Modélisation et Identification des Muscles Squelettiquessous Stimulation Electrique Fonctionnelle

Le progrès scientifique dans les disciplines fondamentales telles que la mathématique, la physique, la chimie et la médecine, associé aux développements des sciences de l’ingénieur telles que la robotique, l’automatique, l’informatique et la microélectronique ont permis une amélioration globale des conditions de vie de l’homme. En particulier, les recherches menées sur la réhabilitation fonctionnelle grâce à la stimulation électrique ont été importantes durant ces dernières années. Les stimulateurs cardiaques « pacemakers » ont par exemple augmenté l’espérance de vie d’un grand nombre de patients souffrant de maladies cardiaques. La restauration de la fonction auditive a également connu des avancées significatives grâce aux implants cochléaires ou prothèses auditives. La stimulation des voies sensorielles auditives peut permettre à des individus mal entendants d’identifier la  parole. Par contre, la réhabilitation des fonctions du système locomoteur a lentement avancé par rapport aux autres. En effet, elle nécessite la commande et la coordination de plusieurs muscles, la mise en œuvre de capteurs et de stratégies sophistiquées afin de s’adapter à des conditions environnementales variées. Cependant, grâce aux efforts des chercheurs et des ingénieurs dans le monde, des solutions viables commencent à émerger.

Déficience motrice 

Dans le cas de la paraplégie par exemple, la déficience motrice qui touche les membres inférieurs suite à une lésion de la moelle épinière dégrade les capacités motrices et la gestion de l’équilibre postural pour réaliser les tâches quotidiennes. En fonction du type de handicap et de son étendue, le recours à des techniques de réhabilitation fonctionnelle peut être nécessaire pour permettre au patient d’accéder à la station debout et à la marche . La réhabilitation fonctionnelle par FES permet de restaurer l’activité motrice des membres déficients en appliquant des séquences de stimulation électrique aux muscles via des électrodes placées à la surface du muscle ou directement sur les nerfs moteurs [Azevedo 2005]. Rétablir la fonction des membres paralysés correspond à des situations où une partie du corps du patient est contrôlée artificiellement. Le contrôleur artificiel et le système nerveux central (SNC) vont donc cohabiter, et il est important de noter qu’en fonction du type de handicap le membre déficient pourra se trouver sous l’influence unique du contrôleur artificiel, ou sous les influences partagées du contrôleur artificiel et du SNC . Dans le cas d’une paraplégie complète, il y a absence d’activité musculaire volontaire et de sensibilité au niveau des deux jambes. Dans le cas d’une hémiplégie due à une lésion incomplète de la moelle épinière ou plus souvent un accident cardio-vasculaire cérébral, on se trouve en présence : i) d’une paralysie plus ou moins complète de la moitié du corps, ii) d’anomalies de la motricité volontaire, iii) de désordres spastiques. La rééducation via la FES permet par exemple, d’améliorer la qualité de la marche. Dans ce cas, le membre déficient est sous l’influence double du contrôleur artificiel et du SNC. Dans ces différentes atteintes de la motricité, on notera que les membres supérieurs (tronc et bras) gardent leur fonction ainsi qu’éventuellement l’une des jambes (hémiplégie et amputation).

Contrôle nerveux de la motricité 

Le contrôle nerveux de la motricité somatique concerne tous les mécanismes nerveux qui commandent, à des degrés divers, la contraction des muscles squelettiques. Il implique plusieurs voies et boucles nerveuses qui agissent sur les motoneurones innervant les fibres musculaires squelettiques. Les voies motrices qui convergent sur les motoneurones sont organisées sur plusieurs niveaux comme une structure hiérarchisée. Au niveau hiérarchique le plus bas, les arcs réflexes participent directement à la régulation de la contraction musculaire (longueur et force de contraction du muscle). Le niveau d’intégration immédiatement supérieur est celui des activités motrices automatiques. Les automatismes moteurs sont des activités rythmiques (respiration, locomotion, etc.) et ils sont élaborés par des réseaux de neurones autonomes situés dans la moelle épinière et/ou dans le tronc cérébral. A un niveau d’organisation encore plus élevé situé dans le tronc cérébral, le contrôle de la posture et le maintien de l’équilibre du corps a lieu. Le mouvement volontaire est contrôlé au niveau hiérarchique le plus élevé et principalement assuré à partir de l’encéphale [Valet 96].

Système nerveux 

Le système nerveux est un système en réseau formé des organes de sens, des nerfs, de la moelle épinière et du cerveau. Il coordonne les mouvements, contrôle les organes et véhicule les informations sensorielles et motrices vers les effecteurs. Le système nerveux remplit ainsi trois fonctions essentielles : la fonction sensitive qui détecte toute modification de l’environnement et de l’état interne, à l’aide des récepteurs et achemine les informations vers le centre d’intégration, la fonction intégratrice qui intègre et analyse les informations et décide d’une réponse appropriée, la fonction motrice qui envoie un signal à l’effecteur pour qu’il entre en action. Il est constitué du système nerveux central et du système nerveux périphérique . Le système nerveux central comprend l’encéphale et la moelle épinière. L’encéphale comprend trois organes, le cerveau, le cervelet et le tronc cérébral. Ces organes sont des centres d’intégration qui analysent et interprètent les informations sensorielles afin de donner des commandes motrices basées sur l’expérience de l’individu, ou sur des circuits réflexes par exemple. Le système nerveux périphérique est composé des organes du système situés à l’extérieur du système nerveux central. Ces organes correspondent aux différents nerfs rattachés à l’encéphale ou à la moelle épinière.

Le cerveau est l’organe central qui supervise le système nerveux et renferme diverses régions fondamentales telles que le cortex cérébral, les ganglions de base, etc. Il contrôle et coordonne la plupart des mouvements, le comportement et le fonctionnement des organes internes.

Contrôle du mouvement humain 

Un contrôle du mouvement se traduit par une réponse optimale dans un contexte impliquant des contraintes externes et internes. Les contraintes externes sont celles imposées par les conditions environnementales dans lesquelles l’action est effectuée, comme les forces de gravité et les forces de réaction du sol. Les contraintes internes sont celles qui proviennent du corps lui-même : la configuration géométrique du corps, l’inertie des segments et les forces internes associées à la contraction musculaire. L’organisation centrale de la motricité tient compte de toutes ces contraintes externes et internes. Le contrôle central du mouvement implique des boucles de commandes multiples et parallèles qui sont coordonnées afin de les intégrer pour réaliser un acte [Massion 1992].

Le contrôle du mouvement est sous la dépendance du cerveau et peut être divisé en trois phases principales :
1. La phase préparatoire, au cours de laquelle se fait l’identification de l’objectif, sa reconnaissance et sa position.
2. La phase de programmation de mouvement à accomplir. Cette phase consiste à définir les caractéristiques de la réponse sélectionnée en termes de séquences de contractions musculaires nécessaires pour réaliser la réponse choisie.
3. La phase d’exécution du mouvement au cours de laquelle on distingue : l’initiation du mouvement : cette partie est initiée par les ganglions de la base (c’est le déplacement initial du segment concerné). L’ajustement : le mouvement ralentit et est contrôlé par les informations sensorielles. Cette phase implique la participation du cervelet .

Les contrôles nerveux du mouvement et de la posture sont étroitement liés. L’exécution d’un mouvement entraîne une déstabilisation de la posture. L’ajustement de la posture constitue un ensemble coordonné d’actes moteurs permettant de maintenir une posture en dépit d’événements pouvant la perturber. Le déclenchement des ajustements posturaux agit suivant deux principes différents : la compensation et l’anticipation. La commande nerveuse d’un mouvement prend en compte la part prévisible des perturbations posturales et inclut des ajustements posturaux standard chargés de les anticiper. Ce système fonctionne en boucle ouverte. Cependant, une ou plusieurs boucles fermées assurent un contrôle chargé d’apporter les corrections nécessaires aux perturbations posturales intervenant réellement lors de l’exécution du mouvement .

Les réflexes sont le niveau hiérarchique de mouvement le plus bas : leur mise en œuvre est essentiellement assuré par la moelle épinière. Pour le muscle squelettique deux variables d’état musculaire sont l’objet d’une régulation nerveuse : la longueur du muscle et la force exercée sur les tendons. Ces régulations tendent principalement à préserver l’intégrité du muscle et maintenir une posture. Néanmoins le gain des boucles de contre réaction reste sous le contrôle des centres supérieurs afin de ne pas gêner l’exécution d’un mouvement (en particulier les mouvements rapides). En fonction des capteurs sensoriels mis en jeu au niveau de l’effecteur musculaire, on distingue le réflexe myotatique qui est déclenché par la stimulation du fuseau neuromusculaire et le réflexe tendineux de Golgi dû aux récepteurs de Golgi.

Table des matières

Remerciements
Table de matières
Table des figures
Liste de tableaux
Introduction générale
1. PROBLEMATIQUE DE LA STIMULATION ELECTRIQUE FONCTIONNELLE
1.1. Déficience motrice
1.1.1. Contrôle nerveux de la motricité
1.1.2. Blessure médullaire
1.2. Réhabilitation fonctionnelle par FES
1.2.1. Historique et introduction à la FES
1.2.2. Les stimulateurs électriques
2. PHYSIOLOGIE DU SYSTEME MOTEUR
2.1. Système squelettique
2.1.1. Articulation
2.1.2. Les tendons
2.1.3. Action musculaire sur les articulations
2.2. Organisation des muscles
2.2.1. Fonctions principales des muscles
2.2.2. Propriétés des muscles
2.2.3. Type de muscles
2.3. Les muscles striés squelettiques
2.3.1. Structure des muscles squelettiques
2.3.2. Type des fibres musculaires squelettiques
2.3.3. Unité motrice et recrutement
2.3.4. Dynamique de calcium
2.3.5. Mécanisme de contraction
2.3.6. Type de contraction musculaire
2.3.7. Réponse musculaire et tétanos
2.3.8. Énergie et fatigue musculaire
2.3.9. Relations caractéristiques
3. ETAT DE L’ART DE LA MODELISATION DU MUSCLE
3.1. Modèle de Hill
3.2. Modèle microscopique de Huxley
3.3. Modèle de moment de Zahalak
3.4. Modèle de fibre musculaire commandée
4. PROPOSITION D’UN MODELE DU MUSCLE COMMANDE
4.1. Modèle mécanique de l’activité musculaire
4.1.1. Description macroscopique du modèle mécanique
4.1.2. Description microscopique de l’élément contractile commandé
4.1.3. Relation Force — Longueur
4.2. Modèle d’activation du muscle
4.2.1. Modèle de recrutement des fibres musculaires
4.2.2. Modèle d’activation dynamique
4.3. Synthèse du modèle mécanique du muscle
4.4. Simulation du modèle d’un muscle seul
4.5. Conclusion
5. IDENTIFICATION EXPERIMENTALE DU MODELE DE MUSCLE
5.1. Identification non linéaire
5.1.1. Méthode à erreur de sortie
5.1.2. Filtre de Kalman
5.2. Planification d’expérience
5.2.1. Contraintes de mesures
5.2.2. Plateaux techniques
5.3. Résultats d’identification du modèle de muscle
5.3.1. Relation Force-Longueur
5.3.2. Modèle mécanique du muscle
5.3.3. Discussion et validation croisée
5.4. Conclusion
Conclusion générale

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