Modélisation et caractérisation in vivo des propriétés neuromusculaires des enfants et adolescents atteints de paralysie cérébrale pour la personnalisation des analyses et des simulations musculosquelettiques de leur locomotion

In vivo modelling and characterization of neuromuscular properties of children and adolescents with cerebral palsy for the personalization of musculoskeletal analysis and simulation of their locomotion

• Auteur / Autrice : Axel Koussou
• Direction : Raphaël Dumas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs
• Jury : Président / Présidente : Raphaël Gross
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphaël Dumas, Hélène Pillet, Eric Desailly, Sonia Duprey, Morgan Sangeux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Raphaël Gross, Hélène Pillet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Marche (locomotion)

Transmission neuromusculaire

Spasticité

Enfants infirmes moteurs cérébraux

Mots clés libres

Paralysie cérébrale

Dynamométrie

Hyper-résistance à l'étirement

Raideur passive

Rétraction

Spasticité

Marche

Modèle musculosquelettique

Cerebral palsy

Dynamometry

Hyper-resistance to stretch

Passive stiffness

Contracture

Spasticity

Gait

Musculoskeletal model

Résumé

Les personnes avec paralysie cérébrale présentent des troubles neuromusculaires qui impactent leur qualité de marche, en engendrant, entre autres, une hyper-résistance à l’étirement. Cette dernière se compose d’une part non-neurale, résultant de la modification des propriétés tissulaires, et d’une part neurale, dont une partie vitesse-dépendante, appelée spasticité. Néanmoins, l’évaluation clinique actuelle de l’hyper-résistance à l’étirement présente de nombreuses limites, parmi lesquelles un manque d’objectivité et de discernement entre les deux parts la composant. L’utilisation de dynamomètres portables pour instrumenter l’évaluation clinique vise à corriger ces limites. Notre travail de recherche a contribué au développement et à la validation d’un protocole de mesure de l’hyper-résistance à l’étirement, consistant en une série d’étirements passifs réalisés à deux vitesses, lente et rapide, et sous cinq positions différentes. Tout d’abord, la faisabilité de ce protocole a été étudiée sur un échantillon de jeunes avec paralysie cérébrale et de jeunes asymptomatiques. Sa répétabilité intra- et inter-évaluateur, sa sensibilité aux artefacts de tissus mous, ainsi que ses bénéfices par rapport à d’autres protocoles de la littérature moins sophistiqués ont été évalués. Ce protocole s’est révélé être répétable, pertinent et faisable en clinique pour évaluer l’hyper-résistance à l’étirement du membre inférieur. Par la suite, l’exploitation des étirements à vitesse lente, nous a permis à l’aide d’un modèle musculosquelettique, original et simplifié, d’obtenir la contribution des structures passives durant la marche, en distinguant les parts uni- et biarticulaires. De manière intéressante, il est apparu que les structures passives des enfants atteints de paralysie cérébrale participaient de manière non-négligeable à différents instants du cycle de marche, mais également de manière comparable à celles d’enfants typiquement développés, et ce, malgré une raideur passive plus importante. Néanmoins, pour marcher avec une cinématique saine, les enfants atteints de paralysie cérébrale, devraient surmonter des moments passifs trop importants. Les données recueillies lors des étirements à vitesse rapide nous ont permis d’évaluer la spasticité. Pour cela, afin de quantifier l’augmentation du moment résistif uniquement dû au réflexe en la distinguant d’un simple effet visqueux, plusieurs modèles viscoélastiques, proposés dans la littérature, ont été évalués, à l’aide d’une approche originale, basée sur la généralisation à de nouvelles données. Finalement, un modèle s’est montré être plus performant que les autres et nous a permis de quantifier, avec une incertitude connue, le moment résultant du réflexe. Nous avons observé une variabilité de ce moment chez l’enfant atteint de paralysie cérébrale, appuyant le besoin d’une évaluation personnalisée. Les possibles occurrences de la spasticité lors de la marche ont également été évaluées après avoir déterminé les seuils de vitesse d’allongement musculaire auxquels apparaissent la spasticité lors d’étirements passifs, à l’aide d’une nouvelle méthode, plus cohérente physiologiquement, basée sur la cinématique enregistrée pendant l’étirement. Cette approche nous a alors permis de distinguer les patients présentant une expression probable de spasticité pendant la marche et ceux présentant une absence probable de spasticité. Finalement, les travaux ont permis de mieux comprendre les mécanismes entourant l’hyper-résistance à l’étirement des différents complexes musculo-articulaire du membre inférieur et son impact pendant la marche. La différenciation quantitative des facteurs non-neuraux et neuraux dans la paralysie cérébrale ouvre des perspectives intéressantes sur la personnalisation de la stratégie thérapeutique, sur l’effet de différents traitements et sur la compréhension des phénomènes physiopathologiques. Des études de cas sont proposées pour illustrer ce propos.

Individuals with cerebral palsy have neuromuscular disorders that impair their quality of gait, by causing, among other deficits, a hyper-resistance to stretch. The latter is composed of a non-neural part, resulting from the modification of tissue properties, and a neural part, including a velocity-dependent part, called spasticity. Nevertheless, the current clinical evaluation of hyper-resistance to stretch has many limitations, including a lack of objectivity and discernment between the two parts mentioned above. The use of handheld dynamometers to instrument clinical evaluation aims to correct these limitations. Our research work has contributed to the development and validation of a protocol for measuring hyper-stretch resistance, consisting of a series of passive stretches performed at two velocities, slow and fast, and in five different positions. Firstly, the feasibility of this protocol was studied on a sample of young individuals with cerebral palsy and asymptomatic young individuals. Its intra- and inter-rater reliability, its sensitivity to soft tissue artefacts, as well as its benefits compared to other less sophisticated protocols in the literature were evaluated. This protocol was found to be reliable, relevant and clinically feasible for assessing hyper-resistance to stretch in the lower limb. Subsequently, the exploitation of slow speed stretches allowed us to obtain the contribution of passive structures during gait, distinguishing between uni- and bi-articular parts, using an original and simplified musculoskeletal model. Interestingly, it appeared that the passive structures of children with cerebral palsy participated in a non-negligible way at different instants of the gait cycle, but also in a way comparable to those of typically developing children, despite a higher passive stiffness. Nevertheless, in order to walk with healthy kinematics, children with cerebral palsy would have to overcome excessive passive moments. The data collected during the fast speed stretches allowed us to assess spasticity. In order to quantify the increase of the resistive moment only due to the reflex and to distinguish it from a simple viscous effect, several viscoelastic models, proposed in the literature, were evaluated, using an original approach, based on the generalization to new data. Finally, one model proved to be more efficient than the others and allowed us to quantify, with a known uncertainty, the moment resulting from the reflex. We observed variability in this moment in children with cerebral palsy, supporting the need for personalized assessment. The possible occurrences of spasticity during gait were also assessed after determining the muscle lengthening velocity thresholds at which spasticity occurs during passive stretches, using a new method, more physiologically consistent and based on the kinematics recorded during stretches. This approach then allowed us to distinguish between patients with a probable expression of spasticity during gait and those with a probable absence of spasticity. Finally, all this work allowed us to better understand the mechanisms surrounding the hyper-resistance to stretch of the different musculo-articular complexes of the lower limb and its impact on gait. The quantitative differentiation of non-neural and neural factors in cerebral palsy opens interesting perspectives on the personalization of the therapeutic strategy, on the effect of different treatments and on the understanding of physiopathological phenomena. Case studies are proposed to illustrate this point.