremor are not yet available, since current pharmacological and surgical alternatives still present limitations with respect to effectiveness, risks, and costs. A different approach is the use of assistive technologies, such as upper limb exoskeletons or Functional Electrical Stimulation (FES).Nevertheless, the design of active tremor compensation systems based on these technologies presents several challenges. Such a system must be able, for instance, to attenuate tremor while minimizing the induced fatigue, pain, and discomfort. Also, it must be able to distinguish between pathological tremor and voluntary motion, in order to reduce interference on intentional movements.This thesis is focused then in evaluating the use of FES to attenuate the effects of tremor. A first contribution concerns the use of neuromusculoskeletal models to study the effects reflex pathways may produce on tremor dynamics, as well as how FES-induced co-contraction may modulate joint impedance. Also, an online algorithm to estimate tremor and its features while simultaneously filtering voluntary motion has been proposed and validated with tremor patients. Finally, a FES system to attenuate tremor based on impedance control has been designed and evaluated on tremor patients, while a second strategy using closed-loop FES control has been tested on healthy subjects.