Méthodes numériques visant la réduction de la fatigue à l’épaule lors du jeu violonistique

Abstract

Les violonistes sont une population à risque de développer des blessures musculosquelettiques d'usure, allant jusqu'aux trois quarts qui joueront blessé·e·s durant leur carrière. Malgré la nécessité de bien en saisir les causes, le corpus de recherche demeure parcimonieux sur ce sujet. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse était d'étudier la fatigue --- une cause présumée du risque de blessures --- lors du jeu violonistique, par des méthodes expérimentales et numériques.

Dans une première étude sur la cinématique des violonistes, 10 expert·e·s ont interprété une partition composée afin de tester le style et la vitesse de jeu ainsi que la corde jouée. Cette étude a permis de mettre en lumière la grande répétabilité (variabilité intra-participant < 5°) dont les violonistes expert·e·s font preuve. Alors que cela est probablement souhaitable afin d'assurer un contrôle optimal de la qualité sonore, la sollicitation répétitive d'une même musculature semble cependant problématique pour leur santé musculosquelettique. Cette étude a également montré l'individualité de leur gestuelle (variabilité inter-participant > 10°), ce qui a des conséquences sur le type de recherche qui peut être réalisée pour demeurer pertinente et comparable. Des recommandations dont l'objectif est d'assurer un corpus de littérature cohérent ont été proposées, notamment la nécessité d'utiliser des devis à mesures répétées, avec un mouvement de référence commun à travers les études.

En deuxième approche, des mouvements violonistiques ont été générés par simulation prédictive en utilisant un algorithme de commande optimale. Pour ce faire, deux innovations majeures ont été proposées et implémentées dans les logiciels Biorbd et Bioptim, logiciels développés dans le cadre de la présente thèse. La première est le développement d'un modèle de la perception de l'effort, dont l'objectif est de représenter l'incapacité de l'humain à réaliser indéfiniment une tâche. Le principal avantage de ce modèle est de pouvoir être utilisé seul, lorsque le temps de calcul est un enjeu, ou en conjonction avec des modèles plus complets, pour une plus grande validité. La seconde innovation concerne le développement d'une méthode de simulation prédictive, la commande prédictive (NMPC) multicyclique, qui exploite la nature cyclique du mouvement de violon. Ainsi, des mouvements violonistiques de 10 minutes --- soit 600 allers-retours du bras d'archet ---, par un avatar-musicien incluant ou non la fatigue, ont été synthétisés. L'analyse des résultats révèle une stratégie cinématique pratiquement identique entre les modèles, avec et sans perception de la fatigue, jusqu'à l'atteinte de la limite de fatigue, suivi d'un ajustement articulaire par le modèle fatigable par l'abaissement de son bras d'archet d'environ 5°.

La cohérence des résultats avec le comportement humain montre la pertinence de la méthode dans l'étude de l'adaptation à la fatigue. Dû au faible niveau d'adaptation observé, il est cependant conclu que le contrôle du temps de pratique demeure encore le moyen le plus approprié pour réduire le risque de blessures liées au jeu.

About three quarters of violinists develop an musculoskeletal injury within their career, making them an at-risk population. Despite the need to understand the biomechanical factors underlying these injuries, the body of research on this topic remains sparse. In this context, the objective of this thesis was to study fatigue---a presumed injury risk factor---during violin playing, using empirical and numerical methods.

In a first study on the kinematics of violinists, 10 experts performed a score purposefully composed to test effects of style and playing speed, as well as string played. This study highlighted the high repeatability exhibited by expert violinists (intra-participant variability < 5°). While repeatability is probably desirable to ensure optimal control of sound quality, the repetitive solicitation of the same muscles can lead to injuries. Additionally, this study showed the uniqueness of violinists’ motor patterns (inter-participant variability > 10°), which has consequences on the type of research designs that should be used. Recommendations with the goal of ensuring consistency within the literature were proposed, including the need to use repeated-measure designs, with a common baseline movement across studies.

For the numerical approach, violinists’ movements were synthesized by predictive simulations using an optimal control algorithm. To do so, two major innovations were proposed and implemented in Biorbd and Bioptim, two libraries developed throughout this thesis. The first innovation was the development of a model of fatigue perception, whose objective was to represent humans’ inability to perform a task indefinitely. The main advantage of this model was that it could be used alone when computation time is an issue, or concurently with more complete models for greater validity. The second innovation concerned the development of a predictive simulation method, the multicyclic nonlinear model predictive control (NMPC), which exploits the cyclic nature of violin motion. Employing this approach, a musician avatar was used to synthesize a 10 minutes violinist’ movements (i.e., 600 round trips of the bowing arm) with and without the model of fatigue perception. The results revealed an almost identical joint kinematic strategy for the two models until maximal fatigue, as specified in the model, was reached. Then, elevation of the bowing arm decreased by about 5° with the fatigue model.

The consistency of the results with human behaviour showed the relevance of this numerical method for studying joint-kinematic adaptations to fatigue. However, only small adjustments were observed, leading to the conclusion that practice time limitations remain the best solution to prevent playing-related injuries.