Stratégies de stabilité en position assise chez les personnes vivant avec une lésion de la moelle épinière : de l’estimation utilisant des modèles descripteurs quasi-LPV à la validation expérimentale

Sitting Stability Strategies in People with Spinal Cord Injury : from the Estimation using Quasi-LPV Descriptor Models to Experimental Validation

• Auteur / Autrice : Hajer Srihi
• Direction : Thierry-Marie Guerra, Philippe Pudlo, Tran Anh-Tu Nguyen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, productique
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Automatique, de Mécanique et d'informatique Industrielles et Humaines
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Emilie Simoneau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry-Marie Guerra, Philippe Pudlo, Tran Anh-Tu Nguyen, Noureddine Manamanni, Yann Morère, Nasser Rezzoug
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Noureddine Manamanni, Yann Morère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Position debout

Bilan musculaire

Lésions et blessures

Moelle épinière

Mots clés libres

Modèles decripteurs

Lésion de la moelle épinière

Stratégies de stabilité

Validation expérimentale

Observation-Commande

Modélisation mécanique

Control postural

Descriptor models

Spinal cord injury

Strategies of stability

Experimental validation

Observation-Control

Mechanical modeling

Postural control

Résumé

La lésion médullaire conduit à une perte partielle ou complète de l’activité musculaire et des fonctions sensorielles en dessous du niveau lésionnel, cette atteinte de la moelle épinière entraîne une réduction drastique de la stabilité posturale en position assise et par conséquent un risque de chute élevé (Boswell-Ruys et al., 2010 ; Nelson et al., 2010).Les conséquences de la lésion médullaire sont importantes et d’ordre sensori-motrices, cardio-vasculaires, respiratoires et digestives. L’impact de la lésion sur le système stabilisateur vertébral conduit à de nouvelles stratégies de stabilisation, en cas de perturbation, qui sont différentes des stratégies mise en œuvre par les sujets asymptomatiques. Ces stratégies qui viennent compenser l’absence d'un contrôle sous-lésionnel sont basées essentiellement sur les mouvements des membres supérieurs.La compréhension de ces stratégies ainsi que la quantification des efforts articulaires qui en résultent sont nécessaires afin d’évaluer l’impact de la lésion et proposer des nouvelles techniques facilitant le maintien de la stabilité. L’un des enjeux est de savoir « retourner » vers les variables qui génèrent ces efforts, les couples articulaires, données qui ne sont pas mesurées et ne sont pas mesurables. Une manière de le faire, alternative à la « classique » dynamique inverse, a été exploitée dans les travaux précédents (Blandeau, 2018). Elle consiste, à partir d’un modèle biomécanique, à utiliser des techniques d’observation pour reconstruire ces entrées inconnues. Le formalisme utilisé est un formalisme dit de Takagi-Sugeno qui permet de décrire de façon polytopique des systèmes non linéaires. La description utilisée est de type descripteur, car elle se prête bien aux modèles mécaniques en diminuant la complexité des conditions obtenues (Estrada-Manzo, 2015).Une campagne d’essais réalisée au CRIR de Montréal (Blandeau, 2018) a permis de recueillir de nombreuses données sur la posture assise des personnes lésées médullaires. Seule une partie de ces essais a pu être exploitée car le modèle « Seated-3-segments » (S3S) utilisé ne permettait pas de décrire toutes les situations rencontrées, par exemple une dissymétrie dans les mouvements des bras.Il y a plusieurs challenges :Enrichir les modèles existants, notamment le modèle S3S (Blandeau, 2018) sachant qu’une résolution « directe » avec un observateur issu de ce type de modèle est déjà proche des limitations des solveurs actuels.Arriver à des solutions qui sont pertinentes (a minima qui utilisent les modèles biomécaniques sans simplification), compatibles avec les possibilités des solveurs et suffisamment génériques pour ne pas demander de refaire une étude complète si on ajoute des degrés de liberté supplémentaires.Dans l’esprit de ces challenges, des propositions d’observateurs non linéaires mis en cascade sont faites. Pour montrer le bien-fondé de l’approche, les résultats sont d’abord comparés à l’existant (S3S) avant d’être étendus à des modèles utilisant des degrés de liberté supplémentaires dont « Trunk-2-arms » (T2A) pour lesquels la méthodologie précédente ne peut apporter de solutions. T2A permet notamment d’exploiter des essais impliquant une dissymétrie dans les mouvements de membres supérieurs. Il reste dans les étapes suivantes à introduire les rotations, notamment au niveau des épaules pour se rapprocher des mouvements réels effectués par le sujet. La méthodologie utilisée semble parfaitement adaptée pour réaliser cette extension.Enfin, un mannequin équipé de tous les actionneurs et capteurs nécessaires permettant de reproduire les mouvements d’une personne en position assise sera utilisé avec cette fois-ci la possibilité de valider les couples articulaires reconstruits, en les comparant directement à ceux produits.

Spinal cord injury leads to a partial or complete loss of muscular activity and sensory functions below the level of injury, this damage to the spinal cord leads to a drastic reduction in postural stability in a sitting position and consequently a high risk of falling (Boswell-Ruys et al., 2010; Nelson et al., 2010).The consequences of the injury are significant and are sensorimotor, cardiovascular, respiratory and digestive. The impact of the injury on the vertebral stabilizing system leads to new stabilization strategies, in case of disturbance, which are different from the strategies implemented by asymptomatic subjects. These strategies, which compensate for the lack of sublesionel control, are essentially based on the movements of the upper limbs.Understanding these strategies as well as quantifying the resulting joint forces are necessary in order to assess the impact of the injury and propose news methods facilitating the control of seated stability.One of the challenges is knowing how to ‘’return’’ to the variables that generate these efforts, the joint torques, data which are not measured and cannot be measured. A way of doing that, an alternative to the ‘’classic’’ inverse dynamics, has been exploited in previous work (Blandeau, 2018). It consists, from a biomechnical model, of using observation techniques to reconstruct these unknown inputs. The formalism used is a so-called Takagi-Sugeno formalism in order to describe nonlinear systems in a polytopic manner. The description used is of descriptor type, because it lends itself well to mechanical models by reducing the complexity of the conditions obtained (Estrada-Manzo, 2015).A test compaign carried out at the CRIR in Montreal (Blandeau, 2018) made it possible to collect numerous data on the sitting posture of people with spinal cord injuries. Only part of these tests could be analyzed because the ‘’Seated-3-Segments’’ (S3S) model used is not able to describe all the situations encountered, for example asymmetry in arm movements.There are several challenges:Enriching existing models, in particular the S3S model (Blandeau, 2018), knowing that the ‘’direct’’ resolution with an observer from this type of model is already close to the limitations of current solvers.Arrive at solutions which are relevant (at a minimum which use biomechanical models without simplification), compatible with the possibilities of the solvers and sufficiently generic so are not to require redoing a complete study if additional degrees of freedom are added. To fulfil these challenges, proposals for cascaded nonlinear observers are made. To show the merits of the approach, the results are first compared to the existing one (S3S) before being extended to models using additional degrees of freedom including ‘’Trunk-2-Arms’’ (T2A) for which the previous methodology cannot provide solutions. T2A make it possible in particular to exploit tests involving asymmetry in upper limbs movements. In the following stages, it remains to introduce rotations, particularly at the level of the shoulders to approximate the real movements carried out by the subject. The methodology used seems perfectly suited to carry out this extension.Finally, a mannequin equipped with all the necessary actuators and sensors to reproduce the movements of a person in seated position will be used, this time with the possibility of validating the reconstructed joint torques, by directly comparing them to those produced.