Mesure de la marche et du mouvement

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1 DES et DIU MPR Mesure de la marche et du mouvement Olivier Rémy-Néris Mathieu Lempereur Sylvain Brochard CHU Brest INSERM U650

2 Synopsis Connaitre les différents moyens d analyse quantifiée du mouvement Connaitre les limites de ces analyses en fonction du type de capteur Connaitre les limites de l analyse du mouvement par marqueurs externes Savoir reconnaitre une marche normale au niveau des articulations, des muscles, des forces au sol Savoir mettre en relation les anomalies cinématiques et électromyographique

3 Pourquoi mesurer le mouvement? Approche qualitative: référence à un «bon» mouvement la plus complexe Approche quantitative Affirmer l obtention d un but Mesurer la performance globale Comparer les performances Nécessite des moyens relativement simples (un capteur) Comprendre les mécanismes: moyens complexes Du mouvement normal Déplacements des segments, Contractions et actions musculaires Synergie articulaire Du mouvement pathologique Définir et mesurer les anomalies du déroulement Comprendre les mécanismes pour mieux les traiter Comparer les variables après une action thérapeutique

4 Eléments d appréciation d un mouvement complexe: le saut Course Mouvement global Impulsion Force et synergie musculaire Vol Mouvement global Réception Force et synergie musculaire Performance Longueur

5 Les paramètres de mesure du mouvement Indicateurs de performances: vitesse, précision (analyse de trajectoire), coût énergétique Les paramètres spatio-temporels: variables globales liées au mouvement temporelles: temps spatiales : longueur Vitesse Défini pour le mouvement global (le cycle de marche) ou pour chaque unité spatiale (la phase de double appui, de simple appui )

6 Mesurer le mouvement Ne peut dispenser d un examen clinique Précis Quantifié Doit correspondre à une stratégie Toujours de transmission d information Diagnostic Surveillance D une évolution sur une maladie chronique D un effet thérapeutique

7 LES CAPTEURS de mesure CINEMATIQUE

8 Systèmes de mesure des variables spatio-temporelles Très répandus pour la marche car permet d apprécier Les performances globales: vitesse cadence Les caractéristiques cycliques de ce mouvement (temps d appuis, simples, doubles, oscillation, longueur, largeur du pas etc ) Par mesure des déplacements des pieds (locomètre) Par mesure des appuis au sol (sytème Gaitrite) Par mesure accélérométrique (+ complexe)

9 Les paramètres de mesure du mouvement Les paramètres cinématiques: variables définissant le déplacement d un point ou d un segment dans l espace par rapport à un repère absolu (éloignement ou rapprochement de la main d un objet) ou relatif (le segment adjacent) Les paramètres cinétiques: variables définissant la force au contact de l environnement (saisie d un objet, poser du pied au sol ) Les paramètres EMG (électromyographiques): variables définissant les temps de contraction, les latences, la survenue d évènements pathologiques (clonus)

10 Capteurs nécessaires à l analyse du mouvement Description de la cinématique Directe: observation des déplacements du corps Vision Electromagnétique Par double intégration du signal accélérométrique Description de la cinétique Capteurs de force Description de l activité musculaire EMG embarqué Surface essentiellement et parfois implanté (fils)

11 Description cinématique Les systèmes optiques Vidéo simple avec ralenti : permet la définition des paramètres spatio-temporels Avec marquage a posteriori Peak Motus 2D ou 3D Avec marqueurs passifs Vicon, Motion, Elite, Qualysis Avec marqueurs actifs Les systèmes à ultrasons Les systèmes électromagnétiques Les goniomètres Les accéléromètres + magnétomètres+/- gyroscopes

12 Définition des déplacements: La notion de marqueur L observation du mouvement se fait de l extérieur du corps humain L observation peut se faire Par capteur externe: vidéo Par capteur posé sur la peau: optoélectronique, magnétique, combinaison de capteurs Chaque capteur (marqueur) posé définit Des points Des orientations dans l espace

13 Passer du déplacement du capteur à un mouvement Chaque marqueur fournit sa position dans l espace Si l on peut lier la position du marqueur à celle du segment auquel on s intéresse, le mouvement pourra être décrit. Si D1, D2 et D3 sont connues et que le marqueur permette de déterminer position et orientation dans l espace du segment cuisse C1 modélisé, alors le mouvement de C1 est connu C1 Marqueur D2 D1 D3

14 Contraintes de la mesure 3D du mouvement Un marqueur (ou groupe de marqueur) donne uniquement position et orientation d un plan dans l espace Le lien entre le marqueur (ou groupe) est considéré comme rigide (pas d élasticité, pas de mouvement relatif) Un segment est «articulé» au segment adjacent Connaissance de caractéristiques de taille du segment Connaissance du type de relation entre segments Par simplification: toute articulation est un rotule (1 seul centre de rotation) La taille du segment est ajustée sur la longueur

15 Systèmes vidéo Marquage a posteriori des points d intérèt sur chaque enregistrement video. Chaque point vu par 2 caméras peu donner une coordonnée 3D relative Une caméra: donnée 2D ok si standardisation Précision faible

16 Systèmes optoélectroniques

17 Marqueurs passifs Un marqueur recouvert de scotch-light Couronne de leds IR Rayon réfléchi Optique Rayon incident

18 Evolution des éclairages Infrarouge Avantage de tolérance visuelle Difficulté d exposition prolongée à haute intensité Rouge visible Avantage d innocuité de la lumière visible Inconvénient de l intolérance visuelle Semi-visible Stroboscope Réduction de l exposition Synchronisation à l ouverture à la fréquence d échantillonnage

19 Marqueurs passifs Identifier le marqueur Suivre l évolution du marqueur Distinguer les différents marqueurs Définir un plan par segment

20 Identifier le marqueur M techniques M anatomiques Chaque marqueur identifié est associé à un nom sur une phase statique du mouvement

21 Marqueurs passifs Identifier le marqueur Suivre l évolution du marqueur Distinguer les différents marqueurs Définir un plan par segment

22 Suivre l évolution du marqueur Surtout les marqueurs techniques +++ Surtout les marqueurs techniques +++ Suivre d une image sur la suivante Attribuer le même nom au marqueur d une image sur l autre Occultation Complète (aucune caméra) Partielle (perte par 1 caméra reprise par une autre) Robustesse identification du marqueur

23 Marqueurs passifs Identifier le marqueur Suivre l évolution du marqueur Distinguer les différents marqueurs Définir un plan par segment

24 Distinguer les différents marqueurs sur une image Alignement de marqueurs / axe de la caméra Marqueurs proches Nappe de marqueurs (visages) 3 petits (4mm) marqueurs sur un petit segment (phalange)

25 Et quand il y en a 150 à 1cm de distance

26 Marqueurs passifs Identifier le marqueur Suivre l évolution du marqueur Distinguer les différents marqueurs Définir un plan par segment

27 Définir un plan par segment Petits segments 3 marqueurs / trièdre Relier les plans entre eux Marqueurs anatomiques Définition des centres articulaires (modèles anatomiques) Simplifications biomécaniques Les plans sont rigides (corps indéformables) Les liens sont des rotules (3DDL) Chaque plan = 1 repère orthonormé Angles d Euler pour exprimer la rotation d un plan (segment) par rapport au plan adjacent (on non) Angle articulaire

28 Simple avec peu de marqueurs M techniques M anatomiques 28

29 Plus compliqué si beaucoup On utilise les axes d inertie du nuage de points

30 Rotations de l épaule et du coude pendant le mouvement de toucher de la nuque FLEXION COUDE ( ) FLEXION EPAULE ( ) TEMOIN MOUVEMENT NORMALISE (%) ANGLES EPAULE ( ) TEMOIN FLEXION ABDUCTION ROTATION MOUVEMENT NORMALISE (%)

31 Marqueurs passifs Avantages Aucune limitation de nombre de marqueurs Seule méthode permettant de travailler sur le bruit induit par les mouvements de peau / mouvements de l os Grande facilité de mise en œuvre Liberté totale du mouvement Fiabilité Mouvement standardisé Configuration multi capteurs (EMG, capteurs de force) Inconvénients Coût élevé des caméras (fréquence, sensibilité) Mouvement non écologique (en laboratoire)

32 Utilisation multicapteurs 300 Phase d'appui A Phase oscillante Flexiondugenou( ) Soleus Rectus femoris

33 Systèmes optiques à marqueurs actifs Avantages Aucun problème de visualisation des marqueurs Coût (caméras simples) Simplicité de mise en œuvre Inconvénients Fils l alimentation Porter la source d énergie : non développé Limitation du nombre de marqueurs Action limitée sur les mouvements de peau (limitation du nombre de marqueurs)

34 Systèmes à ultrasons Marqueurs émettent des US pulsés Système de microphone Avantages Facilité mise en œuvre Coût Inconvénients Précision 2-3mm Distance des micros Mouvements de faible amplitude Limitation du nombre de marqueur Pas d action sur les mouvements de peau

35 Systèmes magnétiques Récepteurs actifs (depuis peu alimentation portable) Le champ puissant Position Orientation 3D Pulses rectangulaires (AC) Pulses sinusoïdaux (DC) Receveur actif 3 bobines orthogonales Volume initial réduit Depuis peu Volume important

36 Systèmes magnétiques Avantages Portabilité (récente mais lourdeur du marqueur autoalimenté) Précision excellente Simplicité Un marqueur par segment Inconvénients Comportement non linéaire (bords de champ) Pas d occultation mais déviation du signal par toute masse métallique ou champ électrique Pas d action sur les mouvements de peau

37 Les jauges de déformation Capteur simple Uni ou bi directionnel Variation de la tension de sortie en fonction de la déformation Capteur d étirement (dilatation d un segment: thorax) Capteur de torsion: goniomètres

38 Les jauges de déformation Avantages Cout très faible Simplicité Rapidité de mise en œuvre Donnée angulaire directe Bonne précision Inconvénients Valeur relative de l angle Reproductibilité? Validité? Littérature contradictoire Bonne reproductibilité pour Paquet (Spine 1991) Mauvaise validité pour Christensen (J manipulative ther 1999)

39 Les nouveaux capteurs de mouvement Issus des travaux de miniaturisation et des nanotechnologies Accéléromètres couplés à des magnétomètres Gyroscopes (très couteux mais redoutablement précis) Problème d alimentation Capteur idéal!! Pas de champ magnétique Pas de caméra Algorithmes de traitement du signal accélérométrique double intégration Problème de référence (magnétomètre associé)

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41 Erreurs de mesure en analyse du mouvement Erreurs instrumentales Performance du capteur Performance de définition de la position dans l espace (algorithme) Erreurs expérimentales Occultation de marqueurs Mouvements des marqueurs 41

42 Erreurs instrumentales Dufour et Godillon-Maquinghen 1999: 0,44mm Avec des caméras < 0,3 Mpix Actuellement caméras entre 1 et 12 Mpix

43 Erreurs expérimentales Perte de marqueurs (occultation) Minimum de 2 caméras Correction Interpolation naïve (position et vitesse du marqueur) Méthode de Ménardais (2001) (distance avec les marqueurs voisins) Mouvements de peau Rôle des marqueurs techniques/ marqueurs anatomiques 3 marqueurs techniques par segment Mouvements relatifs des marqueurs entre eux Mouvement par rapport à l os siège des axes de rotation 43

44 Contrôle du glissement de peau Solution absolue: Broche dans l os (Capozzo et al 1996 au membre inférieur, Mac Clure 2001 au membre supérieur) Erreur maximum: 40 mm au membre inférieur Glissement > à proximité des articulations Erreur de 6 à 28 pour le fémur et de 4 à 10 pour le tibia Amplitude de flexion du genou: 60 à la marche Amplitude de flexion de hanche: 30 à la marche Erreur maximum sur les rotations axiales. 44

45 Cappozzo et al

46 Contrôle du glissement de peau Glissement relatif des marqueurs De Cappozzo on déduit: Ne pas se fier aux marqueurs anatomiques lors du mouvement: peuvent être utilisés au repos Placer les marqueurs techniques à distance des articulations Les marqueurs techniques doivent constituer un corps rigide (comparable à l os) Sur une plaque indéformable solidarisée à la peau Inconvénient: perturbe le mouvement ( Andriachi et Alexander 2000) 46

47 Contrôle du glissement de peau Glissement relatif des marqueurs Andriachi et al 1998 proposent: Un groupe de marqueur Une matrice d inertie de ce groupe I(t) La position du groupe = position du centre d inertie C(t) du groupe Son orientation exacte est liée à: Mvt absolu des marqueurs + Mvt relatif des marqueurs (glissements relatifs) Chaque marqueur a une masse entre 0 et 1 qui sont les paramètres de l optimisation de I(t) au cours du mouvement. Ces paramètres sont alors pris comme référence Veldpauss 1988 propose une minimisation par rapport à la valeur de Ia matrice d intertie du nuage de points à T=1 Cheze et al 1995 Solidification m marqueurs >3 Sélection des 3 marqueurs dont la variation relative de distance est minimale au cours du mouvement. Définition d un triangle de référence On suit l évolution de ce triangle seulement 47

48 Contrôle du glissement de peau Glissement des marqueurs / l os Schmidt et al 1999 Sur le mvt de l avant bras Excès de rotation et désaxation Réalisation par 2 mouvements «purs» de flexion extension et de prono-supination Correction de la matrice de rotation réelle par la matrice de rotation pure et de flexion par celle de flexion pure Limite: nécessite de réaliser pour chaque sujet et pour chaque articulation des mouvements supplémentaires: non réalisable Lu et O Connor 1999 Optimisation globale Optimisation de la matrice d inertie en fonction de Contraintes articulaires De la matrice initiale en statique 48

49 Résultats correction mouvements de peau Méthode Lu et O Connors, modifiée par Roux Correction des aberrations Abduction/Adduction de l'avant bras Sans et avec optimisation Flexion du coude Avec et sans optimisation Mouvement normalisé Mouvement normalisé 49

50 Résultats correction mouvements de peau Méthode Lu et O Connors, modifiée par Roux Correction des amplitudes Flexion épaule ( ) Elévation latérale Membre supérieur gauche Membre supérieur droit 180 Après Optimisation 160 Avant Optimisation Mouvement normalisé

51 Conclusion Correction des aberrations utilisant un modèle classique Augmentation de la fiabilité des mesures Augmentation de la reproductibilité de la mesure Applicable facilement sur des os longs mais quelle efficacité sur mouvement d os difficilement accessibles comme la scapula? 51

52 Problème des axes articulaires 52

53 Détermination des axes articulaires La méthode des marqueurs anatomiques Pas de calcul d axe mais un positionnement simple Considérés au cours du mouvement: erreurs +++ Considérés en statique: permet un recalage efficace Mais Un seul centre de rotation Une mécanique simple de rotation axiale Variation du positionnement manuel Interindividuel Intra-individuel Inter-examen 53

54 Détermination des axes articulaires Méthodes de calcul Un mouvement itératif de flexion ou de circumduction Calcul de L axe de vissage moyen (axe hélicoïdal) Rotation + translation Méthode du moindre mouvement Halvorsen 1999 Minimisation pour que tout marqueur tourne autour du même axe ou du même centre de rotation Limite: si peu de mouvements par rapport à l axe (peu de mvt de peau) Méthode: Recalage de plan, cercles ou sphère au nuage de point au cours du mouvement Complexe pour les patients douloureux ou limités en force 54

55 Détermination des axes articulaires Que veut dire 1 axe articulaire? 2 sujets ont-ils des axes similaires? Quelle forme appliquer pour modéliser 55

56 Surfaces articulaires: quadriques Les quadriques Dans l espace Coniques dans le plan Plus adaptées aux surfaces articulaires 56

57 57

58 Ecart centre articulaire vrai et calculé Mean E Gamage % % Bias % % SCoRE % % NM % % HA % % S 58

59 Conclusions Les méthodes mathématiques employées pour corriger les mouvements de la peau relativement à ceux de l os, sont insuffisante pour décrire la réalité anatomique De nouvelles méthodes de calcul doivent être développées.

60 Comment faire des calculs de force au niveau des articulations

61 PLATE-FORME DE FORCE kistler AMTI un plateau supérieur en contact avec le sujet, surface plane et horizontale un ensemble de points d appui avec le sol sur lesquels se réfléchissent les forces agissant sur le plateau des capteurs de forces mesurant des forces en chacun des points d appui

62 PLATE-FORME DE FORCE 2 types de capteurs Capteurs piézo-électriques Jauges de contraintes

63 CAPTEURS Capteurs piézo-électriques Propriété que possèdent certains corps de produire un courant sous l action d une force mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu on leur applique un champs électrique Ex. 1 quartz de 1 cm3 soumis à 1 force de 2kN peut produire V Jauges de contraintes Elles reposent sur le principe d un fil qu on déforme. Par traction ou compression, le fil devient plus ou moins long par rapport à son état de repos. Cette variation de longueur modifie la résistance électrique du fil. Cette variation de résistance est mesurée entre l état de repos et l état sous contrainte.

64 DONNÉES À chaque instant, on dispose : les composantes Fx, Fy, Fz de la force exercée sur la plate-forme, les composantes Mx, My, Mz du couple correspondant, les composantes ax, ay du point d application de la force. Y 4 X 4 Z 4 O Y 1 Z 1 X 1 X Y 3 X 3 I Y 2 X 2 Z 3 Z 2 Y Z

65 MESURE Signaux analogiques V Sol sec Convertisseur analogique/numérique Signaux numériques

66 3 bits 4 bits 4 bits CONVERTISSEUR ANALOGIQUE/NUMÉRIQUE Plus on augmente la fréquence d échantillonnage et le nombre de bits, meilleur est le résultat Fc = 1080 Hz Nb bit = 12

67 FORCES D APPUI DURANT LA MARCHE N.kg -1 Force latérale d appui 2 1 Force suivant l axe médial % -1 appui Force suivant l axe latéral oscillation

68 FORCES D APPUI DURANT LA MARCHE N.kg -1 2 Force antéro/postérieure d appui Propulsion % -1-2 appui oscillation Freinage

69 FORCES D APPUI DURANT LA MARCHE Force verticale d appui N.kg -1 Surcharge appui oscillation Propulsion Pied à plat 2 1 Amortissement % Quelles sont les forces aux articulations?

70 DYNAMIQUE DIRECTE ET INVERSE 2 méthodes pour aborder l analyse des mouvements humains si l homme est assimilé à un système mécanique poly-articulé Dynamique directe Origine du mouvement : forces musculaires supposées connues Conséquence du mouvement : accélérations segmentaires recherchées Dynamique inverse Origine du mouvement : forces musculaires inconnues Conséquence du mouvement : déplacements segmentaires mesurés

71 DYNAMIQUE INVERSE Détermination des forces et des moments musculaires connaissant les accélérations linéaires et angulaires des segments corporels, les masses, les inerties, les positions des centres de gravité Lois de Newton-Euler F r ext Force extérieure m Masse a r Accélération F r ext r M r F ext = r ma = Iα r Mr F ext I α Moment de la force extérieure Moment d inertie Accélération angulaire

72 DONNÉES NÉCESSAIRES À LA DYNAMIQUE INVERSE Mesures anthropométriques Mesures vidéographiques Mesures dynamométriques Tables anthropométriques Système optoélectonique Plate-forme de force Masse, longueur, inertie Position, vitesse, accélération Force de réaction au sol Point d application des forces Modèle biomécanique Equations Newton-Euler Forces articulaires Moments articulaires Puissances articulaires

73 ÉTAPES DE LA DYNAMIQUE INVERSE Modèle de chainons Diagramme de corps libre Cuisse Identification des forces et moments R r sol r F J / P Jambe J / P r = F P / J Equations de Newton-Euler C r sol/ P Pied r C J / P r = C P / J 3 ème loi de Newton Calcul des forces et moments articulaires P r P r r r r PP + Rsol + FJ / P = mpa P r r r r r C + C + Mr + Mr + Mr = I α sol/ P J / P R P F p p sol P J / P

74 ÉTAPES DE LA DYNAMIQUE INVERSE Modèle de chainons 3 ème loi de Newton Diagramme de corps libre Identification des forces et moments Equations de Newton-Euler Calcul des forces et moments articulaires r F P r J F r C r P / J P / J r = F r r F C/ J r J / C Crr = Cr F F FC / J Jambe r r r r PJ + FP / J + FC/ J = mja J r r r r r C + C + Mr + Mr + Mr = I α P / J C / J F P F J J J/ C P / J J C / J

75 ÉTAPES DE LA DYNAMIQUE INVERSE Modèle de chainons Diagramme de corps libre Identification des forces et moments Equations de Newton-Euler C r J / C F r J / C F r B/ C P r C r Cr F B / C Cuisse 3 ème loi de Newton Calcul des forces et moments articulaires r r r r PC + FJ / C + FB/ C = mcac r r r r r C + C + Mr + Mr + Mr = I α J / C B/ C F P F C C J / C C B / C

76 MOMENTS ARTICULAIRES DURANT LA MARCHE N.m.kg Ext. Moment articulaire de la hanche N.m.kg Ext. Moment articulaire du genou 0 0 % % Flex. Flex. -1 appui oscillation -1 appui oscillation N.m.kg Moment articulaire de la cheville 1 Flex. 0 % appui oscillation

77 PUISSANCES ARTICULAIRES DURANT LA MARCHE P = Mω P Puissance articulaire (W) M Moment articulaire (Nm) ω Vitesse angulaire (rad.s -1 )

78 PUISSANCES ARTICULAIRES DURANT LA MARCHE W.kg -1 Puissance articulaire de la hanche W.kg -1 Puissance articulaire du genou 1 Gen. Gen Abs % % Abs. appui oscillation -1 appui oscillation

79 PUISSANCES ARTICULAIRES DURANT LA MARCHE W.kg -1 Puissance articulaire de la cheville 3 Gen Abs. % appui oscillation

80 Conclusions La mesure des forces au sol permet, en connaissant l inertie de chaque partie du corps, de calculer les efforts s exerçant entre chaque corps rigide. L utilisation de ces mesures doit être faite avec circonspection car elles sont très sensibles à la position du centre réel de l articulation Possibles erreurs si imperfection de la position du marqueur anatomique pendant le mouvement