Etude des efforts normaux et tangentiels à l'interface homme - siège lors de la propulsion en fauteuil roulant

Study of normal and tangential forces at the body-seat interface in wheelchair propulsion

• Auteur / Autrice : Clémence Paquin
• Direction : Sonia Duprey, Anthony Gélis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance le 16/11/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs
• Jury : Président / Présidente : Sophie Jacquin-Courtois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sonia Duprey, Anthony Gélis, Rachid Aissaoui, Christian Pierre-Yves Rohan, Delphine Chadefaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rachid Aissaoui, Christian Pierre-Yves Rohan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes (mécanique)

Fauteuils roulants

Lésions et blessures

Paraplégiques

Dermatoses

Mots clés libres

Fauteuil roulant

Efforts normaux

Efforts tangentiels

Propulsion

Paraplégiques

Wheelchair

Normal forces

Tangential forces

Propulsion

Paraplégia

Résumé

Les usagers de fauteuil roulant (FR) sont à risque de développer des lésions cutanées comme les escarres. L’excès d’efforts mécaniques (normaux et tangentiels) peut être source de ce type de lésions cutanées au niveau de l’assise chez les populations à risque. Nous nous sommes donc intéressés dans cette thèse aux efforts à l’interface homme-siège lors de la propulsion en FR afin de mieux comprendre leur interaction avec l’activité. Après une analyse de la littérature nous permettant de déterminer les variables à étudier, nous avons développé deux expérimentations : en laboratoire et en situation écologique. Elles nous ont permis de 1/ documenter les efforts lors d’une activité et 2/ créer des modèles permettant la prédiction de l’effort tangentiel pour lesquels les instruments de mesure écologique des efforts à l’interface homme-siège sont inexistants. Notre premier objectif était d’étudier les efforts sur l’assise (normaux et tangentiels) en statique et en dynamique durant une activité de « handcycling » sur un siège expérimental. Les différences entre les efforts en statique et en dynamique ont été étudiées ainsi que les différences entre les participants valides et les participants paraplégiques. Pour continuer, nous avons pu étudier les efforts normaux et tangentiels lors d’un déplacement en FR (propulsion bimanuelle et motorisée) dans plusieurs conditions écologiques chez des utilisateurs de FR. Nous avons créé un modèle de prédiction des efforts tangentiels en statique à partir de données issues de nappes de pressions et basé sur un algorithme de Machine Learning. Un second modèle de prédiction du maximum temporel des efforts tangentiels a été créé en se basant sur les relations statistiques trouvées lors de l’expérimentation sur le siège expérimental permettant de passer de la moyenne des efforts tangentiels en statique à leur maximum temporel en dynamique. Malgré des erreurs constatées, ces modèles créés permettent de classer les prédictions par intensité. Ces modèles ont été appliqué aux mesure de notre étude écologique. Nos expérimentations ont montré que l’activité motrice des membres supérieurs ou la propulsion soulageait les efforts (normaux et tangentiels). L’amplitude de variation (minimum-maximum) des efforts est nettement plus importante pour les efforts tangentiels que pour les efforts normaux et pourrait générer des contraintes internes. Ceci d’autant plus que lors de la propulsion, nous avons pu mettre en évidence que les maxima temporels des efforts normaux et tangentiels semblaient augmenter avec la difficulté de propulsion (i.e. plusieurs accélérations) et/ou les aspérités du sol. Pour terminer, ce travail a pu mettre en exergue des relations entre les efforts et les réglages du FR, la position des usagers dans leur FR et des caractéristiques de leur pathologie sur les efforts normaux et tangentiels en statique mais également lors de la propulsion. Ces relations pourront être exploiter cliniquement lors de l’attribution et le réglage d’un FR.

Wheelchair users are at risk of developing skin lesions such as pressure ulcers. Excessive mechanical forces (normal and tangential) can be a source of this type of skin lesion on the sitting area of at-risk populations. In this thesis, we therefore looked at the forces at the man-seat interface during wheelchair propulsion in order to gain a better understanding of their interaction with the activity. After analysing the literature to determine the variables to be studied, we developed two experiments: one in a laboratory and the other in an ecological situation. These experiments enabled us to 1/ document effort during an activity and 2/ create models for predicting tangential effort for which there are no ecological instruments for measuring effort at the human-seat interface. Our first objective was to study static and dynamic seat forces (normal and tangential) during a 'handcycling' activity on an experimental seat. The differences between static and dynamic forces were studied, as were the differences between able-bodied and paraplegic participants. To continue, we were able to study normal and tangential forces during FR movement (bimanual and motorised propulsion) in several ecological conditions in wheelchair users. We created a model for predicting static tangential forces using data from pressure maps and based on a Machine Learning algorithm. A second model for predicting the time peak of the tangential forces was created based on the statistical relationships found during the experiment on the experimental seat, enabling the mean of the static tangential forces to be converted into their dynamic time peak. Despite the errors observed, these models allow the predictions to be classified by intensity. These models were applied in our ecological study. Our experiments showed that the motor activity of the upper limbs or propulsion relieved the efforts (normal and tangential). The amplitude of variation (minimum-maximum) of the forces is clearly greater for tangential forces than for normal forces and could generate internal stresses. Even more so since, during propulsion, we were able to show that the time peak of the normal and tangential forces seemed to increase with the difficulty of propulsion (i.e. several accelerations) and/or the roughness of the ground. Finally, this work highlighted the relationships between the forces and settings of the wheelchair, the position of users in their wheelchair and the characteristics of their pathology, in terms of normal and tangential forces, both statically and during propulsion. These relationships can be used clinically when choosing and adjusting a wheelchair.