Biomechanical analysis of handrim wheelchair propulsion : ergonomic evaluation indexes
Analyse biomécanique de la propulsion en fauteuil roulant à mains courantes : indices d'évaluation ergonomique
Résumé
The work undertaken for this thesis focused on the biomechanical analysis and simulation of the hand-rim wheelchair propulsion. The ulterior objective was to prevent upper limb musculoskeletal disorders. Thus, indexes were identified that permitted an objective quantification of the risk of developing an upper limb pathology related to the wheelchair propulsion movement. In the first chapter, the hand-rim wheelchair is presented along with the general anatomy and common propulsion-related disorders of the upper limb. The second chapter presents detailed information on the biomechanical parameters of the propulsion movement. Indexes of the risk of developing disorders in the three articulations and the upper limb are justified and the necessary evaluation tools are presented. The third chapter is dedicated to describing the experimental protocol, the objectives, and the obtained results. The results indicate that an elevated and advanced seat position reduces amplitudes and extreme values of all three primitive joints and also reduce muscle activation in all principle propulsion muscles. Using the developed indexes, this correlates to a reduction in risk. On the contrary, lower and backward positions are considered more efficient. Thus a compromise must be met between efficiency and risk-reduction. In the forth chapter, we developed an inverse dynamic model which permitted simulation and evaluation of the propulsion movement. The simulation allows to test numerous configurations and to ultimately propose an optimised seat position. In conclusion, the presented work employs methods developed in biomechanics and ergonomics to propose a primary quantification of the risk of developing upper limb disorders, thus enabling a preventive choice in seat placement. An interface designed to evaluate propulsion movement and subsequent upper limb disorder risk, from a simple kinematic test, was developed. The model permitted simulation of infinite wheelchair configurations and can thus be considered as a useful tool in providing patient specific counselling on wheelchair settings. The developed indexes of upper limb disorder risk can be used to evaluate and adapt rehabilitation and learning procedures, thus enabling wheelchair users to propel themselves at less risk.
Les travaux entrepris dans cette thèse sont relatifs à l'analyse biomécanique et à la simulation du mouvement de propulsion d'un fauteuil roulant à mains courantes. Ils ont pour objectif la prévention des troubles musculosquelettiques du membre supérieur. Pour cela, nous proposons des indices permettant une quantification objective du risque de développer une pathologie du membre supérieur en lien avec la propulsion du fauteuil. Ainsi, dans le premier chapitre, nous présentons le fauteuil roulant, l'anatomie et les pathologies du membre supérieur et le lien entre ces dernières et le geste de propulsion. Dans le second chapitre, nous détaillons les paramètres biomécaniques du mouvement et justifions la construction de nos indices de risque de troubles musculosquelettiques des trois articulations et du membre supérieur dans son ensemble. Nous indiquons également quels sont les outils nécessaires à l'évaluation du geste de propulsion. Le troisième chapitre expose le protocole expérimental, ses objectifs et les résultats obtenus. Ainsi, les assises hautes et plutôt avancées réduisent les valeurs extrêmes et les amplitudes des trois articulations du membre supérieur ainsi que les activations musculaires des principaux muscles impliqués dans la propulsion. Elles diminuent également le risque de troubles musculosquelettiques évalué par les indices présentés au chapitre précédent. Cependant, ces réglages sont à l'opposé de ceux considérés comme efficaces : assises basses et reculées. Lors du réglage du fauteuil, il faut donc faire un compromis entre efficacité et risque de pathologies. Enfin, le quatrième chapitre présente un modèle de cinématique inverse permettant la simulation et l'évaluation du geste de propulsion d'un fauteuil à mains courantes. Ce dernier permet de tester une multitude de configurations, ce qui est inconcevable lors d'une étude in-vivo, et ainsi de proposer un réglage fin du fauteuil. Pour conclure, nos travaux utilisent des connaissances issues de la biomécanique et de l'ergonomie et proposent une première quantification du risque de troubles musculosquelettiques afin d'aider au choix et au réglage du fauteuil avec comme perspective la prévention de ces derniers. Ainsi, sur la base d'un simple test cinématique, l'interface que nous avons développée permet dévaluer le geste de propulsion et les risques de TMS qui en découlent. Elle permet également de simuler le geste pour une infinité de configurations du fauteuil et ainsi de conseiller objectivement l'utilisateur lors du choix et du réglage de son fauteuil. Enfin, dans le cadre de programmes de réhabilitation, l'utilisation de nos indices de risques de TMS permettrait l'évaluation du geste de propulsion lors des phases d'apprentissage. En effet, la visualisation, des gestes et des risques qui leur sont associés, aiderait les équipes médicales à transmettre aux nouveaux utilisateurs de fauteuil les connaissances nécessaires à la réalisation du geste de propulsion le moins traumatisant.
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