Quels sont les outils de mesure biomécaniques ?

Les troubles musculosquelettiques (TMS) sont des maladies professionnelles d’origine multifactorielle qui recouvrent un large ensemble d’affections au niveau articulaire (muscles, tendons, nerfs, vaisseaux, cartilages). La quantification des facteurs de risque biomécaniques de TMS est une étape importante pour le préventeur en entreprise. Dans cet article nous allons nous intéresser aux différents outils de mesure biomécaniques et comparer les avantages et les limites de chaque système dans un contexte de mesure en environnements industriels.

 

Les outils de mesure des forces et efforts

 

L’EMG ou électromyogramme (de surface)

L’EMG est l’outil de mesure le plus répandu pour mesurer les efforts musculaires. Il est souvent de surface, composé de deux électrodes que l’on colle sur la peau  pour mesurer l’activité électrique du muscle situé en dessous afin d’obtenir de manière indirecte l’effort globale de ce dernierlors d’une contraction.

Avantages

  • Le principal avantage de cet outil est qu’il est considéré comme l’outil de référence de la mesure de l’effort musculaire à l’heure actuelle en laboratoire.

Inconvénients

  • C‘est un outil qui demande une certaine expertise car il nécessite un placement anatomique très précis
  • La mise en place est contraignante pour la production car il faut positionner les électrodes sur le corps de l’opérateur et donc l’interrompre dans l’exécution de son travail
  • Les résultats sont difficilement interprétables directement en termes de TMS car il n’y a pas de norme directe qui lie l’activité électrique mesurée sur un muscle à un risque de TMS

C’est donc un outil adapté pour les évaluations relatives où l’on compare une situation à une autre. Par exemple, évaluation d’une contrainte musculaire sur un avant et un après aménagement d’un poste de travail.

 

LE MMG ou la Mécanomyographie

Le MMG est un outil qui permet de mesurer l’activité vibratoire du muscle lors d’une contraction. Comme pour l’activité électrique avec l’EMG, l’activité vibratoire permet d’obtenir de manière indirecte l’effort globale du muscle lors d’une contraction.

Avantages

  • Il serait moins dépendant du placement sur le muscle que l’EMG
  • Il détecterait plus facilement l’activité profonde du muscle

Limites

  • Comme l’EMG, la mise en place des capteurs sur le corps est contraignante
  • L’interprétation des risques est difficile donc cela reste surtout de l’évaluation relative
  • Il manque à ce jour des études scientifiques permettant une démocratisation de son usage notammentdans le domaine de l’ergonomie

Les dynamomètres

Les dynamomètres sont des outils qui permettent de mesurer les forces exercées ou subies par un individu, souvent aux extrémités (mains, pied).  Parmi les plus utilisés, nous pouvons citer les plateformes de force, les nappes de pression ou encore les capteurs de force.

Avantages

  • Mesures directes ou quasi directes des forces.
  • Il existe des normes en ergonomie qui permettent de se comparer à des standards

Limites

  • Les mesures sont très locales aux extrémités du corps
  • Ils ne retranscrivent pas l’intensité de l’effort aux articulations et aux muscles, il est donc difficile de mesurer les contraintes musculaires pouvant déboucher sur un risque de TMS.
dynamomètres

La modélisation mathématique

Les outils de modélisation biomécaniques ou musculosquelettiques permettent d’estimer indirectement les forces aux articulations ou aux muscles par modélisation mathématique à partir du mouvement et des forces externes appliquées à l’individu. Par exemple, pour un cycliste, il est possible d’estimer indirectement les forces de chaque muscle des membres inférieurs à partir de la mesure  de son mouvement et de la force qu’il exerce sur son pédalier.

Avantages

  • Permet une estimation au niveau des muscles profonds
  • Réalisable sans système de mesure du mouvement porté sur le corps

Limites

  • Ce sont des outils complexes limités à la recherche pour le moment
  • Le temps de calcul est important (plusieurs heures de calcul par minute de mesure)
  • Très dépendants du bruit de mesure des données de mouvement
  • Résultats difficilement interprétables directement en termes de risque de TMS
  • Il n’y a pas de norme donc l’évaluation se limite pour le moment à la comparaison d’une situation à une autre.

Les outils de mesure des postures et du mouvement

Il existe deux sous-familles dans les outils d’analyse du mouvement : les capteurs portés sur le corps et les systèmes basés sur l’optique, c’est-à-dire la mesure via une ou plusieurs caméra.

Capteurs portés : Les Goniomètres

Les Goniomètres sont constitués de deux branches reliées à un potentiomètre ou à une jauge de contrainte permettant de mesurer une variation d’angle entre les deux branches. Pour effectuer la mesure, il faut placer les deux branches sur les deux parties du corps reliées par l’articulation à mesurer.

Avantages

  • C‘est une technologique robuste sans problème d’occultation

Limites

  • Il faut placer les capteurs sur le corps, ce qui peut gêner dans le mouvement
  • Elles ne mesurent que l’angle et pas les positions de l’articulation
  • Il y a souvent seulement 2 axes de rotation donc cela se limite aux articulations telles que les poignets

Capteurs portés : Les systèmes magnétiques

Les systèmes magnétiques utilisent des capteurs placés sur le corps pour mesurer le champ magnétique généré par une source émettrice. Ce système permet d’obtenir la position et l’orientation de chaque capteur.

Avantages

  • Pas d’erreur de dérive au cours du temps
  • Pas de problème d’occultation comme dans les systèmes optiques
  • Obtention des positions et des orientations sans une phase de post-traitement

Limites

  • Il faut placer des capteurs sur le corps
  • Ils sont sensibles aux interférences électriques et magnétiques, ce qui peut poser problème en environnement industriel où la présence de métal est importante

Capteurs portés : Les systèmes inertiels

Les centrales inertielles ou encore IMU (inertial measurement unit), sont des systèmes composés de capteurs intégrant un accéléromètre, un gyroscope et le plus souvent un magnétomètre. Chaque capteur permet d’obtenir les orientations du segment corporel sur lequel il est attaché.

Avantages

  • Pas de problème d’occultation
  • Technologie peu chère
  • Taille peu imposante

Limites

  • Cela reste des capteurs à placer sur le corps et donc ils peuvent gêner l’opérateur et contraindre la production
  • Erreur de dérive au cours du temps : le gyroscope va se dérégler au fur et à mesure de l’utilisation. Même si le magnétomètre est là pour corriger ces dérives, ce dernier va être sensibles aux interférences magnétiques et électriques et donc nous retrouvons la même problématique que les systèmes magnétiques en condition industrielle
  • Ils ne mesurent que des orientations et ne permettent pas d’avoir les positions
  • Il est nécessaire de réaliser une calibration contraignante pour obtenir les positions

 

Optiques : Les systèmes optoélectroniques

Les systèmes opto-électroniques utilisent plusieurs caméras infrarouges pour reconstruire la position 3d de marqueurs réfléchissant (passifs) ou émettant (actifs) de la lumière infrarouge. Ce sont ces systèmes qui sont utilisés pour réaliser des images de synthèse telles que celles que l’on peut voir dans des films comme Avatar ou des jeux vidéo tels que Fifa.

Avantages

  • Systèmes extrêmement précis avec un risque d’erreur inférieur au millimètre.
  • Il n’y a pas de problème d’occultation ou de dérive.

Limites

  • Systèmes très onéreux (plusieurs centaines de milliers d’euros)
  • Demandent une grande expertise en post traitement, usage limité aux laboratoires
  • Capteurs à placer sur le corps ou combinaison à porter => gênant pour un opérateur et long à mettre en place

Ces systèmes peuvent néanmoins être utilisés comme référence pour valider des technologies. Ce fût notamment le cas pour l’outil KIMEA que nous avons comparé à cette référence en condition de laboratoire grâce à cette technologique très précise. Retrouver l’article scientifique à télécharger gratuitement ici.

Optiques : Les caméras 2D et la vision par ordinateur

La vision par ordinateur permet de repérer des humains dans des images filmées par une caméra et de déterminer les positions de chacune de leurs articulations.  On utilise des algorithmes dits de « Deep learning » qui ont appris, grâce à de très nombreuses données d’exemple, à déduire ces postures à partir d’images.

Avantages

  • Non invasif pour l’opérateur et non contraignant pour la production
  • Pas de matériel spécifique nécessaire (faible coût d’acquisition) – fonctionne avec un smartphone

Limites

  • On se limite à la position en 2D, très difficile de passer à la 3D (forte diminution de la précision en 3D)
  • Problèmes d’occultations possibles
  • Précision dépendante de l’algorithme et des données d’apprentissage

Optiques : Les caméras 3D et la vision par ordinateur

Ce sont des caméras de profondeur permettant d’obtenir une information de profondeur de chaque pixel de l’image afin que l’algorithme estime la posture directement en 3D

Avantages

  • Non invasif pour l’opérateur et non contraignant pour la production
  • Suffisamment précis pour de l’évaluation ergonomique sur le terrain
  • Obtention directe des positions en 3D

Limites

  • Problèmes d’occultations
  • Précision dépendante de l’algorithme et des données d’apprentissage

BILAN

Les outils de mesure des forces sont des technologies qui permettent d’obtenir les efforts réalisés par les muscles de façon indirecte. Cependant cela reste des outils complexes qui sont difficilement utilisables en environnement industriel par des non biomécaniciens. Cela limite donc leur utilisation aux laboratoires et aux experts qui font des activités de service spécialisés. De plus, il n’existe pas de méthode à ce jour qui permet de faire un lien direct entre un effort musculaire et un risque de TMS car de nombreux autres facteurs peuvent rentrer en jeu. Il reste néanmoins efficace pour la comparaison d’une situation avec une autre pour constater une augmentation ou une diminution de l’effort musculaire.

Il existe diverses méthodes dans la littérature scientifique pour calculer un score illustrant la relation entre les facteurs de risque biomécaniques et un risque de TMS (RULA, REBA, OWAS…). Ces méthodes, malgré leurs limites, ont l’avantage d’être facilement interprétables avec différents scores de risque. Les outils de mesure du mouvement permettent de remplir ce type de grilles de cotation. Dans les deux sous familles, les capteurs portés ont l’avantage de ne pas souffrir de problèmes d’occultation même s’ils ont le défaut d’être contraignants de par leur placement sur le corps. Les systèmes optiques n’ont pas ce problème puisqu’il suffit de suivre la personne avec la caméra, en revanche ici les problèmes d’occultation peuvent fausser la capture.

 

CONCLUSION : QUEL SYSTEME CHOISIR ?

Les choix que nous avons fait pour KIMEA découle des études et analyses qui ont été faits sur ces différents outils. Nous avons voulu avoir le meilleur des deux mondes avec :

  • Un outil suffisamment précis pour une évaluation RULA sur le terrain
  • La solution la moins invasive possible et la plus simple d’utilisation
  • Prendre en compte la durée d’exposition dans le calcul du risque de TMS

Pour avoir un outil le moins invasif possible, nous avons opté pour la mesure du mouvement des principales articulations du corps grâce à la vision par ordinateur et une caméra 3D. De plus, pour pallier aux problèmes d’occultation, nous avons développé un algorithme spécifique et unique développé pour corriger les problèmes d’occultation du champ de vision.

Les mains étant rarement visibles à la caméra du fait de l’interaction avec un outil ou un objet, nous avons souhaité renforcer notre mesure pour cette articulation. C’est pourquoi nous avons opté pour la mesure du mouvement de l’articulation des poignets avec des centrales inertielles glissées dans des sous-gants.

Ce choix a été réfléchi pour avoir le système le plus simple et robuste possible. Nous sommes sur une seule articulation, il n’a donc pas été nécessaire de créer de modèle et donc de devoir faire des postures de calibration.

Nous avons développé notre propre capteur inertiels intégrant des algorithmes de traitement du signal exclusifs permettant d’être robuste à l’erreur de dérive. Nous n’utilisons pas de magnétomètre, notre système est donc insensible à la présence de fer dans l’environnement.

C’est donc avec ces choix que nous avons pensé KIMEA pour le terrain :

  • Une grande précision dans la mesure du mouvement pour avoir les résultats les plus fiables possibles
  • Une simplicité d’utilisation pour s’adapter à tous les publics
  • Et surtout un dispositif léger et peu invasif pour l’opérateur et qui ne contraint aucunement la production.

 

Vous pouvez consulter gratuitement l’ensemble des publications scientifiques évoquées dans cet article sur notre page Ressources.

 

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