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

• Auteur / Autrice : Mathieu Domalain
• Direction : Laurent Vigouroux, Eric Berton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique du mouvement
• Date : Soutenance le 19/02/2010
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences du Mouvement Humain (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences du Mouvement Etienne Jules Marey (ISM)
• Jury : Président / Présidente : David Bendahan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Vigouroux, Eric Berton, David Bendahan, Laurence Chèze, Franck Multon, David Amarantini, Laurent Baly
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Chèze, Franck Multon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ergonomie

Biomécanique

Préhension humaine

Main

Mots clés libres

Modelisation biomecanique

Préhension

Main

Ergonomie

Articulation trapzometacarpienne

Biomechanical modeling

Prehension

Grip

Hand

Trapeziometacrapal jo

Ergonomics

Résumé

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.

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.