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Thème 1 : modélisation biomécanique de mouvements complexes et estimation des tensions musculaires au cours d’un mouvement pluri-articulé

Modélisation biomécanique de mouvements complexes et estimation des tensions musculaires au cours d’un mouvement pluri articulé

Mise à jour : 8 octobre 2011

L’objectif de nos recherches est de mieux comprendre et décrire le mouvement humain d’un point de vue mécanique. Plus précisément, nous travaillons à la détermination des forces internes exercées dans le corps humain au cours du mouvement, les forces internes se déclinant en forces musculaires, articulaires et ligamentaires. Ces variables sont d’un intérêt majeur dans le sens où la connaissance de leur intensité ainsi que des facteurs les influençant a des applications directes pour l’ergonomie et le traitement thérapeutique. A l’heure actuelle, l’accès à ces variables est un challenge scientifique important car il n’existe pas de moyen technique pour les mesurer directement.

La modélisation biomécanique est une solution alternative pour accéder à ces variables de manière indirecte. Elle consiste à représenter numériquement le comportement mécanique du corps humain à partir de l’enregistrement de données périphériques. Les travaux de recherche que nous effectuons visent à améliorer ces techniques de modélisation ainsi que leurs applications. Dans cette démarche, deux systèmes musculo-squelettiques sont analysés dans nos travaux : la main et le membre inférieur. De part leur complexité et leur utilisation quotidienne, ces systèmes représentent des modèles de recherche idéaux. La résolution des problèmes de modélisation de ces systèmes est, en effet, susceptible de fournir des solutions pour la modélisation d’autres systèmes musculo-squelettiques. De plus, la compréhension de leur fonctionnement permet la compréhension de manière plus globale du contrôle du système musculo-squelettique par le système nerveux central. Enfin, ces travaux trouvent des applications directes du fait de l’importance et de la fréquence de leurs pathologies. Dans cette démarche, nous distinguons trois sujets qui ont fait l’objet de développements spécifiques au cours des 5 dernières années :

 Le développement et le perfectionnement des méthodes de résolution par optimisation.

De part la redondance du système musculo-squelettique, le calcul des forces individuelles de chaque muscle est un problème mathématiquement indéterminé, c’est à dire un problème comprenant plus d’inconnues (forces musculaires) que d’équations (degrés de liberté articulaires). Pour résoudre cette indétermination, la solution que l’équipe exploite actuellement est de développer des modèles hybrides comprenant à la fois des procédures d’optimisation numérique et des informations concernant le niveau d’activation des muscles (EMG). Ces procédures fournissent ainsi des données au plus proche de toutes les informations périphériques obtenues expérimentalement (EMG, dynamométrie, cinématique, imagerie médicale). Ce travail a fait l’objet de deux thèses (G. Rao, soutenue en décembre 2006 ; M. Domalain, soutenue en février 2010) et le développement de deux techniques particulières : la première est la prise en compte du niveau de fatigue du muscle, la seconde est la prise en compte sous forme de contraintes d’inégalités les activations EMG.

 La personnalisation des modèles génériques par le recours à l’imagerie médicale.

Depuis juillet 2008 une collaboration avec le centre d’imagerie à résonance magnétique de la faculté de médecine de la Timone (D.R. Bendahan, CRMBM UMR 6612) est effective et des acquisitions d’images IRM sont réalisées régulièrement. L’imagerie IRM permet de personnaliser les modèles et les appliquer à des populations pathologiques (travaux présentés dans une partie de la thèse de M. Domalain, 2010). De la même manière, l’utilisation de techniques d’imagerie par ultrason (échographie) est actuellement en cours de développement dans le cadre de la thèse de Pauline Gérus (MENRT, en cours). Les informations recueillies sont implémentées dans la modélisation afin d’avoir des estimations physiologiquement plus réalistes. Cette recherche est réalisée en collaboration avec le département de Mechanical Engineering de l’université du Delaware (USA) et de nombreux échanges (étudiants et professeurs) sont effectifs chaque année.

 Le développement et le perfectionnement de la modélisation des muscles actionneurs.

La manière dont les modèles biomécaniques développés prédisent les forces musculaires est fortement dépendante des représentations utilisées pour décrire les actionneurs musculaires et tendineux (force maximale, longueur, vitesse d’élongation, raideur et viscosité des tendons). Dans le but d’appliquer ces modèles à de nombreuses activités (course, saut …), une définition plus précise est nécessaire, en particulier des structures tendineuses et aponévrotiques qui peuvent emmagasiner et restituer une grande partie de l’énergie élastique générée lors d’un impact. Ces améliorations concernant les tendons et les aponévroses sont réalisées dans le cadre de la thèse de Pauline Gérus.

L’ensemble de ces travaux trouve une cohérence dans l’application de ces modèles à des fins ergonomiques comme cela est fait pour le tennis dans la thèse de Jérémy Rossi (CIFRE, en cours) et l’implication dans les axes I et II de la chaire Oxylane. Ces travaux trouvent également des applications cliniques chez les patients Infirmes Moteurs Cérébraux avec une collaboration avec le service du Professeur Bollini de l’hôpital de la Timone (financement FIR de l’université de la Méditerranée).