Optimization of functional electrical stimulation (FES) parameters for FES cycling
Optimisation des paramètres de stimulation électrique fonctionnelle (SEF) pour le cyclisme SEF
Résumé
The overall aim of this thesis is to develop and assess novel electrical stimulation strategies in order to address the limitations of FES cycling in people with spinal cord injury (SCI), i.e. to postpone the onset of muscle fatigue and augment the power produced by the paralyzed muscles. To assess the efficiency of electrical stimulation strategies, a novel instrumented cycling ergometer platform (ICEP) was developed. The capabilities of the platform were showcased by determining the stimulation patterns for reproducing the cycling movement in subjects with SCI. An experimental study comparing the fatigue-reducing ability of spatially distributed sequential stimulation (SDSS) at high (HI) and moderate intensities (MI) in subjects with SCI was conducted. The results of this isometric study showed that MI SDSS is significantly more effective than HI SDSS when applied to the quadriceps muscle group. A case study was performed on the ICEP to compare the power and fatigue produced while performing FES cycling using SDSS versus single electrode setup (SES). In two multiday sessions, paralyzed quadriceps muscles of 4 subjects were stimulated using MI while performing FES cycling with motor assistance. For each subject, SDSS produced more power than SES without a major influence on the fatigue level. Finally, a prototype of a knee-angle-based FES cycling system using a stretch sensor was demonstrated to serve as a proof-of-concept for the development of simple and cheaper FES cycling equipment. Contributions made in this work will make FES cycling a more effective rehabilitation tool available to a larger population.
L'objectif global de cette thèse est de développer et d'évaluer de nouvelles stratégies de stimulation électrique afin d'aborder les limites du cyclisme SEF chez les personnes souffrant de lésions médullaires (LM), c'est-à-dire de retarder l'apparition de la fatigue musculaire et d'augmenter la puissance produite par les muscles paralysés. Afin d'évaluer l'efficacité des stratégies de stimulation électrique, une nouvelle plateforme de véloergomètre instrumenté (PVI) a été mise au point. Les capacités de la plateforme ont été mises en évidence en déterminant les schémas de stimulation permettant de reproduire le mouvement cycliste chez des sujets atteints de LM. Une étude expérimentale a été menée pour comparer la capacité de réduction de la fatigue de la stimulation séquentielle spatialement distribuée (SSSD) à des intensités élevées (IE) et modérées (IM) chez des sujets atteints de LM. Les résultats de cette étude isométrique ont montré que la SSSD d'IM est significativement plus efficace que la SSSD d'IE lorsqu'elle est appliquée au groupe musculaire des quadriceps. Une étude de cas a été réalisée sur la PVI afin de comparer la puissance et la fatigue produites lors de l'exécution d'un cyclisme SEF en utilisant la SSSD par rapport à la stimulation avec une seule électrode (SSE). Au cours de deux sessions de plusieurs jours, les muscles quadriceps paralysés de 4 sujets ont été stimulés utilisant des IM tout en effectuant un cyclisme SEF avec une assistance motorisée. Pour chaque sujet, la SSSD a produit plus de puissance que la SSE sans influence majeure sur le niveau de fatigue. Enfin, un prototype de système de cyclisme SEF basé sur l'angle du genou et utilisant un capteur d'étirement a été présenté pour servir de preuve de concept pour le développement d'un équipement de cyclisme SEF simple et moins cher. Les contributions apportées dans le cadre de ce travail feront du cyclisme SEF un outil de rééducation plus efficace, accessible à un plus grand nombre de personnes.
Mots clés
Domaines
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|---|
| Licence |
