Mesure de la marche et du mouvement

Mesure de la marche et du mouvement Olivier Rémy-Néris Mathieu Lempereur Sylvain Brochard CHRU de Brest INSERM U650 olivier.remyneris@chu-brest.fr

Synopsis Connaitre les différents moyens d analyse quantifiée du mouvement Savoir reconnaitre une marche normale au niveau des articulations, des muscles, des forces au sol Savoir mettre en relation les anomalies cinématiques et électromyographiques Connaitre les principales limites des mesures et les grands moyens de correction

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

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 ) Les paramètres cinématiques (angles), dynamiques (forces) et électromyographiques

Mesurer le mouvement Ne peut dispenser d un examen clinique Précis Quantifié Doit correspondre à une stratégie Transmission d information Diagnostic Evolution Spontanée (maladie chronique) Secondaire à un traitement

LES CAPTEURS

CAPTEURS DE PERFORMANCE

Tapis de marche et autres dispositifs Mesure des paramètres spatiotemporels de la marche (+/- des appuis) 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 (+ récent, - d informations)

Variables spatio-temporelles Vitesse de marche (dépend de l âge) Cadence Durées appui (60% du cycle) Double appui 10% Simple appui 40% phase oscillante (40%) Longueur du pas à mettre en rapport avec cadence

Exemple de paramètres spatio-temporels Douleur Après MPR Norme Gauche Droite Gauche Droite Cadence 52.4 51.1 51.1 55.4 55.4 Duree 1.15 s 1.17 s 1.19 s 1.09 s 1.08 s Duree Dbl App apr POD 0.16 s 0.19 s 0.19 s 0.18 s 0.18 s Duree Dbl App apr POG 0.15 s 0.24 s 0.24 s 0.18 s 0.18 s Duree Rel Dbl App apr POD 13.6 % 15.8 % 15.8 % 16.5 % 16.5 % Duree Rel Dbl App apr POG 13.0 % 20.4 % 20.4 % 16.3 % 16.3 % Duree Relative Simple Appui 36.9 % 25.0 % 39.8 % 35.1 % 35.3 % Duree Simple Appui 0.42 s 0.29 s 0.47 s 0.38 s 0.38 s Largeur du Pas 0.16 m 0.16 m 0.20 m 0.15 m 0.14 m Longueur Enjambee 1.26 m 0.91 m 0.91 m 1.06 m 1.05 m LongueurPas 0.63 m 0.49 m 0.42 m 0.54 m 0.51 m Vitesse 1.10 m/s 0.77 m/s 0.77 m/s 0.97 m/s 0.97 m/s

Capteur énergétique Analyse des gaz expirés Système embarqué (circuit ouvert) : turbine et capteur instantané. Système fixe (circuit fermé) : beaucoup plus précis car mesure de la consommation sur un volume d air Consommation d 0² Analyse globale de la performance du mouvement

CAPTEURS SEGMENTAIRES

De quoi parle-t-on? Mettre en équation le mouvement des segments de membre Utiliser un système de mesure Rendre intelligible à des cliniciens les données calculées

Description du segment Position et orientation dans l espace Capteur donnant position et orientation: US, électromagnétique (++) Avantage: un capteur par segment de membre Inconvénient: rapport inconnu aux structures osseuses sous jacentes Capteur donnant uniquement sa position: marqueur Actif: le capteur émet un signal (lumière) Passif: le capteur réfléchi un signal (lumière) Capteur donnant son orientation et son mouvement (gyroscope+accéléromètre): Avantages: très précis et performant Inconvénients: donne uniquement le mouvement relatif des capteurs entre eux, pas de notion de positions, pas de relation avec la structure osseuse sous jacente Activité musculaire EMG de surface EMG intramusculaire (fils)

Eléments à connaitre pour la description cinématique Définition: la mesure cinématique est la mesure des déplacements dans l espace. En biomécanique humaine elle peut correspondre Au déplacement d un point du corps À une variation angulaire (déplacement relatif de deux segments) Le repère spatial: global (laboratoire), local (un segment) Les modèles biomécaniques Les modèles anatomiques Les modalités de la mesure Les limites de la mesure

Les repères et le modèle anatomique Un mouvement se décrit par rapport à un espace orienté par un repère Le repère est constitué d une origine et d axes perpendiculaires pour décrire l espace à 3 dimensions L origine est un point fixe de l espace de mesure Le repère local est lié à chaque segment de membre. Il est lié à des points précis : points anatomiques. L ensemble des points anatomiques constitue le modèle anatomique. Ce modèle anatomique sert donc à identifier et lier un repère à chaque segment du corps. Il est défini par des études sur cadavres (limite par rapport au vivant) Il existe plusieurs modèles anatomiques du corps humain

Le modèle biomécanique Il fixe les relations mécaniques entre les segments Segments rigides Segments liés entre eux en un point : articulation de type rotule (sphère) Il reprend les éléments du modèle anatomique pour définir les moyens de définir les points anatomiques

La procédure de mesure cinématique Poser des marqueurs qui donnent l orientation d un segment dans l espace Un seul marqueur électromagnétique Au moins trois marqueurs pour un système optique Ajuster au sujet le modèle anatomique Repérer les points anatomiques Par un marqueur (ou un pointeur pour les systèmes électromagnétiques) s ils sont directement palpables: condyle, malléole Ces points permettent d une part de lier un repère au segment mais aussi à trouver le centre de rotation Par une procédure si non palpables ex: centre de la tête humérale Équation de régression (acromion) Méthodes fonctionnelles (utilisation de l enregistrement de mouvements de marqueurs plus distaux)

Un système de mesure

Informations obtenues: cinématique Les données spatio-temporelles (calcul par extraction de position) Des angles Par dérivation Vitesses Accélérations

Electromyogramme Enregistrement de l activité musculaire Electrodes de surface le plus souvent Aucun calcul (signal brut) Traitement possible : enveloppe

Temps d activation Mise en correspondance Informations obtenues : EMG Type d activité Normale Pathologique

Informations obtenues: EMG Tout calcul en comparaison nécessite une normalisation Contraction maximale (pas de sens chez certains patients Activité maximum par exemple au cours du cycle Indice de co-contractions 0.28 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 Lente Rapide Confortable Vitesse Indice de co-contractions 0.28 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.08 A B C 0.06 0.06 Lente Rapide Lente Rapide Confortable Confortable Vitesse Indice de co-contractions 0.28 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 Vitesse

CAPTEUR DE MESURE DES FORCES EXTERNES

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

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 Y Z Z 2

Mesure Signaux analogiques V Sol Sec Convertisseur analogique/numérique 0 1 1 0 1 0 1 0 Signaux numériques

N.kg -1 2 Enseignement National DES DIU de Médecine Physique et de Réadaptation Forces mesurées sur les plateformes Force latérale d appui 1 Force suivant l axe médial 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % -1 appui Force suivant l axe latéral oscillation

Forces mesurées sur les plateformes N.kg -1 2 Force antéro/postérieure d appui Propulsion 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % -1-2 appui oscillation Freinage

Forces mesurées sur les plateformes Force verticale d appui N.kg -1 Surcharge appui oscillation 11 10 9 8 7 Propulsion 6 5 4 3 2 1 0 Pied à plat Amortissement 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % Quelles sont les forces aux articulations?

Moments calculés aux articulations N.m.k 1 g -1 Ext. Moment articulaire de la hanche N.m.k 1 g -1 Ext. Moment articulaire du genou 0 Flex. -1 0 % % 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 0 Flex. appui 1.5 N.m.k g -1 oscillation Moment articulaire de la cheville -1 appui oscillation 1 Flex. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 % 10 0 appui oscillation Les moments sont le reflet de l équilibre musculaire (agonistes-antagonistes du plan considéré ) au niveau de l articulation

Puissances calculées aux articulations P M P Puissance articulaire (W) M Moment articulaire (Nm) Vitesse angulaire (rad.s -1 )

Puissances calculées aux articulations W.kg -1 1 Gen. Puissance articulaire de la hanche W.kg -1 Gen. 0.5 Puissance articulaire du genou 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 % Abs. 0-0.5 appui oscillation 0 Abs. -1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 % 10 0 appui oscillation W.kg - 1 3 Gen. 2 1 0 Abs. -1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10% 0 appui oscillation Les puissances sont le reflet des échanges d énergie élastique

SAVOIR RECONNAITRE UNE MARCHE NORMALE

Cinématique normale: membre inférieur plan sagittal Marche Normale

Cinématique normale : bassin Marche Normale

EMG normal: proximal Marche Normale

EMG normal: distal Marche Normale

Dynamique normale Force latérale Force antéropostérieure Force verticale Marche Normale

SAVOIR METTRE EN RELATION CINEMATIQUE ET EMG

Marche normale Mettre en relation Mettre en relation

Marche pathologique Mettre en relation

Marche pathologique Mettre en relation

CONNAITRE LES LIMITES DE LA MESURE DU MOUVEMENT

Modèle anatomique Erreurs de calcul Définition du centre articulaire: les moyens de définition sont multiples et comportent parfois de très grosses variabilité (plusieurs cm) Définition des repères locaux: les points anatomiques sont des compromis pour repérer au mieux un axe de rotation articulaire Si le centre articulaire n est pas simplement lié aux points servant à définir le repère local, des lois de relation entre les deux doivent être définies et validées Modèle biomécanique Segment rigide Articulation de type rotule : suppose un seul centre de rotation ce qui est manifestement faux: la forme des articulations n est pas sphérique (sauf pour la hanche) Limites

Erreurs de mesure Erreurs instrumentales Performance du capteur Performance de définition de la position dans l espace (algorithme) Erreurs expérimentales Occultation de marqueurs Mouvements des marqueurs Limites 46

Erreurs instrumentales Dufour et Godillon-Maquinghen 1999: 0,44mm Avec des caméras < 0,3 Mpix Actuellement caméras entre 1 et 40 Mpix Limites

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 2 types d erreurs Mouvements relatifs des marqueurs entre eux Mouvement par rapport à l os siège des axes de rotation Rôle des marqueurs techniques/ marqueurs anatomiques 3 marqueurs techniques par segment Limites 48

Contrôle du glissement des marqueurs/l os 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. Limites 49

Méthodes de correction Mouvements relatifs des marqueurs Solidification (physique et mathématique) par rapport à une position de référence Mouvements par rapport à l os Nombreuses propositions Pas de consensus Limites

Abduction/Adduction de l'avant bras Flexion du coude Enseignement National DES DIU de Médecine Physique et de Réadaptation Résultats correction mouvements de peau Méthode Lu et O Connors, modifiée par Roux Correction des aberrations 15 Sans et avec optimisation 180 Avec et sans optimisation 10 5 160 140 120 0 100 80-5 60-10 40 20-15 0 20 40 60 80 100 Mouvement normalisé 0 0 20 40 60 80 100 Mouvement normalisé Limites 51

Conclusion L exploration de la marche peut être faite En performance En contenu biomécanique L approche biomécanique présente une opportunité pour comprendre certains éléments physiologiques, les anomalies, les variations De nombreuses limites méthodologiques existent Une interprétation contextuelle des observations biomécanique est nécessaire 52

Merci de votre attention