Modélisation inverse du système neuromusculosquelettique: Application au doigt majeur

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Modélisation inverse du système

neuromusculosquelettique: Application au doigt majeur

Samar Allouch

To cite this version:

Samar Allouch. Modélisation inverse du système neuromusculosquelettique: Application au doigt majeur. Optimisation et contrôle [math.OC]. Université de Technologie de Compiegne, 2014. Français.

�tel-01557514�

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THESE EN COTUTELLE

Pour obtenir le grade de Docteur délivré par

L’Université de Technologie de Compiègne Et

L’Université Libanaise

Ecole Doctorale des Sciences et Technologie Spécialité : Génie Biomédical

Présentée et soutenue publiquement par

Allouch Samar Le 18 Septembre 2014

Modélisation inverse du système neuromusculosquelettique:

Application au doigt majeur.

Directeurs de thèse : Younes Rafic Boudaoud Sofiane Co-directeur de thèse : Khalil Mohamad

Membre du Jury

M. Amine Nait-Ali, Professeur, Université de Paris-Est Créteil Rapporteur

M. Lotfi Romdhane, Professeur, Université Américaine de Charjah Rapporteur

M. Frédéric Marin, Professeur, Université de Technologie de Compiègne Examinateur

M. Ziad Abu-Faraj, Professeur, Université Americaine de Science et de Technologie Examinateur

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Résumé

Avec le besoin de développer un organe artificiel remplaçant le doigt humain dans le cas d’un déficit et la nécessité de comprendre le fonctionnement de ce système physiologique dans un contexte d’aide au diagnostic, un modèle physique inverse du système doigt, permettant de chercher les activations neuronales (l’intention de mouvement) à partir du mouvement, est nécessaire. Malgré le grand nombre d'études sur la modélisation de la main humaine, il n’existe, à notre connaissance, aucun modèle physique inverse du système doigt majeur qui s’intéresse à chercher les activations neuronales et à remonter ainsi à la commande motrice. En effet, presque tous les modèles existants se sont intéressés à la recherche des forces et des activations musculaires mises en jeu durant un mouvement.

L'objectif de ce mémoire de thèse est donc de présenter un modèle neuromusculosquelettique du système doigt majeur humain permettant d’obtenir les activations neuronales, les activations musculaires et les forces musculaires des tous les muscles agissants sur le système doigt d’après l’analyse du mouvement. Le but de ce type des modèles est de représenter les caractéristiques essentielles du mouvement avec le plus de réalisme possible. Notre travail consiste à étudier, modéliser et à simuler le mouvement du doigt humain. L'innovation du modèle proposé est le couplage entre la biomécanique et les aspects neurophysiologiques afin de simuler la chaine inverse complète du mouvement en allant des données cinématiques du doigt aux intentions neuronales qui contrôlent les activations musculaires. L'autre innovation est la conception d'un protocole expérimental spécifique qui traite à la fois les données sEMG obtenues sur plusieurs voies et les données cinématiques d’après une procédure de capture de mouvement.

Dans le chapitre 1, nous présentons une vue générale sur la modélisation des systèmes physiologiques puis sur la modélisation musculosquelettique de la main en traitant l’anatomie de la main pour ensuite s’approfondir dans l’anatomie du doigt majeur humain et l’anatomie du muscle squelettique et son contrôle moteur.

Dans le chapitre 2, nous détaillons la modélisation du système doigt majeur humain où le modèle est composé de trois sous-modèles séparés, le modèle biomécanique, le modèle musculaire et le modèle liant l’activation musculaire à l’activation neuronale. Ce chapitre est constitué de deux grandes parties, la modélisation statique (mouvement décomposé en positions statiques) puis la modélisation dynamique du système et pour chaque partie nous avons simulé le modèle et cherché les forces musculaires, les activations musculaires, les déformations musculaires et les activations neuronales. Durant la simulation, nous avons rencontré un système mathématique sous-déterminé et complexe qu’on a résolu en développant une technique d’optimisation permettant d’assurer une bonne convergence vers des solutions stables. Nous proposons aussi une nouvelle fonction de coût plus efficace dans ce processus d’optimisation.

Les résultats de simulation issus de modèles présentés sont évalués qualitativement en les comparant avec les données issues de l’expérimentation dans le chapitre 3. Pour cela, les activations neuronales calculées par optimisation sont comparées à celles provenant des signaux EMGs mesurés par des électrodes de surface pour les muscles extrinsèques du doigt durant un exercice d’ouverture et fermeture de la main à plusieurs positions sous conditions statique et dynamique du système.

Afin d’améliorer le protocole expérimental, une étude sur l’utilisation d’une grille d’électrodes sEMG

de haute définition (HD-sEMG) a été faite, cette étude, en simulation, a pour objectif de montrer

l’efficacité de la détection des signaux HD-sEMG dans l’estimation des forces musculaires.

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iv

Finalement, une conclusion générale est présentée qui rappelle et discute les apports et les limitations des modèles présentés en proposant des directions de recherche en perspective de ce travail de thèse.

Mots Clés : Modélisation biomécanique, signaux sEMG, Activation musculaire, Activation

neuronale, Modèle neuromusculosquelettique, Modèle statique du doigt, Modèle dynamique du

doigt, Optimisation, Traitement du signal, instrumentation

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Liste des publications

Article dans des revues à comité de lecture

Allouch, S., Younes, F., Boudaoud, S., and Khalil, M. (2014) ‘Physiological and Biomechanical

Approach for Human Finger Movement: Modeling, Simulation and Experimental Validation’, Journal of Mechanics in Medicine and Biology, 14(03), p.1450040.

Allouch, S., Boudaoud, S., Younes, F., Ben-Mansour, K. and Marin, F. (2014) ‘Proposition, Identification and Evaluation of an Inverse Dynamic Neuromusculoskeletal Model for the human finger’, Computers in biology and medicine, submitted.

Conférences internationales

Allouch, S., Al Harrach, M., S. Boudaoud, J. Laforet F., Ayachi, F. and Younes,R. (2013) ‘Muscle Force

Estimation Using Data Fusion from High-Density SEMG Grid ‘, IEEE 2nd International Conference on

Advances in Biomedical Engineering , Lebanon.

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Table des Matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE ... 1

CHAPITRE 1: GÉNÉRALITÉS SUR LA MODÉLISATION DES SYSTÈMES PHYSIOLOGIQUES ET MUSCULOSQUELETTIQUES ... 5

1.1. INTRODUCTION ... 5

1.2. MODÉLISATION DES SYSTÈMES PHYSIOLOGIQUES ... 5

1.2.1. Introduction ... 5

1.2.2. Définition des systèmes physiologiques (Modélisation, Simulation et Contrôle) ... 6

1.3. MODÉLISATION MUSCULOSQUELETTIQUE DE LA MAIN... 7

1.3.2. Rappels anatomiques et physiologiques ... 8

1.3.2.1. Rappel ... 8

1.3.2.1.1. Flexion - extension ... 9

1.3.2.1.2. Adduction – abduction ... 9

1.3.2.1.3. Pronation – supination ... 9

1.3.2.2. Structure articulaire de l’avant-bras et du poignet ... 10

1.3.2.3. Structure articulaire de la main ... 10

1.3.2.4. Les muscles du système main et avant-bras ... 11

1.3.2.4.1. Muscles du pouce ... 11

1.3.2.4.2. Muscles de l’index ... 13

1.3.2.4.3. Muscles du majeur ... 15

1.3.2.4.4. Muscles de l’annulaire ... 15

1.3.2.4.5. Muscles de l’auriculaire ... 16

1.3.2.4.6. Muscles du poignet... 16

1.3.2.5. Muscles de l’avant-bras ... 17

1.4. ANATOMIE DU DOIGT MAJEUR HUMAIN ... 18

1.4.1. Os et articulations ... 18

1.4.2. Muscles ... 18

1.4.3. Mécanisme extenseur du doigt ... 20

1.4.4. Poulies digitales ... 21

1.5. ANATOMIE ET CONTRÔLE DU MUSCLE SQUELETTIQUE ... 22

1.5.2. Structure macroscopique du muscle squelettique ... 22

1.5.3. Structure microscopique du muscle squelettique ... 23

1.5.4. Contraction d’un muscle squelettique ... 25

1.5.4.1. Unité motrice ... 25

1.5.4.2. Le signal électromyographie (EMGs)... 26

1.5.4.2.1. Recueil du signal EMGs ... 27

1.5.4.2.2. Volume conducteur ... 28

1.5.4.2.3. Configuration des électrodes de détection ... 28

1.6. ETAT DE L’ART DE LA MODÉLISATION MUSCULOSQUELETTIQUE ... 29

1.7. CONCLUSION ... 30

CHAPITRE 2: MODÉLISATION NEUROMUSCULOSQUELETTIQUE DU DOIGT HUMAIN MAJEUR ... 32

2.2. MODÈLE BIOMÉCANIQUE DU DOIGT ... 34

2.2.2. Modèle Biomécanique ... 34

2.2.3. Modélisation du bras de levier ... 35

(8)

vii

2.2.4. Modélisation du mécanisme extenseur ... 36

2.2.5. Equations d’équilibre statique du doigt ... 37

2.3. MODÈLE MUSCULAIRE ... 38

2.3.1. Modèle musculaire ... 38

2.3.2. Modèle musculotendineux ... 39

2.4. MODÈLE ACTIVATION MUSCULAIRE -ACTIVATION NEURONALE ... 41

2.5. MODÈLE STATIQUE ... 43

2.5.1. Présentation du modèle ... 43

2.5.1.1. La fonction d’optimisation ... 43

2.5.1.2. Modèle statique simplifié linéaire ... 44

2.5.1.3. Modèle statique simplifié non-linéaire ... 47

2.5.1.4. Modèle statique découplé non-linéaire ... 49

2.5.1.5. Modèle statique complexe non-linéaire ... 49

2.5.2. Technique d’optimisation ... 51

2.5.3. Résultats de simulation ... 53

2.6. MODÈLE BIOMÉCANIQUE DYNAMIQUE ... 57

2.6.1. Présentation du modèle ... 57

2.6.2. Technique d’optimisation ... 59

2.6.3. Résultats de simulation ... 61

CHAPITRE 3: EVALUATION EXPÉRIMENTALE ... 67

3.2. SCHÉMA DE VALIDATION DU MODÈLE ... 67

3.2.1. Modèle sEMG- Activation neuronale ... 68

3.3. VALIDATION EXPÉRIMENTALE DU MODÈLE STATIQUE ... 69

3.3.1. Protocole expérimental en statique ... 69

3.3.2. Résultats et discussions ... 72

3.4. VALIDATION EXPÉRIMENTALE DU MODÈLE DYNAMIQUE ... 74

3.4.1. Protocole expérimental en dynamique ... 74

3.4.2. Résultats et discussion ... 76

3.5. UTILISATION DE LA GRILLE D’ÉLECTRODES (HD-SEMG) ... 79

3.5.2. Estimation de la force musculaire ... 80

3.5.2.1. Estimateur 1 ... 80

3.5.2.2. Estimateur 2 ... 80

3.5.3. Modèle de génération des signaux sEMG et de la force musculaire ... 81

3.5.4. Méthodes de fusion des données ... 82

3.5.5. Résultats et discussion ... 83

CONCLUSION GÉNÉRALE ... 88

RÉFÉRENCES:... 94

ANNEXE A : LES COEFFICIENTS DES ÉQUATIONS DYNAMIQUES DU SYSTÈME DOIGT MAJEUR ... 91

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Liste des figures

FIGURE 1. 1: SCHEMA D'AMELIORATION DU MODELE ... 7

FIGURE 1. 2: PLANS ANATOMIQUES DU CORPS HUMAIN ... 8

FIGURE 1. 3: MOUVEMENT DE FLEXION/EXTENSION DE LA MAIN (CHALFOUN 2005). ... 9

FIGURE 1. 4: MOUVEMENT D'ADDUCTION/ABDUCTION ET DE SUPINATION/PRONATION DE LA MAIN (CHALFOUN 2005) (ANON S. D.) ... 9

FIGURE 1. 5: SYSTEME SQUELETTIQUE DU MEMBRE SUPERIEUR (BEINSGHAIER 2011). ... 10

FIGURE 1. 6: (A) LES OS DU CARPE, (B) DEVIATION RADIALE/CUBITALE DU POIGNET (BEINSGHAIER 2011). .. 10

FIGURE 1. 7: STRUCTURE DE LA MAIN (BEINSGHAIER 2011). ... 11

FIGURE 1. 8: MUSCLES INTRINSEQUES DU POUCE (CHALFOUN 2005). ... 12

FIGURE 1. 9: MUSCLES EXTRINSEQUES DU POUCE (CHALFOUN 2005). ... 12

FIGURE 1. 10: MUSCLES INTRINSEQUES DES DOIGTS LONGS (CHALFOUN 2005). ... 14

FIGURE 1. 11: MUSCLES EXTRINSEQUES DES DOIGTS LONGS (CHALFOUN 2005). ... 15

FIGURE 1. 12: MUSCLES DU POIGNET (CHALFOUN 2005). ... 17

FIGURE 1. 13: MUSCLES DE L'AVANT-BRAS (CHALFOUN 2005). ... 18

FIGURE 1. 14: MUSCLES ET TENDONS MOBILISANT LE MAJEUR. L’INSERTION SCHEMATIQUE DU HAUT REPRESENTE LES TENDONS ET LES BANDES DU MECANISME EXTENSEUR DU DOIGT (VIGOUROUX 2005). ... 20

FIGURE 1. 15: VUE SAGITTALE (A GAUCHE) ET REPRESENTATION SCHEMATIQUE DE WINSLOW (ZANCOLLI 1979) VUE DE DESSUS (A DROITE) DU MECANISME EXTENSEUR. LES POINTS NOIRS REPRESENTENT LES NŒUDS DE LIAISON ENTRE LES TENDONS ET LES BANDES TENDINEUSES. ... 21

FIGURE 1. 16: POULIES DIGITALES MAINTENANT LE TENDON AU PLUS PRES DU SQUELETTE (LIN ET AL. 1990). ... 21

FIGURE 1. 17: COUPE TRANSVERSALE DU MUSCLE SQUELETTIQUE MONTRANT LES FAISCEAUX MUSCULAIRES (ANON S. D.) ... 23

FIGURE 1. 18: ORGANISATION STRUCTURELLE DES MUSCLES SQUELETTIQUES (MARIEB 1999) ... 24

FIGURE 1. 19: STRUCTURE MICROSCOPIQUE DU MUSCLE STRIE (ANON S. D.) ... 25

FIGURE 1. 20: CONTRACTION DU MUSCLE AU NIVEAU DE SARCOMERE (ANON S. D., P.6) ... 25

FIGURE 1. 21: UNITE MOTRICE (ANON S. D.) ... 26

FIGURE 1. 22 : L’ELECTROMYOGRAPHIE A AIGUILLE (ANON S. D.) ... 27

FIGURE 1. 23: L’ELECTROMYOGRAPHIE DE SURFACE (ANON S. D.) ... 27

FIGURE 1. 24: SUPERPOSITION DES PAUM (BASMAJIAN & DE LUCA 1985) ... 28

FIGURE 1. 25: INFLUENCE DE LA CONFIGURATION DES ELECTRODES SUR LE SIGNAL EMGS (AYACHI 2010) ... 29

FIGURE 2. 1: SCHEMA BLOC DU MODELE NEUROMUSCULOSQUELETTIQUE INVERSE DU SYSTEME DOIGT .... 32

FIGURE 2. 2: PROGRESSION DE LA COMPLEXITE DU MODELE STATIQUE ... 33

FIGURE 2. 3: OS ET ARTICULATIONS DU DOIGT MAJEUR. TROIS REPERES R0, R1, R2 SONT ASSOCIES AU CENTRE DES ARTICULATIONS PIP, MCP ET DIP. ... 35

(10)

ix

FIGURE 2. 4: A. BRAS DE LEVIER POUR LES MUSCLES EXTENSEURS, B. BRAS DE LEVIER POUR LES MUSCLES

FLECHISSEURS (ALLOUCH ET AL. 2014) ... 35

FIGURE 2. 5: MUSCLES ET TENDONS MOBILISANT LE DOIGT MAJEUR, LE SCHEMA DU HAUT REPRESENTE LES INSERTIONS DES TENDONS ET DES BANDES MUSCULAIRES DU MECANISME EXTENSEUR (VIGOUROUX 2005). ... 36

FIGURE 2. 6: FORCES APPLIQUEES AU SYSTEME P3 (VIGOUROUX 2005) ... 37

FIGURE 2. 7: FORCES APPLIQUEES AU SYSTEME P2+P3 (VIGOUROUX 2005)... 38

FIGURE 2. 8: FORCES APPLIQUEES AU SYSTEME (P1+P2+P3) (VIGOUROUX 2005) ... 38

FIGURE 2. 9: ARCHITECTURE MACROSCOPIQUE D’UN MUSCLE ... 39

FIGURE 2. 10: MODELE MUSCULOTENDINEUX DE ZAJAC (ZAJAC 1989) ... 39

FIGURE 2. 11: INDICE D’ARCHITECTURE MUSCULAIRE IA (KAUFMAN ET AL. 1989) ... 40

FIGURE 2. 12: RELATION FORCE/DEFORMATION (CHALFOUN 2005) ... 41

FIGURE 2. 13: RELATION FORCE–VITESSE DE CONTRACTION (PANDY & ZAJAC 1991) ... 41

FIGURE 2. 14: NONLINEARITE DE LA RELATION ACTIVATION NEURONALE - ACTIVATION MUSCULAIRE. ... 42

FIGURE 2. 15: LES FORCES MUSCULAIRES EN FONCTION DE LA POSITION DU DOIGT D'UN MODELE STATIQUE SIMPLIFIE LINEAIRE ... 46

FIGURE 2. 16: LES FORCES MUSCULAIRES EN FONCTION DE LA POSITION DU DOIGT D'UN MODELE STATIQUE SIMPLIFIE NON-LINEAIRE ... 48

FIGURE 2. 17: MODELE STATIQUE DECOUPLE ... 49

FIGURE 2. 18: LES FORCES MUSCULAIRES EN FONCTION DE LA POSITION DU DOIGT D'UN MODELE STATIQUE COMPLEXE NON-LINEAIRE ... 50

FIGURE 2. 19: SCHEMA DE RESOLUTION DU PROBLEME D'OPTIMISATION ... 52

FIGURE 2. 20: DIFFERENTES POSITIONS DU DOIGT PENDANT LA SIMULATION ... 54

FIGURE 2. 21: LES FORCES, LES ACTIVATIONS, LES DEFORMATIONS MUSCULAIRES ET LES ACTIVATIONS NEURONALES ESTIMEES POUR LES SIX MUSCLES (ALLOUCH ET AL. 2014). ... 54

FIGURE 2. 22: FORCES, ACTIVATIONS ET DEFORMATIONS MUSCULAIRES ESTIMES EN UTILISANT LA FONCTION D'OPTIMISATION F1 ... 56

FIGURE 2. 23: ETAPES D’OPTIMISATION DANS L’ESTIMATION DES INCONNUES DU MODELE DYNAMIQUE ... 60

FIGURE 2. 24: LES ACTIVATIONS NEURONALES POUR LES MUSCLES FDP, FDS ET EDC A TROIS NIVEAUX DE VITESSE ANGULAIRE ... 62

FIGURE 2. 25: LES FORCES DE MUSCLES FDP, FDS ET EDC MUSCLES A TROIS MOMENTS EXTERNES ET TROIS NIVEAUX DE VITESSE. ... 63

FIGURE 2. 26: EXEMPLE DE PROCEDURE DE MAINTIEN DE CONVERGENCE DU PROBLEME SOUS-DETERMINE EN CHANGEANT LES MOMENTS EXTERNES ... 64

FIGURE 3. 1: SCHEMA DE VALIDATION PAR DES MESURES EXPERIMENTALES ... 67

FIGURE 3. 2: LA RELATION ENTRE LE SEMG ET L'ACTIVATION NEURONALE U(T) ... 68

FIGURE 3. 3: LE SEMG MOYENNE DE FDS A PLUSIEURS POSITIONS STATIQUES ... 69

(11)

x

FIGURE 3. 4: LE SIGNAL E(T) (SEMG MOYEN RECTIFIE, FILTRE ET NORMALISE) DU MUSCLE FDS POUR UN

SUJET DURANT LA PHASE DE FLEXION. ... 69

FIGURE 3. 5: L'ACTIVATION NEURONALE DU MUSCLE FDS ISSUE DE L'EXPERIMENTATION A 13 POSITIONS (FLEXION ET EXTENSION) POUR UN SUJET. ... 69

FIGURE 3. 6:LES POSITIONS DES ELECTRODES DE SURFACE POUR LES MUSCLE FDP, FDS ET EDC (ALLOUCH ET AL. 2014) ... 70

FIGURE 3. 7: LES SEPT POSITIONS D’OUVERTURE ET FERMETURE DE LA MAIN. ... 71

FIGURE 3. 8: FIGURE REPRESENTANT LES SEPT POSITIONS DES PHALANGES (EN FLEXION ET EN EXTENSION) ET LES ANGLES CORRESPONDANTS ... 72

FIGURE 3. 9: ACTIVATIONS NEURONALES DES MUSCLES FDP, FDS ET EDC ISSUES DE LA SIMULATION (BLEU) ET L’EXPERIMENTATION (ALLOUCH ET AL. 2014) ... 73

FIGURE 3. 10: PLACEMENTS DES ELECTRODES BIPOLAIRES DES MUSCLES FDP, FDS ET EDC ET DES MARQUEURS DE POSITION ... 74

FIGURE 3. 11 : LA POSITION DE LA MAIN ET DU POIGNET LORS DE L'EXPERIMENTATION ... 75

FIGURE 3. 12: LE MOUVEMENT DE LA MAIN POUR LA VALIDATION DU MODELE DYNAMIQUE. ... 75

FIGURE 3. 13 : ACTIVATIONS NEURONALES DES MUSCLES FDP, FDS ET EDC CALCULES DE L’EXPERIMENTATION POUR LES TROIS CONTEXTES EXPERIMENTAUX. ... 76

FIGURE 3. 14: ACTIVATIONS NEURONALES DE MUSCLES FDP, FDS ET EDC PROVENANT DE L'EXPERIENCE A UNE VITESSE DE MOUVEMENT DE 2.513 RD/S. ... 78

FIGURE 3. 15: ACTIVATIONS NEURONALES DE MUSCLES FDP, FDS ET EDC PROVENANT DE L'EXPERIENCE A UNE VITESSE DE MOUVEMENT DE 3,936 RD/S. ... 78

FIGURE 3. 16: LE PREMIER ESTIMATEUR DE FORCE MUSCULAIRE A PARTIE DE L'EMG DE SURFACE. ... 80

FIGURE 3. 17 : LE DEUXIEME ESTIMATEUR DE LA FORCE MUSCULAIRE A PARTIR DE L'EMG ... 81

FIGURE 3. 18: LES DIFFERENTES CONFIGURATIONS DES ELECTRODES (ALLOUCH ET AL. 2013). ... 83

FIGURE 3. 19 : LA FORCE ESTIMEE ET SIMULEE AUX TROIS NIVEAUX 20, 50 ET 80% MVC CALCULEE AVEC LA METHODE PCA-64 (ALLOUCH ET AL. 2013). ... 85

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Liste des tableaux

TABLEAU 1. 1: MUSCLES DU POUCE ... 13

TABLEAU 1. 2: MUSCLES DE L’INDEX ... 13

TABLEAU 1. 3: MUSCLES DE L’ANNULAIRE ... 15

TABLEAU 1. 4: MUSCLES DE L’ANNULAIRE ... 16

TABLEAU 1. 5: MUSCLES DU POIGNET ... 16

TABLEAU 1. 6: MUSCLES DE L’AVANT-BRAS ... 17

TABLEAU 1. 7:RÉSUMÉ DES TENDONS ET MUSCLES IMPLIQUÉS DANS LA MOBILISATION DES ARTICULATIONS DU DOIGT (VIGOUROUX 2005). ... 19

TABLEAU 2. 1: LES EXPRESSIONS DES ÉLÉMENTS R_IJ ... 45

TABLEAU 2. 2: LES EXPRESSIONS DES ÉLÉMENTS MIJ (ALLOUCH ET AL. 2014) ... 47

TABLEAU 3. 1: LES ANGLES DE FLEXION DU DOIGT MAJEUR POUR LE SUJET 1 ET À SEPT POSITIONS. ... 71

TABLEAU 3. 4: LES CONSIGNES D’ANGLE DE FLEXION/EXTENSION DU DOIGT MAJEUR POUR LES TROIS SUJETS. ... 72

TABLEAU 3. 5: LES PARAMÈTRES DES UNITÉS MOTRICES ET LES FIBRES MUSCULAIRES (ALLOUCH ET AL. 2013). ... 81

TABLEAU 3. 6: LA CONFIGURATION DES PARAMÈTRES DU MODÈLE DE DE GÉNÉRATION DE SEMG.(ALLOUCH ET AL. 2013) ... 82

TABLEAU 3. 7: ERREUR QUADRATIQUE MOYENNE NORMALISÉ DE LA DIFFÉRENCE ENTRE LES FORCES MUSCULAIRES ESTIMÉES ET SIMULÉES EN UTILISANT LES 12 MÉTHODES ET LES DEUX ESTIMATEURS (ALLOUCH ET AL. 2013). ... 84

TABLEAU A. 1: LES COEFFICIENTS DE LA MATRICE « D » LA MATRICE CINÉTIQUE DU SYSTÈME... 91

TABLEAU A. 2: LES COEFFICIENTS DE LA MATRICE C REPRÉSENTANT LES FORCES CENTRIFUGES ET LES FORCES DE CORIOLIS ... 91

TABLEAU A. 3: LES COEFFICIENTS DE LA MATRICE CONTENANT LA FORCE GRAVITATIONNELLE ... 93

(13)

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Liste des abréviations

Toutes les abréviations employées dans ce document sont définies directement dans le corps du texte, lors de leur première occurrence. Ici sont résumées les abréviations les plus utilisées.

DIP: (articulation) Inter-phalangienne distale du doigt majeur.

PIP: (articulation) Inter-phalangienne proximale du doigt majeur.

MCP: (articulation) Métacarpo-phalangienne du doigt majeur.

FDP : Muscle fléchisseur profond.

FDS : Muscle fléchisseur superficiel.

EDC : Muscle extenseur commun.

LU : Muscle lumbrical.

RI : Muscle interosseux radial.

UI: Muscle interosseux dorsale.

TE : Tendon extenseur.

P

_i

: Phalange i.

m

_i

: Masse de phalange P

_i

.

F

_i

: Force musculaire de muscle i.

F

_maxi

: Force de contraction maximale de muscle i (MVC).

β

i

: Coefficient de distribution de force du muscle ou de bonde musculaire i.

: Activation musculaire de muscle i.

: Activation neuronale de muscle i.

M

_ext1

: Moment externe appliqué sur le système formé de phalange P

1

.

M

_ext2

: Moment externe appliqué sur le système formé des phalanges P

1

et P

2

. M

ext3

: Moment externe appliqué sur le système formé des phalanges P

1

, P

2

et P

3

.

: Angle de flexion de l’articulation DIP.

: Angle de flexion de l’articulation PIP.

: Angle de flexion de l’articulation MCP.

: Vecteur de position angulaire du

système doigt majeur.

: vecteur de vitesse angulaire du

système doigt majeur.

: vecteur d’accélération angulaire

du système doigt majeur.

: Vecteur des moments.

externes appliqués sur le système doigt

majeur.

(14)

xiii : Déformation musculaire de muscle i.

: Vitesse de déformation musculaire de muscle i.

sEMG: Electromyographie de surface.

e(t): sEMG prétraité (ang : Post processed

EMG).

(15)

1

Introduction Générale

La nécessité de développer des modèles afin comprendre le comportement humain est une recherche intéressante et stimulante. Le but de ces recherches est de représenter les caractéristiques essentielles des êtres humains avec la plus de réalisme possible. L'avantage de la modélisation et de la simulation existe dans la possibilité d'extraire les informations du modèle pour reproduire les phénomènes observés dans des situations réelles.

Les modèles basés sur la physiologie ont prouvé leur efficacité dans la modélisation du mouvement humain et de leur interaction avec l'environnement [1] [2]. Ils sont utilement utilisés en biomécanique, permettant l'analyse clinique du mouvement humain. Des modèles similaires sont dominants dans la robotique et dans l'infographie [3], ils permettent l’animation et la simulation de mouvement humanoïde. L'importance de ces modèles physiques et dynamiques augmente dans le domaine de la robotique humanoïde, qui mûrit avec des robots plus rapides et plus précis, mais avec plus de complexité mécanique, la recherche a commencé à regarder au-delà du cadre de la robotique vers les sciences du vivant, afin de mieux organiser le contrôle de mouvement [3].

La main est un formidable instrument de travail à tel point qu'une amputation d’une main (environ 1%

du poids du corps) est considéré comme la perte de 54% de l'ensemble des capacités de l'homme selon la classification de l’association médicale américaine [4]. En effet 80% des personnes de plus de 80 ans souffrent de la main à des degrés divers [5]. Elle est une partie fonctionnelle particulièrement complexe et nécessaire qui effectue diverses activités quotidiennes [6][7].

Déterminer les forces, les activations et les déformations dans les muscles et les articulations de la main lorsque l’homme agit dans son environnement est une étape importante de l’analyse biomécanique. La connaissance de ces variables a des applications dans de nombreux domaines comme la médecine, l’ergonomie, la prévention et la rééducation [8] [9]et la performance sportive[10]

. Cette connaissance peut permettre d’éviter l’apparition de pathologies en améliorant l’ergonomie des outils de travail ou en prévenant les risques de blessures associés à des mouvements ou à des techniques sportives.

Pour déterminer les forces musculaires par exemple, il est possible de réaliser une mesure directe (in vivo) des tensions musculaires en plaçant des capteurs de force sur les tendons des muscles. Ces techniques invasives, utilisées chez les animaux [11] [12] [13], sont cependant peu répandues chez l’homme [14][15] [16]. Ce qui augmente la nécessité d'un modèle réaliste de la main en fonction de sa physiologie [17]. À raison de son importance, beaucoup d'études, qui modélisent la main humaine, ont été faits [7][18][3] [19].

De nombreuses études récentes ont présenté le modèle biomécanique de la main humain en

dynamique [20][21][22] et en statique [23] [24], dans notre travail, nous présentons un modèle

biomécanique statique et dynamique du doigt humain ensuite avec des modèles musculaires et

neuromusculaires.

(16)

2 Une étude récente, qui a donné l'inspiration pour le travail proposé dans cette thèse, a été proposée pour prédire la force musculaire dans le système de la main et l'avant-bras, elle a été présenté par Chalfoun [25][26]. L'estimation de la force musculaire, de l'activation et de la déformation au cours de simulation de positions statiques de la main était le cadre général de son travail. La cinématique de la main, a été étudiée en considérant le système comme linéaire.

Pour la modélisation du mouvement des doigts, il est nécessaire d'améliorer la procédure de modélisation en illustrant le plus possible les phénomènes physiologiques. Cela a pour conséquence d’augmenter la complexité et d’introduire un comportement non linéaire comme décrit dans de récentes études[27][28][29] corrélées à ce travail de thèse.

En effet, Vigouroux et al.[27] ont récemment travaillé sur la modélisation biomécanique de la main humaine. L’objectif de son modèle était de déduire les forces musculaires à partir du mouvement de la main. Il a pris en compte, dans son modèle les forces de structures non musculaires et passives (ligaments). En outre, l’auteur a utilisé l'électromyographie de surface (EMGs) dans la procédure d'optimisation afin de prendre en compte les aspects d’activation musculaire.

Buchanan et al.[30] ont présenté, parmi les premiers, une modélisation dynamique neuromusculosquelettique pour le membre supérieur qui incorpore l’estimation de la commande motrice à partir de l’analyse du signal EMGs. L'objectif de ces modèles est d'estimer ou de prédire les forces musculaires, les moments articulaires à partir des activations neuronales (intention de contraction) extraites de signaux sEMG. Ce travail est similaire à ce qui est proposé dans notre étude, mais dans le sens inverse (des moments articulaires vers les activations neuronales).

Shao et al. [28] ont présenté un modèle musculo-squelettique pour estimer les forces musculaires et les moments articulaires en utilisant les données cinématiques des articulations et les sEMG comme des entrées. Dans notre étude, nous avons intégré le modèle anatomique, décrit dans cette étude, dans notre modèle. Paclet et al. [31] ont concentré leurs efforts de recherche sur l'étude de la biomécanique des transferts tendineux de membre supérieur, y compris l'étude de l'activité de Cocontraction estimée à partir de l'enregistrement EMG de surface des extenseurs et des fléchisseurs du doigt, ce travail se limite à la déduction des forces musculaires [32].

L’objectif général de la thèse est de chercher un modèle permettant de prédire les forces musculaires, les activations musculaires, les déformations musculaires et les activations neuronales à partir de l’analyse du mouvement du doigt majeur humain. L’analyse du mouvement consiste à déterminer les positions, les vitesses et les accélérations des articulations du système doigt au court du temps. Notre problématique consiste à modéliser et simuler un tel modèle et à le valider expérimentalement à partir des signaux sEMG mesurés.

Afin d’atteindre notre objectif nous voulons faire un couplage entre deux domaines de modélisation :

la biomécanique et la neurophysiologie. En effet, notre modèle général sera un modèle global formé

de trois sous-modèles qui sont le modèle biomécanique, le modèle musculaire et le modèle

neuromusculaire. Le premier sous-modèle est un modèle biomécanique modélisant le doigt comme un

système formé des 4 segments rigides liés par trois articulations, ce modèle consiste à estimer les

forces des six muscles du doigt en fonction des données du mouvement du doigt. Le deuxième sous-

(17)

3 modèle consiste à modéliser chaque muscle du doigt de façon à obtenir les activations musculaires et les déformations musculaires à partir de la valeur de force pour chaque muscle. Le troisième sous- modèle est le modèle neuromusculaire liant l’activation musculaire à l’activation neuronale pour chaque muscle du doigt.

La nouveauté dans notre étude est illustrée par plusieurs points. Le premier est le couplage entre deux domaines de modélisation concernant la biomécanique et la neurophysiologie en proposant un modèle neuromusculosquelettique inverse du doigt majeur. Le deuxième est l’étude dynamique du système en plus de son étude statique, ce qui complique les équations biomécaniques ainsi que l’expression de force musculaire qui doit prendre en compte la vitesse de déformation musculaire. Le troisième point qui distingue notre étude des autres est que nous proposons plusieurs formes de la fonction d’optimisation utilisée pour estimer les nombreuses inconnues du modèle. Ce type de fonctions d’optimisation a permis d’obtenir une bonne convergence des procédures d’estimation vers des solutions stables. En plus des fonctions d’optimisation, une procédure d’optimisation est ainsi présentée et utilisée dans cette étude, cette procédure consiste à commencer par un problème simple puis commencer à le compliquer légèrement jusqu’on arrive au problème complexe sous-jacent. Cette procédure est primordiale pour assurer la convergence de l’estimation. Un dernier point important est la conception de protocoles expérimentaux spécifiques (en statique et en dynamique) pour évaluer la pertinence des modèles présentés grâce à une collaboration active avec des chercheurs en biomécanique (Prof. F. Marin, équipe C3M, UTC) et en traitement et modélisation du signal EMGs (Dr. S. Boudaoud, équipe NSE, UTC)

Ce manuscrit est donc composé de trois chapitres :

Dans le premier chapitre nous présentons une vue générale sur la modélisation des systèmes physiologiques où nous expliquons l’importance de ce type de modélisation. Après avoir exposé l’anatomie de la main et du muscle et expliquer la genèse du mouvement, nous abordons ensuite l’état de l’art de la modélisation biomécanique et musculosquelettique du membre supérieur et de la main en illustrant la complexité d’allier le réalisme physiologique et la facilité de calcul.

Dans le deuxième chapitre nous présentons le modèle général du système doigt humain en statique puis en dynamique. Nous expliquons le schéma général de notre modèle qui est constitué des trois sous-modèles où chaque sous-modèle sera détaillé. Afin d’assurer une bonne convergence pour le système sous déterminé obtenu nous commençons par un système statique simplifié linéaire qui est un modèle simple à simuler et à résoudre, après nous passons au modèle statique simplifié mais non- linéaire, puis nous continuons au problème statique découplé non-linéaire pour finalement arriver au problème statique complexe non-linéaire qui est le principal problème à résoudre. Par la suite, nous expliquons la fonction d’optimisation développée pour résoudre ce problème, puis nous présentons notre procédure de résolution du problème en statique ainsi que les résultats de simulations obtenues.

Nous terminons le chapitre par présenter une procédure d’optimisation spécifique au modèle dynamique et les résultats de simulation à plusieurs valeurs des vitesses et des moments externes.

Dans le dernier chapitre nous présentons la validation expérimentale où nous développons deux

protocoles expérimentaux, le premier concerne l’évaluation du modèle en statique (plusieurs positions

(18)

4 statiques du doigt) en introduisant des mesures EMGs pour estimer l’intention de contraction

(activation neuronales) et les comparer avec les valeurs prédites, et le deuxième est pour l’évaluation

du modèle en dynamique (mouvement du doigt) en combinant l’analyse du mouvement et la mesure

des signaux EMGs. À la fin de ce chapitre nous présentons une étude en simulation qui montre

l’intérêt d’utiliser une grille d’électrodes de haute définition (signaux EMGs) combinée à une

méthode spécifique d’estimation de force pour améliorer l’estimation de l’activation musculaire en

contractions statiques. Une conclusion générale permettra de clore ce travail par un rappel des

principales contributions et une discussion des perspectives attendues.

(19)

5

Chapitre 1: Généralités sur la modélisation des systèmes physiologiques et musculosquelettiques

1.1. Introduction

La modélisation, la simulation et le contrôle des systèmes physiologiques est un domaine de recherche joignant les sciences du vivant et l'ingénierie. Ce domaine contribue à une amélioration continue des connaissances sur la façon dont fonctionnent le corps et les organes. Il permet de tester des hypothèses de comportement difficilement reproductibles en expérimentation et de tester de nouvelles approches. Cette modélisation, lorsqu’elle inclue les aspects biomécaniques, permet de mieux comprendre la genèse du mouvement

Le premier objectif de ce chapitre est de donner une vue générale sur la modélisation biomédicale, sur son importance que cela soit motivé par le désir de comprendre le fonctionnement du système à modéliser, ou bien un besoin de prédire son comportement dans le temps futur et de le commander sous certaines conditions souhaitées. Le deuxième objectif est de présenter la description de l’anatomie du muscle squelettique et l’anatomie du doigt majeur, qui est le système à étudier dans notre étude, afin de comprendre physiquement le modèle musculaire et biomécanique du doigt présentés dans le chapitre 2.

Dans ce chapitre, nous présentons une section sur la modélisation des systèmes physiologiques, puis une autre sur l’anatomie de la main et de l’avant-bras pour après détailler l’anatomie du doigt majeur humain et la troisième section du chapitre est sur l’anatomie du muscle squelettique. Et nous finirons sur une description de l’état de l’art de la modélisation musculosquelettique lié au membre supérieur puis par une conclusion qui résume l’intérêt du chapitre et introduit la problématique traitée dans les chapitres suivants.

Dans la première section, nous citerons les motivations de la modélisation des systèmes physiologiques et nous parlerons de son importance dans le domaine de connaissance de fonctionnement des systèmes ainsi que dans le domaine du diagnostic et du contrôle. Dans la deuxième section de ce chapitre nous parlerons de l’anatomie de la main et de l’avant-bras, incluant une description des os et des articulations constituant le système ainsi que les muscles agissants sur son mouvement, pour après détailler l’anatomie du doigt majeur qui est le système duquel nous faisons la modélisation.

1.2. Modélisation des systèmes physiologiques

1.2.1. Introduction

Comment un organe se fonctionne? Qu'est-ce qui se passe réellement à l'intérieur d'un organe

défectueux ? Comment pouvons-nous contrôler et superviser la concentration d’une molécule de

médicament pour aider un organe à travailler d'une manière saine ? Les modèles physiologiques sont

principalement utilisés pour la compréhension, la description et le contrôle. Nous voulons savoir et

parfois nous avons besoin d'apprendre comment les composants d'un système et de leurs

(20)

6 interconnexions génèrent l’ensemble des caractéristiques de fonctionnement de ce système. Nous cherchons aussi à capturer les caractéristiques d'une réponse précise et concise du système physiologique.

En pratique, le chemin de la modélisation physiologique est difficile et parsemé d’embûches. Les signaux biologiques sont généralement d'amplitude limitée et bruités. Les signaux enregistrés ont une longueur limitée et sont généralement non stationnaires, tandis que, le système considéré est ou bien inconnu ou bien très complexe à décrire. Mais nous avons encore besoin de modèles, vu qu'ils peuvent vérifier nos conceptions avant l'étape de prototype et, même si elles ne sont pas tout à fait exactes, ils peuvent à nouveau nous aider à une compréhension de base du système sous-jacent. Les modèles de systèmes physiologiques aident souvent dans la spécification de critères de conception pour la conception des procédures visant à atténuer les conditions pathologiques et à aider au diagnostique.

Les modèles résument aussi le comportement physiologique d'un système de façon concise, en les faisant un banc d'essai approprié pour une multitude d'hypothèses scientifiques. Cela a également été prouvée utile dans la conception des appareils médicaux. Dans un contexte clinique, les modèles peuvent faire des prédictions avant toute intervention ou après les échecs (lésions). Certaines modèles peuvent également être utilisés pour évaluer les limites fonctionnelles d'une opération, que ce soit biologique ou celle d'un instrument inter connecté avec un système biologique. Enfin, les modèles physiologiques fournissent les moyens (simulations) pour vraiment explorer la nature non - linéaire des systèmes physiologiques.

1.2.2. Définition des systèmes physiologiques (Modélisation, Simulation et Contrôle)

Un système peut être considéré comme étant n'importe quel ensemble de processus et / ou d'objets interconnectés. Un modèle est une représentation qui se rapproche du comportement d'un système réel. Cette représentation est descriptive dans un certain niveau de détail pour ce système. En utilisant un ensemble d'hypothèses simplificatrices, le système est théoriquement réduit à celui d'un modèle mathématique.

Un modèle est toujours connecté à une expérience à partir de laquelle on obtient des données. Afin d'optimiser l'expérience, nous avons besoin d'avoir accès à des données liées à des variables importantes du modèle. Par conséquent, la conception et l'exécution d'une expérience est une étape essentielle dans la modélisation qui implique généralement une sélection rigoureuse du temps et des variables du modèle.

La modélisation physiologique est déclenchée par des observations expérimentales d'un phénomène qui a conduit à une idée approximative ou une description verbale du système observé [33](Figure 1.

1). Une première hypothèse est formée suivie par un modèle mathématique ou informatique qui décrit

notre compréhension du phénomène. La précision du modèle est testée par l'acquisition d'encore plus

de données et de le tester (simulation) contre les nouvelles données. S’il fonctionne correctement,

alors il est prêt à servir son objectif (par exemple, remplacer un module d'un système de contrôle). Si

sa précision ne se conforme pas aux spécifications de performance, nous devons l’améliorer. Des

(21)

7 expériences supplémentaires sont réalisées pour acquérir encore plus de données et de les utiliser pour mettre à jour notre modèle.

Figure 1. 1: Schéma d'amélioration du modèle

Les résultats de modèles biomédicaux répondent à trois objectifs différents:

i) Comprendre ; avoir une connaissance profonde d'un véritable système physiologique.

ii) Prédire ; connaître l'avenir d'un tel système qui est actuellement inconnue.

iii) Commander ; contraindre ou manipuler un système à fonctionner sous des conditions de travail souhaitables.

Les modèles physiologiques peuvent contribuer : i) au diagnostic.

ii) au traitement s’ils sont utilisés pour contrôler un processus physiologique qui a disparu à cause de maladie.

iii) à aider s’ils sont utilisés pour remplacer une fonction réduite ou perdue (par exemple, les systèmes robotiques qui remplacent un membre atteint d'un patient après un accident [34]

.

1.3. Modélisation musculosquelettique de la main 1.3.1. Introduction

L’utilisation de la modélisation biomécanique du système musculo-squelettique est une alternative

possible permettant d’estimer les efforts associés à chaque articulation à partir de données

expérimentales périphériques (données dynamométriques et cinématiques) sans avoir recours à des

(22)

8 méthodes de mesures invasives [35]. Les modèles biomécaniques consistent à représenter numériquement le comportement mécanique du corps humain et permettent ainsi d’accéder à l’estimation des variables qui sont difficilement mesurables (force musculaire, répartition de force dans les tendons…).

Une étude anatomique du système main et avant-bras est une étape intéressante afin de comprendre le système musculo-squelettique avant la modélisation biomécanique.

1.3.2. Rappels anatomiques et physiologiques 1.3.2.1. Rappel

Avant de commencer à détailler l’anatomie de la main et de l’avant-bras, il est important de rappeler que l’anatomie du corps humain est régie par des règles strictes et que sa position anatomique consiste à le présenter de face, debout, les deux jambes réunies, les bras le long du corps et les faces palmaires des mains étant présentées vers l’avant Figure 1. 2 [36].

Figure 1. 2: Plans anatomiques du corps humain

Dans la Figure 1. 2, nous distinguons trois plans qui décrivent les trois dimensions de l’espace : - Le plan frontal : divise le corps en partie ventrale et partie dorsale

- Le plan sagittal : plan divisant le corps en partie droite et partie gauche. Ce plan coupe le corps d’avant en arrière.

- Le plan transversal : divise le corps en partie supérieure et partie inférieure.

Les mouvements élémentaires de la main sont les mouvements de base générés sur sa structure

anatomique par un groupe musculaire propre. Ces mouvements, pour le membre supérieur, sont la

flexion/extension, l’adduction/abduction et la pronation/supination [37].

(23)

9 1.3.2.1.1. Flexion - extension

Ce mouvement se décrit dans le plan sagittal. La flexion rapproche en avant le segment de membre considéré du segment anatomique sous-jacent. L’extension est le mouvement inverse. Sur la Figure 1.

3 la flexion se fait dans la direction 1, tandis que l’extension se réalise dans la direction 2.

Figure 1. 3: Mouvement de flexion/extension de la main [37].

1.3.2.1.2. Adduction – abduction

L’abduction/adduction se définit dans le plan frontal. L’abduction est le mouvement qui éloigne le segment du membre de l’axe considéré (le membre est le cinquième doigt et l’axe est celui de la main). L’adduction rapproche le segment de membre de cet axe Figure 1. 4.

Figure 1. 4: Mouvement d'adduction/abduction et de supination/pronation de la main [37] [38]

1.3.2.1.3. Pronation – supination

Ce mouvement se produit au niveau de l’articulation du coude. Il ne peut être défini que lorsque le coude est fléchit à 90°, la position de référence est la position neutre, pouce vers le haut Figure 1. 4.

Le mouvement de pronation consiste à mettre la paume de la main vers le sol. La supination tourne la

paume de la main vers le ciel.

(24)

10 1.3.2.2. Structure articulaire de l’avant-bras et du poignet

Le squelette de l’avant-bras est constitué de deux os le radius et l’ulna Figure 1. 5. Les mouvements possibles au niveau du coude sont la flexion/extension et la pronation/supination autour de l’axe longitudinal de l’avant-bras.

Figure 1. 5: Système squelettique du membre supérieur [39].

Le poignet unit l’avant-bras à la main. Il est formé par les 8 os du carpe (Figure 1. 6a). Les mouvements possibles au niveau de poignet sont les mouvements de la flexion/extension et de l’abduction/adduction (inclinaison radiale ou inclinaison cubitale) (Figure 1. 6b).

Figure 1. 6: (a) Les os du carpe, (b) déviation radiale/cubitale du poignet [39].

1.3.2.3. Structure articulaire de la main

La main se compose, outre les os carpiens, de cinq os métacarpiens et 14 os formant les doigts (Figure 1. 7).

Les doigts tel que l’index, le majeur, l’annulaire et l’auriculaire comporte chacun trois phalanges

(proximale, médiane et distale), à l’exception du pouce qui n’en possède que deux, une phalange

proximale et une autre distale [39].

(25)

11 En se déplaçant à partir du poignet, on retrouve les articulations carpo-métacarpiennes (CMC) entre les os du carpe et du métacarpe, à l’exception de celle de la colonne du pouce Figure 1. 7. Ces dernières articulations sont suivies par des articulations métacarpo-phalangiennes (MCP) entre les os métacarpiens et les phalanges proximales.

Figure 1. 7: Structure de la main [39].

Enfin, il y a les articulations inter-phalangiennes (IP) entre les différentes phalanges des doigts. Ces dernières se subdivisent en inter-phalangiennes proximales (PIP) et inter-phalangiennes distales (DIP) Figure 1. 7 [39].

1.3.2.4. Les muscles du système main et avant-bras

Selon [36], on peut définir la nature du muscle en voyant la combinaison de deux catégories différentes :

1- L’emplacement du corps musculaire définit un muscle extrinsèque ou intrinsèque. Le muscle est extrinsèque si son corps musculaire est situé dans l’avant-bras. Alors que le corps musculaire d’un muscle intrinsèque se situe entièrement avec son tendon dans la main [37].

2- La fonctionnalité du muscle. Un muscle peut avoir six fonctions différentes : fléchisseur, extenseur, adducteur, abducteur, supinateur ou encore pronateur.

Cette partie descriptive est basé sur l’étude descriptive de [37].

1.3.2.4.1. Muscles du pouce

Le pouce possède neufs muscles, cinq intrinsèques et quatre extrinsèques, qui activent ses trois

articulations à cinq degrés de liberté. Dans la Figure 1. 8 nous illustrons les muscles intrinsèques du

pouce et dans la Figure 1. 9 nous illustrons les muscles extrinsèques du pouce.

(26)

12

Figure 1. 8: Muscles intrinsèques du pouce [37].

Figure 1. 9: Muscles extrinsèques du pouce [37].

Dans le Tableau 1. 1 nous présentons les muscles agissants sur le mouvement du pouce et leur

fonctionnalité.

(27)

13

Tableau 1. 1: Muscles du pouce

Muscle Emplacement Fonctionnalité

Abductor Pollicis Longus (APL)

Extrinsèque - Abducteur de

l’articulation CMC.

- Faible extenseur de CMC.

Opponens Pollicis (OP) Intrinsèque - Fléchisseur et pronateur

de l’articulation CMC.

- Il est le muscle essentiel pour l’opposition du pouce.

First Dorsal Interosseous (FDI) Intrinsèque - adducteur radiale de l’articulation CMC - Contribue faiblement à

la flexion de CMC.

Flexor Pollicis Brevis (FPB) Intrinsèque - Fléchisseur de

l’articulation MCP.

- fléchisseur/pronateur de l’articulation CMC.

Adductor Pollicis (AP) Intrinsèque - Adducteur radiale de

l’articulation CMC - Fléchisseur des

articulations CMC et MCP.

Extensor Pollicis Longus (EPL) Extrinsèque - Extenseur de l’articulation

interphalangienne IP.

Abductor Pollicis Brevis (APB) Intrinsèque - Abducteur de

l’articulation CMC du pouce.

- Participe faiblement à l’extension de MCP et CMC.

Extensor Pollicis Brevis (EPB) Extrinsèque - Extenseur de l’articulation MCP - Participe à l’abduction

de l’articulation CMC.

Flexor Pollicis Longus (FPL) Extrinsèque - Fléchisseur des

articulations CMC, MCP et IP du pouce.

1.3.2.4.2. Muscles de l’index

L’index possède sept muscles, trois muscles intrinsèques (Figure 1. 10) et quatre muscles extrinsèques (Figure 1. 11), qui activent selon trois articulations à quatre degrés de liberté. Dans le Tableau 1. 2 nous présentons ces muscles ainsi que leur fonctionnalité.

Tableau 1. 2: Muscles de l’index

Muscle Emplacement Fonctionnalité

First Dorsal Interosseous (FDI) Intrinsèque - Fléchisseur de

(28)

14 l’articulation MCP.

- Contribue à l’abduction de l’index.

First Palmar Interosseous (FPI) Intrinsèque - Fléchisseur de MCP.

- Joue aussi un rôle dans l’adduction de MCP.

- Joue un rôle dans l’extension de DIP et PIP.

Extensor Digitorum Commun (EDC)

Extrinsèque - Extenseur des

articulations MCP, PIP et DIP.

Flexor Digitorum Profundus (FDP)

Extrinsèque - Fléchisseur des

articulations MCP, DIP et PIP.

Lumbrical de l’index (IL) Intrinsèque - Fléchisseur de

l’articulation MCP.

- Extenseur des articulations PIP et DIP.

Flexor Digitorum Superficialis (FDS)

Extrinsèque - Fléchisseur des articulations MCP et PIP.

Extensor Indicis (EI) Extrinsèque - Extenseur des

articulations MCP, PIP et DIP.

Le muscle EI est un extenseur propre à l’index. En fait, parmi les doigts longs seulement l’index et l’auriculaire possèdent un extenseur propre à chacun.

Figure 1. 10: Muscles intrinsèques des doigts longs [37].

(29)

15

Figure 1. 11: Muscles Extrinsèques des doigts longs [37].

1.3.2.4.3. Muscles du majeur

Le majeur possède six muscles, trois intrinsèques et trois extrinsèques. Ces muscles activent les trois articulations à quatre degrés de liberté. Notre étude est sur le doigt majeur, nous avons détaillé son anatomie dans la section 5

1.3.2.4.4. Muscles de l’annulaire

Ce doigt possède le même nombre de muscle que le majeur. Les trois muscles EDC, FDS et FDP sont toujours les mêmes que ceux de l’index, et du majeur (Figure 1. 11). Le lumbrical de l’annulaire possède les mêmes caractéristiques que celui du majeur sauf que ses insertions distales se situent au niveau des tendons de l’annulaire (Figure 1. 10).

Tableau 1. 3: Muscles de l’annulaire

Muscle Emplacement Fonctionnement

Second Palmar Interosseous (SPI)

Intrinsèque - Fléchisseur de MCP

- Responsable de l’adduction de MCP.

- Joue un rôle dans l’extension des articulations DIP et PIP.

Fourth Dorsal Interosseous (FoDI)

Intrinsèque - Responsable de

l’abduction et la flexion de MCP

- Responsable de

l’extension de PIP et de

DIP.

(30)

16 1.3.2.4.5. Muscles de l’auriculaire

L’auriculaire possède neufs muscles, cinq intrinsèques et quatre extrinsèques, qui activent ses trois articulations à quatre degrés de liberté. Les trois muscles extrinsèques EDC FDS et FDP sont les mêmes que pour les autres doigts longs et ont été déjà définis. Le lumbrical de l’auriculaire possède les mêmes caractéristiques que les autres lumbricaux sauf que ses insertions se situent au niveau des tendons de l’auriculaire [37] (Figure 1. 10).

Tableau 1. 4: Muscles de l’annulaire

Muscle Emplacement Fonctionnalité

Third Palmar Interosseous (TPI)

Intrinsèque - Fléchisseur de MCP.

- Responsable de l’adduction de MCP.

- Joue un rôle dans l’extension des articulations DIP et PIP.

Opponens Digiti Minimi (ODM)

Intrinsèque - Fléchisseur de

l’articulation CMC.

Extensor Digiti Minimi (EDMi) Extrinsèque - Extenseur des

articulations MCP, PIP et DIP.

Abductor Digiti Minimi (ADMi)

Intrinsèque - Abducteur de MCP.

Flexor Digiti Minimi Brevis (FDMi)

Intrinsèque - Fléchisseur de MCP.

1.3.2.4.6. Muscles du poignet

Le poignet est un organe très complexe. Il possède cinq muscles extrinsèques qui activent ses articulations.

Dans le Tableau 1. 5 nous présentons les muscles du poignet avec leurs fonctionnalités

Tableau 1. 5: Muscles du poignet

Muscle Fonctionnement

Flexor Carpis Radialis (FCR) - Fléchisseur du poignet.

- Abducteur de la main (déviation radiale du poignet) agissant avec les muscles ECRL et ECRB.

Flexor Carpis Ulnaris (FCU) - Fléchisseur du poignet

- Adducteur de la main (déviation ulnaire du poignet) agissant avec le muscle ECU.

Extensor Carpi Radialis Longus (ECRL) - Extenseur du poignet.

(31)

17 - Il participe à l’abduction du poignet et de la main.

Extensor Carpi Radialis Brevis (ECRB) - Même fonctionnement que le muscle ECRL.

Extensor Carpi Ulnaris (ECU) - Extenseur du poignet

- Responsable de l’adduction du poignet et de la main.

Figure 1. 12: Muscles du poignet [37].

1.3.2.5. Muscles de l’avant-bras

L’avant-bras possède huit muscles qui activent l’articulation de coude, en flexion/extension et en pronation/supination.

Dans la Figure 1. 13 nous présentons ces muscles avec ses points d’insertion dans l’avant-bras. Dans le tableau suivant nous présentons les muscles de l’avant-bras avec ses fonctionnalités.

Tableau 1. 6: Muscles de l’avant-bras

Muscle Fonctionnalités

Pronator Quadratus (PQ) - Pronateur principal de l’avant-bras.

Pronator Teres (PT) - Pronateur secondaire de l’avant-bras par rapport au PQ. Il interagit, avec le PQ, lors d’une pronation forcée ou rapide.

Brachioradialis (BRR) - Fléchisseur de l’avant-bras en mi- pronation.

- Interagit pour stabiliser l’avant-bras

lors d’un mouvement rapide de flexion

(32)

18 ou extension.

Supinator (SUP) - Supinateur de l’avant-bras lorsque le coude est fléchi.

Anconeus (AC) - Extenseur avec le triceps de l’avant- bras.

Biceps Brachii (BBI) - Fléchisseur du coude

- Joue un rôle dans la supination.

Brachialis (BRA) - Fléchisseur principal de l’avant-bras.

Triceps Brachii (TBI) - Extenseur de l’avant-bras.

Figure 1. 13: Muscles de l'avant-bras [37].

1.4. Anatomie du doigt majeur humain 1.4.1. Os et articulations

Le doigt majeur humain est constitué d’un os métacarpien MC (ossa metacarpalia) et de trois phalanges : la phalange P1 (phalanx proximalis), la phalange P2 (phalanx média) et la phalange P3 (phalanx distalis).

Ces quatre os MC, P1, P2 et P3 sont mobilisés autour de trois articulations. L’articulation métacarpophalengienne (MCP) lie l’os métacarpien à la première phalange grâce à une articulation

«condylienne asymétrique». L’articulation interphalengienne proximale (PIP) lie P1 à P2 et l’articulation interphalengienne distale (DIP) lient P2 à P3. Ces articulations sont de type « trochlée ».

1.4.2. Muscles

Les trois articulations sont mobilisées par 6 muscles (Figure 1. 14). Dans le tableau 2 nous présentons

la résumée de l’ensemble des muscles et des tendons mobilisant le doigt ainsi que la PCSA de chacun

des muscles estimée par [40].

(33)

19

Tableau 1. 7:Résumé des tendons et muscles impliqués dans la mobilisation des articulations du doigt [27].

Articulation Muscle et tendon Section de coupe

physiologique (PCSA, cm²) Interphalangienne distale

(DIP)

Tendon extenseur (TE) Fléchisseur profond (FDP)

-- 4,1 Interphalangienne proximale

(PIP)

Bande extenseur (ES) Bande radiale (RB) Bande ulnaire (UB)

Fléchisseur superficiel (FDS) Fléchisseur profond (FDP)

-- -- -- 4,2 4,1 Metacarpophalengienne

(MCP)

Extenseur commun (EDC) Interosseux radial (RI) Interosseux ulnaire (UI) Lumbrical (LU)

Fléchisseur superficiel (FDS) Fléchisseur profond (FDP)

1,7 2,8 2,2 0,2 4,2 4,1

Parmi les six muscles trois sont qualifiés d’ « extrinsèques » à la main. Ces muscles sont situés dans l’avant-bras et agissent sur la main par l’intermédiaire de longs tendons :

- Le muscle Flexor digitorum profundus (FDP) s’insère sur les deux tiers supérieurs du cubitus et agit sur l’index, le majeur l’auriculaire et l’annulaire par de longs tendons qui s’insèrent sur la troisième phalange des doigts. Le muscle FDP est ainsi fléchisseur de l’articulation du poignet, MCP, PIP et DIP.

- Le muscle Flexor digitorum superficialis (FDS) s’insère sur l’épitrochlée de l’humérus, sur l’apophyse coronoïde du cubitus et sur le radius. Ce muscle agit sur les quatre doigts par l’intermédiaire de longs tendons se terminant sur la deuxième phalange. Il fléchit donc les articulations du coude, du poignet, MCP et PIP [27].

- Le muscle Extensor digitorum communis (EDC) s’insère sur l’épicondyle de l’humérus et mobilise

les quatre doigts par l’intermédiaire de tendons qui s’insèrent sur la première phalange et sur le

mécanisme extenseur des doigts. Grâce à ce mécanisme (décrit plus en avant dans ce chapitre) il étend

les articulations DIP et PIP.

(34)

20

Figure 1. 14: Muscles et tendons mobilisant le majeur. L’insertion schématique du haut représente les tendons et les bandes du mécanisme extenseur du doigt (Vigouroux 2005).

Les trois autres muscles sont qualifiés d’ « intrinsèques » à la main. Leurs corps musculaires sont situés dans la main et agissent sur les trois articulations MCP, PIP et DIP.

- Le muscle lumbrical (LU) s’insère sur le tendon de FDP et se termine sur le mécanisme extenseur du doigt.

- Le muscle interossei dorsal situé du côté radial du doigt (RI) s’insère sur l’os métacarpien et se termine sur la première phalange et pour une petite part sur le mécanisme extenseur du doigt.

- Le muscle interossei dorsale situé du côté ulnaire du doigt (UI) s’insère sur l’os métacarpien et se termine sur le mécanisme extenseur du doigt.

Les muscle LU, RI et UI sont donc fléchisseurs de l’articulation MCP. Les muscles LU et RI sont adducteurs de l’articulation MCP tandis que le muscle UI est abducteur. Les muscles intrinsèques de la main ont la particularité d’avoir une partie de leurs insertions située sur le mécanisme extenseur du doigt [41]. Ces muscles ont donc une action d’extension au niveau des articulations PIP et DIP.

1.4.3. Mécanisme extenseur du doigt

Le mécanisme extenseur du doigt est un filet tendineux englobant la partie dorsale du doigt long

(Figure 1. 15). Ce mécanisme est constitué de bandes tendineuses ulnaire et radiale UB et RB (Ulnar

and Radial Band), de tendon terminaison de l’extenseur, TE (Terminal Extensor) et de la bande

centrale de l’extenseur ES (Extensor Slip). Sur ces bandes s’insèrent les muscles intrinsèques UM, RI,

UI et le muscle EDC au niveau de nœuds de liaison. Les tensions des muscles sont ainsi transmises

par l’intermédiaire de ces nœuds sur les articulations DIP et PIP.

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Figure 1. 15: Vue sagittale (à gauche) et représentation schématique de Winslow (Zancolli 1979) vue de dessus (à droite) du mécanisme extenseur. Les points noirs représentent les nœuds de liaison entre les tendons et les bandes

tendineuses.

1.4.4. Poulies digitales

Les poulies digitales (Figure 1. 16) sont des structures annulaires qui entourent la gaine tendineuse des fléchisseurs des doigts [42].

Figure 1. 16: Poulies digitales maintenant le tendon au plus près du squelette (Lin et al. 1990).

Deux types de poulies sont rencontrés. Les poulies Arciformes forment un anneau autour du doigt au

niveau de MCP (A1), de P1 (A2), de PIP (A3), de P2 (A4). Les poulies Cruciformes forment un

maintien en croix au niveau de P1 (C1), et au niveau de P2 (C2 et C3) Figure 1. 16. La fonction

principale des poulies est de maintenir les tendons des fléchisseurs au plus près de l’os et de diminuer

ainsi l’effet de « corde d’arc » lors de la flexion, terme décrivant le chemin pris par les tendons

lorsque des poulies ont été rompues [43].

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22 1.5. Anatomie et contrôle du muscle squelettique

1.5.1. Introduction

Le tissu musculaire représente environ 40 à 50% de notre masse corporelle totale (600 muscles), il est formé de cellules ou fibres hautement spécialisées impliquées dans le mécanisme de contraction. Les fibres musculaires engendrent les contractions nécessaires à la mobilité et la motricité viscérale.

Il existe trois types de tissus musculaires :

i) Le muscle squelettique : Il a pour fonction de mobiliser le squelette. C’est le 3ème élément clef du système locomoteur. On le dit « strié » car son observation macroscopique laisse entrevoir des stries parallèles les uns par rapport aux autres (les fibres). L’activité de ce muscle est volontaire et dépendante du système nerveux somatique.

ii) Le muscle lisse : On le trouve dans les parois des organes, des vaisseaux et dans les bronches. son activité est indépendant de sa volonté et donc sous le contrôle du système nerveux autonome. Il ne bénéficie pas d’un alignement préférentiel de ses fibres musculaires comme pour le muscle strié.

iii) Le muscle cardiaque : Il est strié et son activité est involontaire, mais sous le contrôle du système nerveux autonome.

Nous nous sommes intéressés dans notre étude aux muscles du doigt qui sont squelettiques.

1.5.2. Structure macroscopique du muscle squelettique

Un muscle squelettique possède au moins un ventre, qui est la partie contractile et deux tendons qui

permettent la jonction avec le squelette. Le ventre laisse entrevoir à la coupe un agencement de fibres

musculaires (myocyte). Ils sont parallèles les uns aux autres. Chaque fibre est entouré d’un tissus

conjonctif qu’on appel : « L’endomysium ». Ces différentes cellules musculaires sont regroupées en

faisceaux, le nombre de fibre à l’intérieur d’un faisceau est dépendant du type de muscle. Chaque

faisceau est délimité par du périmysium, plus épais que l’endomysium. L’ensemble des faisceaux

musculaires forme le ventre du muscle, qui est délimité par une gaine de tissus conjonctifs très épaisse

qu’on appelle « épimysium » [44].

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Figure 1. 17: Coupe transversale du muscle squelettique montrant les faisceaux musculaires [45]

Le tendon sert à assurer la liaison entre le muscle et l’os, au niveau du périoste Figure 1. 18. Le tendon est constitué de tissus conjonctifs résistants et élastiques qui sont le prolongement des gaines de tissus conjonctif contenues dans le ventre.

1.5.3. Structure microscopique du muscle squelettique

Le myocyte est une cellule allongé et cylindrique délimité par une membrane plasmique, appelé : « Sarcolemme ». La longueur du myocyte varie entre 1mm et 30 Cm, son diamètre varie de 10 à 100 µm. Les cellules musculaires ont deux particularités :