Vibrations transmises au système main-bras : caractérisation et modélisation biomécaniques de la préhension

En France, environ 2,6 millions de salariés sont exposés à des vibrations transmises aux membres supérieurs. À long terme, cette exposition peut entraîner des pathologies vasculaires, neurologiques, ostéo-articulaires ou musculo-tendineuses. L'utilisation de machines rotatives, émettant des vibrations de fréquences supérieures à 50 Hz, peut provoquer l'apparition d'un syndrome de Raynaud secondaire d'origine vibratoire. Le filtre de pondération normalisé, utilisé pour évaluer la limite d'exposition quotidienne légale, sous-estime la dangerosité des vibrations à ces fréquences élevées. Cependant, les mécanismes responsables du développement de ces pathologies demeurent en partie méconnus. Une meilleure compréhension nécessite d'étudier le processus délétère dans son ensemble, depuis la propagation des vibrations émises par la machine à travers les tissus biologiques, en passant par la réponse physiologique à court terme de l'organisme jusqu'à l'apparition de symptômes chroniques. Les travaux de cette thèse visent à caractériser expérimentalement certaines grandeurs influencées par la force de serrage, afin de les intégrer dans un modèle par éléments finis de la main, destiné à prédire les champs de contraintes et de déformations induits par le serrage et l'exposition aux vibrations. Le comportement mécanique du premier muscle interosseux dorsal (PMID) a été évalué sur une cohorte de volontaires, par des essais d'indentation quasi-statique, d'analyse mécanique dynamique et d'élastographie ultrasonore par onde de cisaillement. Les résultats montrent que le serrage, via la contraction musculaire, induit une augmentation de la raideur et de l'anisotropie du PMID. Ce dernier présente par ailleurs un comportement hyperélastique en grandes déformations, dont les caractéristiques évoluent avec le niveau de serrage. Ses propriétés viscoélastiques sont également affectées, en particulier dans la bande de fréquence 20-300 Hz, où l'on observe une dissipation croissante de l'énergie mécanique à mesure que le serrage s'intensifie. Un dispositif expérimental a également été développé pour quantifier la pression de contact exercée par les doigts longs, en fonction du niveau de serrage et de poussée. Une méthode d'exploitation des cartographies de pression a été mise en œuvre afin de déterminer la répartition de pression appliquée par chaque doigt. Les mesures, réalisées sur quelques volontaires, ont mis en évidence des variations interindividuelles importantes, mais une influence relativement faible du niveau de serrage sur la répartition. Globalement, l'index et le majeur supportent en moyenne 70~\% de la pression totale, l'annulaire et l'auriculaire jouant un rôle plus accessoire. Ces données ont permis de développer un modèle par éléments finis de la main capable de simuler le serrage en reproduisant la distribution de pression mesurée expérimentalement. Le modèle intègre les muscles intrinsèques, avec un comportement mécanique suivant des lois hyperélastiques isotropes, dont les coefficients varient en fonction du niveau de serrage. La faisabilité du contrôle cinématique du modèle a été démontrée à l'aide de liaisons mécaniques, dont les axes de rotation ont été déterminés à partir de l'analyse de la courbure des surfaces articulaires. Les résultats ont mis en évidence une augmentation des niveaux de contrainte dans les doigts et les muscles avec le serrage, variable selon les doigts, sans qu'une tendance simple ne puisse être généralisée. Enfin, les simulations de serrage ont été exploitées pour une analyse modale de la main sous contrainte. Celle-ci a révélé que la rigidification des tissus, induite par la contraction musculaire et la pression de contact, modifie les fréquences propres des doigts et des muscles.