Selective Epidural Electrical Stimulation for the Restoration of Grasping in Individuals with Complete Tetraplegia
Stimulation épineurale électrique sélective en vue de la restauration de la préhension pour des personnes ayant une tétraplégie complète
Résumé
The AGILIS project investigates the ability of selective electrical epineural stimulation to restore grasping function in people with complete tetraplegia. This thesis, in collaboration with Neurinnov, is part of this project and aims to study the electrophysiological responses evoked by the stimulation of the nerves of the upper limb. Within the context of this thesis, several clinical protocols have been set up with the aim of stimulating the median, radial and ulnar nerves of participants suffering from complete tetraplegia in order to study the capacity of multi-contact epineural (cuff) electrodes to activate functional grasping movements. The aim is to quantify the movements induced by various electrical stimulation patterns and profiles by analysing the induced muscle contractions. However, the forearm and hand are made up of a large number of overlapping muscles that control hand movements. Therefore, when recording the muscle activity evoked by the stimulation with electrodes positioned on the skin, we were confronted with the problem of crosstalk (each pair of electrodes records the cumulative activities of several muscles). It was therefore necessary to develop an original approach to be able to separate the contributions of the different muscles activated in order to be able to quantify the movement performed from a muscular point of view. Conventional signal processing techniques were not able to separate the activity of the different muscles. Based on the assumption that each muscle has its own time and frequency signature, we developed a technique using wavelet transforms to successfully separate the specific activity of each muscle. This was the first contribution of this thesis. The second contribution was the study of the physiological phenomena involved in epineural electrical stimulation. During one of the protocols, we incidentally activated the Hoffman reflex. We took this opportunity to study its impact on the selectivity of the stimulation. Another important contribution was the development of an animal experimental protocol to study electroneurographic activity in conjunction with muscle activity evoked by electrical stimulation of the sciatic nerve using epineural (cuff) electrodes. The objective of this work was to better understand the physiological phenomena involved with a view to creating, in the long term, a closed-loop system (i.e. a system that can integrate the information from the electroneurographic activity to adjust itself). Our last contribution was a preliminary study on vibration-based biofeedback. Indeed, the participants of the AGILIS project no longer have sensory feedback. Studying a way to give them substitute sensory information is an important step to allow them to finalise the grasping movements induced by the electrical stimulation.
Le projet AGILIS s'intéresse à la stimulation épineurale électrique sélective pour restaurer la fonction de préhension chez des personnes ayant une tétraplégie complète. Cette thèse, menée en collaboration avec la société Neurinnov, s'inscrit dans ce projet et vise à étudier les réponses électrophysiologiques évoquées par la stimulation des nerfs du membre supérieur. Dans le cadre de cette thèse, plusieurs protocoles cliniques ont été mis en place avec pour objectif de stimuler les nerfs médian, radial et ulnaire de participants atteints de tétraplégie complète pour étudier la capacité d'électrodes épineurales (cuff) multi-contacts à activer des mouvements de préhension fonctionnels. Il s'agit de quantifier les mouvements induits par diverses configurations et profils de stimulation électrique en analysant les contractions musculaires induites. Cependant, l'avant-bras et la main sont constitués d'un grand nombre de muscles se chevauchant et contrôlant les mouvements de la main. Aussi lors de l'enregistrement de l'activité musculaire évoquée par la stimulation avec des électrodes positionnées sur la peau, nous avons été confrontés au problème de diaphonie (chaque paire d'électrodes enregistre les activités cumulées de plusieurs muscles). Il a donc été nécessaire de développer une approche originale pour être capable de séparer les contributions des différents muscles activés afin de pouvoir quantifier le mouvement effectué d'un point de vue musculaire. Les techniques classiques du traitement du signal n'ont pas permis de séparer l'activité des différents muscles. En partant de l'hypothèse que chaque muscle possède une signature en temps et en fréquence qui lui est propre, nous avons développé une technique utilisant les transformées en ondelettes pour réussir à séparer l'activité spécifique de chaque muscles. Ceci a constitué la première contribution de cette thèse. La seconde contribution a été l'étude de phénomènes physiologiques impliqués lors de la stimulation électrique épineurale. Lors d'un des protocole, nous avons activé de manière fortuite le réflexe de Hoffman. Nous avons saisi cette opportunité pour étudier son impact sur la sélectivité de la stimulation. Une autre contribution importante a été la mise en place d'un protocole d'expérimentation animale pour étudier l'activité électroneurographique conjointement à l'activité musculaire évoquées par la stimulation électrique du nerf sciatique à l'aide d'électrodes épineurales (cuff). L'objectif de ce travail était de mieux comprendre les phénomènes physiologiques impliqués dans l'optique de créer, à terme, un système fonctionnant en boucle fermée (c'est à dire un système pouvant intégrer les informations de l'activité électroneurographique pour se réguler). Notre dernière contribution a été une étude préliminaire sur un biofeedback basé sur la vibration. En effet, les participants du projet AGILIS n'ont plus de retour sensoriel. Étudier une manière de leur donner une information sensorielle de substitution est une étape importante pour leur permettre de finaliser les mouvements de préhension induits par la stimulation électrique.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
