1. Introduction générale

DOCTORAT AIX MARSEILLE UNIVERSITE
délivré par:
L'UNIVERSITE DE LA MEDITERRANEE
Spécialité : SCIENCES DU MOUVEMENT HUMAIN
Modélisation biomécanique de la main pour l'estimation des
contraintes du système musculo-squelettique lors de la préhension
pouce-index
présenté par :
Mathieu DOMALAIN
soutenu le:
Le 19 Février 2010
Devant un jury composé de :
David AMARANTINI M.C.F, Université Toulouse 3 Examinateur
Laurent BALY Dr., Directeur R&D groupe Oxylane Examinateur
David BENDAHAN D.R. CNRS, Université de la Méditerranée Examinateur
Eric BERTON Pr., Université de la Méditerranée Directeur
Laurence CHÈZE Pr., Université Lyon 1 Rapporteur
Franck MULTON Pr., Université Rennes 2 Rapporteur
Laurent VIGOUROUX M.C.F, Université de la Méditerranée Directeur

REMERCIEMENTS
Mes premiers remerciements s'adressent à Eric Berton et Laurent Vigouroux mes deux
directeurs de thèse. Vous m'avez beaucoup apporté et j'ai passé quatre années de travail
passionnant à vos côtés. Laurent, tu m'as fait découvrir la modélisation biomécanique et les
problématiques liées à la main, tu as su me transmettre ta passion. Je te remercie
EGALEMENT pour ta patience, pour la richesse de nos échanges, ta disponibilité de chaque
instant.
Je tiens à remercier les membres de ce jury. Merci aux professeurs Laurence Chèze et
Franck Multon pour l'intérêt qu'ils ont porté à cette thèse en acceptant d’en être les
rapporteurs. Merci également à Messieurs David Amarantini, Laurent Baly et David
Bendahan, les examinateurs de ce travail.
Je remercie Jean-Louis Vercher, pour m'avoir accueilli au sein de l'Institut des
Sciences du Mouvement E. J. Marey (UMR 6233), ainsi que David Bendahan et les membres
du Centre de Résonance Magnétique, Biologique et Médicale de Marseille (UMR CNRS
6612) pour l'intérêt qu'ils ont porté à ces travaux et avec qui j'ai agréablement collaboré sur la
partie IRM.
Merci à Fred D. pour ta passion et ton excellence scientifique, à Fred Pouce pour ta patience
et ta pédagogie lors de nos discussions "mathématiques".
Merci à Mireille, notamment pour son soutien administratif, ainsi qu'à tous les
membres du labo et particulièrement à la BiomécaTeam ! Une équipe chaleureuse, qui a
contribué à mon épanouissement personnel et scientifique au cours de cette thèse. Une pensée
toute particulière à mes 2 collègues de bureau successives Violaine et Pauline. Ça à été un
véritable régal de partager tous ces moments et tous vos petits plats !
Merci à Jeremy R. et Matthieu F. pour nos échanges et pour notre collaboration sur les
problématiques d'ingénierie du matériel sportif.
Mon amitié et mes remerciements "au foyer de l'AS" même si je m'y suis un peu trop
investi du point de vu mes directeurs…ainsi qu'à tous les étudiants que j'ai eu en cours et
auprès desquels j'ai beaucoup appris (en espérant que la réciproque soit vraie…).
Une grande pensée à mes 2 compères Matt "Ken" F. et Jé "Natsuko" L., auprès
desquels j'ai passé quatre années inoubliables à Marseille. Je vais maintenant ajuster mes
objectifs ; lesquels je tâcherai, le plus possible, de remplir.
Enfin, un grand merci a ma famille, pour l'éducation et les valeurs que vous m'avez
inculquées ainsi que pour votre soutien (de plus en plus à distance, je m'en excuse).

TABLE DES MATIERES
- 8 -
1. INTRODUCTION GENERALE............................................................................................................- 1 -
1.1. LA PREHENSION ................................................................................................................................ - 1 -
1.2. ASPECTS ERGONOMIQUES ET DE SANTE PUBLIQUE............................................................................ - 2 -
1.3. LA PREHENSION, UNE TACHE COMPLEXE A PLUSIEURS EGARDS ........................................................ - 4 -
1.3.1. Appliquer une force.....................................................................................................................- 4 -
1.3.2. Adapter sa configuration articulaire...........................................................................................- 7 -
1.3.3. Coordonner ses muscles............................................................................................................- 10 -
1.4. PROBLEMATIQUE ET PRESENTATION DU TRAVAIL DOCTORAL......................................................... - 12 -
1.5. DETERMINER LES EFFORTS INTERNES ............................................................................................. - 14 -
1.5.1. Mesure in vivo des forces..........................................................................................................- 14 -
1.5.2. Estimation des activités musculaires au moyen de l'électromyographie...................................- 15 -
1.5.3. La modélisation musculo-squelettique ......................................................................................- 16 -
1.5.4. Méthodes de résolution de l'indétermination ............................................................................- 19 -
1.6. DESCRIPTION DU MODELE MUSCULO-SQUELETTIQUE DE LA PINCE ................................................. - 22 -
1.6.1. Segments osseux et articulations...............................................................................................- 23 -
1.6.2. Muscles......................................................................................................................................- 24 -
1.6.3. Bras de levier des tendons.........................................................................................................- 25 -
1.6.4. Modélisation des mécanismes extenseurs .................................................................................- 26 -
1.6.5. Modélisation des ligaments.......................................................................................................- 28 -
1.6.6. Equations d’équilibre des articulations ....................................................................................- 28 -
1.7. PROBLEMES SOULEVES LORS DE LA MODELISATION DE LA PINCE ................................................... - 30 -
1.7.1. Bras de levier des muscles du pouce.........................................................................................- 30 -
1.7.2. L'analyse cinématique du pouce, un champ de recherche à part entière..................................- 31 -
1.7.3. Moment des forces passives à l'articulation trapèzométacarpienne .........................................- 32 -
1.7.4. Intégration du muscle 1er interosseux dorsal (FDI)..................................................................- 33 -
2. COMPARAISON DES ESTIMATIONS DE FORCES MUSCULAIRES A PARTIR DE DEUX
BASES DE DONNEES ANTHROPOMETRIQUES (ETUDE 1)...............................................................- 34 -
2.1. INTRODUCTION ............................................................................................................................... - 36 -
2.2. MATERIAL AND METHODS.............................................................................................................. - 37 -
2.3. RESULTS AND DISCUSSION ............................................................................................................. - 40 -
2.4. CONCLUSION .................................................................................................................................. - 46 -
3. EVALUATION DU MODELE CINEMATIQUE DE L'ARTICULATION
TRAPEZOMETACARPIENNE DE COONEY ET AL. (1981) ET D'UNE NOUVELLE METHODE
FONCTIONNELLE (ETUDE 2) ...................................................................................................................- 48 -
3.1. INTRODUCTION ............................................................................................................................... - 49 -
3.1.1. Méthode traditionnelle ou "mouvements plan" .........................................................................- 50 -
3.1.2. Les méthodes considérants les mouvements autour des axes articulaires ................................- 51 -
3.2. MATERIELS ET METHODES .............................................................................................................. - 60 -
3.2.1. Protocole...................................................................................................................................- 60 -
3.2.2. Traitement des images...............................................................................................................- 61 -
3.2.3. Repère associé à chaque segment ou SCS.................................................................................- 62 -
3.2.4. Calcul des SCS spécifiques à la méthode fonctionnelle à partir des axes hélicoïdaux. ............- 65 -
3.2.5. Séquence de rotation ou JCS.....................................................................................................- 66 -
3.2.6. Variables cinématiques analysées pour répondre aux 3 objectifs.............................................- 68 -
3.3. RÉSULTATS..................................................................................................................................... - 69 -
3.3.1. Objectif 1: Sensibilité la méthode Cooney à l’utilisation de marqueurs externes.....................- 69 -
3.3.2. Objectif 2: Différences d’orientation entre les axes déterminés par les différentes méthodes..- 70 -
3.3.3. Objectif 3: Différences d’angles in fine à TMC ........................................................................- 73 -
3.4. DISCUSSION .................................................................................................................................... - 74 -
4. DETERMINATION DU MOMENT PASSIF A L'ARTICULATION
TRAPEZOMETACARPIENNE (ETUDE 3) ...............................................................................................- 78 -
4.1. INTRODUCTION ............................................................................................................................... - 79 -