Évaluation des CGF à par tir des modèles articulaire

La distribution des forces générées par le membre supérieur au niveau de la main présente une anisotropie avec une direction d’application préférentielle passant approximativement par l’axe main/épaule (Jan Nijhof et Gabriel, 2006). Ces forces exercées sur l’environnement dépendent de la posture adoptée, de la tâche à exécuter ainsi que des caractéristiques musculaires du sujet. Généralement, la production de force ou de couple autour d’un axe articulaire est évaluée par l’intermédiaire d’appareillages adaptés (Roman-Liu et Tokarski, 2005; Sahaly et al., 2001; Silder et al., 2008). Bien qu’intéressantes, les informations fournies pour une posture donnée sont partielles et ne concernent que la force produite dans une seule direction donnée ou au couple produit autour d’un seul axe articulaire. L’évaluation globale des CGF d’un sujet permet d’obtenir des informations importantes sur la motricité humaine, par exemple, la direction optimale d’application de la force dans une situation donnée. La représentation visuelle de l’ensemble de ces forces permet de disposer d’informations rapidement interprétables par des rééducateurs, des ergonomes ou des entraîneurs (Komura et al., 1999) justifiant pleinement l’intérêt porté à leur développement. Pour répondre à cette problématique, les modèles basés sur les couples articulaires provenant du domaine de la robotique (Chiacchio et al., 1997; Yoshikawa, 1984, 1985b)(Jacquier-Bret 2013 JAB, Rezzoug et al 2013 SB 2013) pourraient caractériser cette distribution en évaluant les capacités du membre supérieur à générer des efforts sur l’environnement. En effet, ces indices appelés ellipsoïdes et polytope de force permettent pour un système articulé et une posture donnée d’évaluer les vecteurs forces qu’il est possible d’exercer à son extrémité dans toutes les directions de l’espace (Chiacchio et al., 1997; Mansouri et Ouali, 2009, 2011; Yoshikawa, 1984, 1985b). Ils sont construits à partir de données sur la posture et d’hypothèses sur les couples articulaires maximaux associés à chaque ddl de la chaine cinématique. Deux hypothèses sont envisagées afin de définir les bornes des couples articulaires. La première consiste à modéliser les ellipsoïdes et les polytopes de force dits « normalisés » avec des couples articulaires fixés arbitrairement avec une norme unitaire (|||| ≤ 1). Les propriétés de ce que nous nommons ellipsoïde de force normalisée (EFN) et polytope de force normalisé (PFN) vont alors uniquement dépendre de la posture et des caractéristiques géométriques de la chaîne cinématique codées par sa matrice Jacobienne J. Ces deux objets géométriques présentent alors l’avantage d’être relativement Chapitre III : Évaluation des CGF à partir des modèles articulaires 117 « simples » à définir puisque nécessitant uniquement la mesure de la posture. Même si cette hypothèse est éloignée de la réalité du système musculosquelettique humain, l’EFN et le PFN ainsi construits pourraient cependant fournir des informations intéressantes notamment sur la direction préférentielle d’application des efforts. S’il s’avère après validation que l’EFN et le PFN ne rendent pas compte des GCF de sujets humains de manière satisfaisante, il sera nécessaire de raffiner le modèle et de considérer notamment des bornes pour les couples articulaires qui ne sont plus normalisées, mais correspondent aux capacités de sujets humains. En effet, ces derniers vont varier en fonction du ddl et du sens de rotation. De plus, chaque personne, en fonction de son degré de déficience, de ses capacités physiques, de sa morphologie aura une capacité de production de force différente. Il apparait donc essentiel de construire des modèles plus précis et adaptés à la spécificité humaine par l’intégration de données de couples articulaires maximaux isométriques (Oshima et al., 2000; Sasaki et al., 2010; Tanaka et al., 2006). Ces modèles sont nommés ellipsoïdes de force biomécanique (EFB) et polytopes de force biomécanique (PFB). Leur intérêt est important dans des domaines tels que l’ergonomie, la réhabilitation ou encore les sciences du sport. En effet, la connaissance de l’amplitude et de la direction selon la force générée pourrait être la plus importante est essentielle pour des applications dans le cadre de l’entrainement sportif (Tanaka et al., 2006) ou pour améliorer la performance d’une tâche en général (Jacquier-Bret et al., 2013).

Matériels et méthodes

Sujets

Notre échantillon est composé de 7 sujets masculins, tous droitiers et valides. Le Tableau 6 résume les caractéristiques anthropométriques. Les sujets ne présentaient aucune pathologie au niveau du membre supérieur droit affectant leur capacité à générer des efforts maximaux. Ils ont été informés de l’intégralité du protocole expérimental, des données mesurées et du matériel utilisé et ont participé volontairement au protocole après signature d’un formulaire de consentement. Tableau 6 : Caractéristiques anthropométriques des sujets participants (moyenne ± écart-type) II.2. Matériels Le matériel exploité dans le cadre de cette expérimentation est composé : – D’un système de mesures de couples articulaires (Biodex®) (Figure 36), – D’une plate-forme de force (PFF) (AMTI®) équipée d’une poignée permettant d’enregistrer la force générée par le membre supérieur au niveau de la main (Figure 35), – Et d’un système optoélectronique utilisé pour déterminer la posture du membre supérieur droit (Qualisys®) (Figure 36).

Présentation du BIODEX

Le Biodex system 3 (Biodex Medical Systems, USA, New-York) est un système composé d’un dynamomètre permettant de réaliser des mesures de couples articulaires en conditions isométriques et isocinétique à une fréquence de 100Hz au moyen d’un ordinateur équipé du logiciel fourni avec l’appareil. Les différents réglages du Biodex (inclinaison du dossier de chaise, orientation et inclinaison du dynamomètre …) ont été effectués selon les recommandations du fabricant. De plus, pour répondre à la spécificité individuelle, comme la taille, des réglages fins sont possibles tels que la profondeur de l’assise ou encore la hauteur du dynamomètre pour obtenir Âges (années) Taille (cm) Masse (kg) Sujets 26,0 ± 2,7 180,4 ± 7,7 80,4 ± 10,4 Chapitre III : Évaluation des CGF à partir des modèles articulaires 120 le meilleur alignement possible entre l’axe du dynamomètre et celui du ddl articulaire concerné par la mesure. II.2.B. Présentation du système AMTI La plate-forme de force (PFF) AMTI-1000 series (Advanced Mechanical Technology Inc., USA, Watertown) est un système qui permet l’acquisition des forces et moments selon les trois axes X, Y, Z à une fréquence de 100Hz. La PFF a une étendue de mesure de 4450N sur l’axe vertical Z (haut/bas) et de 2225N selon les axes X (médiolatéral) et Y (antéropostérieur). Celle-ci est reliée à un amplificateur (MiniAmp MSA-6) connecté à un ordinateur via une liaison série RS232. Le logiciel AMTI NetForce (v2.0) fourni par le fabricant permet d’effectuer les acquisitions. Un système adapté afin de fixer une poignée sur la PFF au moyen de 5 brides a été utilisé (Figure 35). Il permet des mesures de forces au niveau de la main qui sont transmises rigidement à la partie supérieure de la plateforme.