Academic literature on the topic 'Muscles – Modèles mathématiques'

Cette étude présente un modèle mathématique des sensations thermiques de l’être humain en régime transitoire et en milieu non homogène. Le corps humain est représenté par dix sept segments, chaque segment est modélisé par quatre couches de noyau central, muscle, graisse et peau. Le modèle intègre les différents mécanismes de transfert de chaleur entre le corps et l’environnement externe, ainsi que les réactions physiologiques. L’étude présente une application du modèle permettant d’évaluer l’influence de la tenue vestimentaire sur le confort thermique.

Dans cette étude, on développe un modèle théorique permettant l'étude de la contraction musculaire en relation avec l'état biochimique des cellules musculaires. Ce mémoire contient les rappels physiologiques essentiels, ainsi qu'un rappel des travaux antérieurs à partir desquels cette étude s'introduit de façon naturelle. L'étude est centrée sur les molécules contenant des liaisons phosphates riches en énergie. Les voies métaboliques de production et de consommation d'Adénosine TriPhosphate (ATP) sont incorporées dans un modèle du système cytosolique des composés phosphates riches en énergie (ou système énergie phosphate, comprenant les adénylates, la phosphocréatine, la créatine et le phosphate inorganique). Le modèle a une forme mathématique simple et permet de calculer les variations en fonction du temps du système énergie-phosphate au cours de transitions entre différents taux de travail musculaire. On valide le modèle par l'expérience en utilisant des mesures de la vitesse de consommation d'oxygène (Vo2) et de la concentration en phosphocréatine au cours de transitions repos-travail : ceci pour deux muscles différents. On peut alors utiliser le modèle pour prévoir les comportements transitoires au cours de transitions repos-travail. On utilise ensuite le modèle pour étudier la régulation in vivo de (Vo2). Enfin, on étudie l'effet tampon de la phosphocréatine sur les concentrations en adénylates au cours d'un protocole expérimental de stimulation par secousses

Ce travail concerne la mise en œuvre d'une méthodologie de traitement de signal dédiée à la caractérisation des signaux électomyographiques de surface (SEMG) de longue durée fortement bruités. La première étape constitue la phase de segmentation fondée sur un algorithme de somme cumulée, suivie d'une procédure de rejet et classification, pour aboutir à l'étape d'extraction de paramètres pertinents pour la caractérisation d'une induction de fatigue musculaire. La méthode de segmentation est développée pour la détection des différentes activités dans les signaux, et une approche automatique du réglage des seuils est réalisée. Une technique de double seuil a permis une amélioration notable des performances de l'algorithme. Le champ d'application de ce travail est l'évaluation du signal SEMG comme révélateur d'un état de fatigue musculaire qui serait induit par l'inconfort lors d'une conduite de longue durée
This work relates to develop a signal processing methodology dedicated to the characterization of very noisy long duration electromyographic signals (SEMG). The first step correspond to signal segmentation based on a cumulative sum algorithm, followed by rejection and classification procedures to lead to the extraction of relevant parameters for muscular fatigue detection. The method of segmentation was developed in order to detect the various activities included in the SEMG signal. An automatic approach of thresholds adjustment was carried out. The definition of two thresholds (high and low) led to a significant increase in the algorithm performance. The application domain of this work was the evaluation of SEMG as revealing the state of muscular fatigue, which would be induced by discomfort in long term driving tasks

Le signal électromyographique de surface est conditionné par les propriétés statistiques des informations de commande délivrées par le système nerveux d'une part ainsi que par les propriétés électriques des fibres musculaires, d'autre part. L'existence d'aspects électriques différenciés en fonction des types de fibre permet d'envisager l'analyse du signal électromyographique de surface comme un moyen non invasif d'appréciation de l'hétérogénéité musculaire. Bien qu'une approche en analyse spectrale semble appropriée dans ce contexte, la nature même du signal impose de le considérer a priori comme non-stationnaire durant la contraction dynamique, approche de la stationnarité du signal électromyographique durant l'exercice dynamique est proposée. Cette étude permet d'identifier une information propre à l'organisation motrice d'une part et de préciser le temps local de stationnarité, d'autre part. Une méthode de comparaison de signaux non-stationnaires basée sur une représentation spectrale instantanée est développée puis appliquée à la discrimination de populations de sportifs de haut niveau à partir d'enregistrement de signaux électromyographiques issus du muscle vaste externe.

La commande et le contrôle des mouvements des membres par les voies cérébelleuses et réflexes sont modélisés au moyen d'un circuit dont la structure est déduite de contraintes fonctionnelles. I) L'une des contraintes est que les mouvements rapides des membres doivent être précis, quoiqu'ils ne puissent pas être commandés en boucle fermée au moyen des signaux sensoriels. Les voies qui traitent les ordres moteurs doivent donc contenir des fonctions inverses approximées des fonctions biomécaniques du membre et des muscles. Or le calcul d'une fonction inverse approximée peut être effectué au moyen de boucles de rétroaction parallèles, dont la structure est comparable à l'anatomie des voies cérébelleuses. L'une des boucles contient un réseau de neurones capable de prévoir les conséquences motrices des ordres moteurs, qui peut être modélisé par un réseau de neurones artificiels dont la connectivité est semblable à celle du Cortex Cérébelleux. De tels réseaux apprennent les fonctions biomécaniques directes des membres et des muscles lors d'un apprentissage, qui est supervisé par des signaux professeurs calculés à partir des erreurs motrices. Des règles de gradient classiques, déduites par un calcul différentiel, reproduisent la dépression à long terme (LTD) qui a lieu dans I'arborisation dendritique des cellules de Purkinje. Après chaque mouvement, un signal professeur codant l'erreur est envoyé aux sites d'apprentissage, ce qui est comparable à l'envoi des signaux issus de l'Olive Inférieure, via les fibres grimpantes, aux sites d'apprentissage du Cervelet. 2) Une autre contrainte est que les réflexes ne doivent pas s'opposer aux mouvements volontaires, mais doivent être à chaque instant prêts à s'opposer à des perturbations. Pour satisaire à cette contrainte, des copies efférentes des ordres moteurs sont classiquement envoyées aux interneurones des réflexes, où elles annulent les conséquences sensorimotrices des mouvements volontaires. Après apprentissage, le modèle peut commander précisément les mouvements angulaires d'une tringle mobile, qui tourne par un de ses bouts autour d'un axe vertical. Le mouvement est causé par deux muscles artificiels antagonistes, des muscles pneumatiques de McKibben. Des réflexes comparables aux réflexes myotatique et tendineux, et des réactions stabilisantes comparables aux réactions sensorimotrices cérébelleuses, réduisent efficacement les effets des perturbationsexternes. La raideur de l'articulation est déterminée par ces boucles de rétroaction, comme dans le "modèle lambda" de point d'équilibre. La caractéristique fondamentale de ce modèle de commande des mouvements est que sa structure et son fionctionnement sont déduits de contraintes mathématiques et physiques, et sont comparables à l'anatomie et à la fonction des voies cérébelleuses et réflexes.

L'EMG de surface est une méthode non invasive qui permet le diagnostic de la fonction musculaire. Notre étude porte sur la fatigue en contraction dynamique. Nous avons alors accompli deux tâches parallèles : réalisation d'expérimentations pour recueillir des EMG réels, et modélisation pour simuler des EMG synthétiques. Les outils de traitement classiquement utilisés pour quantifier la fatigue sont la transformée de Fourier, adaptée aux signaux isométriques, et le temps-fréquence, adapté aux signaux dynamiques. Nous nous sommes ensuite intéressés à la cyclostationnarité. Les résultats montrent que la cohérence spectrale, outil de cyclostationnarité, croît avec la fatigue musculaire alors que la fréquence moyenne, classique ou instantanée, est principalement influencée par la vitesse de conduction des potentiels d'action. La cohérence spectrale permet donc de quantifier la fatigue dans des conditions où les outils classiques ne fournissent pas d'informations significatives
The surface EMG is a non-invasive method which allows the diagnosis of the muscular function. Our study relates to fatigue in dynamic contraction. We achieved two parallel tasks: realization of experiments to collect real EMG, and model development to simulate synthetic EMG. The signal processing tools classically used to quantify fatigue are the Fourier transform, adapted to the isometric signals, and time-frequency, adapted to the dynamic signals. We were then interested in the cyclostationnarity. The results show that spectral coherence, cyclostationnarity tool, increases with muscular fatigue whereas the average traditional or instantaneous frequency, is mainly influenced by the action potential conduction velocity. Spectral coherence thus makes it possible to quantify fatigue under conditions where the traditional tools do not provide significant information

L’estimation de la force générée par un muscle est importante dans les études biomécaniques et pour les applications cliniques. Puisque cette force ne peut pas être mesurée directement, le signal électromyographique de surface (SEMG), reflétant le niveau d’activation musculaire, est utilisé pour quantifier la force développée. Cependant, tous les facteurs, contrôlant une contraction isométrique, n’influencent pas la force et le SEMG simultanément. Le but de ce travail de thèse est donc de développer un modèle de simulation conjointe du SEMG et de la force, afin d’étudier la relation EMG-force. Dans ce but, nous avons d’abord développé une nouvelle méthode de simulation de la force musculaire à partir d’un modèle d’EMG existant. Le modèle complet a été testé pour le choix de la stratégie de recrutement et l’influence de la durée de la consigne. Puis, nous avons utilisé une méthode de Monte Carlo pour étudier la sensibilité du modèle aux différents paramètres physiologiques d’entrée. Deux critères existants (relations EMG-force et force-variabilité de force) ainsi qu’un nouveau critère (erreur entre la consigne de force et la force générée), ont été utilisés pour optimiser les paramètres avec une consigne de force constante. Ce nouveau critère a ensuite été utilisé avec une consigne de force variable (sinusoïdale ou triangulaire), afin d’obtenir les plages optimales des paramètres. Enfin, pour évaluer notre modèle, nous avons réalisés des expérimentations et une simulation pour le biceps. Les résultats montrent que notre modèle EMG-force est capable de simuler qualitativement les comportements réels du biceps pour les contractions isotoniques et anisotoniques
The estimation of the force generated by a muscle is important in biomechanical studies and clinical applications. As this force cannot be measured directly, the surface electromyography signal (SEMG), reflecting the level of muscle activation, is used to quantify the force developed. However, all the factors controlling an isometric contraction do not influence the force and the SEMG simultaneously. The aim of this study is to develop a simulation model of SEMG and force in order to study the EMG-force relationship. For this purpose, we first developed a new method to simulate the muscle force from an existing EMG model. We tested the complete model with two recruitment strategies and studied the influence of target force duration. Then we used a Monte Carlo method to study the sensitivity of the model to various input physiological parameters. Two existing criteria (EMG-force and force-force variability relationships) and a new criterion (error between the target force and the generated force) were used to optimize the parameters in constant target force contractions. This new criterion was then used in variable target force contractions (sinusoidal or triangular target) in order to obtain the optimum parameter ranges. Finally, to evaluate our model, we performed experiments and simulations for the biceps. The results have shown that our EMG-force model can qualitatively simulate the behaviour of the biceps for isotonic and anisotonic contractions

Les progrès technologiques considérables réalisés dans le secteur aéronautique militaire ont donné naissance à des avions atteignant des niveaux d'accélération importants (9 Gz sur le Rafale). Ces accélérations, à l'origine de lésions cervicales aigües et chroniques, placent plus que jamais les tolérances biomécaniques des pilotes de chasse au centre des préoccupations. Dans le contexte de protection des personnels navigants, l'Institut de Recherche Biomédicale des Armées (IRBA) coordonne, avec le soutien de la Délégation Générale à l'Armement (DGA), un programme de recherche visant entre autres à mieux comprendre les mécanismes lésionnels impliqués. Les modèles en éléments finis constituent des outils particulièrement propices à l'analyse des risques lésionnels dans la mesure où ils offrent une information quantitative des niveaux de sollicitation des tissus. Néanmoins, aucun modèle ne permet à l'heure actuelle de prendre en compte à la fois les variabilités morphologiques interindividuelles et les tissus musculaires. Le but de cette étude est par conséquent de contribuer à l'étude des mécanismes lésionnels en proposant une approche de modélisation géométrique paramétrée et personnalisée. La méthode consiste à générer automatiquement des maillages du complexe musculo-squelettique du rachis cervical à partir de données issues d'imagerie médicale. Enrichis par des lois de comportement mécanique, ces maillages sont utilisés pour la construction de modèles en éléments finis dont les mobilités segmentaires sont validées dans un premier temps. Une étude préliminaire vise ensuite à mettre en évidence les effets de la morphologie et des tissus musculaires dans le cas des sollicitations en compression axiale qui sont récurrentes sous facteur de charge.

Cette étude s'est intéressée à l'influence de l'absence des filaments de desmine sur les propriétés mécaniques passives longitudinales et transversales du muscle strié squelettique. Pour ce faire, nous avons effectué une étude comparative du comportement passif de muscles soleus de souris dépourvues de desmine (/), par mutation génétique, et de muscles de souris contrôlés (+/+). Concernant l'élasticité longitudinale, une approche par l'expérimentation basée notamment sur des tests de traction a été élaborée, montrant une augmentation de raideur passive en l'absence de desmine. Différents types d'explication sont avancés, en particulier, une adaptation de structures passives, telles que la titine. Une approche par la modélisation nous a permis de proposer qu'un rôle mécanique des filaments de desmine peut être aussi un élément explicatif. Cette modélisation repose sur des modèles rhéologiques, ou la desmine est simulée par des éléments élastiques. Il résulte de ce travail que plusieurs modèles viscoélastiques linéaires sont capables d'expliquer et de reproduire la réponse mécanique des deux types de muscles. De plus, nous validons un modèle de type élastique visqueux non-linéaire dont les éléments élastiques sont identifiés à des structures anatomiques. Ce modèle permet d'expliquer le comportement atypique des muscles (/) en tenant compte du comportement non-linéaire des structures musculaires. Concernant l'élasticité transversale, nous avons utilisé une technique basée sur la propagation d'ondes ultrasonores. Par l'utilisation de cette méthode sous des conditions expérimentales spécifiques, il est possible de corréler la vitesse de propagation d'ondes ultrasonores à des coefficients caractérisant les propriétés élastiques