Demande d`allocation de recherche pour l`année 2008

Demande Allocation de thèse
Ecole doctorale n°490 Environnements, Santé, STIC – E2S
Titre de la thèse: Caractérisation des contractions musculaires induites par
électromyostimulation. Développement d’un système d’asservissement.
Directeur de thèse : LEPERS Romuald MCU-HDR - Laboratoire INSERM U887
Co-Directeur : Stéphane Binczak MCU – HDR (Laboratoire LE2I UMR 5158 CNRS –
Université de Bourgogne)
Email : [email protected]
Laboratoire d'accueil : INSERM U887 Motricité-Plasticité. Campus Universitaire, Faculté
des Sciences du Sport, BP 27877, 21078 Dijon France
Problématique :
L’électromyostimulation (EMS) est une technique de reconditionnement musculaire qui
consiste à induire une contraction musculaire par des stimulations électriques appliquées de
manière percutanée en regard des muscles sollicités. Bien que l’efficacité de cette méthode de
renforcement musculaire ait été prouvée lors de l’entraînement sportif (Gondin et al 2004) ou
comme aide à la récupération fonctionnelle après un déconditionnement musculaire
accompagnant certaines pathologies (ex. insuffisant cardiaque ou respiratoire chronique,
Deley et al 2003), les paramètres de stimulation (onde mono ou bi phasique, durée
d’impulsion, intensité, fréquence de stimulation) utilisés sont définis, a priori, de manière
subjective sans tenir compte de l’évolution de la réponse physiologique réelle du muscle au
cours de la stimulation.
Lors d’une contraction volontaire, le suivi du comportement du muscle est généralement
réalisé à partir de l’enregistrement de son activité électrique par électromyographie de surface
(EMG). Lorsque cette méthodologie de détection est utilisée au cours d’une contraction
électro-induite par EMS, le signal EMG recueilli se trouve contaminé par les artéfacts de
stimulation de l’EMS, il devient donc difficile d’identifier la réponse musculaire. L’objet
principal de ce projet est de développer une méthodologie spécifique permettant de dissocier,
à partir de l’enregistrement EMG obtenu pendant une contraction induite par EMS, la réponse
neurophysiologique du muscle.
L’objectif de ce travail de thèse est la réalisation d’une nouvelle génération de système
d’électromyostimulation où la stimulation sera asservie à la réponse physiologique du muscle.
Ce type de système nécessitera l’élaboration d’électrodes capables (i) d’induire une
stimulation électrique et (ii) de détecter la réponse électrophysiologique du muscle sollicité
afin d’asservir les paramètres de la stimulation à la réponse effective du muscle.
L’asservissement des paramètres de stimulation en EMS en fonction de la réponse musculaire,
permettra d’optimiser i.e. réduire le temps d’entraînement et donc d’améliorer le renforcement
musculaire de patients déconditionnés.
Travaux expérimentaux :
Etude 1 - Déterminer le positionnement optimal des électrodes de stimulation EMS par
rapport aux électrodes de recueil du signal musculaire EMG pour enregistrer la réponse
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musculaire (onde M) la plus similaire possible à la réponse M de référence obtenue par
stimulation (percutanée) du nerf moteur. Pour cela, les réponses mécaniques (secousse
musculaire) et électrophysiologiques (onde M) du muscle sollicité seront comparées dans
deux conditions expérimentales. La première condition consiste à activer le muscle par une
stimulation électrique appliquée en regard du nerf qui innerve le muscle étudié (technique de
neurostimulation. La seconde correspond à une activation du muscle par EMS (électrodes de
stimulation appliquées en regard du muscle). Pour ces deux conditions, des chocs électriques
uniques seront utilisés. Des résultats préliminaires semblent suggérer que pour le muscle
Quadriceps, le positionnement idéal des électrodes EMG est un positionnement distal. Ce
résultat doit être vérifier sur d’autres groupes musculaires des membres inférieurs (triceps
sural) et supérieurs (biceps brachial).
Etude 2 – Analyser l’évolution des paramètres caractéristiques de l’onde M (Amplitude,
durée, surface) au cours d’une série (20 à 30) de trains de stimulus (durée 3 à 5 s) à différentes
fréquences (de 20 à 100 Hz). Nous faisons l’hypothèse que sous l’effet de la fatigue, les
paramètres de l’onde M seront modifiés (ex. diminution de l’amplitude, allongement de la
durée) au cours de la série de trains de stimulations, voire pendant les trains de stimulation. La
connaissance de l’évolution des paramètres de l’onde M sous l’effet de la fatigue, permettra
de proposer des éléments de réflexion pour développer un asservissement des paramètres de
stimulation à la réponse musculaire au cours d’une séance d’EMS. Cette étude sera réalisée en
collaboration avec le laboratoire LE2I, de l’Université de Bourgogne. En effet, le LE2I
apportera son soutien pour la partie traitement du signal. En effet, afin de caractériser l’onde
M, il faudra discriminer au sein du signal EMG la source endogène (réponse associée au
muscle) à la source exogène (associée à la stimulation) au cours de la contraction musculaire
par EMS.
En fonction de la fréquence des courants de stimulation, ceux-ci peuvent « recouvrir » la
réponse musculaire lors de l’enregistrement des signaux. Par exemple, un courant de
stimulation de 100 Hz a une période de 10 ms, qui correspond à une valeur très proche de la
durée d’un potentiel d’action musculaire résultant.
Etude 3 – Validation des protocoles de stimulation asservie.
Il s’agit d’établir à partir des résultats des études 1 et 2, les critères de stimulation i.e. les
paramètres des courants de stimulation (fréquence, intensité, durée d’impulsion) pour
recueillir une réponse musculaire adéquate en fonction des situations. Un cahier des charges
d’un nouvel électromyostimulateur « intelligent » sera établi pour la réalisation d’un
prototype.
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