Estimation des forces musculaires du membre supérieur humain par optimisation dynamique en utilisant une méthode directe de tir multiple

La modélisation musculo-squelettique permet d’estimer les forces internes du corps humain, à savoir, les forces musculaires et articulaires. Ces estimations sont nécessaires pour comprendre l’anatomie fonctionnelle, les mécanismes de blessures ou encore de concevoir des aides techniques à la motricité. Le défi est d’utiliser l’ensemble des données biomécaniques existantes pour prédire des forces internes qui tiennent compte des stratégies neuro-musculo-squelettiques propres à chacun. L’objectif de cette thèse était d’estimer les forces musculaires du membre supérieur humain par optimisation dynamique, en proposant une méthode innovante de suivi simultané des données électromyographiques (EMG) et cinématiques. À cet égard, nos quatre objectifs spécifiques étaient de : (1) résoudre ce problème d’optimisation dynamique en utilisant une méthode directe de tir multiple ; (2) déterminer sa pertinence et sa performance par rapport aux autres algorithmes existants ; (3) valider son applicabilité à des données expérimentales ; et (4) caractériser des techniques d’identification (numériques et expérimentales) des propriétés musculaires, notamment à l’aide d’un ergomètre isocinétique. Nos différentes études ont permis d’établir que, en un temps de calcul raisonnable (~ 1 heure), notre nouvelle méthode de suivi simultané en optimisation dynamique est à-même de reproduire la cinématique attendue avec une précision de l’ordre de 5°. En outre, l'erreur quadratique moyenne sur les forces musculaires a été réduite d’au moins cinq fois avec notre nouvelle méthode, comparativement aux optimisations statique, hybride et dynamique reposant sur des fonctions-objectif de moindres-activations/excitations (erreur sur les forces musculaires de 18,45 ± 12,60 N avec notre nouvelle méthode contre 85,10 ± 116,40 N avec une optimisation hybride faisant le suivi des moments articulaires). Notre algorithme a également montré son efficacité lors de l’identification des propriétés musculaires d’un modèle musculo-squelettique générique : ce faisant, des excitations musculaires avec deux fois moins d’erreurs vis-à-vis de l’EMG expérimental ont été obtenues, comparativement à l’optimisation statique. Finalement, en termes de calibration du modèle musculo-squelettique, nous avons pu établir que la mesure expérimentale du moment articulaire à l’épaule au moyen de l’ergomètre isocinétique est inadéquate, en particulier lors de mouvements de rotation interne/externe de l’épaule. En effet, les composantes en flexion et abduction du moment à l’épaule mesurées par l’ergomètre isocinétique sont significativement sous-estimées (jusqu'à 94,9% par rapport au moment résultant calculé à partir des efforts tridimensionnels à la main et au coude, mesurés par des capteurs de force six axes). Par conséquent, cette thèse a mis en évidence l’importance du suivi simultané de l’EMG et de la cinématique en optimisation dynamique, afin de rendre fiables les estimations de forces musculaires du membre supérieur – notamment, dans les cas de forte co-contraction musculaire. Elle également a permis d’établir des recommandations qui serviront lors de la calibration du modèle à partir de l’ergomètre isocinétique. Notre méthode innovante pourra être appliquée à des populations pathologiques, afin de comprendre la pathomécanique et mieux intervenir auprès des professionnels de la santé et de leurs patients.Musculoskeletal modeling is used to estimate the internal forces of the human body, namely, muscle and joint forces. These estimates are necessary to understand functional anatomy and pathogenesis or to design technical devices supporting the movement. The challenge is to use all existing biomechanical data to predict internal forces that account for the neuro-musculoskeletal strategies of each individual. The purpose of this thesis was to estimate the human upper-limb muscles forces using forward dynamic optimisation. To do so, we proposed an innovative method tracking both electromyographic (EMG) and kinematic data directly into the optimisation objective-function. In this regard, our four specific objectives were: (1) solving the forward-dynamic optimisation problem using a direct multiple shooting method; (2) determining its relevance and performance compared to other existing algorithms in the literature; (3) validating its applicability to experimental data; and (4) characterizing techniques to identify the model muscle properties using the isokinetic dynamometer. In our different studies, we have demonstrated that, in a reasonable computation time (~ 1 hour), our new dynamic-optimisation method is able to predict the joint kinematics with an accuracy of about 5°. In addition, the muscle forces root-mean-square error was reduced by at least five times with our new method compared to static, hybrid, and dynamic optimisations based on least-activations/excitations objective-functions (muscle forces error of 18.45 ± 12.60 N with our new method vs. 85.10 ± 116.40 N with a traditional hybrid optimisation tracking the joint torques). Our new algorithm also proved to be efficient in identifying the muscle properties of a generic musculoskeletal model: in doing so, the error between the optimised muscle excitations and the experimental EMG was two time lower than the one obtained with static optimisation. Finally, regarding the calibration of the musculoskeletal model, we established that the experimental joint torque measurement at the shoulder using the isokinetic dynamometer was not suitable, especially during internal/external rotation movements of the shoulder. In fact, the flexion and abduction components of the shoulder torque measured by the isokinetic dynamometer are significantly underestimated (up to 94.9% compared to the resulting torque calculated from the three-dimensional forces at the hand and at the elbow, measured by six-axis force sensors). Therefore, this thesis has emphasized the importance of tracking both EMG and kinematics in dynamic optimisation, in order to make reliable estimations of the upper-limb muscle forces – specifically when high co-contraction occurs. Besides, recommendations were issued about calibrating the musculoskeletal model from the experimental torques measured with the isokinetic dynamometer. It will be possible to apply our innovative forward-dynamic optimisation method to pathological populations to increase understanding of the pathomechanics of human movement and better assist health professionals and their patients

Robust simultaneous myoelectric control of multiple degrees of freedom in wrist-hand prostheses by real-time neuromusculoskeletal modeling

Objectives: Robotic prosthetic limbs promise to replace mechanical function of lost biological extremities and restore amputees' capacity of moving and interacting with the environment. Despite recent advances in biocompatible electrodes, surgical procedures, and mechatronics, the impact of current solutions is hampered by the lack of intuitive and robust man-machine interfaces. Approach: Based on authors' developments, this work presents a biomimetic interface that synthetizes the musculoskeletal function of an individual's phantom limb as controlled by neural surrogates, i.e. electromyography-derived neural activations. With respect to current approaches based on machine learning, our method employs explicit representations of the musculoskeletal system to reduce the space of feasible solutions in the translation of electromyograms into prosthesis control commands. Electromyograms are mapped onto mechanical forces that belong to a subspace contained within the broader operational space of an individual's musculoskeletal system. Results: Our results show that this constraint makes the approach applicable to real-world scenarios and robust to movement artefacts. This stems from the fact that any control command must always exist within the musculoskeletal model operational space and be therefore physiologically plausible. The approach was effective both on intact-limbed individuals and a transradial amputee displaying robust online control of multi-functional prostheses across a large repertoire of challenging tasks. Significance: The development and translation of man-machine interfaces that account for an individual's neuromusculoskeletal system creates unprecedented opportunities to understand how disrupted neuro-mechanical processes can be restored or replaced via biomimetic wearable assistive technologies

Biomechanics

Biomechanics is a vast discipline within the field of Biomedical Engineering. It explores the underlying mechanics of how biological and physiological systems move. It encompasses important clinical applications to address questions related to medicine using engineering mechanics principles. Biomechanics includes interdisciplinary concepts from engineers, physicians, therapists, biologists, physicists, and mathematicians. Through their collaborative efforts, biomechanics research is ever changing and expanding, explaining new mechanisms and principles for dynamic human systems. Biomechanics is used to describe how the human body moves, walks, and breathes, in addition to how it responds to injury and rehabilitation. Advanced biomechanical modeling methods, such as inverse dynamics, finite element analysis, and musculoskeletal modeling are used to simulate and investigate human situations in regard to movement and injury. Biomechanical technologies are progressing to answer contemporary medical questions. The future of biomechanics is dependent on interdisciplinary research efforts and the education of tomorrow’s scientists

Estimating individual muscle forces in human movement

If individual muscle forces could be routinely calculated in vivo, non-invasively, considerable insight could be obtained into the etiology of injuries and the training of muscle for rehabilitation and sport. As there are generally more muscles crossing a joint than there are degrees of freedom at the joint, determining the individual forces in the muscles crossing a joint is a non-trivial problem. This study focused on the development of the procedures necessary to estimate the individual muscle forces during a dumbell curl, and the measurement procedures required for the determination of the necessary input parameters. The procedures developed could easily be applied to other body movements. [Continues.

Model-based myoelectric control of robots for assistance and rehabilitation

The first anthropomorphic robots and exoskeletons were developed with the idea of combining man and machine into an intimate symbiotic unit that can perform as one joint system. A human-robot interface consists of processes of two different nature: (1) the physical interaction (pHRI) between the device and its user and (2) the exchange of cognitive information (cHRI) between the human and the robot. To achieve the symbiosis between the two actors, both need to be optimized. The evolution of mechanical design and the introduction of new materials pushed pHRI to new frontiers on ergonomics and assistance performance. However, cHRI still lacks on this direction because is more complicated: it requires communication from the cognitive processes occuring in the human agent to the robot, e.g. intention detection; but also from the robot to the human agent, e.g. feedback modalities such as haptic cues. A possible innovation is the inclusion of the electromyographic signal, the command signal from our brain to the musculoskeletal system for the movement, in the robot control loop. The aim of this thesis was to develop a real-time control framework for an assistive device that can generate the same force produced by the muscles. To do this, I incorporated in the robot control loop a detailed musculoskeletal model that estimates the net torque at the joint level by taking as inputs the electromyography signals and kinematic data. This module is called myoprocessor. Here I present two applications of this control approach: the first was implemented on a soft wearable arm exosuit in order to evaluate the adaptation of the controller on different motion and loads. The second one, was a generation of myoprocessor-driven force field on a planar robot manipulandum in order to study the modularity changes of the musculoskeletal system. Both applications showed that the device controlled by myoprocessor works symbiotically with the user, by reducing the muscular activity and preserving the motor performance. The ability of seamlessly combining musculoskeletal force estimators with assistive devices opens new avenues for assisting human movement both in healthy and impaired individuals

Generating whole body movements for dynamics anthropomorphic systems under constraints

Cette thèse étudie la question de la génération de mouvements corps-complet pour des systèmes anthropomorphes. Elle considère le problème de la modélisation et de la commande en abordant la question difficile de la génération de mouvements ressemblant à ceux de l'homme. En premier lieu, un modèle dynamique du robot humanoïde HRP-2 est élaboré à partir de l'algorithme récursif de Newton-Euler pour les vecteurs spatiaux. Un nouveau schéma de commande dynamique est ensuite développé, en utilisant une cascade de programmes quadratiques (QP) optimisant des fonctions coûts et calculant les couples de commande en satisfaisant des contraintes d'égalité et d'inégalité. La cascade de problèmes quadratiques est définie par une pile de tâches associée à un ordre de priorité. Nous proposons ensuite une formulation unifiée des contraintes de contacts planaires et nous montrons que la méthode proposée permet de prendre en compte plusieurs contacts non coplanaires et généralise la contrainte usuelle du ZMP dans le cas où seulement les pieds sont en contact avec le sol. Nous relions ensuite les algorithmes de génération de mouvement issus de la robotique aux outils de capture du mouvement humain en développant une méthode originale de génération de mouvement visant à imiter le mouvement humain. Cette méthode est basée sur le recalage des données capturées et l'édition du mouvement en utilisant le solveur hiérarchique précédemment introduit et la définition de tâches et de contraintes dynamiques. Cette méthode originale permet d'ajuster un mouvement humain capturé pour le reproduire fidèlement sur un humanoïde en respectant sa propre dynamique. Enfin, dans le but de simuler des mouvements qui ressemblent à ceux de l'homme, nous développons un modèle anthropomorphe ayant un nombre de degrés de liberté supérieur à celui du robot humanoïde HRP2. Le solveur générique est utilisé pour simuler le mouvement sur ce nouveau modèle. Une série de tâches est définie pour décrire un scénario joué par un humain. Nous montrons, par une simple analyse qualitative du mouvement, que la prise en compte du modèle dynamique permet d'accroitre naturellement le réalisme du mouvement.This thesis studies the question of whole body motion generation for anthropomorphic systems. Within this work, the problem of modeling and control is considered by addressing the difficult issue of generating human-like motion. First, a dynamic model of the humanoid robot HRP-2 is elaborated based on the recursive Newton-Euler algorithm for spatial vectors. A new dynamic control scheme is then developed adopting a cascade of quadratic programs (QP) optimizing the cost functions and computing the torque control while satisfying equality and inequality constraints. The cascade of the quadratic programs is defined by a stack of tasks associated to a priority order. Next, we propose a unified formulation of the planar contact constraints, and we demonstrate that the proposed method allows taking into account multiple non coplanar contacts and generalizes the common ZMP constraint when only the feet are in contact with the ground. Then, we link the algorithms of motion generation resulting from robotics to the human motion capture tools by developing an original method of motion generation aiming at the imitation of the human motion. This method is based on the reshaping of the captured data and the motion editing by using the hierarchical solver previously introduced and the definition of dynamic tasks and constraints. This original method allows adjusting a captured human motion in order to reliably reproduce it on a humanoid while respecting its own dynamics. Finally, in order to simulate movements resembling to those of humans, we develop an anthropomorphic model with higher number of degrees of freedom than the one of HRP-2. The generic solver is used to simulate motion on this new model. A sequence of tasks is defined to describe a scenario played by a human. By a simple qualitative analysis of motion, we demonstrate that taking into account the dynamics provides a natural way to generate human-like movements

Développement d'indicateurs biomécaniques en manutention et leur application dans l'étude des différences entre les sexes lors de levers de charges en hauteur

Les blessures musculo-squelettiques du membre supérieur représentent un problème de santé publique dans le secteur de la manutention. En plus d’affecter la qualité de vie du travailleur, ces lésions entraînent une perte de temps de travail et une augmentation des coûts de production. Alors que nous avons des évidences épidémiologiques que les femmes manutentionnaires sont plus nombreuses que les hommes à souffrir de douleurs à l’épaule, la littérature fait défaut d’indices biomécaniques qui expliquent l'origine de cette différence. L'objectif général de cette thèse était d'améliorer l'évaluation des techniques de manutention du membre supérieur, avec trois objectifs spécifiques : (1) développer des indices cinématiques, électromyographiques et musculo-squelettiques synthétiques pour évaluer et différencier des techniques de manutention du membre supérieur ; (2) développer un logiciel libre d'analyse biomécanique ; et (3) utiliser les indices et le logiciel développés pour décrire les différences biomécaniques entre des femmes et des hommes manutentionnaires. Nous avons récolté des données de cinématique, d'électromyographie et de force sur 30 femmes et 30 hommes réalisant une tâche de manutention qui consistait à déplacer une boîte de 6 et 12 kg entre la hauteur des hanches et la hauteur des yeux. À partir de ces données, nous avons développé des indicateurs synthétiques : un indicateur cinématique utile pour identifier des techniques de manutention problématiques et plus généralement les fonctions articulaires ; des indicateurs électromyographiques qui permettent d'estimer la quantité d'activation musculaire et la co-contraction musculaire ; et des indicateurs musculo-squelettiques qui permettent d'estimer les contraintes musculaires totales et les contraintes appliquées à l'articulation glénohumérale. Nous avons implémenté ces indicateurs avec pyomeca, notre logiciel libre d'analyse biomécanique. Mis à disposition de la communauté biomécanique, pyomeca supporte des tâches utiles dans le quotidien d'un chercheur biomécanique, mais également des routines biomécaniques plus avancées, axées sur la mécanique du corps rigide et le traitement de signal. Ce dernier se démarque des logiciels biomécaniques existants parce que c'est une solution libre, conviviale, spécialisée et sûre. Nous avons ensuite appliqué les indices synthétiques pour décrire les différences biomécaniques entre les femmes et les hommes participant à notre expérimentation. L'indicateur cinématique a montré que les femmes employaient une technique de manutention moins sécuritaire, avec une plus grande contribution glénohumérale, une faible contribution des membres inférieurs et une boite plus éloignée du tronc. Ces différences de technique se sont répercutées sur les indicateurs électromyographiques et musculo-squelettiques, avec des activations musculaires deux fois plus importantes comparativement aux hommes et une moindre stabilité de l'articulation glénohumérale. Ces différences pourraient contribuer à expliquer la prévalence de blessure du membre supérieur plus élevée chez les femmes manutentionnaires. Cette thèse a donc permis de développer des indicateurs synthétiques et un logiciel libre d'analyse biomécanique qui pourraient permettre aux ergonomes d'évaluer l'exposition aux risques de blessures du membre supérieur pendant une tâche de travail dynamique. Appliqués à une population spécifique, ces indicateurs suggèrent qu'il est crucial d'accorder une attention particulière au sexe pendant l'évaluation d'une tâche de travail au-dessus des épaules.Work-related upper limb musculoskeletal disorders represent a public health challenge in the material handling industry. In addition to affecting the worker's quality of life, these injuries result in lost work time and increased production costs. While we have epidemiological evidence that more female material handlers suffer from shoulder pain than men, the literature is lacking biomechanical indicators that explain the origin of this difference. The general objective of this thesis was to improve the evaluation of upper limb handling techniques, with three specific objectives~: (1) to develop synthetic kinematic, electromyographic and musculoskeletal indicators to evaluate and differentiate upper limb handling techniques~; (2) to develop an open source biomechanical analysis software~; and (3) to use the developed indicators and software to describe the biomechanical differences between female and male workers. We collected kinematics, electromyography and force data on 30 women and 30 men performing a handling task that consisted in lifting a 6 and 12~kg box from hip to eye level. From these data, we developed synthetic indicators~: a kinematic indicator useful to identify poor handling techniques and more generally joint functions~; two electromyographic indicators to quantify the amount of muscle activation and muscle co-contraction~; and two musculoskeletal indicators to estimate total muscle stress and stress applied to the glenohumeral joint. We have implemented these indicators with pyomeca, our open-source biomechanical analysis software. Available to the biomechanical community, pyomeca provide basic operations useful in the daily workflow of a biomechanical researcher, but also more advanced biomechanical routines geared towards rigid body mechanics and signal processing. pyomeca stands from existing biomechanical software because it is an open-source, user-friendly, specialized and secure solution. We then applied our synthetic indicators to describe the biomechanical differences between the women and men participating in our experiment. The kinematic indicator showed that women used a poor handling technique, with a higher glenohumeral contribution, a low contribution from the lower limbs and a box further away from the trunk. These differences in technique affected the electromyographic and musculoskeletal indicators, with twice as much muscle activation compared to men and less glenohumeral stability. These results may contribute to the sex difference in the prevalence of upper limb musculoskeletal disorders. This thesis has enabled the development of biomechanical indicators and an open-source software that could allow ergonomists to assess the upper limb exposure during a dynamic lifting task. Applied to a specific population, these indicators argue for a careful consideration of sex during ergonomics intervention, particularly during overhead work

Dynamic testing of total hip and knee replacements under physiological conditions

Instability of total hip and knee replacements prevails as major complication. As measurements in patients are afflicted with ethical objections, this work presents a hardware-in-the-loop (HiL) approach that is capable of testing total joint stability under dynamic, reproducible and physiological conditions. An essential aspect represents its validation which includes the development of specific multibody models. In this sense, the HiL test system extends the repertoire of common approaches in orthopedic research by combining the advantages of real implant testing and model-based simulation