Estimation de la posture d’un sujet paraplégique en vue d’une rééducation des membres inférieurs

Le système nerveux

  Le système nerveux remplit trois fonctions principales . Il y a la fonction sensorielle, par laquelle le système nerveux détecte toute modification de l’environnement se produisant tant à l’intérieur qu’à l’extérieur de l’organisme (toucher, vue, goût, odorat, ouïe). La fonction intégrative a pour mission de traiter et analyser l’information sensorielle et de déterminer l’action à entreprendre. Finalement la fonction motrice a pour rôle d’envoyer les messages nerveux vers les muscles et les organes, provoquant leur mise en action. Sur un plan fonctionnel, le système nerveux peut être séparé en deux entités : le système neurovégétatif (ou autonome), responsable de la régulation et de la coordination des fonctions vitales de l’organisme (organes internes), et le système nerveux somatique (ou cérébro-spinal), qui interagit avec le monde extérieur en participant, entre autres, à l’équilibre et à la motricité. Du point de vue anatomique, le système nerveux comprend principalement le système nerveux central (SNC) et le système nerveux périphérique (SNP). Ils sont mis en évidence sur la figure 1.1. Le SNC a pour rôle de recevoir, de traiter et de produire des messages nerveux. Pour cela, il comprend plusieurs milliards de neurones. Ces cellules établissent entre elles des connexions, appelées synapses, et ont pour rôle fondamental la transmission de l’influx nerveux d’un neurone à l’autre ou d’un neurone vers l’organe innervé. La transmission se fait grâce à des neurotransmetteurs qui sont des hormones ayant des capacités excitatrices ou inhibitrices. Le SNC est composé de l’encéphale, regroupant le cerveau, le cervelet et le tronc cérébral, et de la moelle épinière. Le SNP est un réseau de nerfs ramifiés qui relient la moelle épinière aux différents organes, et notamment les muscles. Son rôle est de propager les messages nerveux. On distingue les nerfs crâniens, qui émergent directement de l’encéphale et innervent la région crânienne, et les nerfs rachidiens ou spinaux, provenant de chaque côté de la moelle épinière, qui innervent les membres inférieurs et supérieurs. Le SNP comprend une voie sensitive ou afférente, qui achemine les informations vers la moelle épinière et le cerveau, et une voie motrice ou efférente, véhiculant les signaux moteurs du SNC à la périphérie et particulièrement vers les muscles squelettiques (figure 1.2).

Le potentiel d’action

   L’excitation d’une cellule nerveuse fait intervenir des influx nerveux sous la forme de différences de potentiels électrique, appelées potentiels membranaires. Ils correspondent à la différence de potentiel électrique entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire séparés par la membrane de la cellule excitable. Au repos, c’est-à-dire en dehors de toute stimulation, le potentiel membranaire pour une cellule nerveuse a un potentiel de l’ordre de -70 mV. C’est le potentiel de repos. On dit alors que la cellule est polarisée. Le potentiel de repos est dû aux concentrations inégales d’ions existantes de part et d’autre de la membrane cellulaire. Les signaux nerveux sont transmis entre les neurones par les potentiels d’action qui se distinguent par une brusque modification du potentiel de repos. Ce phénomène émane de la stimulation électrique de la cellule qui se dépolarise. Pour qu’un potentiel d’action puisse se produire, le potentiel membranaire doit dépasser un certain seuil (seuil d’excitation du neurone), appelé potentiel de seuil. La valeur du seuil dépend de la nature du neurone. Dès que ce seuil de déclenchement est atteint, le corps cellulaire génère un potentiel d’action de valeur constante de 100 mV (la durée est d’une milliseconde), et fait passer le potentiel membranaire à +30 mV (-70 mV + 100 mV). Ce phénomène suit le principe du Tout ou Rien, la cellule étant dépolarisée ou non. Supposons, par exemple, que deux messages arrivent sur un neurone. Le neurone fait la somme de tous ces petits signaux. Si cette somme atteint le potentiel de seuil, alors un influx nerveux spécifique sera généré et propagé au neurone suivant. Dans le cas contraire, aucun message n’est transmis. Le potentiel d’action peut être décomposé en quatre phases. Elles sont représentées sur la figure 1.4. Lors de la stimulation d’un neurone, il y a une brusque modification du potentiel de repos. Au delà du potentiel de seuil, la membrane change de polarité. C’est la phase de dépolarisation, le potentiel de la membrane interne passant de -70 mV à +30 mV. Rapidement, la membrane se repolarise. C’est la période réfractaire absolue durant laquelle la cellule nerveuse ne répond plus à aucun stimulus, ce qui a pour effet d’éviter d’engendrer un nouveau potentiel d’action à cet instant. Cette période réfractaire absolue, est suivie par une période réfractaire relative au cours de laquelle le potentiel passe sous le potentiel de repos (phase d’hyperpolarisation), permettant de provoquer une réponse nerveuse propagée en augmentant l’amplitude ou la durée du stimulus. Le potentiel revient ensuite à sa valeur initiale. De même, les cellules musculaires possèdent un potentiel de repos de l’ordre de -90 mV. La réponse à une excitation de ces cellules est identique à celle des cellules nerveuses. Ainsi, l’influx nerveux qui circule le long de la fibre nerveuse se caractérise par une succession de potentiels d’action. Les cellules nerveuses et musculaires ont ainsi la particularité de répondre à un stimulus électrique, produisant alors une activité électrique membranaire définie par un potentiel d’action. En appliquant un courant électrique, au moyen d’un stimulateur électrique muni d’électrodes, sur un muscle, soit directement, soit par l’intermédiaire de son nerf moteur, il est possible de provoquer une contraction musculaire. C’est cette propriété qu’exploite l’électrostimulation.

Les troubles associés aux lésions médullaires

  Lorsque la moelle épinière est touchée, les troubles occasionnés, en dehors des déficiences de l’appareil locomoteur, sont souvent associés à des troubles sensitifs. On distingue notamment une déficience de la sensibilité superficielle, permettant de véhiculer les informations du  toucher et de la douleur. Le patient est incapable de sentir une douleur éventuelle intervenant au niveau de ses membres paralysés et risque des blessures ou des brûlures accidentelles pouvant passer inaperçues. La sensibilité profonde, qui renseigne en permanence sur la situation physique du corps dans l’espace, est aussi atteinte et oblige une personne paraplégique, par exemple, à regarder ses jambes et ses pieds afin de se positionner dans son environnement. La paralysie peut aussi s’accompagner de troubles de la commande des appareils urinaire (incontinence), intestinal (troubles du transit, constipation) et génito-sexuel (troubles de l’érection). En cas de lésion thoracique haute (paraplégie) ou cervicale (tétraplégie), la fonction respiratoire peut être touchée et peut entraîner une fragilité, voire une insuffisance, de la respiration. Les escarres sont des complications fréquentes chez les blessés médullaires. C’est une nécrose de la peau et des tissus due à une mauvaise circulation sanguine. Elles apparaissent suite à une compression prolongée s’exerçant sur une région du membre paralysé et peuvent devenir un danger vital pour le patient si elles ne sont pas traîtées à temps. Pour éviter les escarres, un ensemble de mesures doit être pris par le patient. Ainsi il est recommandé de changer aussi  souvent que possible la position du patient, de protéger ses zones d’appui, de réaliser des massages locaux et de respecter des critères d’hygiènes stricts, pour ne citer que quelques exemples. Dans un souci d’éthique et de respect de la personne humaine, il nous appartiendra donc, lors de cette étude, de veiller à ce que ces troubles secondaires, inhérents à la paraplégie, ne soient que modérément représentés chez les patients qui participeront aux expérimentations.

Les exosquelettes

   Les exosquelettes, développés à l’origine pour répondre à des attentes militaires, sont des combinaisons ou orthèses motorisées, se portant à même le corps, visant à assister le corps humain dans ses déplacements. Destinés en général aux personnes dont les membres ne répondent plus correctement, ces systèmes robotisés doivent prévoir les mouvements de la personne et les exécuter à sa place. Les orthèses robotisées sortent du contexte de ce travail, étant donné que le mouvement n’est pas réalisé par stimulation électrique, mais présentent tout de même un intérêt à l’étude de la marche de par leur réalisation et leur application. Le projet HAL-3 (Hybrid Assistive Leg), conçu par Y. Sankai de l’Université de Tsukuba au Japon, dont l’objectif est d’apporter une aide pratique aux personnes ayant des problèmes de motricité (personnes âgées ou handicapées ) [Hayashi et al., 2005]. Le système permet à la personne de marcher de manière autonome en fournissant peu d’efforts. Les articulations de la hanche et du genou sont motorisées et les mouvements sont analysés en permanence. Les données sont transmises par connexion sans fil jusque dans une unité centrale contenue dans un sac à dos. Une application, utilisant cet exosquelette, vise à déterminer les intentions d’un patient paraplégique pendant la marche [Suzuki et al., 2005]. Deux méthodes ont été proposées. La première utilise des capteurs de pressions disposés dans les semelles, estimant ainsi la position du centre de masse du patient. La deuxième étude utilise l’inclinaison du tronc dans le plan frontal, mesurée grâce à un accéléromètre. Celui-ci est situé dans le dos du patient. Ces mesures caractérisent l’intention du patient à effectuer un pas droit ou gauche. Le cycle de marche, prédéfini, est alors adapté suivant la situation. Un autre type d’orthèse robotisée a été développé par une équipe de l’Université de Californie, dénommée BLEEX (Berkeley Lower Extremity Exoskeleton). Ce système est dédié au transport de charge (jusqu’à une trentaine de kilos) sur de longues distances. Ce type d’exosquelette est surtout envisagé pour des applications militaires [Zoss et al., 2005]. Il existe encore de nombreuses réalisations et cas d’études dans le domaine des orthèses motorisées, que ce soit pour les membres supérieurs [Kobayashi et al., 2003], [Mistry et al., 2005], [Nef et al., 2006] ou inférieurs [Micera et al., 2004], [Pratt et al., 2004], [Fleischer et al., 2005], [Walsh et al., 2006]. Cependant, le poids et l’encombrement des exosquelettes, ainsi que l’impact visuel qu’ils renvoient, posent d’importants problèmes d’acceptabilité par les patients.

Les déambulateurs robotisés

   Le projet PAMM (Personal Aid for Mobility an Monitoring), projet du département d’Ingénierie de Mécanique du MIT, avait pour objectif de développer des aides techniques robotisées pour l’accompagnement de personnes ayant des troubles de la mémoire [Dubowsky et al., 2000]. Ce sont des systèmes qui sont utilisés seulement dans un cadre clinique. Les deux prototypes réalisés, la canne et le déambulateur robotisés, sont montrés sur la figure 2.5. La trajectoire étant prédéfinie, chacun des dispositifs est muni d’une caméra observant le plafond sur lequel sont disposés des repères indiquant le chemin à suivre. Ceci permet donc au robot de se localiser. Un capteur d’effort est monté au niveau de la poignée. Il a pour fonction de déterminer les intentions de l’utilisateur en mesurant les efforts appliqués par un individu sur la poignée.

Les types et placement des électrodes

  Plusieurs méthodes permettent la contraction d’un muscle par stimulation électrique fonctionnelle. Une des techniques est basée sur la stimulation faite de manière invasive, où le stimulateur et les électrodes sont directement implantés dans le corps. Un des principaux avantages dans les systèmes implantés, c’est qu’on utilise de faibles courants pour la stimulation électrique. De ce fait, seulement de petites quantités d’énergie sont nécessaires et des stimulateurs de petite taille sont utilisés. On distingue principalement deux types d’électrodes implantables. Elles peuvent être soit neurales, soit épimysiales. Les électrodes neurales sont placées au plus proche du nerf moteur, en amont du muscle, soit le long de celui-ci, appelées alors électrodes intrafasciculaires, soit en l’entourant, dénommées électrodes à gaines ou cuff. Les premières possèdent plusieurs contacts et permettent une stimulation localisée. Les électrodes à gaine peuvent être de forme cylindrique, spirale ou hélicoïdale. Elles ont l’avantage d’avoir un effet non invasif sur le nerf. Dans les deux cas, les électrodes neurales permettent aux potentiels d’actions de déclencher la contraction. Les électrodes épimysiales sont placées chirurgicalement sur le muscle, en général proche du point d’insertion de celui-ci, ce qui facilite l’opération en comparaison des électrodes neurales. Elles sont utilisées, le plus  souvent, dans le cas où les nerfs à stimuler sont trop fins. En effet ceux-ci pourraient être endommagés lors de l’intervention chirurgicale visant à implanter des électrodes neurales. En revanche elles diffusent beaucoup plus le courant par rapport à l’électrode neurale qui est plus sélective. Néanmoins, ceci peut être un avantage lorsque l’on souhaite stimuler un muscle volumineux, par exemple le muscle glutéus maximus (grand fessier), car les nerfs à cet endroit se divisent en plusieurs branches. Il est donc difficile de placer une électrode neurale. L’amplitude du courant est par contre environ dix foix plus importante que celui employé avec une stimulation neurale. L’inconvénient de ces deux types de systèmes de stimulation est que leur implantation nécessite une intervention chirurgicale lourde, qui doit se faire avec la plus grande minutie pour éviter les risques d’infections ou d’endommagement des tissus. Une autre manière de réaliser l’électrostimulation musculaire est d’employer des électrodes percutanées ou intramusculaires. C’est une méthode semi-invasive consistant à implanter seulement les électrodes. Ce sont de fines aiguilles en acier inoxydable dont l’extrémité est recourbée à la manière d’un crochet. Elles sont insérées au travers de la peau, grâce à une seringue, proche du point moteur du muscle. Elles permettent ainsi une stimulation précise et autorisent une bonne sélectivité du muscle. Cependant, les patients sont contraints de nettoyer régulièrement le site de pénétration afin d’éviter les risques d’infections et de grandes précautions sont à prendre pour ne pas endommager les connexions extérieures. Dans le cadre de la rééducation fonctionnelle, la stimulation électrique externe est la plus utilisée. Les électrodes sont de type surfacique venant se placer directement en contact avec la peau. Le courant délivré doit traverser les tissus sous-jacents pour atteindre le nerf ou le muscle. Due à la grande résistivité de la peau, les intensités de courants à fournir, pour atteindre la structure excitable, sont bien supérieures à celles des électrodes implantées. Les électrodes sont placées au niveau du muscle à stimuler, la cathode (électrode négative) le plus proche possible du point moteur. En effet le point moteur correspond à un point cutané de faible impédance et, pour un stimulus donné, va permettre une contraction beaucoup plus importante. L’anode (électrode positive), quant à elle, est placée sur l’une des extrémités du muscle (stimulation bipolaire). La distance inter-électrode va influencer le degré de pénétration du courant dans le muscle et ainsi l’effet moteur  recherché. Plus les électrodes sont proches et plus la stimulation est faible. Ainsi le choix de la taille et de la forme des électrodes est dicté par l’objectif de la stimulation et l’effet recherché, en tenant compte des muscles à stimuler. Cependant, il est difficile, voire impossible, de stimuler de façon sélective, entraînant ainsi la contraction des muscles voisins. De plus, certains muscles profonds ne peuvent pas être activés. En appliquant des électrodes de petites tailles, malgré une stimulation très localisée, la densité de courant étant alors très importante, elles peuvent occasionner des brûlures.

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Table des matières

1 Les déficiences motrices et sensitives 
1.1 Introduction
1.2 Aspects neurophysiologiques
1.2.1 Le système nerveux
1.2.2 Le neurone
1.2.3 Le potentiel d’action
1.2.4 Le muscle squelettique
1.3 Notions sur les blessures médullaires
1.3.1 Introduction
1.3.2 Les troubles associés aux lésions médullaires
1.3.3 Le cordon médullaire
1.4 Conclusion
2 Les aides techniques pour l’assistance à la marche 
2.1 Introduction
2.2 Les systèmes robotisés
2.2.1 Les exosquelettes
2.2.2 Le projet Cyberthèses pour paraplégiques
2.2.3 Les déambulateurs robotisés
2.2.4 Conclusion
2.3 La stimulation électrique fonctionnelle musculaire 
2.3.1 Le principe
2.3.1.1 Les types de courants de stimulation
2.3.1.2 Les types et placement des électrodes
2.3.2 Les muscles stimulables par les électrodes de surface
2.3.3 Les effets de la SEF
2.3.4 Les utilisations de la SEF
2.3.4.1 La déambulation sous SEF
2.3.4.2 La verticalisation sous SEF
2.3.5 L’observation de la posture
2.4 Conclusion
3 Modélisation 
3.1 Anatomie fonctionnelle 
3.2 Les paramètres anthropométriques
3.3 Modélisation cinématique 
3.3.1 La représentation de Denavit et Hartenberg
3.3.2 Les angles de Cardan
3.3.3 Mise en place d’un modèle cinématique 2-D à 3 ddl
3.3.4 Mise en place d’un modèle cinématique 3-D à 9 ddl
3.4 Modélisation dynamique
3.4.1 Modèle dynamique sans efforts de contact
3.4.2 Modèle dynamique avec efforts de contact
3.4.3 Discussion
3.5 Contraintes cinématiques et dynamiques 
3.5.1 Caractérisation des interactions mains-poignées
3.5.1.1 Cas du modèle 2-D
3.5.1.2 Cas du modèle 3-D
3.5.2 Contraintes liées à la posture
3.6 Conclusion 
4 Méthodologie pour l’estimation de la posture 
4.1 Introduction
4.2 Notions sur l’analyse par intervalles : principes et définitions 
4.2.1 Terminologie sur les ensembles
4.2.2 Opérations élémentaires sur les intervalles
4.2.3 Pessimisme
4.2.3.1 Phénomène de dépendance
4.2.3.2 Phénomène d’enveloppement
4.2.4 Fonction d’inclusion
4.2.5 Inversion ensembliste
4.2.6 Problème de satisfaction de contraintes
4.3 L’arithmétique d’intervalles pour l’estimation de la posture
4.3.1 L’estimation d’état
4.3.2 Application
4.4 Conclusion
5 Expérimentations 
5.1 Le déambulateur instrumenté 
5.2 Expérimentations avec des sujets valides
5.2.1 Utilisation du déambulateur instrumenté
5.2.2 Utilisation de barres parallèles instrumentées
5.3 Expérimentations avec des sujets paraplégiques
5.3.1 Instrumentation
5.3.2 Description du protocole
5.3.3 Résultats
5.4 Conclusion
6 Conclusion Générale 
Bibliographie

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