Estimation des forces musculaires du membre supérieur humain par optimisation dynamique

La modélisation musculo-squelettique est une approche essentielle pour estimer les forces internes du corps humain, notamment les forces musculaires et articulaires. Dans cette thèse, l'auteur, Colombe Bélaise, explore l'importance de ces estimations pour comprendre l'anatomie fonctionnelle et les mécanismes de blessures. La modélisation permet également de concevoir des aides techniques pour améliorer la motricité. Un des défis majeurs est d'utiliser les données biomécaniques existantes pour prédire des forces internes qui tiennent compte des stratégies neuro-musculo-squelettiques propres à chaque individu. L'objectif principal de cette recherche est d'estimer les forces musculaires du membre supérieur humain en utilisant une méthode d'optimisation dynamique, ce qui représente une avancée significative par rapport aux méthodes précédentes.

L'auteur présente une méthode innovante de suivi simultané des données électromyographiques (EMG) et cinématiques. Quatre objectifs spécifiques ont été définis : (1) résoudre le problème d'optimisation dynamique en utilisant une méthode directe de tir multiple ; (2) évaluer la pertinence et la performance de cette méthode par rapport aux algorithmes existants ; (3) valider son applicabilité à des données expérimentales ; et (4) caractériser des techniques d'identification des propriétés musculaires à l'aide d'un ergomètre isocinétique. Les résultats montrent que la nouvelle méthode permet de reproduire la cinématique attendue avec une précision de 5°, et réduit l'erreur quadratique moyenne sur les forces musculaires d'au moins cinq fois par rapport aux méthodes précédentes. Ces résultats illustrent l'efficacité de l'algorithme proposé.

Les études menées ont révélé que l'algorithme est efficace pour identifier les propriétés musculaires d'un modèle musculo-squelettique générique. Les excitations musculaires obtenues présentent deux fois moins d'erreurs par rapport à l'EMG expérimental, ce qui souligne la précision de la méthode. De plus, la recherche a mis en évidence que la mesure expérimentale du moment articulaire à l'épaule, effectuée avec un ergomètre isocinétique, est inadéquate, en particulier lors de mouvements de rotation interne/externe. Les résultats montrent que les composantes de flexion et d'abduction du moment à l'épaule sont significativement sous-estimées, ce qui pourrait avoir des implications importantes pour la calibration des modèles musculo-squelettiques.

Cette thèse a des implications significatives pour le domaine de la biomécanique et de la réhabilitation. L'importance du suivi simultané de l'EMG et de la cinématique en optimisation dynamique est clairement démontrée, en particulier dans les cas de forte co-contraction musculaire. Les recommandations établies pour la calibration du modèle à partir de l'ergomètre isocinétique sont cruciales pour améliorer la fiabilité des estimations de forces musculaires. De plus, la méthode innovante pourrait être appliquée à des populations pathologiques, ce qui permettrait une meilleure compréhension de la pathomécanique et une intervention plus efficace auprès des professionnels de la santé. Ces résultats ouvrent de nouvelles voies pour la recherche future et l'application clinique.