Identification d'une fonction coût réaliste de la distribution des forces musculaires en cours de mouvement

RÉSUMÉ L’évaluation fiable des forces musculaires du corps humain est hautement souhaitable pour les applications dans le contexte clinique et de recherche, surtout pour les suivis de pathologies musculosquelettiques dans la réadaptation. Plusieurs modèles pour l’évaluation des forces musculaires basés sur la mesure non invasive ont été proposés depuis 1836. Le modèle de Crowninshield et Brand [1] (1981), qui maximise une fonction coût en représentant l’endurance des fibres musculaires, est un des modèles les plus populaires dans la littérature. Il est à noter que ce modèle est largement utilisé nonobstant sa limitation majeure de la cohérence physiologique. Forster et al. [2] (2004) a signalé que les critères d’optimisation conventionnels sont inadéquats dans la prédiction de la co-contraction musculaire. Ils ont proposé un modèle avancé pour trouver une meilleur solution pour ce problème. De plus, les méthodes d’électromyographie (EMG) qui sont basées directement sur les caractéristiques des signaux EMG sont aussi développées pour accéder aux forces musculaires. Toutefois, cette approche n’est pas largement adoptée à cause de sa complexité d’usage et la nécessité de calibration avant chaque test. Néanmoins, les méthodes d’EMG peuvent conduire à l’identification de fonctions coût plus avancées, qui produit des prédictions plus cohérentes avec l’activation physiologique des muscles par rapport aux fonctions coût sans EMG, et elles sont plus facile à utiliser par rapport aux méthodes basées directement sur les signaux EMG. L’objectif de ce mémoire est de proposer la première fonction coût en combinant les données cinématiques et EMG pour la quantification des forces musculaires pendant le mouvement. La cohérence entre la prédiction de notre méthode et la solution EMG est 18.8% plus élevée qu’avec la méthode de Crowninshield sur une base des données de 17 sujets.----------ABSTRACT A reliable evaluation of muscle forces in the human body is highly desirable for several applications in both clinical and research contexts, especially for the follow-up of musculoskeletal pathologies in rehabilitation. Several models of muscle force distribution based on non-invasive measurements have been proposed since 1836, amongst which Crowninshield et Brand [1]’s (1981), which maximizes a cost-function representing the muscle fiber endurance, is the most popular. It is worth noting that this model is the most widely adopted notwithstanding its major limitations of physiological coherence. Forster et al. [2] (2004) pointed out that these conventional optimization criteria are inadequate in predicting muscle co-contraction, and proposed an improved model to deal with this problem. Moreover, electromyographic (EMG)-driven models have been proposed to assess individual muscle forces, which are based directly on the measured EMG patterns. However, this approach has not been broadly adopted, because of its complexity and the necessity of calibration before each test. Nevertheless, the EMG-driven approach could lead to the identification of more advanced cost-functions, which would be more in line with the muscle physiological activations compared to the EMG-free cost-functions, and easier to use than the evaluation using directly the EMG signals. The objective of this paper is to propose the first cost-function combining kinematic and EMG data for the quantification of muscle forces during movement. The muscle force prediction of our method performs 18.8% higher coherence with the EMG solution than the prediction of Crowninshield’s method when tested on a database of 17 subjects

Bioaéroelasticité d’aéronefs à voilure tournante par bond graphs

Under certain flight conditions, rotorcrafts might suffer from the emergence of undesirable oscillations, potentially unstable phenomena, known as aeroelastic Rotorcraft-Pilot Couplings (RPCs). These phenomena critically affect the safety and performance of rotorcraft designs. Therefore, there is an important interest in being able to predict the emergence of such dynamic phenomena, as soon as possible during the design process of helicopters. A review of the state-of-the-art reveals that these phenomena are the result of interactions between pilots’ biodynamics and helicopters’ aeroelastic behaviors. In order to provide more modularity and granularity in the modeling of complex systems, a bond graph based approach is used. A helicopter aeromechanical model and a pilot upper limb neuromusculoskeletal model are developed using bond graphs. Three original bond graph representations are proposed, to model: quasi-steady aerodynamic forces, lag-flap-pitch joint at blades’ roots, and a Hill-type muscle force model that accounts for muscle reflexive feedback. Encouraging results are found when comparing the pilot biodynamic model transmissibility cyclic lever angle to lateral cockpit accelerations computations to literature experimental results. A linear model of the coupled human-machine bioaeroelastic system around hover is analyzed in terms of stability. It reveals not only the regressing lag mode, as conjectured in literature, but also the advancing lag mode can be destabilized during a lateral-roll aeroelastic RPC. Furthermore, a criterion to assess the stability of the equilibrium of a dynamic system from a linear model limits the possibility to take into account nonlinear physical behaviors, reducing the design space. The first blocks towards a method based on Chetaev functions is proposed, to determine if an equilibrium is unstable, directly from its large nonlinear mathematical model, at a potentially interesting computational cost. The helicopter ‘ground resonance’ case illustrates the soundness of the proposal.Dans certaines conditions de vol, les aéronefs à voilure tournante souffrent parfois de l’émergence d’oscillations indésirables, phénomènes potentiellement instables connus sous le nom de Couplages Pilote-Aéronef aéroélastiques (CPA). Ces phénomènes affectent de manière critique la sécurité et la performance des aéronefs. Par conséquent, il est important d’être capable de prédire l’émergence de tels phénomènes dynamiques, le plus tôt possible dans le processus de conception des hélicoptères. Une revue de la littérature révèle que ces phénomènes sont le résultat d’interactions entre les comportements biodynamique du pilote et aéroélastique des hélicoptères. Afin d’avoir une plus grande modularité et granularité dans le processus de modélisation de systèmes complexes, une approche par bond graphs est adoptée. Un modèle aéromécanique d’hélicoptère et un modèle neuro-musculo-squelettique d’un des membres supérieurs du pilote sont développés en bond graphs. Parmi les représentations proposées, trois sont originales, notamment afin de modéliser : des efforts aérodynamiques quasi-statiques, la liaison traînée-battement-pas entre pale et moyeu rotor, et les efforts musculaires à partir d’un modèle de Hill qui tient compte d’une boucle de rétroaction neuromusculaire. Des résultats encourageants sont obtenus lorsque l’on compare la transmissibilité, entre l’angle de manche de pas cyclique imposé par le pilote et des accélérations latérales de la cabine, calculée à partir du modèle biodynamique, et à partir des résultats expérimentaux tirés de la littérature. Un modèle du système bioaéroélastique homme-machine est linéarisé, au voisinage d’un vol stationnaire, et analysé en termes de stabilité. L’étude révèle, comme conjecturé dans la littérature, que le mode régressif de traînée peut être déstabilisé. De plus, il apparaît que le mode progressif de traînée peut également être déstabilisé lors d’un CPA sur l’axe latéral-roulis. Un critère d’analyse de la stabilité d’un équilibre d’un système dynamique à partir d’un modèle linéaire limite la possibilité de prendre en compte certains comportements non-linéaires et donc réduit l’espace de conception. Les premières pierres vers une méthode basée sur des fonctions de Chetaev sont posées, afin de déterminer si l’équilibre d’un système dynamique est instable, directement à partir d’un modèle mathématique non-linéaire de grande dimension, à un coût de calcul potentiellement intéressant. Afin d’illustrer la pertinence de la proposition, le cas de la résonance sol d’un hélicoptère est présentée

Estudio por elementos finitos de la asimetría mandibular infantil

Las asimetrías mandibulares constituyen una patología con repercusiones a nivel estético, muscular, óseo y articular. Los orígenes son diversos pero todos ellos aparecen en edades tempranas. Tras el crecimiento, en caso de haberse desarrollado una asimetría, el único método correctivo es la cirugía. Para evitar esto, es de vital importancia la detección prematura de la patología y la aplicación de tratamientos alternativos a la cirugía. Pese a esto, la mayoría de las investigaciones y publicaciones relacionadas con las asimetrías mandibulares, se centran en la detección de ésta y en el estudio de las repercusiones en la articulación temporomandibular (ATM). Este trabajo tiene por objeto proponer un modelo de elementos finitos basado en la geometría del conjunto masticatorio de un paciente real de 4 años, que sirva de validación de un método de corrección alternativo a la cirugía: el micro-tallado. Este tratamiento consiste en corregir la mordida mediante la modificación de la geometría de los dientes temporales, previniendo así el desarrollo de una asimetría mandibular. Para ello se ha desarrollado un modelo previo y un modelo posterior al tratamiento que permita comparar ambos estados tensionales. El modelo previo se ha basado en una tomografía computarizada (CT) del paciente antes del tratamiento, la cual ha sido tratada hasta obtener un modelo CAD. Esta imagen ha servido, en combinación con el escaneado del molde de los dientes del paciente, para obtener el modelo posterior al micro-tallado. Ambos modelos CAD han sido mallados en función de la importancia de cada parte en el estudio. Se han incorporado los músculos faciales responsables de realizar las cargas correspondientes a cada caso. A cada músculo se han asociado fuerzas, las cuales han sido determinadas a partir de la fuerza de mordida y de los índices de actividad extraídos de electromiografías del paciente. Tanto los músculos como los demás tejidos biológicos han sido caracterizados en base a resultados experimentales de otras publicaciones. Tras el desarrollo de ambos modelos, se ha simulado la mordida con apriete ("clenching"), aplicándose la fuerza máxima de mordida. Se ha realizado un estudio comparativo tanto entre el caso previo y posterior al tratamiento, como entre ambos lados de la cara. Se ha analizado la actividad muscular y el estado tensional de los dientes, los tejidos óseos y los discos y cartílagos articulares

Measuring Multi-Joint Stiffness during Single Movements: Numerical Validation of a Novel Time-Frequency Approach

This study presents and validates a Time-Frequency technique for measuring 2-dimensional multijoint arm stiffness throughout a single planar movement as well as during static posture. It is proposed as an alternative to current regressive methods which require numerous repetitions to obtain average stiffness on a small segment of the hand trajectory. The method is based on the analysis of the reassigned spectrogram of the arm's response to impulsive perturbations and can estimate arm stiffness on a trial-by-trial basis. Analytic and empirical methods are first derived and tested through modal analysis on synthetic data. The technique's accuracy and robustness are assessed by modeling the estimation of stiffness time profiles changing at different rates and affected by different noise levels. Our method obtains results comparable with two well-known regressive techniques. We also test how the technique can identify the viscoelastic component of non-linear and higher than second order systems with a non-parametrical approach. The technique proposed here is very impervious to noise and can be used easily for both postural and movement tasks. Estimations of stiffness profiles are possible with only one perturbation, making our method a useful tool for estimating limb stiffness during motor learning and adaptation tasks, and for understanding the modulation of stiffness in individuals with neurodegenerative diseases

Development of Digital Control Systems for Wearable Mechatronic Devices: Applications in Musculoskeletal Rehabilitation of the Upper Limb

The potential for wearable mechatronic systems to assist with musculoskeletal rehabilitation of the upper limb has grown with the technology. One limiting factor to realizing the benefits of these devices as motion therapy tools is within the development of digital control solutions. Despite many device prototypes and research efforts in the surrounding fields, there are a lack of requirements, details, assessments, and comparisons of control system characteristics, components, and architectures in the literature. Pairing this with the complexity of humans, the devices, and their interactions makes it a difficult task for control system developers to determine the best solution for their desired applications. The objective of this thesis is to develop, evaluate, and compare control system solutions that are capable of tracking motion through the control of wearable mechatronic devices. Due to the immaturity of these devices, the design, implementation, and testing processes for the control systems is not well established. In order to improve the efficiency and effectiveness of these processes, control system development and evaluation tools have been proposed. The Wearable Mechatronics-Enabled Control Software framework was developed to enable the implementation and comparison of different control software solutions presented in the literature. This framework reduces the amount of restructuring and modification required to complete these development tasks. An integration testing protocol was developed to isolate different aspects of the control systems during testing. A metric suite is proposed that expands on the existing literature and allows for the measurement of more control characteristics. Together, these tools were used ii ABSTRACT iii to developed, evaluate, and compare control system solutions. Using the developed control systems, a series of experiments were performed that involved tracking elbow motion using wearable mechatronic elbow devices. The accuracy and repeatability of the motion tracking performances, the adaptability of the control models, and the resource utilization of the digital systems were measured during these experiments. Statistical analysis was performed on these metrics to compare between experimental factors. The results of the tracking performances show some of the highest accuracies for elbow motion tracking with these devices. The statistical analysis revealed many factors that significantly impact the tracking performance, such as visual feedback, motion training, constrained motion, motion models, motion inputs, actuation components, and control outputs. Furthermore, the completion of the experiments resulted in three first-time studies, such as the comparison of muscle activation models and the quantification of control system task timing and data storage needs. The successes of these experiments highlight that accurate motion tracking, using biological signals of the user, is possible, but that many more efforts are needed to obtain control solutions that are robust to variations in the motion and characteristics of the user. To guide the future development of these control systems, a national survey was conducted of therapists regarding their patient data collection and analysis methods. From the results of this survey, a series of requirements for software systems, that allow therapists to interact with the control systems of these devices, were collected. Increasing the participation of therapists in the development processes of wearable assistive devices will help to produce better requirements for developers. This will allow the customization of control systems for specific therapies and patient characteristics, which will increase the benefit and adoption rate of these devices within musculoskeletal rehabilitation programs