Tesi sul tema "Muscles – Modèles mathématiques"

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

Le vieillissement musculaire, en tant qu'entité pathologique, est connu sous le nom de sarcopénie. Il est défini comme une réduction de la force musculaire accompagnée d'une perte de masse musculaire et d'un déclin des fonctions physiques. Les méthodologies actuellement utilisées en pratique clinique pour évaluer cette maladie liée au vieillissement sont plutôt limitées pour saisir les caractéristiques de ce déclin à l'échelle macroscopique: mesure de la force et de la masse musculaire. Cependant, diagnostiquer la sarcopénie en mesurant uniquement ces deux paramètres n'est pas assez précis et ne permet pas de détecter une perte précoce de la fonction musculaire. Il est plus fiable d'exploiter des changements musculaires à l’échelle microscopique: tels que la perte des unités motrices (l'unité motrice (UM) est constituée d'un motoneurone et de toutes les fibres musculaires squelettiques innervées par ses terminaisons axonales), l'atrophie des fibres, le désordre de la commande neuronale, et l’infiltration intramusculaire des cellules adipeuses. Ainsi, des études récentes, basées sur la technique d'électromyographie de surface (sEMG), ont démontré le grand potentiel de cette technique en tant que biomarqueur pour détecter les premiers signes de muscles sarcopéniques. En effet, le signal sEMG est la réponse électrique de l'activation musculaire gérée par le système nerveux central (SNC). Il est mesuré de manière non invasive à la surface de la peau à l'aide d'électrodes de surface et peut être efficacement corrélé à la réponse mécanique de l'activation musculaire. De plus, les modèles mathématiques du signal sEMG peuvent former une alliance utile avec les mesures expérimentales et le traitement du sEMG pour identifier et/ou quantifier les bio-indicateurs (c'est-à-dire les paramètres anatomiques et neuronaux des muscles) d'un vieillissement musculaire sain, précoce, accéléré ou sarcopénique. Dans cette thèse, nous avons utilisé un modèle électrique optimisé décrivant l'activité électrique du muscle à la surface de la peau à l'aide de la technique d'électromyographie à haute densité (HD-sEMG). Ce modèle est développé précédemment dans notre laboratoire de recherches. Le temps de calcul réduit de ce modèle est l'élément clé majeur pour effectuer l'identification des indicateurs de vieillissement à l'aide de méthodes inverses et de la technique HD-sEMG. Cependant, cette identification nécessite des méthodes préalables telles que l'analyse de sensibilité et d'identifiabilité. De plus, lors de l'utilisation de ce modèle, nous avons observé d'importantes limitations telles qu'un manque de réalisme physiologique (par exemple, les territoires des UM et le nombre de fibres par muscle), de personnalisation (par exemple, le même schéma de recrutement neuronal pour les sujets jeunes et âgés) et de simplicité (par exemple, l'ajustement de 50 paramètres de modèle en fonction de l'âge et du sexe). Ces limitations restreignent l'utilisation de ce modèle dans le diagnostic du vieillissement musculaire. Par conséquent, l'objectif de cette thèse est de remédier à ces limitations et de fournir un modèle plus réaliste et simple à utiliser pour évaluer le vieillissement musculaire. Dans ce travail, nous proposons d'abord une méthode d’analyse de sensibilité de Morris améliorée (IMSA) appliquée au modèle développé. Cette analyse a été réalisée sur des sujets simulés jeunes et âgés (à faible et à fort niveau de contractions). Grâce à cette IMSA, nous avons réussi à mettre en évidence et avec précision les paramètres/facteurs neuromusculaires influents pour chaque catégorie d'âge, à chaque niveau de force et pour chaque descripteur statistique calculée à partir des signaux HD-sEMG. De plus, grâce à l'IMSA, nous avons mis en évidence les limitations du modèle mentionnées précédemment. Pour remédier à ces limitations, nous avons modifié le schéma du modèle pour le rendre plus facile à manipuler, avec moins de risques d'erreurs et d'incohérences
The muscle aging, as a disease entity, is known as Sarcopenia. It is defined as a reduction of muscle strength/force accompanied by a loss of muscle mass and a decline in physical functions. The current methodologies used in clinical practice to assess this aging disease, are rather limited to capture the features of this decline at the macroscopic scale. Factors such as the loss of Motor Units (motor unit (MU) is made up of a motoneuron and all the skeletal muscle fibers innervated by the neuron's axon terminals), the atrophy of fibers and the disorder of the neural recruitment pattern are shown to have a clear influence on muscular function. However, diagnosing sarcopenia by only measuring the muscle strength and/or muscle mass is not enough accurate and cannot alert an early loss of muscular function. The inner scales (MU and fiber scale age-related changes) reflecting that loss of muscle mass and strength during aging are more interesting to exploit. Thus, recent studies, based on the surface electromyography (sEMG) technique, have demonstrated the great potential of this technique to be used as a biomarker to detect early signs of sarcopenic muscles. In fact, the sEMG signal is the electrical response of the muscle activation managed by the Central Nervous System (CNS). It is measured with a noninvasive manner at the skin surface using surface electrodes and can be correlated efficiently to the mechanical response of muscle activation. Moreover, mathematical models of sEMG signal can form a useful alliance with sEMG experimental measures and processing to identify and/or quantify bio-indicators (i.e., anatomical, and neural muscle parameters) of a healthy, early, accelerated or sarcopenic muscle aging. In this thesis work, we have used a fast and optimized electrical model describing the electrical activity of the muscle at the skin surface using High Density sEMG technique (HD-sEMG), developed in our laboratory team. The reduced computational time of this model is the major key feature to perform the identification of aging indicators using inverse methods and HD-sEMG technique. However, this identification needs pre-aided-methods such as the sensitivity and the identifiability analysis. Moreover, when dealing with this model, we have observed important limitations such as lack of physiological realism (e.g., MUS territories and the number of fibers per muscle), personalization (e.g., same recruitment pattern for young and elder subject), and simplicity (e.g., adjustment of 50 model parameters according to age and gender). These limitations restrain the use of this model in muscle aging diagnosis. Therefore, we aimed in this thesis to address the limitations of this model and deliver more realistic and user-friendly model to evaluate muscle aging. Therefore, in this work, we first propose an Improved Morris Sensitivity Analysis (IMSA) applied on the developed model. This analysis was performed on young and elder simulated subjects (at low and high force level). Using this IMSA, we success to spotlight with accuracy the influential neuromuscular parameters/factors for each age category, at each force level, and for each statistic feature computed over the HD-sEMG signals. Furthermore, using IMSA, we have outlined the model inaccuracies and limitations mentioned above. To address these limitations, we have modified the model schema implementation to be easier to manipulate (user-friendly model), with less error and inconsistency risks. Only the age and the gender of subject became needed as model entries to initiate a simulation of HD-sEMG signals. All other parameters necessary in simulations are then estimated through "statistical" models. The statistical models employ regression analysis to estimate the relation Parameter versus Age. A bibliographic research reporting these morphological and structural changes according to age, gender, and Biceps Brachii muscle was done

L'autopropulsion basée sur la propagation d'ondes de déformation, comme pour les poissons, pourrait être une alternative intéressante par rapport au déplacement généré par des hélices pour les bateaux et les véhicules sous-marins. La locomotion par ondulations implique une flexibilité de la structure du véhicule, dont il faut prendre en compte pour la dynamique des fluides et donc quantifier la vitesse et le rendement du déplacement. Dans cette thèse, nous avons développé une nouvelle méthode d'interaction fluide-structure (IFS) liant un solveur de dynamique de structure par éléments finis avec un solveur "vortex panel" bidimensionnel pour le couplage avec le fluide et une méthode des particules pour la résolution du sillage. Chaque composante du couplage IFS est d'abord validée indépendamment, puis nous testons le système complet dans le cadre d'une plaque flexible et bidimensionnelle en oscillation. La relation entre les paramètres cinématiques de nage et la vitesse de déplacement est reproduite et l'importance de la traînée pour cette relation est analysée avec détails. Pour modéliser le comportement d'un nageur souple, en autopropulsion, nous distribuons spatialement un moment de flexion, ce qui nous permet de faire des prédictions sur les grandeurs cinématiques de la nage. Par la suite, nous montrons qu'un moment de force rétroactif basée sur la courbure de déformation du nageur, avec un délai temporel, génère une autopropulsion différente de celle observée avec un forçage actif de moment de flexion. Nous proposons un modèle simplifié, capable à décrire le comportement du nageur avec rétroaction, pour comprendre qualitativement les phénomènes en jeux. Finalement, nous dérivons un modèle de muscle, en s'inspirant de la biologie ; et nous évaluons l'importance des différents paramètres du modèle quant à la performance d'autopropulsion. Le manuscrit de thèse se termine par l'analyse d'une plaque mince en trois dimensions, mise en oscillation pour apprécier la pertinence de la méthode tridimensionnelle "vortex panel" pour simuler la nage dans des conditions réelles
Undulatory wave-based self-propulsion like used by fish may be a suitable alternative to traditional propeller-based propulsion for underwater vehicles. The use of undulatory propulsion implies a certain degree of structural flexibility will be present, hence consideration of both fluid and structure is critical to assessing the behavior of this form of propulsion. In this thesis, a novel segregated fluid-structure interaction (FSI) coupling scheme is developed between a finite element structure solver and a 2D unsteady panel method fluid solver with discrete vortex particle wake approach. The different components of the FSI solver are validated first individually and then as a whole using the case of a flexible two-dimensional plate in pure heave. The scaling law relating input swimming variables and the resulting swimming speed is then reproduced and the importance of drag to these relations is elucidated.A self-propelled swimmer whose beam-like structure and rigid body motions are resolved is then examined under the influence of an imposed bending moment distribution. A curvature-based, delayed proprioceptive feedback is then applied to deform the self-propelled swimmer. Feedback based swimming was found to be distinct from active, imposed bending moment swimming. A simplified one degree of freedom model was found to qualitatively describe the feedback swimmer behavior. A swimmer using muscle-like elements is then assessed to determine the relative importance of different muscle properties with the aim of identifying if the non-linear behavior of muscles is beneficial to self-propulsion. Finally, a three-dimensional, thin plate in pure heave is examined with the aim of determining to what extent an 3D panel method can be used in lieu of computationally expensive viscous flow approaches self-propulsion analysis in 3D

Ce travail de thèse, inclus dans un projet structurant plus vaste, projet SIMOVI (SImulation des MOuvements du VIsage), s’attache à étudier spécifiquement la mimique faciale en corrélant les déplacements visibles du revêtement cutané et les mouvements musculaires internes à travers le développement de plusieurs méthodologies. L’ensemble de la mimique faciale ne pouvant être étudié, étant donné la multitude d’expressions, les mouvements pertinents à étudier dans nos travaux ont été identifiés. Ces mouvements ont été caractérisés chez 23 sujets jeunes dans une analyse descriptive qualitative et clinique, basée sur une méthodologie s’appuyant sur l’analyse d’enregistrements vidéoscopiques, et le développement d’un codage issu du FACS (Facial Action Coding System). Une cohorte de référence a ainsi été constituée. Après avoir validé notre méthodologie pour la caractérisation externe de la mimique, l’analyse des muscles peauciers par l’IRM a été réalisée sur 10 hémifaces parmi les sujets sains issus de la cohorte. Cette caractérisation a fait appel, à partir d’une anatomie in vivo, à une modélisation de certains muscles peauciers (zygomaticus major en particulier) afin d’extraire des paramètres morphologiques, de réaliser une analyse plus fine de la morphologie musculaire en 3 dimensions, et d’apporter une meilleure compréhension du comportement cinématique du muscle dans différentes positions. Par son intégration dans un questionnement plus vaste :- comment caractériser objectivement la mimique faciale ? - quels sont les indicateurs qualitatifs et quantitatifs de la mimique que nous pouvons recueillir, et comment réaliser ce recueil ? - comment utiliser les développements technologiques dans les applications cliniques ? Ce travail constitue une étape préliminaire à d’autres travaux. Il pourra fournir des données de référence à des fins de modélisation, de simulation de la mimique faciale, ou de développements d’outil de mesures pour le suivi et l’évaluation des déficits de la mimique faciale
The aim of this research is to study facials mimics movements and to correlate externat soft tissue (i.e., cutaneous) movement during facial mimics with internal (i.e., facial mimic muscle) movement. The entire facial mimicry couldn't be studied, that's why relevant movements had been selected. Those movements were characterised by a clinically qualitative analysis in 23 young healthy volunteers. The analysis was performed with video recordings including scaling derived from the FACS (Facial Action Coding System). After the validation of external characterisation by this method, internal characterisation of the mimic facial muscle was carried out in 10 volunteers. A modelization of selected facial mimic muscle as Zygomaticus Major was achieved. With this work, morphological parameters could be extracted, 3D morphometric data were analysed to provide a better understanding of cinematic behaviour of muscle in different positions.This research is included in the Simovi Project, which aims to determine to what extent a facial mimic can be evaluated objectively, to select the qualitative and quantitative indicators for evaluation of mimic facial disorders, and to transfer our technological developments in clinical field. This research is a first step and provides data for simulation or developments of measurement tools in evaluation and follow-up of mimic facial disorders

Le système nerveux central contrôle des mouvements par l’activation des unités de motrices (UM), les plus petites structures fonctionnelles du muscle. Les UM produisent une activité électrique qui peut être détectée par la technique de l’électromyographie de surface (EMGs). Le caractère stochastique du signal EMGs est dû principalement à la superposition des trains de potentiels d’action d’UM (TPAUM) (recrutement spatial), les TPAUM sont caractérisés par leurs instants de décharge (recrutement temporel), ainsi que par la forme des potentiels d’action (PA), qui dépend de certains facteurs méthodologiques et de facteurs intrinsèques au muscle. Le but de cette thèse sera d’étudier les possibilités et les limites d’utilisation de l’analyse de forme de la densité de probabilité des amplitudes (DP) du signal EMGs comme indicateur sur les stratégies de recrutement des UM et du contrôle moteur. Cette analyse semble pertinente puisque le signal EMGs est la somme de processus aléatoires ; les TPAUM. Des modifications sur ces variables devraient être perçues sur le signal composite. La contribution apportée par cette thèse se scinde en deux parties : la proposition d’un modèle complet de génération qui s’inspire de travaux récents issus de la littérature. Ce modèle prend en considération, pour la génération du signal EMGs, de nombreux paramètres physiologiques, anatomiques et nerveux, ainsi que la génération de la force. Cette prise en compte permet d’avoir un meilleur réalisme lors de la simulation. La deuxième partie concerne plusieurs études, en simulation et en expérimental, sur l’analyse des signaux EMGs monopolaires détectés sur le biceps brachial lors de contractions isométriques isotonique (force constante)/anisotonique (force graduée). L’objectif est d’extraire de l’information sur le patron de recrutement des UM à partir de ces signaux. Dans ce contexte, nous avons testé deux approches d’analyse de forme de la DP du signal EMGs qui sont la Statistique d’Ordre Supérieur (SOS), et un algorithme récent, le modèle de forme noyau (CSM : Core Shape Modeling). Les résultats indiquent une forte sensibilité des descripteurs proposés pour la séparation des classes de signaux (force, niveau de synchronisation de décharge), à l’effet filtrant du tissu adipeux et de la composante non propagée. L’efficacité de la classification dépend d’autre part de l’anatomie et du nombre d’UM composant le muscle. Pour les facteurs neuronaux, les deux stratégies de recrutement testées donnent les mêmes tendances avec plus de réalisme physiologique pour l’une d’entre elles. De plus, l’analyse de forme (par SOS), dans certains cas, nous donne des informations sur l’anatomie du muscle considéré, en termes de position de l’UM par rapport à l’électrode. En termes de performance de classification, l’algorithme CSM, donne un résultat relativement meilleur que l’approche SOS, que ce soit en simulation ou en expérimentation. Pour résumer, ce travail de thèse s’inscrit comme une démarche exploratoire du potentiel de l’analyse de forme de la DP du signal EMGs dans l’extraction d’information sur les modalités d’activation musculaire. De nombreux efforts restent à fournir en accord avec les perspectives proposées
The central nervous system control the movement through the activation of the motors units (MUs), the smallest muscle functional structure. The MU produce electrical activity that can be detected by the technique of surface electromyography (sEMG). The stochastic nature of EMGs signal is mainly due to the superposition of trains of MU action potentials ( MUAPT) (spatial recruitment), the MUAPT are characterized by their discharge frequency (temporal recruitment) and the shape of the action potential (PA), which depends on some factors methodological and intrinsic to the muscle. The aim of this thesis is to study the possibilities and limitations of using the shape analysis of the EMGs signal’s probability density function (DP) as an indicator on MU recruitment strategies and motor control. This analysis seems relevant since the EMGs signal is the sum of random processes, the MUAPT. The contribution of this thesis is divided into two parts : the proposal of a complete model generation inspired by recent work from the literature. This model takes into consideration, for the EMGs signal generation, many physiological, anatomical and nervous parameters, as well as the force generation. Such consideration allows for greater realism in the simulation. The second part concerns several studies, simulation and experimental analysis of EMGs monopolar signals detected on the biceps brachii during isometric contractions isotonic (constant force) / anisotonique (graduated force). The aim is to extract information on the pattern of MU recruitment from these signals. In this context, we tested two approaches based on the shape analysis of the EMGs signal’s DP which are the Higher Order Statistics (HOS), and a recent algorithm, the Core Shape Modeling (CSM). The results indicate a high sensitivity of the proposed descriptors for separating classes of signals (force, sync level of the discharge), the filtering effect of adipose tissue and non propagating component. The efficiency of the classification depends the other hand of the anatomy and the number of MU which composed the muscle. For neuronal factors, both recruitment strategies tested give similar trends with one of them is physiologically more realistic. In addition, analysis of shape (SOS), in some cases, gives us information about muscle anatomy of the concerned muscle, in terms of MU position relative to the electrode. Concerning performance of classification, the algorithm CSM gives a result relatively better than SOS approach, either in simulation or experimentation. To summarize, this thesis is listed as an exploratory process of the shape analysis potential of the EMGs signal’s DP in order to extract the information on the muscular activation’s modalities. A lot of efforts are still required in accordance with the perspectives offered

Les systèmes neuromusculaire et musculosquelettique sont des systèmes de systèmes complexes qui interagissent parfaitement entre eux afin de produire le mouvement. En y regardant de plus près, ce mouvement est la résultante d'une force musculaire créée à partir d'une activation du muscle par le système nerveux central. En parallèle de cette activité mécanique, le muscle produit aussi une activité électrique elle aussi contrôlée par la même activation. Cette activité électrique peut être mesurée à la surface de la peau à l'aide d'électrode, ce signal enregistré par l'électrode se nomme le signal Électromyogramme de surface (sEMG). Comprendre comment ces résultats de l'activation du muscle sont générés est primordial en biomécanique ou pour des applications cliniques. Évaluer et quantifier ces interactions intervenant durant la contraction musculaire est difficile et complexe à étudier dans des conditions expérimentales. Par conséquent, il est nécessaire de développer un moyen pour pouvoir décrire et estimer ces interactions. Dans la littérature de la bioingénierie, plusieurs modèles de génération de signaux sEMG et de force ont été publiés. Ces modèles sont principalement utilisés pour décrire une partie des résultats de la contraction musculaire. Ces modèles souffrent de plusieurs limites telles que le manque de réalisme physiologique, la personnalisation des paramètres, ou la représentativité lorsqu'un muscle complet est considéré. Dans ce travail de thèse, nous nous proposons de développer un modèle biofidèle, personnalisable et rapide décrivant l'activité électrique et mécanique du muscle en contraction isométrique. Pour se faire, nous proposons d'abord un modèle décrivant l'activité électrique du muscle à la surface de la peau. Cette activité électrique sera commandé par une commande volontaire venant du système nerveux périphérique, qui va activer les fibres musculaires qui vont alors dépolariser leur membrane. Cette dépolarisation sera alors filtrée par le volume conducteur afin d'obtenir l'activité électrique à la surface de la peau. Une fois cette activité obtenue, le système d'enregistrement décrivant une grille d'électrode à haute densité (HD-sEMG) est modélisée à la surface de la peau afin d'obtenir les signaux sEMG à partir d'une intégration surfacique sous le domaine de l'électrode. Dans ce modèle de génération de l'activité électrique, le membre est considéré cylindrique et multi couches avec la considération des tissus musculaire, adipeux et la peau. Par la suite, nous proposons un modèle mécanique du muscle décrit à l'échelle de l'Unité Motrice (UM). L'ensemble des résultats mécaniques de la contraction musculaire (force, raideur et déformation) sont déterminées à partir de la même commande excitatrice du système nerveux périphérique. Ce modèle est basé sur le modèle de coulissement des filaments d'actine-myosine proposé par Huxley que l'on modélise à l'échelle UM en utilisant la théorie des moments utilisée par Zahalak. Ce modèle mécanique est validé avec un profil de force enregistré sur un sujet paraplégique avec un implant de stimulation neurale. Finalement, nous proposons aussi trois applications des modèles proposés afin d'illustrer leurs fiabilités ainsi que leurs utilité. Tout d'abord une analyse de sensibilité globale des paramètres de la grille HDsEMG est présentée. Puis, nous présenterons un travail fait en collaboration avec une autre doctorante une nouvelle étude plus précise sur la modélisation de la relation HDsEMG/force en personnalisant les paramètres afin de mimer au mieux le comportement du Biceps Brachii. Pour conclure, nous proposons un dernier modèle quasi­ dynamique décrivant l'activité électro-mécanique du muscle en contraction isométrique. Ce modèle déformable va actualiser l'anatomie cylindrique du membre sous une hypothèse isovolumique du muscle
The neuromuscular and musculoskeletal systems are complex System of Systems (SoS) that perfectly interact to provide motion. From this interaction, muscular force is generated from the muscle activation commanded by the Central Nervous System (CNS) that pilots joint motion. In parallel an electrical activity of the muscle is generated driven by the same command of the CNS. This electrical activity can be measured at the skin surface using electrodes, namely the surface electromyogram (sEMG). The knowledge of how these muscle out comes are generated is highly important in biomechanical and clinical applications. Evaluating and quantifying the interactions arising during the muscle activation are hard and complex to investigate in experimental conditions. Therefore, it is necessary to develop a way to describe and estimate it. In the bioengineering literature, several models of the sEMG and the force generation are provided. They are principally used to describe subparts of themuscular outcomes. These models suffer from several important limitations such lacks of physiological realism, personalization, and representability when a complete muscle is considered. In this work, we propose to construct bioreliable, personalized and fast models describing electrical and mechanical activities of the muscle during contraction. For this purpose, we first propose a model describing the electrical activity at the skin surface of the muscle where this electrical activity is determined from a voluntary command of the Peripheral Nervous System (PNS), activating the muscle fibers that generate a depolarization of their membrane that is filtered by the limbvolume. Once this electrical activity is computed, the recording system, i.e. the High Density sEMG (HD-sEMG) grid is define over the skin where the sEMG signal is determined as a numerical integration of the electrical activity under the electrode area. In this model, the limb is considered as a multilayered cylinder where muscle, adipose and skin tissues are described. Therefore, we propose a mechanical model described at the Motor Unit (MU) scale. The mechanical outcomes (muscle force, stiffness and deformation) are determined from the same voluntary command of the PNS, and is based on the Huxley sliding filaments model upscale at the MU scale using the distribution-moment theory proposed by Zahalak. This model is validated with force profile recorded from a subject implanted with an electrical stimulation device. Finally, we proposed three applications of the proposed models to illustrate their reliability and usefulness. A global sensitivity analysis of the statistics computed over the sEMG signals according to variation of the HD-sEMG electrode grid is performed. Then, we proposed in collaboration a new HDsEMG/force relationship, using personalized simulated data of the Biceps Brachii from the electrical model and a Twitch based model to estimate a specific force profile corresponding to a specific sEMG sensor network and muscle configuration. To conclude, a deformableelectro-mechanicalmodelcouplingthetwoproposedmodelsisproposed. This deformable model updates the limb cylinder anatomy considering isovolumic assumption and respecting incompressible property of the muscle

Le visage humain joue un rôle important dans la communication interpersonnelle. La dysfonction du visage ou le défigurement due aux traumatismes ou pathologies peuvent entraver les activités sociales normales. Le traitement chirurgical est souvent nécessaire. De nos jours, le résultat du traitement chirurgical et l’état d’établissement ne sont estimé qu’avec les méthodes qualitatives telles que l’observation visuelle et la palpation. Dans l’attente de fournir des critères quantitatifs, cette thèse a pour l’objectif de modéliser la mimique faciale utilisant MEF (Méthode d’Éléments Finis) sur la base des données d’IRM (Imagerie par Résonance Magnétique). Un modèle sujet-spécifique du visage a été construit sur la base de la segmentation des données IRM ; il contient des parties osseuses, muscles de la mimique (p.ex. le muscle grand zygomatique), les tissues mous sous-cutanées et la peau. L’identification des tissus mous biologiques a été réalisée via des essais de traction bi-axiale et la modélisation numérique. Ensuite, le modèle géométrique a été maillé pour effectuer des calculs EF simulant trois mouvements mimiques du visage (sourire, prononciation du son « Pou » et « O »). Les muscles ont été modélisés comme un matériau quasi-incompressible, transversalement isotrope et hyperélastique, avec la capacité d’activation. Des informations pertinentes (p.ex. l’amplitude de contraction du muscle) utilisées dans la simulation ont été extraites de la mesure des données d’IRM. Il est à noter que les mêmes données expérimentales d’IRM telles qu’ils ont utilisées dans la modélisation ont été prises comme une référence de validation pour les résultats de simulation. Cette étude peut être appliquée cliniquement dans l’évaluation du traitement faciale et le rétablissement postopérative
Human face plays an important role interpersonal communication. Facial dysfunction or disfigurement due to trauma or pathologies may impede normal social activities. Surgical treatment is often necessary. Nowadays, treatment outcome and rehabilitation condition are estimated only by qualitative methods, such as visual observation and palpation. In expectation of providing quantitative criteria, this thesis proposes to model facial mimics using FEM (Finite Element Method) on the basis of MRI (Magnetic Resonance Imaging) data. A subject-specific face model was reconstructed based on segmentation of MRI data; it contains bony parts, mimic muscles (e.g. zygomaticus major muscle), subcutaneous soft tissues and skin. Identification of biological soft tissues was conducted through bi-axial tension tests and numerical modeling. Then the geometric model was meshed to conduct FE calculations simulating three facial mimic movements (smile, pronunciation of sound “Pou” and “O”). Muscle was modeled as quasi-incompressible, transversely-isotropic, hyperelastic material, with activation ability. Relevant information (e.g. contraction amplitude of muscle) used in simulation was extracted from measurement of MRI data. It is to be noted that the same experimental MRI data as used in modeling was taken as validation reference for simulation results. This study can be applied clinically in evaluation of facial treatment andpostoperative recovery

Le déclin de fonctionnement du muscle dû à l’âge est lié à la sarcopénie et il augmente le risque de chute. Dans ce projet de thèse, une analyse morphologique, fonctionnelle, mécanique et biophysique des paramètres liés à l’âge est présentée. Les données ont été analysées statistiquement et par l’apprentissage automatique. En intégrant les résultats dans une simulation utilisant l’apprentissage par renforcement profond, un modèle pour le muscle des jeunes adultes et des personnes âgées est proposé. Ce modèle intègre les changements pour une force isométrique maximale, la vitesse de contraction, le temps de désactivation, la déformation passive, l’extension de la hanche, et le déplacement du centre de masse vers le torse. Les tests de sensibilité du modèle ont inspiré le développement d’une approche par simulations couplées avec analyse de position limite pour laquelle une chute peut encore être rattrapée. Les résultats de chaque partie de ce travail de thèse suggèrent que le vieillissement du muscle peut être mieux élucidé par un modèle multi-échelle qui prend en compte la fatigue et les paramètres à l’échelle du muscle, ainsi que leur influence sur le mouvement en général. Le modèle multi-échelle proposé couple un modèle à la base d’agents avec l’environnement d’apprentissage par renforcement profond. Ce modèle tient compte du changement de fibre musculaire de type II vers les fibres de type I, ainsi que les dynamiques moléculaires d’échanges de calcium, de phosphate, et d’ATP. Ce travail de thèse démontre que l’analyse du système complexe que constitue l’être humain peut être mieux réalisée en s’appuyant sur les techniques d’intelligence artificielle
The age-related decline in muscle function is linked to both sarcopenia and an increased risk for falls. In this doctoral project, an analysis of the morphological, functional, mechanical and biophysical parameters known to be affected by ageing is presented. The data has been analysed with statistical and machine learning techniques. These results influenced the development of a deep reinforcement learning simulation for both young adult and elderly falls, based on the parameters sensitive to ageing such as maximum isometric force, contraction velocity, deactivation time, passive muscle strain, hip extension range and a mass shift from the legs to the trunk. Testing of the sensitivity of the results then led to the development of a coupled simulation to study falls recovery, where the effects of sensory nerves and proprioception was considered. The strategy for coupling allows for recovery for any fall position to be analysed to further test the limits of recovery produced by the given model. The results from each aspect of the project suggest that muscle ageing can be further elucidated through the development of a multi-scale model that could consider fatigue and the effect of biophysical changes on movement outcomes. A multi-scale model, where agent-based modelling is coupled to a reinforcement learning environment is proposed. The model accounts for the conversion of type II muscle fibres to type I fibres, as well as considers the dynamics of calcium, inorganic phosphate, and ATP, with prospective for further adaptations. This work demonstrates the interest in further exploration of complex human system modelling by leveraging artificial intelligence techniques

L'approche originale proposée dans cette thèse consiste à modifier en ligne les paramètres de chaque PID par un algorithme d'apprentissage dans le but de reproduire des allures de marche aussi fluides et toniques que ce que l'on peut observer chez l'homme. La démarche s'appuie sur les techniques neuronales et les techniques de modélisation dynamique de l'être humain. Les données expérimentales sont issues des travaux menés par le LISV dans le cadre de ses activités sur le handicap avec le service de rééducation fonctionnelle de l'hôpital Raymond-Poincaré de Garches. Dans une première étape un modèle non linéaire de muscle basé sur un réseau de neurones a été identifié et utilisé comme un modèle de référence pour effectuer l'apprentissage en ligne d'un autre réseau de neurones qui modifie aussi en ligne les paramètres des PID afin que le système physique [Moteur+Contrôleur PID] se comporte comme le modèle de muscle. En vue d'une validation, une simulation dynamique du robot ROBIAN du LISV a, dans un premier temps, été développée sous OPENHRP. Dans un second temps, une approche originale de la marche dynamique en 3D à été implémentée dans ce simulateur. Finalement le modèle physique de muscle déjà développé est incorporé dans l'algorithme de génération de la marche de ROBIAN. L'ensemble est simulé sous OPENHRP. Les résultats montrent que l'apprentissage en ligne des gains des PID du genou à partir du modèle neuronal de muscle permet d'améliorer la fluidité de la marche, la robustesse face aux perurbations (poussées latérale et frontale) et aux transitions marche-stop-marche. Une compararaison avec la marche humaine est menée ainsi qu'une évaluation de la compatibilité énergétique avec les moteurs de ROBIAN
The approach proposed in this thesis is to update the parameters of a PID controller using a specialized learning algorithm in order to reproduce the fluids and tonics that can be observed in human walking gaits. This approach is based on neural techniques and techniques of dynamic walking modeling of the human being. Experimental data are extracted from the work of LISV as part of its activities on disability with the functional rehabilitation department of the Raymond Poincaré hospital in Garches. In a first stage a non-linear model of a muscle based on a neural network has been identified and used as a reference model for learning another neural network which regulates online the parameters of a PID controller in a way for the physical system [PID Controller + Motor] to behave like the muscle model. In order to validate our study, in a first time, a dynamic simulation of the robot ROBIAN of LISV has been developed under OPENHRP. In a second step, an original approach to the 3D dynamic walking has been implemented in this simulator. Finally the physical model of muscle already developed is incorporated into the algorithm for generating the walking cycles of ROBIAN. The set is simulated under OPENHRP. The results show that the online learning of the PID parameters of the knee from the neural model of muscle, did improve the fluidity of movement, increased robustness against perurbations (lateral and frontal push) and walk-stop-walk transitions. Compararaison with human walking is conducted along with an assessment of power consumption compatibility with ROBIAN motors

Ce travail de thèse vise à améliorer notre compréhension des effets l'entraînement en résistance sur la performance et le muscle strié squelettique. La dynamique de ces effets de l'entraînement a été appréhendée de façon systématique grâce à des outils issus de la théorie des systèmes, auprès de 26 rongeurs entraînés en résistance dans un protocole d'escalade avec charges additionnelles. Le modèle classique (Banister et coll, 1975) a permis de décrire les variations de performance de manière significative (R2 = 0,53, P<0,001). L'origine des gains de performance très marqués (+136% par rapport au groupe contrôle) a été recherchée parmi les mécanismes adaptatifs musculaires potentiels. A l'issue de l'entraînement, une augmentation de l'activité de la myosine ATPase de 123 ± 61% indépendante du phénotype a été observée par rapport aux animaux contrôles. Cette augmentation de la puissance chimique consommée semble liée à une augmentation de la vitesse des étapes d'hydrolyse de l'ATP et surtout de celle de la libération des produits de cette hydrolyse (i.e. ADP et Pi) accompagnant la bascule de la tête de myosine. Une nouvelle forme de plasticité musculaire semble avoir été identifiée. Sur la base des mécanismes adaptatifs musculaires, une nouvelle formulation mathématique plus physiologique du modèle des effets de l'entraînement a été proposée et a aboutit à une meilleure qualité d'ajustement (R2 = 0,71, P<0,001). La fonction impulsionnelle du modèle classique a été remplacée par une fonction exponentielle de croissance qui semble plus appropriée pour rendre compte à la fois des variations de performance mais aussi des adaptations qui surviennent au sein du tissu musculaire comme au sein des unités contractiles elles-mêmes
This thesis work aims to improve our understanding of the effects of resistance training on performance and skeletal muscle. The dynamic of these effects of training has been apprehended systematically trough tools from systems theory, with 26 rodents resistance trained on a climbing protocol with additional weights. The classical model (Banister et al, 1975) was suitable to analyze the training response (R2 = 0.53, P <0.001). The origin of the very marked performance gains (+ 136% compared to the control group) was investigated among the potential muscle adaptive mechanisms. At the end of the training program, an increase of 123 ± 61% in myosin ATPase activity independent of the phenotype was observed compared to control animals. This increase in myosin ATPase activity seems to occur precisely during the main myosin head isomerization step (i.e. powerstroke) that includes the liberation of the hydrolysis products, and to a lesser extent, during ATP hydrolysis step. A new form of muscular plasticity seems identified. Based on muscle adaptive mechanisms, a new mathematical formulation, more physiological, of the model of the training effects has been proposed and resulted in a better fit (R2 = 0.71, P <0.001). The impulse function of the traditional model has been replaced by an exponential growth function that seems more suitable to analyze both the training response and the adaptations that occur within the muscle tissue as in the contractile units themselves

Avec le besoin de développer un organe artificiel remplaçant le doigt humain dans le cas d'un déficit et la nécessité de comprendre le fonctionnement de ce système physiologique, un modèle physique inverse du système doigt, permettant de chercher les activations neuronales à partir du mouvement, est nécessaire. Malgré le grand nombre d'études dans la modélisation de la main humaine, presque il n'existe aucun modèle physique inverse du système doigt majeur qui s'intéresse à chercher les activations neuronales. Presque tous les modèles existants se sont intéressés à la recherche des forces et des activations musculaires. L'objectif de la thèse est de présenter un modèle neuromusculo-squelettique du système doigt majeur humain permettant d'obtenir les activations neuronales, les activations musculaires et les forces musculaires des tous les muscles agissants sur le système doigt d'après l'analyse du mouvement. Le but de ce type des modèles est de représenter les caractéristiques essentielles du mouvement avec le plus de réalisme possible. Notre travail consiste à étudier, modéliser et à simuler le mouvement du doigt humain. L'innovation du modèle proposé est le couplage entre la biomécanique et les aspects neurophysiologiques afin de simuler la chaine inverse complet du mouvement en allant des données dynamiques du doigt aux intentions neuronales qui contrôlent les activations musculaires. L'autre innovation est la conception d'un protocole expérimental spécifique qui traite à la fois les données sEMG multicanal et les données cinématiques d'après une procédure de capture de mouvement
With the need to develop an artificial organ replacing the human finger in the case of a deficiency and the need to understand how this physiological system works, an inverse physical model of the finger system for estimating neuronal activations from the movement, is necessary. Despite the large number of studies in the human hand modeling, almost there is no inverse physical model of the middle finger system that focuses on search neuronal activations. Al most all existing models have focused on the research of the muscle forces and muscle activations. The purpose of the manuscript is to present a neuromusculoskeletal model of the human middle finger system for estimating neuronal activations, muscle activations and muscle forces of all the acting muscles after movement analysis. The aim of such models is to represent the essential characteristics of the movement with the best possible realism. Our job is to study, model and simulate the movement of the human finger. The innovation of the proposed model is the coupling between the biomechanical and neurophysiological aspects to simulate the complete inverse movement chain from dynamic finger data to neuronal intents that control muscle activations. Another innovation is the design of a specific experimental protocol that treats both the multichannel sEMG and kinematic data from a data capture procedure of the movement

Les blessures médullaires induisent chez les sujets atteints des déficiences motrices qui se traduisent par une paralysie partielle ou totale. Face aux limites des méthodes thérapeutiques classiques telles que la chirurgie et les médicaments, la stimulation électrique fonctionnelle (FES) des muscles représente une solution alternative combinant à la fois des bénéfices thérapeutiques largement prouvés et la possibilité de contrôler les membres paralysés à des fins de suppléance fonctionnelle. Cependant, le contrôle artificiel par FES pose un certain nombre de problèmes liés à la nature redondante de l'actionnement musculaire. Par conséquent, le choix des séquences de stimulation électrique est souvent fait de manière empirique, basé sur la seule expérience des cliniciens. Ainsi, la compréhension et la caractérisation des systèmes musculosquelettiques sous FES s'avèrent nécessaire. Elles impliquent la modélisation des différents phénomènes biomécaniques et physiologiques ainsi que l'identification des paramètres du modèle. Les principales contributions de cette thèse sont 1) la mise en place d'un protocole d'identification non-invasif des paramètres du système musculosquelettique sous FES et son application dans le cadre de l'articulation du genou chez les blessés médullaires humains et 2) la synthèse des séquences de stimulation électrique en utilisant des techniques d'optimisation non-linéaires basées sur le modèle identifié
Under spinal cord injury, the natural control of limbs becomes impossible, which leads to partial or totale paralysis. Functional Electrical Stimulation (FES) may then be used to substitute the central nervous system by contracting the skeletal muscles for mouvement rehabilitation of paralysed muscle-limb. In addition, FES presents many therapeutic benefits for SCI patients. However, its application poses some problems in practice. Indeed, the applied stimulation patterns are always empirically tuned, increasing the muscular fatigue and limiting the use to short periods of time. Thus, an accurate numerical model of the muscle-limb dynamics is needed which involve an experimental parameters identification procedure. The main contributions of this thesis are 1) A parameters identification set up of a musculoskeletal physiological model in spinal cord injured subjects and 2) Synthesis of functional electrical stimulation patterns based on the identified model

Ce travail s'inscrit dans le projet européen calies, dont l'objectif est de rétablir la locomotion de patients paraplégiques par stimulation électrique directe de leurs muscles. La première partie porte sur l'analyse et l'évaluation des forces musculaires agissant au cours de la marche normale. Le modèle musculaire retenu est celui de Hill. Les moments aux articulations sont obtenus par une étude dynamique inverse, à partir d'une description cinématique du mouvement. Le problème de synergie musculaire est résolu selon deux méthodes d'optimisation statique, la première consistant à minimiser l'activité musculaire globale, la seconde la fonctionnelle énergie totale. Dans un deuxième temps, la simulation de la marche en corps rigide, pendant la phase oscillante, est réalisée. Elle met en évidence l'instabilité naturelle du genou portant et illustre la nécessité du contrôle de l'extension du genou (contrôle des vastes pour le verrouillage de l'articulation et des ischiojambiers pour l'amortissement du mouvement). Dans une troisième partie, la méthode des éléments finis est appliquée à l'étude du mécanisme flexible constitué des segments squelettiques des extrémités inferieures. Le rôle des masses musculaires est, non seulement de produire le mouvement, mais également de contrôler la déformation élastique du squelette. L'appareil musculosquelettique est optimal en termes de conception mécanique, car il garantit simultanément la sécurité du système et une dépense énergétique minimale

La modélisation du système musculo-squelettique est un outil permettant l'amélioration des connaissances du fonctionnement biomécanique des structures ostéo-articulaires et musculo- tendineuses. Nos travaux de recherche portent sur le développement d'une méthodologie de modélisation personnalisée, volumique, déformable et à capacité contractile du système musculo- squelettique du membre inférieur, intégrant l'ensemble des outils, le plus possible automatisés, de construction (basée sur l'imagerie médicale), de simulation (en couplage avec un modèle multi-corps dynamique) et d'analyse (comme la cartographie des raideurs locales dans le muscle) nécessaires à leur mise en œuvre dans le cadre d'études orthopédiques
Musculo-skeletal modeling can update our knowledge concerning the biomechanical behavior of the osteoarticular and musculotendinous structures. This research work is focus on the development of methodology and tools for the generation of a personalized model of the lower limb musculoskeletal system, taking account of the deformable and contractile behavior of the muscles. This workflow automatically builds the model dataset (from medical imagery), performs the simulations (coupled with a multibody dynamic model), and offers specific analysis tools (as local stiffness mapping in the active muscle) required for various orthopedic studies

Les blessures médullaires induisent chez les sujets atteints des déficiences motrices qui se traduisent par une paralysie partielle ou totale. Face aux limites des méthodes thérapeutiques classiques telles que la chirurgie et les médicaments, la stimulation électrique fonctionnelle (FES) des muscles représente une solution alternative combinant à la fois des bénéfices thérapeutiques largement prouvés et la possibilité de contrôler les membres paralysés à des fins de suppléance fonctionnelle. Cependant, le contrôle artificiel par FES pose un certain nombre de problèmes liés à la nature redondante de l'actionnement musculaire. Par conséquent, le choix des séquences de stimulation électrique est souvent fait de manière empirique, basé sur la seule expérience des cliniciens. Ainsi, la compréhension et la caractérisation des systèmes musculosquelettiques sous FES s'avèrent nécessaire. Elles impliquent la modélisation des différents phénomènes biomécaniques et physiologiques ainsi que l'identification des paramètres du modèle. Les principales contributions de cette thèse sont 1) la mise en place d'un protocole d'identification non-invasif des paramètres du système musculosquelettique sous FES et son application dans le cadre de l'articulation du genou chez les blessés médullaires humains et 2) la synthèse des séquences de stimulation électrique en utilisant des techniques d'optimisation non-linéaire basées sur le modèle identifié.

Les systèmes neuromusculaires et musculo-squelettique sont considérés comme un système de systèmes complexe. En effet, le mouvement du corps humain est contrôlé par le système nerveux central par l'activation des cellules musculaires squelettiques. L'activation du muscle produit deux phénomènes différents : mécanique et électrique. Ces deux activités possèdent des propriétés différentes, mais l'activité mécanique ne peut avoir lieu sans l'activité électrique et réciproquement. L'activité mécanique de la contraction du muscle squelettique est responsable du mouvement. Le mouvement étant primordial pour la vie humaine, il est crucial de comprendre son fonctionnement et sa génération qui pourront aider à détecter des déficiences dans les systèmes neuromusculaire et musculo-squelettique. Ce mouvement est décrit par les forces musculaires et les moments agissant sur une articulation particulière. En conséquence, les systèmes neuromusculaires et musculo-squelettique peuvent être évalués avec le diagnostic et le management des maladies neurologiques et orthopédiques à travers l'estimation de la force. Néanmoins, la force produite par un seul muscle ne peut être mesurée que par une technique très invasive. C'est pour cela, que l'estimation de cette force reste l'un des grands challenges de la biomécanique. De plus, comme dit précédemment, l'activation musculaire possède aussi une réponse électrique qui est corrélée à la réponse mécanique. Cette résultante électrique est appelée l'électromyogramme (EMG) et peut être mesurée d'une façon non invasive à l'aide d'électrodes de surface. L'EMG est la somme des trains de potentiel d'action d'unité motrice qui sont responsable de la contraction musculaire et de la génération du mouvement. Ce signal électrique peut être mesuré par des électrodes à la surface de la peau et est appelé I'EMG de surface {sEMG). Pour un muscle unique, en supposant que la relation entre l'amplitude du sEMG et la force est monotone, plusieurs études ont essayé d'estimer cette force en développant des modèles actionnés par ce signal. Toutefois, ces modèles contiennent plusieurs limites à cause des hypothèses irréalistes par rapport à l'activation neurale. Dans cette thèse, nous proposons un nouveau modèle de relation sEMG/force en intégrant ce qu'on appelle le sEMG haute définition (HD-sEMG), qui est une nouvelle technique d'enregistrement des signaux sEMG ayant démontré une meilleure estimation de la force en surmontant le problème de la position de l'électrode sur le muscle. Ce modèle de relation sEMG/force sera développé dans un contexte sans fatigue pour des contractions isométriques, isotoniques et anisotoniques du Biceps Brachii (BB) lors une flexion isométrique de l'articulation du coude à 90°
The neuromuscular and musculoskeletal systems are complex System of Systems (SoS) that perfectly interact to provide motion. This interaction is illustrated by the muscular force, generated by muscle activation driven by the Central Nervous System (CNS) which pilots joint motion. The knowledge of the force level is highly important in biomechanical and clinical applications. However, the recording of the force produced by a unique muscle is impossible using noninvasive procedures. Therefore, it is necessary to develop a way to estimate it. The muscle activation also generates another electric phenomenon, measured at the skin using electrodes, namely the surface electromyogram (sEMG). ln the biomechanics literature, several models of the sEMG/force relationship are provided. They are principally used to command musculoskeletal models. However, these models suffer from several important limitations such lacks of physiological realism, personalization, and representability when using single sEMG channel input. ln this work, we propose to construct a model of the sEMG/force relationship for the Biceps Brachii (BB) based on the data analysis of a High Density sEMG (HD-sEMG) sensor network. For this purpose, we first have to prepare the data for the processing stage by denoising the sEMG signals and removing the parasite signals. Therefore, we propose a HD-sEMG denoising procedure based on Canonical Correlation Analysis (CCA) that removes two types of noise that degrade the sEMG signals and a source separation method that combines CCA and image segmentation in order to separate the electrical activities of the BB and the Brachialis (BR). Second, we have to extract the information from an 8 X 8 HD-sEMG electrode grid in order to form the input of the sEMG/force model Thusly, we investigated different parameters that describe muscle activation and can affect the relationship shape then we applied data fusion through an image segmentation algorithm. Finally, we proposed a new HDsEMG/force relationship, using simulated data from a realistic HD-sEMG generation model of the BB and a Twitch based model to estimate a specific force profile corresponding to a specific sEMG sensor network and muscle configuration. Then, we tested this new relationship in force estimation using both machine learning and analytical approaches. This study is motivated by the impossibility of obtaining the intrinsic force from one muscle in experimentation

La Physique des Hautes Densités d’Énergies (HEDP) est caractérisée par desécoulements multi-matériaux fortement compressibles. Le domaine contenant l’écoulementsubit de grandes variations de taille et est le siège d’ondes de chocs et dedétente intenses. La représentation Lagrangienne est bien adaptée à la descriptionde ce type d’écoulements. Elle permet en effet une très bonne description deschocs ainsi qu’un suivit naturel des interfaces multi-matériaux et des surfaces libres.En particulier, les schémas Volumes Finis centrés Lagrangiens GLACE (GodunovtypeLAgrangian scheme Conservative for total Energy) et EUCCLHYD (ExplicitUnstructured Cell-Centered Lagrangian HYDrodynamics) ont prouvé leur efficacitépour la modélisation des équations de la dynamique des gaz ainsi que de l’élastoplasticité.Le travail de cette thèse s’inscrit dans la continuité des travaux de Maireet Nkonga [JCP, 2009] pour la modélisation de l’hydrodynamique et des travauxde Kluth et Després [JCP, 2010] pour l’hyperelasticité. Plus précisément, cettethèse propose le développement de méthodes robustes et précises pour l’extension3D du schéma EUCCLHYD avec une extension d’ordre deux basée sur les méthodesMUSCL (Monotonic Upstream-centered Scheme for Conservation Laws) et GRP(Generalized Riemann Problem). Une attention particulière est portée sur la préservationdes symétries et la monotonie des solutions. La robustesse et la précision duschéma seront validées sur de nombreux cas tests Lagrangiens dont l’extension 3Dest particulièrement difficile
High Energy Density Physics (HEDP) flows are multi-material flows characterizedby strong shock waves and large changes in the domain shape due to rarefactionwaves. Numerical schemes based on the Lagrangian formalism are good candidatesto model this kind of flows since the computational grid follows the fluid motion.This provides accurate results around the shocks as well as a natural tracking ofmulti-material interfaces and free-surfaces. In particular, cell-centered Finite VolumeLagrangian schemes such as GLACE (Godunov-type LAgrangian scheme Conservativefor total Energy) and EUCCLHYD (Explicit Unstructured Cell-CenteredLagrangian HYDrodynamics) provide good results on both the modeling of gas dynamicsand elastic-plastic equations. The work produced during this PhD thesisis in continuity with the work of Maire and Nkonga [JCP, 2009] for the hydrodynamicpart and the work of Kluth and Després [JCP, 2010] for the hyperelasticitypart. More precisely, the aim of this thesis is to develop robust and accurate methodsfor the 3D extension of the EUCCLHYD scheme with a second-order extensionbased on MUSCL (Monotonic Upstream-centered Scheme for Conservation Laws)and GRP (Generalized Riemann Problem) procedures. A particular care is taken onthe preservation of symmetries and the monotonicity of the solutions. The schemerobustness and accuracy are assessed on numerous Lagrangian test cases for whichthe 3D extensions are very challenging

Ce travail de thèse a pour but l’étude des douleurs de dos qui surviennent chez l’astronaute présentant davantage de hernies discales par rapport à une population contrôle. Nos recherches visent à comprendre la physiopathologie de ce phénomène et à étudier les conséquences cliniques de ce déconditionnement vertébral qui participe également aux troubles posturaux. Cet axe de recherche est recommandé par les différentes agences spatiales internationales. Pour cela nous avons eu l’opportunité d’analyser les données dans deux modèles d’études des effets de la microgravité : l’immersion sèche (n=11) et l’alitement tête déclive (n=9) et un état analogue, le confinement (n=4). Seuls les principaux résultats de l’immersion sèche, méthode d’étude nouvelle de notre paradigme, sont rapportés dans ce résumé. Celle-ci a permis grâce à l’imagerie et la spectroscopie par résonnance magnétique nucléaire de la colonne vertébrale, d’analyser en 3 dimensions le disque intervertébral et d’objectiver l’augmentation du contenu en eau (+17%) du volume de ce disque (+9,5%). Les variations du tonus des muscles paravertébraux et des membres inférieurs ont été mesurées avec la très récente et non-invasive technologie MyotonPRO. Une diminution du tonus musculaire (-7,3%) a été retrouvée, associée à une atrophie musculaire (-10,6%) ainsi qu’une perte de force démontrée sur les membres inférieurs. Ces résultats, attestant un déconditionnement musculaire, sont cohérents avec le déconditionnement postural immédiatement après immersion sèche. Nous avons également étudié les paramètres d’occlusion dentaire, qui font partie des entrées posturales et peuvent affecter la bonne stabilité du corps. Finalement deux éléments interviennent dans l’explication des dysfonctions vertébrales : l’augmentation de la taille de la colonne liée à celle du volume des disques intervertébraux. On note également une atrophie des muscles paravertébraux, qui joue un rôle majeur dans la posture. Nous avons par ailleurs montré le rôle de l’occlusion dentaire dans le déconditionnement vertébral et postural. En conclusion : le tonus musculaire, la bonne mobilité vertébrale et l’équilibre de l’occlusion dentaire sont des éléments à préserver pendant et après un séjour en impesanteur, afin d’éviter les effets délétères du déconditionnement
This work focuses on the study of back pain experienced by astronauts, who present with a greater incidence of herniated discs compared to a control population. Our research aims at understanding the physiopathology of this phenomenon and to study the clinical consequences of vertebral deconditioning which also contributes to postural disorders. This line of research has been recommended by the various international space agencies. For this reason, we had the opportunity to analyze data in two models simulating the effects of microgravity: dry immersion (n = 11) and head-down bed rest (n = 9), and a similar state, confinement (n = 4). Only the main results of dry immersion, a new method of studying our paradigm, are reported in this summary. Using magnetic resonance imaging and spectroscopy of the vertebral column, it was possible to analyze the intervertebral disc in 3 dimensions and to objectify the increase in water content (+ 17%) and the increase in intervertebral disc volume (+ 9.5%). Variations in paravertebral and lower limb muscle tone were measured with the very recent, and non-invasive, MyotonPRO technology. A decrease in muscle tone (-7.3%) was found to be associated with muscular atrophy (-10.6%) as well as a loss of strength in the lower limbs. These results, attesting to muscle deconditioning, are consistent with postural impairment immediately after dry immersion. We also studied variations in dental occlusion, which is involved with the maintenance of posture and could affect balance. In summary, two elements are involved in the explanation of vertebral dysfunction: the increase in spine height, related to increased intervertebral discs volume and paravertebral muscles atrophy, which plays a major role in posture. However, we also showed a role of dental occlusion in vertebral and postural deconditioning. In conclusion: muscle tone, good vertebral mobility, and dental occlusion are elements to be preserve during and after an exposure to weightlessness to avoid the deleterious effects of deconditioning