IBTS-77-RP-1000
Système neuro-musculaire et organisation neurologique du mouvement
Les muscles striés squelettiques assurent, sous le contrôle du système nerveux, la motricité de l’humain (la locomotion, les postures, etc.). Le système nerveux est constitué de millions de cellules interconnectées appelées neurones et spécialisées dans le traitement et la transmission de l’influx nerveux dans le corps. Ces cellules sont organisées en deux systèmes fonctionnels :
le système nerveux somatique, chargé du contrôle volontaire et réflexe des muscles squelettiques, et le système nerveux autonome, chargé du contrôle d’organes comme le cœur, sans intervention de la volonté humaine. Le système nerveux central (SNC) et le système nerveux périphérique (SNP) assurent le fonctionnement de ces deux systèmes.
Élément de base du système nerveux- le neurone : Les neurones constituent les éléments de base du système nerveux. Ils ont pour rôle de communiquer et de traiter les informations entre l’environnement et l’organisme.
Le neurone est une cellule excitable ; autrement dit, lorsqu’un neurone est suffisamment excité (dépassement d’un certain potentiel électrique), il répond par la formation d’un signal bioélectrique appelé potentiel d’action (anciennement appelé influx nerveux), qui peut être transmis à d’autres neurones ou à d’autres cellules à activer (des muscles, des glandes sécrétrices, etc.).
Étant donnée la complexité du fonctionnement microscopique du neurone et dans un souci de simplification, nous considérons ici le neurone d’un point de vue fonctionnel. Le neurone peut être alors vu comme un système avec des entrées, des sorties et une unité de traitement :
Dendrites (entrées) : il s’agit des ramifications d’où proviennent les informations émanant d’autres neurones ;
Noyau (unité de traitement) : contenu dans le corps cellulaire du neurone, le noyau reçoit les informations transmises par les dendrites et les traite en générant ou pas un potentiel d’action. Si le potentiel d’action est généré, le neurone est dit actif et sa sortie est à l’état haut. Dans le cas contraire, le neurone est dit inactif et sa sortie est à l’état bas ;
Axone (sortie) : il s’agit d’un canal transmetteur par lequel le résultat du traitement est diffusé. L’axone peut être représenté par à un fil dont la longueur peut atteindre 1 mètre, et possède des ramifications à son extremité. Chaque ramification se termine par une synapse qui peut se raccorder à d’autres neurones via leurs entrées (dendrites) ou bien à un autre type de cellule (muscle, glande, etc).
Lorsqu’un neurone est spécialisé dans la contrôle moteur, il est directement connecté à une cellule musculaire. On parle alors de moto-neurone dont les synapses sont appelées synapses neuro-musculaires. Les moto-neurones α innervent les muscles squelettiques .
Mécanisme de génération de la force musculaire
Si le sarcomère est la plus petite unité du muscle d’un point de vue fonctionnel, c’est l’unité motrice qui constitue, d’un point de vue physiologique, la plus petite unité de mouvement .
Lorsqu’un moto-neurone est activé, toutes les fibres de l’unité motrice sont excitées par le potentiel d’action transmis par l’axone du moto-neurone via les jonctions neuro-musculaires, et se contractent en même temps .
Les jonctions neuro-musculaires ne couvrent pas l’intégralité du muscle, par conséquent, lorsqu’un moto-neurone est activé, un signal électrique apparaît. Ce signal se propage le long de la fibre musculaire pour exciter toute la fibre musculaire et c’est ce signal qui est à l’origine des signaux EMG (Électromyogramme).
L’excitation d’une unité motrice ne produit qu’une secousse musculaire et ce n’est que grâce à la capacité des muscles à additionner ces secousses qu’un muscle développe une force suffisamment importante pour produire un mouvement.
Excitation musculaire (origine des EMG) : L’arrivée d’un potentiel d’action via les voies motrices suite à une commande volontaire, automatique ou réflexe, entraîne une modification de la perméabilité de la membrane musculaire causant sa dépolarisation, et ce, en passant transitoirement d’un potentiel négatif à un potentiel positif. Suite à cette dépolarisation, un signal électrique est propagé le long de la fibre musculaire pour exciter l’ensemble de la fibre musculaire (ensemble des sarcomères) ; ce signal est appelé potentiel d’action musculaire.
La dépolarisation produit un champs électromagnétique dû au mouvement d’ions le long de la membrane musculaire. La somme algébrique de tous les potentiels d’action musculaires représente un signal EMG (Électromyogramme) .
Genèse du potentiel d’action musculaire : Le potentiel de la membrane musculaire au repos est d’environ -70/-90 mV, correspondant au potentiel d’équilibre du potassium (K+).
Lorsqu’un potentiel d’action est généré, le potentiel de la membrane musculaire s’inverse brièvement pour atteindre un pic d’une valeur avoisinant les +40 à +50 mV. Cette valeur correspond au potentiel d’équilibre du sodium Na+ . Cette phase est appelée dépolarisation.
Lorsque cette dépolarisation atteint un niveau critique du potentiel de membrane, appelé potentiel seuil, un potentiel d’action musculaire apparaît puis est propagé le long de la fibre musculaire. L’apparition du potentiel d’action musculaire est suivi d’une phase de re-polarisation qui amène transitoirement le potentiel de la membrane à dépasser celui au repos ; ce dépassement est dû à une hyperpolarisation de la membrane .
Système musculo-squelettique du membre inférieur
Le système musculo-squelettique forme la morphologie de l’humain. Connu également sous le nom d’appareil locomoteur, il permet à l’humain de se déplacer, de se stabiliser et joue un rôle de soutien pour le corps et de protection des organes vitaux.
Il est constitué de plusieurs éléments : les os de l’organisme (le squelette), les muscles, le cartilage, les tendons, les ligaments, les articulations et les tissus conjonctifs qui l’enveloppent en liant les organes ensemble. Le système musculo-squelettique décrit, d’une part, comment les os sont reliés entre eux et d’autre part, comment les os sont reliés aux fibres musculaires via des tissus conjonctifs comme les tendons et les ligaments. Les os stabilisent le corps. Les muscles, quant à eux, maintiennent les os en place et jouent également un rôle dans le mouvement des os. Pour permettre le mouvement, les os sont reliés par des articulations. Le cartilage empêche les frottements entre les os.
Système squelettique
Le système squelettique humain est constitué d’un squelette axial (entourant les viscères) et d’un squelette appendiculaire (membres supérieurs et inférieurs), tous deux attachés à l’axe médian (la colonne vertébrale) par les ceintures scapulaire (ou «pectorale ») et pelvienne.
Dans ce mémoire, nous nous intéressons au squelette responsable de la locomotion, à savoir, le squelette appendiculaire . Ce squelette permet d’assurer plusieurs fonctions telles que :
Le soutien du corps humain à travers les points d’attaches des muscles et des tissus mous ; La protection des organes internes contre les blessures (l’os du crâne pour l’encéphale, les vertèbres pour la moelle épinière, la cage thoracique pour le cœur et les poumons, etc.) ; Le mouvement du corps humain à travers la contraction/extension des muscles reliés aux os.
Le système appendiculaire est divisé en six régions principales : Les ceintures scapulaires (4 os) : clavicule (2) et scapula (2). Les bras et avant-bras (6 os) : humérus (2) (bras) ; cubitus ou ulna (2) et radius (2) (avant-bras).
Les mains (54 os) : carpe (16) (poignet) ; métacarpe (10), phalanges (10), phalangines (8), phalangettes (10) (les phalanges).
Les ceintures pelviennes (2 os) : os coxal ou iliaque (2). Les Cuisses et les jambes (8 os) : fémur (2) (cuisse), tibia (os) (2) (jambe), rotule (os) (2) (genoux), et fibula (2) (jambe).
Les pieds et les chevilles (52 os) : le tarse (14) (cheville) ; métatarse (10), phalanges (10), phalangines (8), phalangettes (10) (les phalanges).
Système articulaire et segments du membre inférieur
Le corps humain est constitué de segments poly-articulés où chaque articulation possède un ou plusieurs degrés de liberté (ddl). Ces articulations assurent la mobilité du squelette et la liaison entre les os. Elles peuvent être regroupées selon leur structure (fibreuse, cartilagineuse ou synoviale) ou selon leur fonction (immobile, semi-mobile ou mobile). Les articulations mobiles sont essentiellement situées dans les membres, tandis que les articulations semi-mobiles et immobiles sont presque exclusives au squelette axial. une articulation synoviale est décrite en général à l’aide des propriétés suivantes:
Les surfaces des os qui s’articulent sont recouvertes d’un cartilage articulaire ; Les surfaces articulaires sont enfermées dans une capsule articulaire ; La capsule articulaire entoure une cavité articulaire remplie de liquide synovial lubrifiant ; La capsule articulaire est habituellement renforcée par des ligaments.
Déficiences et troubles du système neuro-musculo-squelettique
Déficience du système neuro-musculo-squelettique
Si on tient compte de leurs origines, on recense cinq types de déficiences motrices :
Cérébrale : Des lésions au niveau du cerveau peuvent se traduire par une infirmité motrice cérébrale (IMC). Ces lésions peuvent être dues à des traumatismes crâniens, des accidents vasculaires cérébraux ou à des tumeurs du cerveau. Ces atteintes du système nerveux peuvent entraîner la perturbation du tonus musculaire, de la régulation des mouvements ou de la commande volontaire. Seul le système nerveux est touché dans un premier temps mais le système musculaire et le squelette peuvent subir les conséquences de ces perturbations a posteriori.
Médullaire : Des lésions du système nerveux périphérique dues à un accident ou bien à une maladie de la moelle épinière peuvent provoquer des troubles de la conduction de l’influx nerveux moteur et sensitif, ce qui entraine l’impossibilité d’exécuter des mouvements volontaires. Plus le niveau de l’atteinte est proche du cerveau, plus la paralysie est importante. La tétraplégie se traduit par l’impossibilité pour l’humain d’utiliser de façon volontaire ses quatre membres alors que la paraplégie ne concerne que les membres inférieurs. On détermine ces atteintes par deux signes : les troubles sphinctériens et de sensibilité
Neuro-musculaire : De nombreuses maladies sont à l’origine de troubles neuro-musculaires. Ces maladies sont pour la plupart génétiques comme les myopathies ou l’amyotrophie spinale infantile. Ce sont des maladies dégénératives avec une perte progressive de la force musculaire. Ces troubles induisent des déformations orthopédiques, des insuffisances respiratoires et parfois cardiaques, des difficultés à déglutir et des troubles digestifs.
Ostéo-articulaire : Des malformations peuvent aussi être à l’origine de déficiences motrices : les anomalies ou absences de membres, les rhumatismes, les déformations de la colonne vertébrale, les malformations de l’os, les amputations ou bien encore les hémorragies intra-articulaires des hémophiles.
Troubles musculo-squelettiques (TMS) du genou
Les affections touchant les muscles, les tendons, les nerfs, les articulations et les os font partie des troubles musculo-squelettiques (TMS). Ces troubles touchent, dans la majorité des cas, la colonne vertébrale, les membres supérieurs ou les genoux. Les affections les plus fréquentes sont les lombalgies, les cervicalgies, les douleurs articulaires, les tendinites et le syndrome du canal carpien.
En Europe, le premier problème de santé dans le milieu du travail concerne les TMS, ce qui constitue en soit un problème économique. Près de 24% des travailleurs de l’Union Européenne déclarent souffrir du dos et 22% se plaignent de douleurs musculaires. Ces deux affections sont plus répandues dans les nouveaux États membres où leurs taux de fréquence respectifs sont de 39 et 36% . Il est possible de palier à ces maladies par une prévention efficace.
Les TMS du genou les plus courants sont :
Le syndrome de compression du nerf sciatique poplité externe, apparaissant lors d’une position accroupie prolongée.
L’hygroma des bourses séreuses : ce trouble apparaît lors d’un appui prolongé sur le genou. La tendinite rotulienne ou sous-quadricipitale. Elle apparaît lors des mouvements répétés d’extension ou de flexion du genou.
La tendinite de la patte d’oie. Elle apparaît lors des mouvements répétés d’extension ou de flexion du genou. C’est alors la face interne et postérieure du genou qui est touchée.
Exosquelettes/orthèses pour l’assistance à la mobilité et à la rééducation
En pratique, il existe deux techniques de rééducation des membres inférieurs : la première, dite passive, permet la rééducation des pathologies articulaires et ligamentaires. Pour ce faire, des mouvements riches en amplitudes sont appliqués par généralement un médecin thérapeute ou par un dispositif d’assistance externe, de telle sorte à obliger l’articulation défaillante à retrouver avec le temps son mouvement naturel. La seconde technique est dite active, car elle vise le renforcement musculaire et l’amélioration de la coordination motrice par l’intermédiaire de mouvements induits par le patient et assistés par un médecin thérapeute ou un dispositif spécifique appelé «ergomètre».
D’autres dispositifs mécatroniques sont apparus à partir du 20ème siècle, et connus sous le nom d’exosquelettes ou orthèses. Ils sont utilisés dans différents domaines d’applications dans le but d’augmenter, d’assister ou de restaurer les mouvements du porteur. Dans ce qui suit, nous passons en revue les principaux travaux sur les exosquelettes comme dispositifs pour l’assistance à la mobilité et à la rééducation.
Les orthèses fonctionnelles du genou sont utilisées pour pallier un déficit fonctionnel du genou. On peut citer l’exemple d’un genou instable après une lésion du ligament croisé antérieur, nécessitant une phase de rééducation pendant une période donnée, dans un but précis d’immobilisation ou au contraire de récupération d’amplitude. Couplé à un tapis roulant, un exosquelette peut être utilisé pour l’assistance à la mobilité et à la rééducation des personnes dépendantes. Cette technique offre de nombreux avantages tels que :
La reproduction de mouvements articulaires correspondant à une marche normale en vue de favoriser l’extension de la hanche, l’alternance flexion/extension du genou et un bon placement du pied ;
Le changement de la vitesse de marche de telle sorte à se rapprocher progressivement de la vitesse normale de déambulation ;
Le maintien d’une extension correcte du tronc ; La synchronisation et la coordination entre les deux membres inférieurs pendant les deux phases de la marche (phase portante/ phase oscillante) ; La recherche d’un grand nombre de répétitions de cycles de marche.
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Table des matières
I Introduction générale
II Contexte applicatif & état de l’art
II.1 Introduction
II.2 Système neuro-musculo-squelettique du membre inférieur
II.2.1 Système neuro-musculaire : du cerveau au muscle
II.2.1.1 Système neuro-musculaire et organisation neurologique du mouvement
II.2.1.2 Mécanisme de la contraction musculaire
II.2.1.3 Mécanisme de génération de la force musculaire
II.2.2 Système musculo-squelettique du membre inférieur
II.2.2.1 Système squelettique
II.2.2.2 Système articulaire et segments du membre inférieur
II.2.2.3 Articulations du membre inférieur
II.2.2.4 Système musculaire du membre inférieur
II.2.3 Déficiences et troubles du système neuro-musculo-squelettique
II.2.3.1 Déficience du système neuro-musculo-squelettique
II.2.3.2 Troubles musculo-squelettiques (TMS) du genou
II.2.3.3 Traumatismes du genou
II.2.3.4 Vieillissement normal du système neuro-musculaire
II.3 Exosquelettes/orthèses pour l’assistance à la mobilité et à la rééducation
II.3.1 Techniques de rééducation et de réadaptation
II.3.1.1 Rééducation passive
II.3.1.2 Rééducation active
II.3.2 Exosquelettes : définition et domaines d’application
II.3.3 Exosquelettes : historique et état de l’art
II.3.3.1 Historique de l’évolution des exosquelettes
II.3.4 Exosquelettes portables pour l’assistance et la rééducation des membres inférieurs
II.3.5 Exosquelettes/orthèses basés capteurs mécaniques
II.3.5.1 Exosquelette Roboknee
II.3.5.2 Exosquelette AKROD-Active Knee Rehabilitation Orthotic Device
II.3.5.3 Orthèse de l’université de Saitama-Japon
II.3.5.4 Orthèse de l’université de Salford-Angleterre
II.3.6 Exosquelettes/orthèses basés sur des bio-capteurs
II.3.6.1 Exosquelette de l’université Saga-Japan
II.3.6.2 Exosquelette HAL (Hybrid Assistive Limb)
II.3.6.3 Exosquelette de l’université de Berlin
II.3.6.4 Exosquelette de l’université de Taiwan
II.3.7 Autres exosquelettes exosquelettes/orthèses basées-EMG
II.4 Conclusion
III Modélisation et Identification
III.1 Introduction
III.2 Modélisation dynamique du système Exosquelette-Membre inférieur
III.2.1 Liaison Exosquelette-Membre inférieur totalement rigide
III.2.2 Liaison Exosquelette-Membre inférieur à rigidité limitée
III.3 Modélisation du complexe muscle-tendons
III.3.1 État de l’art
III.3.2 Modélisation du complexe muscle-tendons
III.3.2.1 Force active de l’élément contractile
III.3.2.2 Dynamique d’activation et de désactivation musculaire
III.3.3 Structures passives
III.3.3.1 Force passive du muscle
III.3.3.2 L’élément amortisseur
III.3.3.3 Le tendon
III.3.4 Modélisation de la dynamique de contraction musculaire
III.4 Modélisation musculo-squelettique du membre inférieur
III.4.1 Description fonctionnelle de l’articulation du genou
III.4.1.1 Anatomie de l’articulation du genou
III.4.1.2 Stabilisation de l’articulation du genou
III.4.1.3 Muscles de l’articulation du genou
III.4.2 Modélisation géométrique du membre inférieur
III.4.2.1 État de l’art
III.4.2.2 Modèle musculo-squelettique générique du membre inférieur
III.4.2.3 Modèle planaire polynomial proposé
III.5 Identifications paramétriques
III.5.1 Protocole expérimental
III.5.2 Identification des paramètres dynamiques
III.5.3 Identification des paramètres du modèle musculo-squelettique proposé
III.5.4 Identification des paramètres des complexes muscle-tendons
III.6 Conclusion
IV Commandes assistives et analyse de stabilité
IV.1 Introduction
IV.2 Stabilité et méthodes de commande
IV.2.1 Stabilité des systèmes dynamiques
IV.2.1.1 Stabilité au sens de Lyapunov
IV.2.1.2 Principe d’invariance de LaSalle
IV.2.1.3 Stabilité au sens gain-L2 fini
IV.2.2 Commande basée sur la passivité
IV.2.2.1 Généralités sur les systèmes passifs
IV.2.2.2 Stabilité des systèmes passifs
IV.2.2.3 Commande basée sur la passivité : formulation générale
IV.2.2.4 Commande d’un robot manipulateur basée sur la passivité
IV.2.3 Commande par saturation
IV.2.3.1 Principe
IV.2.3.2 Méthodes de commande par saturation
IV.3 Commandes assistives : Propositions
IV.3.1 Commande passive pour l’assistance en mode actif-aidé (assistance au besoin)
IV.3.2 Commande par saturation pour l’assistance en mode actif-aidé
IV.3.3 Commande basée sur la dynamique d’interaction pour l’assistance en mode actif-aidé
IV.4 Conclusion
V Mise en œuvre et évaluation expérimentale
V.1 Introduction
V.2 Exosquelette EICOSI – Exosquelette Intelligent COmmuniquant et Sensible à l’Intention
V.3 Exosquelette EICOSI – Exosquelette Intelligent COmmuniquant et Sensible à l’Intention
V.4 Protocole expérimental
V.5 Commande passive pour l’assistance en mode actif-aidé
V.6 Commande par saturation pour l’assistance en mode passif ou actif-aidé
V.7 Commande basée sur la dynamique d’interaction pour l’assistance en mode actif-aidé
V.8 Conclusion
VI Conclusion générale et perspectives
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