Vers une assistance fonctionnelle du transfert et de la posture chez le sujet paraplégique sous électrostimulation : de la simulation à l'expérimentation

par Jovana Jović

Thèse de doctorat en SYAM - Systèmes Automatiques et Microélectroniques

Sous la direction de Philippe Fraisse, Christine Azevedo et de Charles Fattal.


  • Résumé

    Environ 90 millions de personnes dans le monde souffrent de lésions de la moelle épinière. Cette thèse se focalise sur les individus paraplégiques ayant une lésion complète, c'est à dire les personnes souffrant de pertes sensorielles et motrices des membres inférieurs. Grâce aux progrès médicaux réalisés autour de la prise en charge des patients dès les premiers instants après l'accident, l'espérance de vie de ces personnes est maintenant comparable à celle de sujets dits normaux. Ceci a généré un changement radical dans les priorités de la recherche médicale qui aspire maintenant à améliorer leur qualité de vie. Les patients utilisant des fauteuils roulants sont soumis à des efforts musculaires et articulaires très intenses au niveau des membres supérieurs et particulièrement des épaules. Ces efforts sont observables durant les phases de propulsion du fauteuil, mais également dans la des tâches du quotidien telles que le transfert pour les activités domestiques ou la conduite. En conséquence les complications et les troubles musculo squelettiques sont fréquents chez ces patients ce qui peut causer une diminution ou même une perte totale des fonctions motrices encore préservées et de fait impacter l'autonomie de ces personnes. De part sa mobilité réduite la population paraplégique fait également face à d'autres problèmes médicaux comme la fragilité osseuse ou la mauvaise circulation sanguine. Ces changements métaboliques entrainent une augmentation du risque de diabète, risques d'escarres, et de la spasticité musculaire.L'utilisation de la Stimulation Electrique Fonctionnelle (SEF) pour la restauration du mouvement a montre son intérêt à la fois fonctionnel et thérapeutique. La restauration du mouvement au moyen de la SEF est étudiée depuis de nombreuses années mais le nombre de systèmes vraiment opérationnels et fonctionnels est toujours très limité. Dans ce contexte, le but de cette thèse est l'étude de solutions permettant d'améliorer la qualité de vie de personnes paraplégiques en restaurant les possibilités de lever de chaise, de transfert depuis le fauteuil roulant vers une autre surface et de maintien de la station érigée. Nous avons cherché au cours de ce travail à trouver un bon compromis entre la performance fonctionnelle du système d'assistance proposé et sa simplicité. Pour ce faire, nous nous sommes attachés, dans un contexte d'utilisation clinique et à domicile dans le futur, à réduire le nombre de capteurs ainsi que la complexité calculatoire.Dans cette thèse, nous avons réalisé l'étude du mouvement optimal à produire pour réaliser une tâche de lever de chaise qui réduirait les efforts au niveau des bras ainsi que la fatigue musculaire induite par l'utilisation de la SEF. Nous avons validé expérimentalement un nouveau système de contrôle en boucle-fermée pour le lever de chaise en réalisant des expériences incluant six patients paraplégiques.Les bénéfices de l'utilisation de la SEF pendant un mouvement de transfert en pivot chez le patient paraplégique ont été étudiés en utilisant un processus d´optimisation et un modèle biomécanique de l'humain.Enfin, une nouvelle solution pour le contrôle de la station érigée chez le patient paraplégique a été proposée dans cette thèse. Le contrôleur proposé permet un maintien de la station érigée prolongée tout en prenant en compte les mouvements volontaires du patient.Finalement, les résultats obtenus lors de cette thèse apparaissent comme très prometteurs et nous croyons que la recherche scientifique devrait persister dans cette voie tout en continuant les collaborations et interactions entre équipes médicales, ingénieurs et patients paraplégiques.

  • Titre traduit

    Towards a functional assistance in transfer and posture of paraplegics using FES : from simulations to experiments


  • Résumé

    Today there are around 90 million people suffering from Spinal Cord Injury (SCI) worldwide. This thesis focuses on individuals who are complete paraplegic, i.e. persons suffering the loss of sensor and motor functions of their lower extremities. Thanks to improvements in emergency medical care, problems faced by SCI individuals after an accident are no longer life threatening, and their life expectancy is now comparable to that of able-bodied individuals. This has generated a shift of the priorities in medical research and practice away from survival and towards improvements in the quality of life for those living in a wheelchair. Wheelchair users are subjected to intense loads on the muscles and joints of the upper trunk and upper limbs during wheelchair propulsion, and in almost every other daily activity such as transfer, driving and household activities. Consequently, musculoskeletal pain is a common complication in the patients with SCI, which could cause a decrease or even total loss in remaining functional independence. Due to their limited mobility paraplegic population also faces many other medical problemsrelated with bone loading, cardio-circulatory stimulation, metabolic changeswhich increases the risk of diabetes development, oint extension, pressure sore prevention, and occurrence of muscle spasticity.The use of Functional Electrical Stimulation (FES) for motion restoration in paralyzed limbs proved to have a potential to provide both functional and therapeutic benefits. Movement restoration by means of FES in patients suffering from SCI has been a subject of research for many years, nevertheless, the number of effective FES systems is still limited. Hence, the aim of this thesis is to investigate solutions which would improve quality of life of people suffering from SCI by restoring the sit-to-stand, transfer from one surface to an other and standing movements that are lost due to SCI. We aim to find a good trade-off between achievable functionality of the FES system and its simplicity in terms of number of required sensors and computational cost and, accordingly, its applicability in clinical practice and daily life of paraplegic individuals. The following contributions have been made.In this thesis, we have investigated the optimal manner for performing the sit-to-stand movement which would reduce arm efforts and muscle fatigue induced by FES has been investigated. Also, we have experimentally validated new closed-loop system for sit-to-stand transfer for needs of a paraplegic person by performing experiments with six paraplegic patients. As part of the strategy of the system, patients were instructed to perform a rising motion in a manner previously calculated as optimal.The benefits from using FES during sitting-pivot-transfer motion in paraplegic patients have been investigated using optimization process and biomechanical modeling of the human body.In this thesis, we have proposes a new solution for control of standing posture in SCI patients by means of FES. The proposed controller enables prolonged standing and it is able to cope with voluntary movements of the patient.The authors find that the results obtained in this thesis are promising and believe that the scientific research should be proceeded in this direction. We also hope to continue the collaboration with medical staff as we strongly believe that through the collaborative work between engineers, clinicians and patients an effective solutions will be found.


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