Nouvelles Approches de la Stimulation Électrique Fonctionnelle pour la Rééducation : Développement, Analyse et Optimisation

Novel Approaches in Functional Electrical Stimulation for Rehabilitation : Development, Analysis, and Optimization

• Auteur / Autrice : Ehsan Jafari
• Direction : Vance Bergeron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 10/06/2024
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Kurage
• Jury : Président / Présidente : Alessandra Pedrocchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vance Bergeron, Alessandra Pedrocchi, Emilia Ambrosini, Kei Masani, Amine Metani, Christophe Hautier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emilia Ambrosini, Kei Masani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Muscles -- Fatigue

Électrodes

Stimulation électrique

Cyclisme

Mots clés libres

Stimulation électrique fonctionnelle (SEF)

Stimulation séquentielle distribuée spatialement (SSDS)

Électrode textile

Optimisation

Cyclisme

Fatigue

Functional electrical stimulation (FES)

Spatially distributed sequential stimulation (SDSS)

Textile Electrode

Optimization

Cycling

Fatigue

Résumé

Cette thèse vise à surmonter les limites de la stimulation électrique fonctionnelle (SEF) grâce à une approche novatrice et multimodale, qui explore aussi bien le développement d'électrodes transcutanées, que les stratégies de stimulation, ainsi que les perspectives d'optimisation biomécanique. Une première étude compare l'efficacité des électrodes textiles intégrées dans les vêtements, utilisées avec une lotion hydratante, par rapport aux électrodes conventionnelles à hydrogel auto-adhésives. L'évaluation porte sur des aspects tels que le confort de la stimulation, la cohérence temporelle, l'efficacité, et le comportement de l'impédance électrique dans des conditions isométriques. Les participants à l'étude ont effectué des tests avec les deux types d'électrodes, nous permettant d’évaluer des paramètres tels que les intensités minimales générant une contraction musculaire ou une sensation de brûlure, et l'intensité maximale tolérable. Les résultats indiquent que les électrodes textiles, lorsqu'elles sont complétées par une lotion, sont comparables aux électrodes à hydrogel en termes de confort, de consistance et d'efficacité. Une seconde étude examine l'impact de la stimulation séquentielle distribuée spatialement (SSDS) à intensité moyenne ou haute, sur la réduction de la fatigue chez les personnes souffrant d'une lésion de la moelle épinière. L'étude révèle que la SSDS est significativement plus efficace à moyenne intensité. En outre, une étude de cas a été réalisée pour évaluer les différences de puissance et fatigue produites lors d’un exercice de cyclisme électrostimulé utilisant la SSDS. Il s'agissait de stimuler les quadriceps de quatre participants paraplégiques moteurs complets. L’étude a montré que la SSDS génère non seulement plus de puissance que la configuration à une seule électrode, mais également sans avoir d'impact significatif sur le niveau de fatigue. La dernière étude se concentre sur l'optimisation des propriétés biomécaniques du cyclisme et de la séquence de stimulation afin d'obtenir une puissance de sortie maximale avec une stimulation appliquée minimale. Un modèle musculaire précis et facile à utiliser, associé à des fonctions de transfert de couple basées sur le Jacobien, a été adopté pour déterminer la position assise optimale, l'angle du tronc, la longueur du bras de manivelle et les séquences de stimulation. En outre, l'impact de la fonction force-vitesse du muscle sur la détermination de la position assise optimale et des séquences de stimulation a été étudié. Les modèles de simulation ont montré un effet insignifiant de la fonction force-vitesse sur la position assise optimale de six sujets sains simulés. Nous pensons que les contributions de cette thèse augmenteront l'efficacité de la SEF en tant que technique de rééducation fonctionnelle.

This thesis aims to overcome the limitations of functional electrical stimulation (FES) through a multifaceted novel approach that concentrates on developing transcutaneous electrodes, stimulation strategies, and biomechanical optimization perspectives. The first study investigates the effectiveness of garment-embedded textile electrodes, used with a moisturizing lotion, against conventional self-adhesive hydrogel electrodes. The evaluation encompasses aspects such as stimulation comfort, temporal consistency, efficiency, and electrical impedance behavior under isometric conditions. Participants in the study underwent tests with both electrode types, evaluating parameters like motor threshold intensity, burning sensation intensity, and maximum tolerable intensity. The results indicate that textile electrodes, when supplemented with lotion, perform comparably to hydrogel electrodes in terms of comfort, consistency, and efficiency. The next study investigates the impact of spatially distributed sequential stimulation (SDSS) at high and moderate intensities on reducing fatigue in individuals with spinal cord injury. The study, focusing on the quadriceps muscle group, found that moderate-intensity SDSS is significantly more effective than high-intensity SDSS. Additionally, a case study was conducted to assess the differences in power generation and fatigue levels between FES cycling using SDSS and a single electrode setup. This involved stimulating the paralyzed quadriceps muscles of four participants over multiple days during motor-assisted FES cycling. The results indicated that SDSS not only generated more power compared to the single electrode setup but did so without significantly impacting fatigue levels. The last study focuses on the optimization of the cycling biomechanical properties and stimulation pattern to achieve maximum output power with minimum applied stimulation. In this work, an easy-to-use and precise muscle model in conjunction with Jacobian-based torque transfer functions was adopted to determine the optimal seating position, trunk angle, crank arm length, and stimulation intervals. Furthermore, the impact of muscle force-velocity factor in finding the optimal seating position and stimulation intervals was investigated. The simulation models showed the trivial effect of the force-velocity factor on the resulting optimal seating position of six healthy simulated subjects. We believe that the contributions of this thesis will increase the efficacy of FES as a rehabilitation technique.