Grasp assistance by functional electrical stimulation for subjects with tetraplegia

La stimulation électrique fonctionnelle (FES) est présente depuis des décennies dans les centres de rééducation. Le principe de cette technique est de créer une dépolarisation de la membrane (potentiel d’action) des cellules excitables (axones ou myocytes) entrainant une contraction musculaire. Employée dans la plupart des cas pour le renforcement musculaire et la prévention des atrophies musculaires faisant suite à une lésion de la moelle épinière, la FES peut également être utilisée pour diminuer la spasticité et restaurer des mouvements des membres. Ainsi, certains dispositifs (neuroprothèses) utilisant la FES sont utilisés depuis plus de 25 ans, pour permettre à certains patients atteints de paralysies des membres supérieurs de pouvoir effectuer des préhensions. Les patients gagnent alors en autonomie dans les activités de la vie quotidienne ce qui limite leurs recours aux aides humaines. Cependant, bien que ce type de neuroprothèse se présente comme l’une des techniques les plus prometteuses pour le rétablissement de la fonction de préhension chez des sujets atteints d’une lésion de la moelle épinière, son utilisation reste limitée. En effet, les dispositifs de stimulation externe provoque des mouvements peu précis et les modes de pilote de cette stimulation, peu ergonomiques, ne sont pas accessibles à la plupart des patients lésés médullaires. Ces difficultés sont atténuées lorsque la stimulation est implantée et le mode de contrôle adapté à la pathologie. Parmi les dispositifs implantées, tous utilisent la stimulation des points moteurs pour rétablir des mouvements de main ce qui nécessite l’implantation de nombreuses électrodes et donc une opération chirurgicale lourde. Des complications liées aux matériels implantés peuvent apparaître au cours du temps. Ce travail de thèse propose une approche originale basée sur (i) la stimulation sélective nerveuse (à l’aide d’une électrode gouttière multi contact) pour rétablir des mouvements de préhension chez des patients tétraplégiques et (ii) l’utilisation de signaux émanant de muscles supra lésionnels pour le contrôle de cette stimulation. Des expérimentations humaines et animales réalisées en conditions aiguës ont démontré la faisabilité de notre approche. Ainsi, la stimulation du nerf sciatique par notre électrode gouttière a permis d’activer sélectivement plusieurs muscles antagonistes chez les 5 animaux de l’étude inclus dans l’étude. Une sélectivité intra fasciculaire est retrouvée chez 3 des 5 animaux. La stimulation du nerf médian chez un patient tétraplégique a permis d’activer sélectivement les muscles palmaris longuset flexor carpi radialis. Concernant le contrôle de la neuroprothèse, nous avons mis en évidence chez les 5 sujets tétraplégiques ayant participé aux expérimentations, une combinaison de muscles pouvant être utilisée pour piloter facilement un dispositif. Des contractions continues ou gradées de ces muscles peuvent être maintenues et ce, sans aucun apprentissage ou entrainement préalable. Les modalités de contrôle et les muscles préférentiels sont patient-dépendant.Functional electrical stimulation (FES) is used for decades in rehabilitation centers. The principle of this technique is to create a membrane depolarization (action potential) of excitable cells (myocytes or axons) to cause a muscle contraction. Used in most cases for muscle strengthening and prevention of muscle atrophy following a spinal cord injury, FES can also be used to reduce spasticity and restore limb movement. For example, some devices (neuroprostheses) using FES are used for over 25 years, to allow some patients with paralysis of the upper limbs to perform hand movements. Patients then becoming more independent in activities of daily living which limits their use of human aid. However, although this type of neuroprosthesis stands as one of the most promising techniques for the recovery of the gripping function in subjects with spinal cord injury, its use is limited. Indeed, external stimulation devices cause imprecise movements and modes of control modes, not very ergonomic, are not accessible to most spinal cord injured patients. These difficulties are alleviated when the stimulation is implanted and control mode adapted to the pathology. Among the implanted devices all use the stimulation of motor pointsto restore hand movements which requires the implantation of many electrodes and therefore a major surgery. Complications related to the implanted materials can occur over time. This thesis proposes an original approach based on (i) selective nerve stimulation (using a multi contact cuff electrode) to restore gripping motion in tetraplegic patients and (ii) use of signals from supra lesional muscles to control this stimulation. Human and animal experimentations performed in acute conditions have demonstrated the feasibility of our approach. Thus, stimulation of the sciatic nerve by our cuff electrode allowed to selectively activate several antagonistic muscles in the 5 animals included in the study. Intra fascicular selectivity was found in 3 of 5 animals. The stimulation of the median nerve of a tetraplegic patient allowed to selectively activate the palmaris longus and flexor carpi radialis muscles. For the control of neuroprosthesis we demonstrated in the 5 tetraplegics subjects who participated in the experiments, a combination of muscles that can be used to easily control a device. Continuous or graded contractions of these muscles can be maintained, without any prior learning or training. The control modalities and preferential muscles are patient-dependent