Biomécanique computationnelle de l’articulation du genou humain en extension isométrique volontaire maximale avec un focus sur le rôle du positionnement du centre articulaire

Pourquoi c’est important pour les genoux endoloris ou blessés

Pour quiconque a ressenti des douleurs au genou en montant des escaliers ou en revenant d’une blessure, les tests de force des muscles de la cuisse font partie intégrante de la rééducation. Cette étude examine ce qui se passe à l’intérieur lors de l’un des tests les plus courants, une extension du genou assise « poussée contre une sangle », pour poser une question simple aux conséquences importantes : lorsque nous mesurons la force du quadriceps, que se passe‑t‑il réellement à l’intérieur de l’articulation du genou et dans quelle mesure nos modèles informatiques évaluent‑ils correctement — ou non — ces forces ?

Regarder à l’intérieur du genou pendant un test de force

Les auteurs ont utilisé une réplique numérique avancée d’une jambe humaine construite à partir du genou d’une jeune femme en bonne santé. Plutôt que de traiter le genou comme une simple charnière, leur modèle comprenait les os, le cartilage, les ménisques, les ligaments et douze muscles franchissant l’articulation. Ils ont simulé le test standard de contraction isométrique volontaire maximale (CIVM) : la personne est assise avec la hanche fléchie d’environ 90 degrés, le genou maintenu à un angle fixe, et le bas de la jambe poussant vers l’avant contre une barre rembourrée qui pousse vers l’arrière. Ils ont examiné trois positions courantes de flexion du genou — 30, 60 et 90 degrés — et ont varié l’effort fourni, l’endroit le long du tibia où la sangle était fixée, ainsi que le degré de tension simultanée des ischio‑jambiers et des mollets.

Comment l’effort musculaire se traduit en charges articulaires

À mesure que la personne virtuelle poussait plus fort, les forces du quadriceps augmentaient fortement, atteignant plus de six fois le poids corporel en flexion profonde. Les forces dans le tendon rotulien et les forces de contact entre la rotule et le fémur augmentaient également régulièrement avec la flexion du genou, tandis que la pression entre les principales surfaces du genou suivait un schéma plus complexe : la plus faible à 30 degrés, culminant autour de 60 degrés, puis s’atténuant légèrement à 90 degrés. Aux angles plus profonds, la zone de contact derrière la rotule s’élargissait, mais la pression de pointe augmentait aussi, atteignant des valeurs bien supérieures à celles observées lors d’une marche typique. Ces profils aident à expliquer pourquoi les exercices réalisés avec le genou profondément fléchi peuvent aggraver la douleur antérieure du genou bien qu’ils soient très efficaces pour développer la force.

Ce que font réellement la position de la sangle et les muscles « assistants »

L’étude a montré que déplacer la sangle plus bas sur le tibia, ce qui donne à la force externe un bras de levier plus long, modifiait la façon dont les forces de cisaillement agissaient sur le genou. Une position de sangle plus éloignée réduisait la traction postérieure sur le tibia, ce qui entraînait à son tour une tension nettement plus élevée dans le ligament croisé antérieur (LCA) et une charge plus faible dans le ligament croisé postérieur (LCP). La co‑tension des ischio‑jambiers et des mollets — souvent encouragée pour stabiliser l’articulation — augmentait bien les forces musculaires globales, mais avait un effet limité sur la charge du LCA comparativement à la position de la sangle et à l’effort total. Ces résultats suggèrent que de petits choix dans la configuration de l’exercice, comme l’endroit où le coussinet repose sur la jambe, peuvent modifier de façon significative la manière dont les ligaments croisés sont sollicités pendant les tests ou l’entraînement de force.

Pourquoi le choix du « centre articulaire » dans les modèles informatiques compte

Pour interpréter les données de capture de mouvement et de force, les chercheurs utilisent souvent des logiciels musculo‑squelettiques simplifiés qui traitent le genou comme une charnière parfaite située en un seul « centre articulaire ». Les auteurs ont comparé leur modèle détaillé à articulation déformable avec un programme open‑source largement utilisé qui adopte cette simplification. Quand ils ont déplacé le centre articulaire supposé vers l’avant ou l’arrière de seulement quelques centimètres, les estimations de la force du quadriceps par le modèle simplifié ont varié de plus de 30 %, et les charges ligamentaires et de contact interne ont changé en conséquence. En revanche, le modèle détaillé, qui permettait aux surfaces articulaires et aux ligaments de partager naturellement la charge, a maintenu essentiellement constantes les forces musculaires et de contact ; seul un moment d’équilibre passif à l’intérieur de l’articulation variait selon le point de référence choisi.

Message essentiel pour les patients et les praticiens

En termes simples, ce travail montre que les tests d’extension du genou en position assise génèrent des forces très importantes à l’intérieur du genou, surtout en flexion profonde, et que des détails tels que le placement de la sangle peuvent affecter sensiblement la sollicitation du LCA et d’autres structures. Il révèle aussi que les outils informatiques courants utilisés pour interpréter ces tests peuvent mal estimer les charges musculaires et ligamentaires s’ils simplifient trop l’emplacement du pivot du genou. Pour les cliniciens et les entraîneurs, le message est d’être attentif aux positions de test et prudent dans l’utilisation de modèles simplifiés pour décider du risque de blessure ou d’un programme de rééducation. Pour les patients, cela explique pourquoi certains angles peuvent être plus inconfortables et pourquoi un ajustement soigné de la configuration des exercices peut rendre le renforcement à la fois plus sûr et plus efficace.

Citation: Salehi, P., Shirazi-Adl, A. Computational biomechanics of human knee joint in maximum voluntary isometric extension with focus on the role of joint center positioning. Sci Rep 16, 8582 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39495-3

Mots-clés: biomécanique du genou, force du quadriceps, charge du LCA, modélisation informatique, exercice de rééducation