Par Aurélien Schuster, lauréat d'une bourse de participation congrès de la société de Biomécanique 2023.
Dans un contexte militaire, les soldats d’infanterie portent de lourdes charges quotidiennement, lors de leur entraînement ou en mission. Avec le progrès de l’équipement individuel du soldat, la charge portée sur le terrain a doublé depuis la première guerre mondiale [1]. Cela engendre une dépense énergétique accrue et des troubles musculosquelettiques dans les membres inférieurs (fractures de fatigues, endommagement des ligaments) ainsi que dans le dos (lombalgies, paralysies dorsales) [2]. À cet effet, calculer les couples articulaires pour divers chargements peut permettre de comprendre le mécanisme lié à ces troubles [3]. Le but de cette étude préliminaire est de déterminer dans quelle mesure il serait possible de prédire l’influence de différentes conditions de chargement sur les couples articulaires à partir d’un mouvement non chargé, d’une méthode de prédiction d’efforts de réaction au sol [4] et d’un ajout virtuel de la charge portée.
Lors d’une expérience de capture de mouvement menée lors de la thèse de Pierre PUCHAUD [5] au laboratoire Mouvement Sport Santé à Bruz (35), des soldats ont effectué des tâches de locomotion en portant différentes charges dans un sac à dos. Les volontaires ont été instrumentés de 51 marqueurs optoélectroniques et les efforts de réaction au sol ont été mesurés avec deux plateformes d’efforts. Cette étude préliminaire considère un unique soldat (taille : 174cm, masse : 75,4kg) ayant effectué plusieurs essais de marche. Le modèle utilisé est un modèle rigide corps complet comportant 16 segments et 35 degrés de liberté. Un sac à dos correspondant à chaque condition de chargement (10, 20 et 30kg) a été modélisé comme un élément rigide attaché au segment « Thorax ». Les couples articulaires ont ensuite été calculés par dynamique inverse dans CusToM [6] de trois manières différentes. Premièrement à partir des données expérimentales de capture de mouvement et des plateformes d’efforts (EXPE). Puis en utilisant une méthode de prédiction des efforts de réaction au sol (PRE1) et enfin en utilisant la cinématique non chargée, la prédiction des efforts au sol et l’ajout virtuel de la charge (PRE2). La RMSE normalisée entre les résultats expérimentaux et les deux méthodes de prédiction a été calculée pour les couples articulaires en flexion/extension au niveau de L5/S1, de la hanche, du genou et de la cheville pour chaque condition de chargement. De plus, les couples articulaires obtenus pour la condition de 20kg ont été comparés à ceux obtenus dans les travaux de Harman et al. [3] qui présentaient des conditions similaires.
Les résultats obtenus montrent un niveau similaire d’approximation des couples articulaires pour les deux méthodes de prédiction et pour certaines conditions de chargement. De plus, les résultats pour le chargement à 20kg sont en accord avec ceux obtenus dans la littérature. Cela nous laisse donc penser qu’il serait possible d’approximer les couples articulaires pour divers chargements à partir d’une cinématique non chargée et d’une méthode de prédiction des efforts de réaction au sol. Une étude paramétrique plus approfondie et sur plusieurs sujet pourra explorer le choix de la cinématique en entrée pour une méthode de calcul des couples articulaires basée sur la dynamique inverse.
Publication
Aurélien Schuster, Aurélie Tomezzoli, Charles Pontonnier, Georges Dumont. Backpack carriage effect on joint torques computed from a range of models: a preliminary study. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2023. (hal-04140093)
Références
[1] Knapik, Joseph J, Katy L Reynolds, et Everett Harman. « Soldier load carriage: historical, physiological, biomechanical, and medical aspects ». Military medicine 169, nᵒ 1 (2004): 45‑56. https://doi.org/10.7205/MILMED.169.1.45
[2] Orr, Robin, Rodney Pope, Thiago Jambo Alves Lopes, Dieter Leyk, Sam Blacker, Beatriz Sanz Bustillo-Aguirre, et Joseph J. Knapik. « Soldier Load Carriage, Injuries, Rehabilitation and Physical Conditioning: An International Approach ». International Journal of Environmental Research and Public Health 18, nᵒ 8 (janvier 2021): 4010. https://doi.org/10.3390/ijerph18084010.
[3] Harman, Everett, Ki Hoon, Peter Frykman, et Clay Pandorf. « The Effects of Backpack Weight on the Biomechanics of Load Carriage »: Fort Belvoir, VA: Defense Technical Information Center, 3 mai 2000. https://doi.org/10.21236/ADA377886.
[4] Muller, A., C. Pontonnier, X. Robert-Lachaine, G. Dumont, et A. Plamondon. « Motion-Based Prediction of External Forces and Moments and Back Loading during Manual Material Handling Tasks ». Applied Ergonomics 82 (1 janvier 2020): 102935. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2019.102935.
[5] Puchaud, Pierre. « Modélisation musculo-squelettique générique et spécifique en vue du support de l’activité physique du soldat ». PhD Thesis, École normale supérieure de Rennes, 2020. https://laas.hal.science/INRIA/tel-03118904
[6] Muller, Antoine, Charles Pontonnier, Pierre Puchaud, et Georges Dumont. « CusToM: a Matlab toolbox for musculoskeletal simulation ». Journal of Open Source Software 4, nᵒ 33 (2019): 1‑3. https://doi.org/10.21105/joss.00927
L'auteur
Schuster Aurélien, UR - Université de Rennes, MIMETIC - Analysis-Synthesis Approach for Virtual Human Simulation.
Aurélien Schuster est titulaire du master BME en ingénierie biomédicale option biomécanique de l’Université Paris Cité, il prépare actuellement une thèse portant sur l’analyse de l’activité physique du soldat d’infanterie en mission au sein de l’équipe Mimetic à Rennes (35) sous la direction de Georges DUMONT et de Charles PONTONNIER avec le soutien de la Fondation Saint-Cyr. Aurélien a été lauréat de la bourse de participation au congrès pour l’édition 2023 du congrès de la société de biomécanique.
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