Apport de la cohérence intermusculaire pour l'estimation des moments musculaires : application à l'étude des stratégies motrices chez le patient cérébrolésé

Contribution of intermuscular coherence for muscle moment estimations : application to motor strategy investigation in brain-injured patients

• Auteur / Autrice : Emilie Mathieu
• Direction : Philippe Pudlo, David Amarantini, Sylvain Cremoux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique et bio-ingénierie
• Date : Soutenance le 06/01/2023
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Bastien Berret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Pudlo, David Amarantini, Sylvain Cremoux, Floren Colloud, Agnès Roby-Brami, Pauline Gérus
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Floren Colloud, Agnès Roby-Brami

Mots clés

Mots clés contrôlés

Membre supérieur

Troubles musculo-squelettiques

Modèles mathématiques

Force musculaire

Mots clés libres

Modèle musculosquelettique

Efforts musculaires

Cohérence intermusculaire

Dynamique inverse

Stratégies nerveuses

Stratégies motrices

Musculoskelettal modelling

Muscle efforts

Intermuscular coherence

Inverse dynamics

Neural strategies

Motor strategies

Résumé

L'estimation des moments de force développés par chaque muscle intervenant autour d'une articulation peut permettre d'adapter une rééducation motrice ou un entrainement sportif, de préparer une intervention chirurgicale ou bien encore de piloter des prothèses robotisées. Les mesures directes des forces musculaires étant invasives, des modèles biomécaniques ont été développés de manière à en obtenir une estimation. Cependant, en raison de la redondance musculaire, une infinité d'activations musculaires, et donc de stratégies nerveuses, peut conduire à une même action motrice. L'objectif de ce travail de thèse est d'augmenter les qualités d'un modèle existant par la prise en compte des stratégies nerveuses afin d'estimer avec plus de précision les moments musculaires actionnant le coude. Dans ce cadre, il est apparu pertinent, dans une première étape, de proposer une clarification sémantique de la modélisation musculosquelettique. Nous avons ensuite cherché à intégrer la cohérence intermusculaire, c'est-à-dire la corrélation fréquentielle entre deux signaux électromyographiques (EMG), dans un modèle avec une direction inverse de résolution, piloté par l'EMG et incluant un suivi du couple net articulaire. En effet, la cohérence intermusculaire reflète les stratégies nerveuses par l'intermédiaire des commandes communes reçues par les paires de muscles. L'application de ce modèle « augmenté » à une population de sujets sains montre des estimations plus réalistes des moments musculaires, notamment antagonistes, tout en assurant leur stabilité face aux variations de certains paramètres du modèle. La cohérence intermusculaire permet alors de lier les activations musculaires entre elles et réduit la dimensionnalité du problème. Pour des patients présentant un contrôle moteur altéré à la suite d'un traumatisme cérébral, considérer les stratégies nerveuses dans la modélisation pourrait augmenter la précision des moments musculaires estimés. L'analyse de la pertinence de ce modèle augmenté en milieu clinique sur une population cérébrolésée s'est réalisée en deux étapes. Après avoir identifié une coordination interarticulaire altérée pour les deux bras chez les patients ainsi qu'une stratégie de fragmentation du mouvement du bras parétique au cours d'une tâche d'extension active du coude, le modèle augmenté a permis d'estimer les moments musculaires pour cette population. Les moments estimés, en accord avec la cinématique et cinétique précédemment mises en évidence, montrent que les patients présentent une faiblesse musculaire ainsi qu'une difficulté à gérer le niveau requis de cocontraction des muscles antagonistes. De plus, les paramètres du modèle reflètent les déficits nerveux des patients. Ce travail montre l'intérêt de la prise en compte des stratégies nerveuses, à travers la cohérence intermusculaire, dans la modélisation musculosquelettique afin d'obtenir des résultats physiologiquement plus réalistes y compris pour des populations présentant des pathologies. L'application de cette modélisation chez des patients cérébrolésés a apporté de nouvelles connaissances pour l'évaluation des déficits et l'adaptation de la rééducation et des traitements. Ce modèle augmenté ouvre de nouvelles pistes d'exploration de l'efficacité des traitements, comme les effets de la toxine botulique, sur la fragmentation du mouvement.

The estimation of the moments developed by each muscle actuating a joint can allow to adapt motor rehabilitation or sports training, to prepare for surgery or even to control robotic prostheses. Since direct measurements of muscle forces are invasive, biomechanical models have been developed to obtain an estimation. However, due to muscle redundancy, an infinity of muscle activations, and therefore neural strategies, can lead to the same motor action. The objective of this thesis work is to improve the quality of an existing model by considering neural strategies to estimate with greater precision the muscle moments actuating the elbow. In this context, it seemed relevant, in a first step, to propose a semantic clarification of musculoskeletal modelling. Then we integrated the intermuscular coherence, i.e., the frequency correlation between two electromyographic (EMG) signals, in a model with an inverse direction of resolution, driven by the EMG and including net torque tracking. Intermuscular coherence reflects neural strategies through common commands received by pairs of muscles. The application of this “augmented” model to a population of healthy subjects shows more physiologically realistic muscle moment estimations, in particular for antagonist muscles, while ensuring their stability in case of model parameter variations. Intermuscular coherence interlinks muscle activations and reduces the problem dimensionality. For patients with impaired motor control following brain injury, considering neural strategies in modelling could increase the muscle moments estimation accuracy. The analysis of this augmented model relevance in a clinical setting with a brain-damaged population was carried out in two stages. After identifying an impaired inter-articular coordination for the two upper limbs in patients as well as a movement fragmentation strategy for the paretic arm during an active elbow extension task, we estimate the muscle moments for this population with the augmented model. The estimated moments, in agreement with the kinematics and kinetics previously highlighted, show that the patients present a muscle weakness as well as a difficulty in managing the required antagonistic muscles cocontraction level. Moreover, the model parameters reflect the patients' nervous deficits. This work shows the interest of considering neural strategies, through intermuscular coherence, in musculoskeletal modeling to obtain physiologically more realistic results, including populations with pathologies. This modeling application in brain-injured patients has brought new knowledge for deficit evaluation and rehabilitation and treatment adaptation. This augmented model opens new avenues to explore the treatment efficacy, such as the effects of botulinum toxin, on movement fragmentation.