Conception d'un électrostimulateur musculaire intelligent

Design of a smart muscular electrostimulator

• Auteur / Autrice : Sandrine Gayrard
• Direction : Toufik Bakir
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 21/09/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Imagerie et Vision Artificielle (ImVia) (Dijon)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Jury : Président / Présidente : Joseph Gergaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mokrane Abdiche
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joseph Gergaud, Hassan Hammouri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Force musculaire

Muscles

Muscles -- Fatigue

Mots clés libres

Sef

Contrôle optimal

Modèle du muscle

Force musculaire

Fatigue musculaire

Emg

Fes

Optimal control

Muscle model

Muscular force

Muscular fatigue

Emg

Résumé

La Stimulation Electrique Fonctionnelle (SEF) est utilisée dans le domaine sportif ainsi que dans la réhabilitation des patients atteints de troubles neurologiques. Dans le domaine sportif, la SEF est utilisée essentiellement pour le renforcement musculaire à l'aide d'un certain nombre d'exercices bien définis. Dans le deuxième cas, les troubles neurologiques sont souvent causés par une lésion de la moelle épinière, un accident vasculaire cérébral ou une lésion cérébrale traumatique. La SEF est alors utilisée pour activer les muscles paralysés, restaurer leurs fonctions et ainsi rétablir la capacité de ces individus à exercer des activités de la vie quotidienne. Cependant, l'efficacité de la SEF est encore limitée par le contrôle imprécis des mouvements et l'apparition rapide de la fatigue musculaire à cause des protocoles conventionnels qui utilisent la manipulation des paramètres de stimulation. La conception de systèmes SEF intégrant des stratégies de contrôle (utilisant des modèles de biomécanique) peut remédier à ces problèmes. Cette thèse traite de l'optimisation des exercices de renforcement musculaire ou de rééducation, en prenant en compte l'état du muscle en temps réel. Un électrostimulateur musculaire intelligent, utilisant des techniques de stimulation électrique est couplé avec des capteurs piézoélectriques et EMG. Ces capteurs fournissent respectivement des informations sur les niveaux de force et fatigue musculaire. Ces informations sont utilisées afin de modéliser le muscle propre à chaque individu et de proposer un système embarqué en boucle fermé qui calcule le niveau de stimulation adapté au muscle, dans le but d'optimiser la réponse musculaire en force, tout en minimisant la fatigue musculaire.

Functional Electrical Stimulation (FES) is used in both sport performance and the rehabilitation of patients with neurological disorders. In sports performance, FES is primarily used for muscle strengthening through a number of well-defined exercises. In the latter case, neurological disorders are often caused by spinal cord injuries, stroke or traumatic brain injury. FES is then used to activate paralyzed muscles, restore their functions, and thus restore the ability of these individuals to perform activities of daily living. However the efficacy of FES is still limited by imprecise movement control and rapid muscle fatigue due to conventional stimulation parameter manipulation protocols. The design of FES systems incorporating control strategies (using biomechanical models) can address these problems. This thesis deals with the optimization of muscle strengthening or rehabilitation exercises, taking into account real-time state of the muscle. A smart muscle electrostimulator, using electrical stimulation techniques, is coupled with piezoelectric and EMG sensors. These sensors respectively provide information on muscle strength and fatigue levels. This information is used to model the muscle specifically to each individual and thus to design a close-loop embedded system that calculates the appropriate level of stimulation adapted to the muscle, with the aim of optimizing the muscular response in strength, while minimizing muscular fatigue.