Toward a bio-inspired sensori-motor control of myoelectric prostheses

La perte d'autonomie engendrée par l'amputation du membre supérieur touche, en France, une population jeune et active. Les répercussions sur le plan physique et psychologique en font une problématique à la fois clinique, technique et scientifique. La faible prévalence de l'amputation du membre supérieur fait qu'elle est considérée comme une pathologie orpheline. L'appareillage proposé aux patients reste très limité dans ses commandes malgré les progrès technologiques et les multiples fonctionnalités apportées par les prothèses de dernière génération. Le contrôle de ces outils reste complexe et non intuitif, ce qui a pour conséquence un taux d'abandon élevé. Les travaux sur les prothèses myoélectriques ont mis en avant que pour être pleinement fonctionnelle et utilisée par les patients, la prothèse devrait pouvoir (i) générer des réponses réflexes, et (ii) redonner une sensorialité perdue. Durant cette thèse, nous avons exploré ces deux aspects que sont les comportements réflexes et la substitution sensorielle. La première partie étudie la régulation de la commande motrice par les boucles sensorimotrices de bas niveau. Nous avons testé un réseau simplifié connecté à un modèle musculo-squelettique de bras dans l'objectif de produire des mouvements d'amplitudes et de durées déterminées. Les capacités du réseau à produire ces comportements ont été évaluées par trois algorithmes d'optimisation. Cette étude nous a permis d’explorer l’espace des comportements possibles du système neuro-mécanique. Bien que très simplifié, le système était capable de produire des mouvements biologiquement plausibles en présence de gravité. Ce réseau simplifié montre une grande richesse d’expressions comportementales où un même mouvement peut être produit par plusieurs combinaisons de paramètres. Ce type de réseau est un candidat potentiel pour faire le lien entre les commandes descendantes basiques telles que les enregistrements d'activité musculaire (EMG) et les mouvements produits par les moteurs de la prothèse. De plus, cette structure a le potentiel de produire des réponses réflexes. Concernant l'étude de la substitution sensorielle, nous avons mis au point un dispositif produisant des stimulations vibrotactiles permettant de donner au sujet les informations de position angulaire de leur coude. Nous l'avons utilisé dans plusieurs expérimentations et mis en évidence les bonnes capacités de discrimination spatiale chez des patients amputés et des sujets sains. Nous l'avons ensuite utilisé dans un contrôle en ligne d'un bras virtuel où les vibrations permettaient de donner des repères spatiaux dans une tâche d'atteinte de cibles. Cette expérience a révélé que le feedback proprioceptif permettait d'améliorer la performance par rapport à une condition sans feedback. En revanche, si l'ajout du feedback proprioceptif à la vision n'a pas amélioré la performance, il ne l'a pas dégradé non plus. De plus, le contrôle en présence des deux feedback a été le plus apprécié des sujets. Ce travail nous a permis d'enrichir les connaissances autour de la commande des prothèses myoélectriques avec pour objectif de se rapprocher du contrôle le plus naturel possible.The loss of autonomy caused by the upper limb amputation affects a young and active population in France. The physical and psychological consequences raise some technical, scientific and clinical issues. The low prevalence of upper limb amputation is such that this affection is considered a rare disease. Today's prostheses are offering new possibilities of motion, but they are still limited in their command process. Current controls of these prostheses are non-intuitive and complex, leading to a high abandon rate. Research on this field highlights that to be fully functional and used by patients, prostheses should be able to (i) generate reflex responses, and (ii) feedback the sensation lost. In this thesis, we aimed to explore these two aspects, which are the reflex responses and the sensory substitution. The first part of this work investigates the regulation of the motor command through a spinal network that represents the low-level sensorimotor loops. We have tested this network connected to a musculoskeletal model of an arm with the goal to produce movements with multiple amplitudes and durations. The network's capacities were tested using three optimization algorithms, allowing to explore the behavioral space (i.e. the ensemble of movements produced by the neuromechanical simulations). Although very simplified, this system was capable of producing biologically acceptable movements, in the presence of gravity. This simple neural network produced a rich ensemble of behaviors, each given movement being possibly achieved with different combinations of parameters values. This type of network seems to be a good candidate to make the link between the basics descending commands such as the recorded muscle activity (EMG) and the prostheses motions. The other part of the thesis focused on sensory substitution. We built a vibrotactile device giving feedback of elbow angle to the subject. We found that patients and non-amputee subjects had good scores regarding spatial discrimination with vibrotactile stimulations, and we showed that they were all able to control a virtual arm only guided by the vibrotactile feedback during reaching tasks. However, adding proprioceptive feedback was not found to improve performance when compared to only visual information. Yet, it is important to stress that it did not deteriorate performance neither. Furthermore, the control involving both feedback was preferred by the participants. Taken together, this work provides useful information for the improvement of the myoelectric control of prostheses, while aiming to approach a natural and intuitive control of movement