Biomechanics of motor coordination : Modelling and analysis in response to internal or external perturbation.
Biomécanique de la coordination motrice : Modélisations et analyses en réponse à une perturbation interne ou externe.
Résumé
The present work had two objectives : On the one hand, to provide a triple methodological contribution to the analysis of motor coordination. Firstly, this contribution consists in analysing the sensibility of an inverse dynamics procedure to the quality of the anthropometric input data. A recommendation for the use of a BSP estimation method was provided to compute the net joint moments in a better way. Secondly, an evolution of a biomechanical model that includes the kinematics, BSP, groud reaction and EMG as input data into a numerical optimization process was proposed to estimate the moments developed by the knee flexor and extensor muscle groups under muscle fatigue condition. The loss of force production capacity due to fatigue was taken into account in the numerical procedure by means of a frequency analysis of the EMG signal. The spectral analysis was carried out using wavelet transform. Thirdly, a procedure was developed to estimate the individual muscle tension with an optimal prediction of the co-contraction. On the other hand, an analysis of the muscular coordination was carried out during squat exercises when faced with either an internal or an external perturbation. The external perturbation results from supplementary loads added to the subjects while muscle fatigue of the agonist muscle group qualified the internal perturbation. Our results show an exploitation of the muscle redundancy both to stabilize the joint and to produce coordinated motions. Moreover, the exploitation of the muscle redundancy in presence of fatigue differs from that observed when adding load. Thus, the Central Nervous System exploits differently, but always in an optimal sense, the muscular redundancy when faced with a perturbation.
Ce travail doctoral poursuivait deux objectifs : D'une part, proposer une triple contribution méthodologique à l'analyse de la coordination motrice. Cette contribution consiste premièrement à analyser la sensibilité des résultats d'une procédure de dynamique inverse à la qualité des données d'entrée anthropométriques et à proposer une recommendation quant à la méthode d'estimation des BSP à utiliser pour déterminer au mieux les moments musculaires nets. Deuxièmement, une évolution d'un modèle biomécanique associant des données périphériques de différente nature (cinématique, anthropométrie, torseur dynamique externe, EMG) dans une procédure d'optimisation numérique et permettant d'estimer les moments développés par les groupes musculaires agoniste et antagoniste de l'articulation du genou est présentée. Les évolutions apportées visent à prendre en compte la baisse de capacit'e de production de force du groupe musculaire dûe à la fatigue en se basant sur une analyse fréquentielle du signal EMG réalisée par une transformée en ondelettes. Troisièmement, une méthode d'estimation des tensions musculaires est développée avec pour objectif une prédiction optimale de l'activité musculaire antagoniste. D'autre part, analyser la coordination musculaire lors d'une tâche de "squat" réalisée en présence d'une perturbation interne ou externe des conditions de réalisation de la tâche. L'ajout d'une charge supplémentaire modifiait les conditions externes de réalisation de la tâche tandis que la présence d'une fatigue musculaire représentait une perturbation interne. Les résultats de l'analyse de la coordination musculaire montrent une exploitation de la redondance musculaire orientée vers la stabilité de l'articulation et la production de mouvements coordonnés. De plus, la gestion de cette redondance en présence de fatigue diffère de celle observée lors de l'ajout d'une charge. Le Système Nerveux Central exploite donc différemment, mais toujours de manière optimale, la redondance musculaire pour faire face à une perturbation.
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