Modélisation musculosquelettique de l’interaction homme–exosquelette lors de mouvements fonctionnels de l’épaule via le logiciel OpenSim

1. Motivation scientifique et objectifs de recherche : Les exosquelettes d’assistance du membre supérieur sont de plus en plus utilisés pour réduire la charge physique lors de tâches impliquant une élévation prolongée ou répétée des membres supérieurs. Bien que plusieurs études aient documenté leurs effets cinématiques et dynamiques, les mécanismes biomécaniques internes sous-jacents à ces changements — en particulier les patterns d’activation musculaire au niveau du complexe articulaire de l’épaule et les stratégies compensatoires à l’échelle du corps entier — restent encore insuffisamment quantifiés. Une limite majeure des travaux existants réside dans la représentation simplifiée des interactions homme–exosquelette, souvent modélisées partiellement ou indirectement. Cette approche peut conduire à des estimations imprécises des charges articulaires internes et des activations musculaires. Le logiciel OpenSim offre un cadre unique pour dépasser cette limite, en permettant l’intégration explicite de forces externes mesurées expérimentalement dans des simulations musculosquelettiques du corps entier. L’objectif principal de ce projet est de quantifier l’effet d’un exosquelette d’assistance du membre supérieur sur les activations musculaires estimées lors de mouvements fonctionnels de l’épaule chez des participants sains. Pour cela, un modèle mécanique détaillé de l’exosquelette a été développé et intégré à un modèle musculosquelettique complet du corps humain, formant ainsi un système couplé {Humain–Exosquelette}. Nous posons l’hypothèse que l’assistance fournie par l’exosquelette modifie les patterns d’activation musculaire non seulement localement au niveau de l’épaule, mais également globalement, via des adaptations posturales et de coordination motrice. Les objectifs spécifiques du projet sont les suivants : (1) Intégrer dans OpenSim les couples d’assistance et les forces d’interface mesurés expérimentalement ; (2) Estimer les activations musculaires lors de mouvements fonctionnels de l’épaule avec et sans exosquelette ; (3) Évaluer l’impact de l’assistance sur la coordination musculaire et la redistribution des charges à l’échelle du corps entier. 2. Conception du projet et méthodologie : 2.1. Conception expérimentale et méthodes : Des participants sains ont réalisé des mouvements fonctionnels de l’épaule dans des conditions assistées et non assistées. Les données expérimentales disponibles comprennent des mesures d’électromyographie de surface (sEMG), des données de trajectoire 3D de marqueurs issues de systèmes de capture du mouvement, des forces de réaction au sol, ainsi que des mesures détaillées des forces et moments aux interfaces homme–exosquelette. Les analyses musculosquelettiques sont réalisées sous OpenSim 4.5 à l’aide d’un modèle du corps entier dérivé du modèle Bilateral Upper Extremity Trunk. Ce modèle inclut un complexe de l’épaule simplifié (articulations sternoclaviculaire et gléno-humérale à trois degrés de liberté), ainsi que le rachis lombaire et les membres inférieurs, afin de représenter de manière réaliste la redistribution posturale des charges mécaniques. La chaîne de traitement de données comprend les étapes de mise à l’échelle, de cinématique inverse, de dynamique inverse et d’optimisation statique. Les charges externes appliquées au modèle musculosquelettique humain incluent les forces de réaction au sol et les forces transmises par l’exosquelette au niveau des bras et des deux interfaces au niveau du pelvis. 2.2. Travaux réalisés avant le workshop : Les travaux déjà accomplis comprennent : (1) La caractérisation mécanique des couples d’assistance de l’exosquelette en fonction de l’angle articulaire, de la vitesse angulaire et du niveau d’assistance, à partir d’expérimentations isocinétiques ; (2) La mesure expérimentale des forces, moments et pressions de contact aux interfaces homme–exosquelette à l’aide de capteurs de force à six axes et de tapis de pression, avec analyses statistiques réalisées sur quatre participants ; (3) L’implémentation et la validation du modèle OpenSim du corps entier, ainsi que des analyses préliminaires de cinématique et de dynamique inverse. 2.3. Activités prévues pendant le workshop : Mes activités prévues pendant le workshop porteront sur des défis méthodologiques avancés, notamment : (1) L’implémentation robuste des forces d’interface et des couples d’assistance en tant que charges externes dans OpenSim ; (2) La comparaison, l’implémentation et la validation de modèles d’épaule existants à l’aide de données sEMG expérimentales ; (3) L’amélioration de l’estimation des activations musculaires afin d’évaluer et de comprendre les effets bénéfiques et résiduels de l’utilisation des exosquelettes d’assistance de l’épaule, en particulier dans une démarche de prévention du risque de tendinopathies des muscles de la coiffe des rotateurs. Ces activités bénéficieront directement de l’expertise des ingénieurs, développeurs et utilisateurs avancés d’OpenSim. 3. Résultats attendus et impact : Les résultats attendus incluent le développement d’un cadre OpenSim validé pour la modélisation de l’assistance par exosquelette du membre supérieur, intégrant explicitement les forces d’interface mesurées expérimentalement. Le projet fournira des éléments quantitatifs nouveaux sur la manière dont l’assistance modifie la répartition des activations musculaires au niveau de l’épaule et à l’échelle du corps entier lors de mouvements fonctionnels. L’impact plus large du projet réside dans la mise à disposition de modèles réutilisables, de jeux de données expérimentales et de recommandations méthodologiques pour l’évaluation biomécanique des exosquelettes du membre supérieur, contribuant ainsi aux avancées futures en ergonomie et en rééducation.