Understanding of hand muscles involvement: towards a linkage between biomechanical modeling and motor control theories

Utilisation des théories du contrôle moteur dans les modèles biomécaniques de la main pour mieux comprendre le recrutement musculaire

¹ GIPSA-Laboratory, CNRS UMR 5216, Control system department, SAIGA Team Grenoble University, France
² Department of Kinesiology The Pennsylvania State University University Park, 16802 PA, USA
³ Institute of Mouvement Sciences, CNRS UMR 7287, Aix-Marseille Univ, Marseille, France
⁴ Unit of Hand Surgery, CHU A. Michallon, Grenoble University, France

Received: 10 July 2012
Accepted: 28 November 2012

Abstract

This study aimed at testing the pertinence of mimicking motor control theories in biomechanical models as a strategic direction for improving the understanding of muscle involvement. The theory of “minimization of the secondary moments of the hand” was added to an initial biomechanical model and was tested for several anatomic hand configurations (intact hand, paralyzed hand with radial nerve palsy, and transferred hand after tendon transfers). Results showed that the muscle sharing is governed by the minimisation of secondary moment for each anatomic hand configuration. In particular, co-contractions of extensor muscles were used to stabilize the wrist joint in both intact and transferred hands. Overall, this study showed that specific tuning of motor control theories rules may represent a strategic direction for improving biomechanical models. Enhancements are suggested in order to generalize this approach to others musculoskeletal systems.

Résumé

L’objectif de ce travail est de montrer que les lois du contrôle moteur de la main peuvent être utilisées dans les modèles biomécaniques pour mieux comprendre le recrutement musculaire. Pour cela, le principe de « minimisation des moments secondaires » est implémenté dans un modèle biomécanique de la main en rajoutant l’équilibre de l’articulation du poignet dans la procédure d’estimation des tensions musculaires. Différentes conditions anatomiques de main sont testées : main intacte, main paralysée suite à une atteinte du nerf radial et main réanimée suite à un transfert tendineux (technique dite de « Tsugé »). Cela permet de modifier les capacités musculaires tout en gardant les moments secondaires identiques. Les résultats montrent que la distribution des forces entre les muscles des doigts et du poignet reste fidèle au principe de minimisation des moments secondaires quelque soit la condition anatomique testée. Lorsque le système musculaire le permet (main intacte et réanimée), le recours à l’utilisation de co-contractions avec les extenseurs des doigts reste la solution la plus avantageuse pour stabiliser les moments secondaires. Il apparaˆıt que l’utilisation du principe de minimisation des moments secondaires permet d’améliorer les modèles biomécaniques dans leur capacitaé montrer et expliquer les co-contractions. Au regard de ces résultats, la généralisation de cette méthodologie pour d’autres modèles biomécaniques est discutée.