Approche intégrée de modélisation cinématique et dynamique du membre supérieur

Un modèle multicorps biofidèle du membre supérieur pour l'évaluation quantitative de la cinématique et dynamique articulaires a le potentiel de devenir un outil innovant dans de nombreux domaines d'application. Toutefois, la modélisation cinématique et dynamique de l'avant-bras présente encore des défis en raison de la complexité de fournir une définition en boucle fermée qui tient compte à la fois des interactions entre les deux os de l'avant-bras et de l'aspect non-idéal des articulations. Dans ce contexte, ce mémoire présente le développement d'un modèle dynamique multicorps du membre supérieur comprenant une modélisation raffinée de l'avant-bras, notamment via l'intégration d'une chaine cinématique en boucle fermée et personnalisée à chaque sujet. Pour exposer l'effet de ce raffinement et sa pertinence dans la cinématique et dynamique articulaires du membre supérieur, le modèle proposé est comparé à quatre modèles supportant les principales hypothèses de la littérature. Les paramètres de comparaison entre les modèles sont (i) les erreurs globales et locales de reconstruction du mouvement pendant la cinématique inverse et (ii) les patrons couple-angle articulaires obtenus suite à la dynamique inverse. Cette étude est menée sur 15 sujets adultes sains ayant effectué des tâches simples et fonctionnelles en laboratoire d'analyse du mouvement. Les résultats montrent la pertinence de l'intégration d'une chaine cinématique de l'avant-bras en boucle fermée dans un modèle complet du membre supérieur, notamment en réduisant les erreurs de reconstruction et en fournissant des angles et des couples articulaires plus importants que les modèles conventionnels. Des aspects méthodologiques sont mis de l'avant dans cette étude notamment l'utilisation de l'optimisation globale avec une fermeture de boucle, la personnalisation des centres et axes articulaires de l'avant-bras au moyen de méthodes fonctionnelles, la distinction des marqueurs proximaux et distaux de l'avant-bras lors de la reconstruction du mouvement pour assurer un mouvement relatif entre eux ainsi qu'un protocole qui tend à réduire les artéfacts dus aux mouvements des tissus mous. La motivation derrière ce projet repose sur le besoin réel d'une approche intégrée de modélisation cinématique et dynamique pour fournir une représentation réaliste des mouvements de l'avant-bras en amont de la quantification des forces musculaires. Les applications visées comprennent, entre autres,l'évaluation fonctionnelle du membre supérieur en clinique de réadaptation et le développement de prothèses actives.

Abstract

A biofidelic multibody model of the upper limb for the quantitative assessment of joint kinematics and dynamics has the potential to become an innovative tool in many application fields. However, the forearm kinematic and dynamic modeling still presents challenges due to the complexity of providing a closed-loop definition which takes into account the interactions that exist between the two forearm bones as well as the joints non-ideal aspect. In this context, this study presents the development of a dynamic multibody model of the upper limb including a refined model of the forearm, particularly through the integration of a closedloop and personalized kinematic chain. To assess the effect of this refinement and its relevance in the joint kinematics and dynamics of the upper limb, the proposed model is compared with four models supporting the main hypothesis of the literature. The comparison parameters between models are (i) the global and local movement reconstruction errors during inverse kinematics and (ii) the joint torque-angle patterns obtained after inverse dynamics. This study was conducted on 15 healthy adults who performed simple and functional tasks in motion analysis laboratory. The results show the relevance of the integration of a closed-loop kinematic chain of the forearm in a complete model of the upper limb, which leads to reduction of the reconstruction errors and provides larger joint angles and torques when compared to conventional models. The novel modeling and experimental aspects demonstrated in this study include the use of a loop closure in a global optimization approach, the personalization of joint centers and axes of rotation at the forearm using functional methods, the distinction between proximal and distal markers of the forearm during the reconstruction of the movement to allow a relative motion between them and a protocol that tends to reduce soft tissue artifacts. The incentive of this project is based on the actual need for an integrated kinematic and dynamic modeling approach that provides a realistic representation of the forearm movements prior to muscle forces quantification. Among the possible applications of this project, one can include the upper limb functional assessment in rehabilitation clinic and the development of active prostheses.