Evaluation musculaire du cou et modélisation biomécanique : première estimation de la fatigue du pilote en sports mécaniques

par Samuel Deslandes

Thèse de doctorat en Génie mécanique et productique

Sous la direction de Jean-Pierre Mariot.

Soutenue en 2008

à Le Mans .

mots clés

• Vertèbres cervicales -- Thèses et écrits académiques
• Muscles -- Fatigue -- Thèses et écrits académiques
• Isocinétisme -- Thèses et écrits académiques
• Dynamomètres -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Ce travail porte sur l’évaluation de la capacité musculaire du rachis cervical en isocinétique et en isométrique. Les sports mécaniques sollicitent de façon importante le rachis cervical. Dans un cadre de prévention et d’optimisation, il apparaît nécessaire d’évaluer et de développer des protocoles de renforcement du rachis cervical. L’inexistence de module commercial adapté à cette évaluation a nécessité le développement d’un système dédié à cette étude. Ce système s’adapte sur un appareil d’isocinétisme (Biodex système 1). La mesure précise du couple produit au niveau d’une articulation nécessite l’alignement du centre de rotation de l’articulation avec l’axe de l’ergomètre. En pratique, cet alignement fait état de recommandations mais il demeure difficile d’éviter une erreur d’alignement. Pour estimer cette erreur, un modèle virtuel analytique et numérique a été proposé prenant en compte les différents paramètres tels que l’inertie, l’effet de gravité, la raideur et l’amortissement des sangles de serrage ou le coefficient de frottement entre le membre évalué et le bras de l’ergomètre. Les résultats montrent que les effets d’inertie et de gravité peuvent être négligés mais que les paramètres raideur et amortissement associés aux sangles sont à considérer au regard du couple mesuré. L’analyse du mouvement de la tête, lors d’une évaluation dans le plan frontal ou dans le plan sagittal a été réalisée à l’aide d’un système VICON à 5 caméras. Cette analyse montre une évolution du centre instantané de rotation. La prise en compte de ce paramètre impose l’acquisition du mouvement de la tête lors des évaluations permettant d’introduire un facteur de correction sur le couple mesuré. En sport automobile, les pilotes, que ce soit en course d’endurance ou en grand prix, subissent des accélérations de 3 à 4g en longitudinal et de 4 à 5g en transversal. Lors de telles accélérations, le cou est fortement sollicité et un entraînement hors circuit semble indispensable. Il est donc nécessaire d’établir une corrélation entre les sollicitations subies sur circuit et le niveau de capacité musculaire obtenu sur un appareil d’isocinétisme. Cette corrélation est établie via un logiciel de modélisation dynamique de solides (ADAMS). Le développement de cet outil permet de constituer une base caractérisant le niveau de performance par l’aptitude à la fatigue.

Titre traduit

Muscular evaluation of cervical spine and biomechanical model : application in the motorsport domain

Résumé

This work deals with muscular capacity of neck rachis in isokinetics and isometrics. Various activities in sport, such as motor sport, judo, wrestling, rugby, etc strongly solicit the neck rachis. In a prevention and optimisation approach, it seems necessary to assess and develop reinforcement protocols of neck rachis. Since no commercial device is found, it has been necessary to develop a specific device. The proposed device can be adapted to an isokinetics type system (Biodex system 1). In order to measure exactly the joint torque, the joint centre must be located on the ergometer axis. In practice, this is the object of recommendations but it is still difficult to avoid alignment errors. A virtual model, analytic and numeric, has been proposed to estimate the influence of various parameters such as inertia, gravity, stiffness and damping of strapping or friction between the limb and the ergometer arm when an offset occurs between the joint centre and the ergometer axis. Results show that inertia and gravity effects can be neglected, but stiffness and damping associated to strapping must be considered in comparison with the measured torque. The motion analysis of the head for a frontal or sagittal movement has been realised using a VICON system with 5 cameras. This has shown that the instantaneous centre of rotation is not fixed. Thus, the evolution of the centre of rotation must be taken into account for torque corrections. This approach has been applied in the motor sport field where the pilots, in endurance or grand prix races, may be submitted to maximum longitudinal or transversal accelerations of 3g to 4g. In such situation, the neck is strongly solicited and a specific indoor training seems necessary. Consequently, a correlation between forces felt on the track and level of muscular capacity must be established. This correlation is obtained using a multi-body dynamics software (ADAMS) also used for fatigue evaluation.