Modélisation biomécanique de la main pour l'estimation des contraintes du système musculo-squelettique lors de la préhension pouce-index, Biomechanical modelling of the hand to estimate musculoskeletal constraints during thumb-index finger pinch grip

Mathieu Domalain

Description

Sous la direction de Laurent Vigouroux, Eric Berton
Thèse soutenue le 19 février 2010: Aix Marseille 2
La préhension manuelle est une des habilités de l’homme la plus développée et la plus utilisée dans la vie de tous les jours. Cette capacité nous permet de saisir et de manipuler des objets dans des configurations aussi nombreuses que complexes. Malheureusement, la main est aussi le siège de nombreuses blessures qui, de par l’importance de la préhension, sont fortement handicapantes. Face à ce constat, comprendre les contraintes mécaniques qui sont exercées dans les muscles, les tendons, les articulations et les ligaments lors de gestes de la vie quotidienne apparaît comme un enjeu majeur pour la prévention, la réhabilitation et l’ergonomie. L’objectif de ce travail doctoral était de développer un modèle biomécanique de la préhension permettant une estimation de ces variables non mesurables. A titre d’exemple,le paradigme de la pince pouce-index a été utilisé. Dans une première étude, les modèles biomécaniques de la pince disponibles dans la littérature ont été développés et comparés.Suite à cette évaluation, il a été constaté que ces modèles, en particulier le pouce,nécessitaient des améliorations pour permettre une évaluation physiologiquement réaliste lors de la préhension. Dès lors, plusieurs améliorations ont été proposées. Premièrement, une procédure expérimentale a été développée afin d’évaluer et d’inclure les participations mécaniques passives (ligaments, tissus mous, butées osseuses) de l'articulation trapèzométacarpienne. Deuxièmement, des mesures effectuées par IRM ont été utilisées afin d’intégrer l’action mécanique du muscle First Dorsale Interosseous dans l’équilibre du pouce,ce muscle étant alors négligé malgré son importance dans les tâches de préhension.Troisièmement, une méthode expérimentale permettant d’évaluer plus facilement et plus précisément, in situ, les axes de flexion/extension et d’adduction/abduction de l’articulation trapèzométacarpienne a été proposée et évaluée. Enfin, le modèle biomécanique incluant ces améliorations a été mis en œuvre dans une dernière étude ergonomique visant à étudier l’effet de la taille de l’objet manipulé sur les forces musculaires et articulaires.
-Modelisation biomecanique
-Préhension
-Main
-Ergonomie
-Articulation trapzometacarpienne
Manual precision grip is one of man's most developed and most used ability in everyday lifeactivities. The negative outcome is the high exposure of the hand to repetitive stress injurieswhich are often very disabling. Thus, the understanding of the mechanical stress exerted inmuscles, tendons, joints and ligaments during gripping tasks appears as a major issue forinjury prevention, rehabilitation and ergonomic considerations. This doctoral work aimed atdeveloping a biomechanical model of the grip to estimate the unmeasurable internal loads. Asan example, the classical paradigm of the thumb - index finger grip was used. In a first study,the biomechanical models of the thumb available in the literature were compared and severalimprovements proposed in order to obtain more physiologically realistic predictions. First, anexperimental method was developed to evaluate and include passive structures moment intothe equilibrium of the trapeziometacarpal joint (TMC). Secondly, MRI was used to integratethe mechanical action of the First Dorsal Interosseous muscle at the TMC, since this musclehas commonly been neglected in thumb models but seems essential during pinch grip.Thirdly, the kinematic model which has to be used with the anthropometric data of tendonmoment arms was evaluated and compared to our proposition of a functional method toassess, in situ, the axes of rotation of the TMC. Finally, the biomechanical model includingthese improvements was implemented in an ergonomic study. We investigated the effect ofobject width on grip forces and muscles/joints loads. This doctoral work finds its consistencyin its desire to develop and apply the biomechanical modelling of the hand in the fields ofclinical and ergonomics.
-Biomechanical modeling
-Prehension
-Grip
-Hand
-Trapeziometacrapal jo
-Ergonomics
Source: http://www.theses.fr/2010AIX22007/document

Sujets

• Préhension
• Ergonomie
• Handball

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 157
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

DOCTORAT AIX MARSEILLE UNIVERSITE
délivré par:
L'UNIVERSITE DE LA MEDITERRANEE
Spécialité : SCIENCES DU MOUVEMENT HUMAIN
Modélisation biomécanique de la main pour l'estimation des
contraintes du système musculo-squelettique lors de la préhension
pouce-index
présenté par :
Mathieu DOMALAIN

soutenu le:

Le 19 Février 2010
Devant un jury composé de :
David AMARANTINI M.C.F, Université Toulouse 3 Examinateur
Laurent BALY Dr., Directeur R&D groupe Oxylane Examinateur
David BENDAHAN D.R. CNRS, Université de la Méditerranée Examinateur
Eric BERTON Pr., Université de la Méditerranée Directeur
Laurence CHÈZE Pr., Université Lyon 1 Rapporteur
Franck MULTON Pr., Université Rennes 2 Rapporteur
Laurent VIGOUROUX M.C.F, Université de la Méditerranée Directeur

REMERCIEMENTS

Mes premiers remerciements s'adressent à Eric Berton et Laurent Vigouroux mes deux
directeurs de thèse. Vous m'avez beaucoup apporté et j'ai passé quatre années de travail
passionnant à vos côtés. Laurent, tu m'as fait découvrir la modélisation biomécanique et les
problématiques liées à la main, tu as su me transmettre ta passion. Je te remercie
EGALEMENT pour ta patience, pour la richesse de nos échanges, ta disponibilité de chaque
instant.

Je tiens à remercier les membres de ce jury. Merci aux professeurs Laurence Chèze et
Franck Multon pour l'intérêt qu'ils ont porté à cette thèse en acceptant d’en être les
rapporteurs. Merci également à Messieurs David Amarantini, Laurent Baly et David
Bendahan, les examinateurs de ce travail.

Je remercie Jean-Louis Vercher, pour m'avoir accueilli au sein de l'Institut des
Sciences du Mouvement E. J. Marey (UMR 6233), ainsi que David Bendahan et les membres
du Centre de Résonance Magnétique, Biologique et Médicale de Marseille (UMR CNRS
6612) pour l'intérêt qu'ils ont porté à ces travaux et avec qui j'ai agréablement collaboré sur la
partie IRM.

Merci à Fred D. pour ta passion et ton excellence scientifique, à Fred Pouce pour ta patience
et ta pédagogie lors de nos discussions "mathématiques".

Merci à Mireille, notamment pour son soutien administratif, ainsi qu'à tous les
membres du labo et particulièrement à la BiomécaTeam ! Une équipe chaleureuse, qui a
contribué à mon épanouissement personnel et scientifique au cours de cette thèse. Une pensée
toute particulière à mes 2 collègues de bureau successives Violaine et Pauline. Ça à été un
véritable régal de partager tous ces moments et tous vos petits plats !

Merci à Jeremy R. et Matthieu F. pour nos échanges et pour notre collaboration sur les
problématiques d'ingénierie du matériel sportif.

Mon amitié et mes remerciements "au foyer de l'AS" même si je m'y suis un peu trop
investi du point de vu mes directeurs…ainsi qu'à tous les étudiants que j'ai eu en cours et
auprès desquels j'ai beaucoup appris (en espérant que la réciproque soit vraie…).

Une grande pensée à mes 2 compères Matt "Ken" F. et Jé "Natsuko" L., auprès
desquels j'ai passé quatre années inoubliables à Marseille. Je vais maintenant ajuster mes
objectifs ; lesquels je tâcherai, le plus possible, de remplir.

Enfin, un grand merci a ma famille, pour l'éducation et les valeurs que vous m'avez
inculquées ainsi que pour votre soutien (de plus en plus à distance, je m'en excuse).





TABLE DES MATIERES
- 8 -
1. INTRODUCTION GENERALE............................................................................................................- 1 -
1.1. LA PREHENSION ................................................................................................................................ - 1 -
1.2. ASPECTS ERGONOMIQUES ET DE SANTE PUBLIQUE............................................................................ - 2 -
1.3. LA PREHENSION, UNE TACHE COMPLEXE A PLUSIEURS EGARDS ........................................................ - 4 -
1.3.1. Appliquer une force.....................................................................................................................- 4 -
1.3.2. Adapter sa configuration articulaire...........................................................................................- 7 -
1.3.3. Coordonner ses muscles............................................................................................................- 10 -
1.4. PROBLEMATIQUE ET PRESENTATION DU TRAVAIL DOCTORAL......................................................... - 12 -
1.5. DETERMINER LES EFFORTS INTERNES ............................................................................................. - 14 -
1.5.1. Mesure in vivo des forces ..........................................................................................................- 14 -
1.5.2. Estimation des activités musculaires au moyen de l'électromyographie...................................- 15 -
1.5.3. La modélisation musculo-squelettique ......................................................................................- 16 -
1.5.4. Méthodes de résolution de l'indétermination ............................................................................- 19 -
1.6. DESCRIPTION DU MODELE MUSCULO-SQUELETTIQUE DE LA PINCE ................................................. - 22 -
1.6.1. Segments osseux et articulations...............................................................................................- 23 -
1.6.2. Muscles......................................................................................................................................- 24 -
1.6.3. Bras de levier des tendons.........................................................................................................- 25 -
1.6.4. Modélisation des mécanismes extenseurs .................................................................................- 26 -
1.6.5. Modélisation des ligaments.......................................................................................................- 28 -
1.6.6. Equations d’équilibre des articulations ....................................................................................- 28 -
1.7. PROBLEMES SOULEVES LORS DE LA MODELISATION DE LA PINCE ................................................... - 30 -
1.7.1. Bras de levier des muscles du pouce.........................................................................................- 30 -
1.7.2. L'analyse cinématique du pouce, un champ de recherche à part entière..................................- 31 -
1.7.3. Moment des forces passives à l'articulation trapèzométacarpienne .........................................- 32 -
er1.7.4. Intégration du muscle 1 interosseux dorsal (FDI) ..................................................................- 33 -
2. COMPARAISON DES ESTIMATIONS DE FORCES MUSCULAIRES A PARTIR DE DEUX
BASES DE DONNEES ANTHROPOMETRIQUES (ETUDE 1)...............................................................- 34 -
2.1. INTRODUCTION ............................................................................................................................... - 36 -
2.2. MATERIAL AND METHODS.............................................................................................................. - 37 -
2.3. RESULTS AND DISCUSSION ............................................................................................................. - 40 -
2.4. CONCLUSION .................................................................................................................................. - 46 -
3. EVALUATION DU MODELE CINEMATIQUE DE L'ARTICULATION
TRAPEZOMETACARPIENNE DE COONEY ET AL. (1981) ET D'UNE NOUVELLE METHODE
FONCTIONNELLE (ETUDE 2) ...................................................................................................................- 48 -
3.1. INTRODUCTION ............................................................................................................................... - 49 -
3.1.1. Méthode traditionnelle ou "mouvements plan" .........................................................................- 50 -
3.1.2. Les méthodes considérants les mouvements autour des axes articulaires ................................- 51 -
3.2. MATERIELS ET METHODES .............................................................................................................. - 60 -
3.2.1. Protocole...................................................................................................................................- 60 -
3.2.2. Traitement des images...........................................................................