Dynamique inverse CH V

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1 Dynamique inverse CH V

2 0.377H 0.465H 0.630H H 0.818H 0.870H 0.936H 0.285H 0.520H 0.520H Anthropométrie (Winter, Allard & Blanchi) Longueurs segmentaires 0.130H Centres de masse 0.129H 0.259H 0.186H 0.146H 0.108H Masses segmentaires HAT = H Largeur du pied : 0.055H Longueur du pied : 0.152H

3 Dynamique inverse : Cinématique (déplacements, vitesses, accélérations Moment musculaire résultant Anthropométrie (longueur, masses, CdG, moments d inertie) DI Force articulaire de compression Cinétique (Force et Moment externes) Force articulaire de cisaillement

4 Dynamique inverse : Moment musculaire résultant : somme vectorielle des moments de force développés par chaque muscle agissant autour d une articulation. Force articulaire de compression : composante verticale de la force de réaction articulaire. FComp Force articulaire de cisaillement : composante horizontale de la force de réaction articulaire. M triceps M biceps FCis M Res

5 Les étapes de la dynamique inverse

6 Net muscle power (W) Net muscle moment (N m) Angular velocity (rad s -1 ) Angle (rad) Moment résultant estimé par dynamique inverse Hip Knee Ankle Stance Swing Stance Swing Stance Swing Flexion Extension Flexion Extension Flexion Extension 40 Extensor 20 Extensor 10 Extensor Flexor -10 Flexor -50 Flexor Eccentric Concentric % of cycle duration % of cycle duration % of cycle duration

7 Puissance : Notion de puissance : la puissance correspond à la quantité de travail fournie par unité de temps (unité, Watts (W)) : W P W P t t Pour des mouvements linéaires, la puissance (d une force) est égale au produit de l intensité de cette force par la vitesse : P = F v Pour des mouvement angulaires, la puissance (d un moment de force) est égale au produit de l intensité de ce moment par la vitesse angulaire : P = M ω

8 Notion de rendement : Rendement brut : Rendement net : Rbrut Travail produit Energie dépensée Rnet Travail produit Energie dépensée Energie de repos Rendement apparent : Rapp Travail produit Energie dépensée Energie vide

9 That s all

10 Dynamique inverse : Objectif : Estimer le moment musculaire et l effort de réaction à une articulation i connaissant la cinématique des segments corporels et les efforts appliquées à l extrémité distale du système pluri articulé. O 3 α 3 Fy? 4 O 4 α 4 O 2 α 2 F α Fx? 4 O 1 M? 4

11 Moment résultant estimé par dynamique inverse (Accélérations : Cahouët et al. 2002)

12 Estimation indirecte des efforts musculaires Moments agoniste et antagoniste en combinant l utilisation de l EMG et de l optimisation numérique (Amarantini & Martin, 2004; Centomo et al. 2007; Rao et al, soumis)

13 la co-contraction C est un phénomène de contraction simultanée des muscles agoniste(s) et antagoniste(s), nécessaire (stabilisation de l articulation, et homogénéité des pressions internes) mais entraînant un supplément de dépense énergétique (E). M biceps M triceps

14 Protocole : 9 sujets Piétinement Enregistrements : Electromyographie (Myodata, 1024 Hz) Fléchisseurs (GA, BF) Extenseurs (RF, VM) Cinématique (Selspot, 400 Hz) Pied Jambe Cuisse Réaction au sol (AMTI, 200 Hz) Rx, Ry Mz

15 Conditions Isométriques Estimation des moments Quel que soit le niveau de force Quelle que soit l activité musculaire

16 Conditions dynamiques Correspondance entre : MG et Amplitude maximale «réaliste» Mˆ G Respect de la convention de signes

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19 Moments agoniste et antagoniste en combinant l utilisation de l EMG et de l optimisation numérique (Application(s) clinique(s) : Centomo et al. 2007)

20 Estimation indirecte des efforts musculaires Forces musculaires isométriques en contraignant l optimisation par l EMG (Vigouroux et al., 2007)

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23 Estimation indirecte des efforts musculaires Forces musculaires en conditions dynamiques (Buchanan et al., 2004, 2005 ; Seth & Pandy, 2007)

24 Tâche : 9 sujets 11 squats (0.5Hz) Charge : 20% PC (Rao et al., sous presse) Matériels : Electromyographie (Biopac, 1000Hz) Fléchisseurs (GA, BF) Extenseurs (RF, VM) Cinématique (Vicon, 120Hz) Force de réaction (AMTI, 1000Hz)

25 Estimation des moments résultants : Système pluri-articulé de 4 segments Paramètres anthropométriques (Zatsiorsky and Seluyanov, 1983) Dynamique inverse : 2 M A θ θ B θ θθ C θ θ G θ Estimation des moments agoniste et antagoniste : (Amarantini & Martin, 2004) M ˆ G find: t M ˆ t M ˆ t G Ext. G Fléch. pi EMG Δθ θ& w t i i t 1 E E fci,fc, p, w,, that minimize: 2 G G 1 min Mˆ M 2 t 0 et 0 with: 1 w 0 Mˆ 0 et Mˆ G Flech. G Ext. 0

26 Estimation des forces musculaire Optimisation min-max combinée à l utilisation de l EMG Critère : Contraintes : PCSA & et bras de levier des muscles : Visser et al. (1990)

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28 500 Classical minimax optimization 500 EMG-assisted minimax optimization Knee extensor muscles Knee flexor muscles force (N) force (N) Rectus Femoris 100 Vastus Medialis Vastus Intermedius Vastus Lateralis time (% cycle) 10 Biceps Femoris Longus Biceps Femoris Brevis Gastrocnemius Semimembranous 5 Semitendinosus force (N) force (N) time (% cycle) time (% cycle) time (% cycle)

29 Travail et énergie : Pour des mouvements linéaires, le travail d une force est égal au produit de cette force par le déplacement dans le sens de la force : W = F d F est l intensité de la force d est la valeur du déplacement créé selon la direction et le sens de la force. Pour des mouvements angulaires, le travail d un moment de force est égal au produit de ce moment par le déplacement angulaire : W = M θ M est l intensité du moment de force est la valeur du déplacement angulaire.

30 E met = VO 2 Eq energ O2 Eq energ O2 = équivalent énergétique de l O 2 C est la quantité d énergie libérée chaque fois qu on «brûle» 1 litre d O 2. L équivalent énergétique de l O2 varie en fonction du QR utilisation de tables du QR

31 Équivalent énergétique de l O 2 Eq energ O2 = 5,2 kcal / l = 21,7 kj / l si QR = 1 (1kCal = 4,18 kj) Eq energ O2 = 5,086 kcal / l = 21,25 k J / l si QR = 0,9 Eq energ O2 = 4,971 kcal / l = 20,77 kj / l si QR = 0,8 Eq energ O2 = 4,854 kcal / l = 20,29 kj / l si QR = 0,7

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33 Puissance et mode de contraction musculaire : Puissance = 0 isométrique Puissance > 0 concentrique Puissance < 0 excentrique

34 Electromyographie (surface / aiguille) : Indicateur de l activité musculaire ON / OFF Effet(s) fatigue / entraînement Analyse fréquentielle Ne donne pas l intensité de la force musculaire

35 Activité d'une unité motrice vs. EMG Unité motrice : Moto-neurone de la moelle épinière. Axone (ou fibre nerveuse). - Moto-neurone fibre musculaire. - Inclus dans un nerf. Fibres musculaires adjacentes. Jonction neuro-musculaire.

36 Activité d'une unité motrice vs. EMG La zone de dépolarisation peut être assimilée à un dipôle électrique en déplacement : Partie avant : concentration de charges positives (entrée d'ions +). Partie arrière : concentration de charges négatives (sortie d'ions -). + Dipôle capté par une électrode. Enregistrement d une différence de potentiel = EMG

37 Activité d'une unité motrice vs. EMG Potentiel capté en provenance d'une fibre Positions successives du dipôle par rapport à l'électrode : 1. distance(+) ~ distance(-) V ~ distance(+) < distance(-) V > distance(+) ~ distance(-) V ~ distance(+) > distance(-) V < distance(+) ~ distance(-) V ~ 0.

38 Activité d'une unité motrice vs. EMG Potentiel capté en provenance d'une fibre Variation du potentiel au cours du temps : V 0 mv T

39 Enregistrement du signal EMG Préparation de la peau : objectifs Réduire les artéfacts inhérents à l EMG Améliorer la conductivité Préparation de la peau : méthode Rasage Ponçage Nettoyage à l alcool Séchage Mesure de l impédance < 5 k

40 Signaux myoélectriques Sommation de signaux provenant de nombreuses fibres musculaires. Voyagent jusqu'à la peau Tissus graisseux (derme). Couche superficielle (épiderme). Électrodes de surface (semg). Le type le plus courant. Utilisées en clinique pour examens rapides, en réhabilitation, interfaces neuroélectriques et prothèses. Utilisées en recherche pour étude du mouvement (contrôle moteur, biomécanique). Electrodes à gel, sèches, actives

41 Skin Tendon Nerve Electrode Muscle Electrode Raw EMG Signal Tendon

42 Exemple

43 Activité agoniste et antagoniste De Luca 1985

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45 Enregistrement du signal EMG

46 Traitement du signal EMG Traitement du signal EMG brut d un essai Rectification. Normalisation d'amplitude. Filtrage / Lissage. Moyennage et intégration par intervalle de temps (bin). RMS EMG. Analyse de fréquence (FFT). Traitement de signaux EMG brut d enregistrements répétés Moyennage. Normalisation temporelle ou d'amplitude.

47 Signal propre EMG rectifiée

48 LEFT RIGHT RF RF HS HS AT AT G/S G/S % stride TO % stride TO

49 LEFT RF V %Max Activity % Max Activity Value = 75 mv TO % stride 100 Magnitude At time 0:16 Freq = 133 Hz Frequency (Hz) Time (ms)

50 Potentiels d action De Luca 1982

51 Traitement du signal EMG ANALYSE DE FOURIER (FFT) Objectif : Obtenir la distribution en fréquence par une transformée de Fourier rapide (FFT). Avantage : signature caractéristique des muscles. Fréquence moyenne : Fréquence proportionnelle à la vitesse de conduction Fréquence médiane : Fréquence qui partage en 2 le spectre de fréquences

52 Evolution de l EMG avec la fatigue Au cours d une contraction isométrique fatigante, la fatigue se traduit par : Une augmentation de la puissance totale du spectre Un déplacement vers les basses fréquences

53 Evolution de l EMG avec la fatigue La diminution des fréquences moyenne et médiane est liée à une diminution de la vitesse de conduction au niveau des fibres musculaires. Cette diminution est fonction de la typologie des fibres, elle est d autant plus grande que le muscle est riche en fibres rapides.

54 Evolution de l EMG avec la fatigue Exemple : modification de l amplitude RMS du signal EMG des muscles fléchisseurs du coude au cours d une contraction isométrique à 50% de la force maximale volontaire. Maintien d un plateau isométrique à 50% du maximum RMS augmente pour maintenir le même niveau de force

55 Evolution de l EMG avec la fatigue FATIGUE Augmentation des amplitudes des EMG et apparition de tremblements plus importants au niveau des muscles du poignet.

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57 EMG et Parkinson

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