La biomécanique et l’analyse de la marche

La biomécanique et l’analyse de la marche

L’étude du mouvement

La biomécanique est une discipline scientifique qui étudie les systèmes vivants, comme le corps humain, à l’aide de méthodes d’ingénierie mécanique. Plus précisément, c’est l’application de la mécanique Newtonienne à l’étude du système neuro-musculairesquelettique. Elle le décrit, l’analyse et l’évalue alors qu’il effectue une habileté motrice. On peut qualifier la biomécanique d’interdisciplinaire dans la mesure où elle se base sur des savoirs qui proviennent de la physique, des mathématiques, de la physiologie, de l’anatomie, et bien d’autres. Les variables qui sont utilisées dans une analyse du mouvement peuvent être catégorisées ainsi : cinématique, cinétique, anthropométrie, mécanique des muscles et électromyographie (Winter, 2009). La cinématique, qui nous intéresse particulièrement dans ce travail de recherche, étudie les mouvements des corps, indépendamment des forces qui les causent. La description géométrique des mouvements comprend des termes de déplacements linéaires et angulaires, de vitesses et d’accélérations. La cinétique pour sa part indique l’étude des forces internes et externes, des moments, des masses et des accélérations, mais sans détail sur la position ou l’orientation des objets impliqués. La marche étant un processus mécanique réalisé par un système biologique, il est tout à fait approprié de l’étudier selon une telle approche biomécanique (Whittle, 2007).

Dans une lettre de l’Observatoire Du Mouvement (2004), R. Darmana explique : « S’ils n’étaient utilisés que pour marcher, les membres inférieurs seraient de conception moins complexe et la locomotion serait une fonction cinématique plus simple. Mais ils offrent un nombre infini de modes de déplacements au corps humain comme l’escalade, la course ou la reptation et pour rendre disponibles toutes ces options simultanément, leur conception a du être très sophistiquée. La locomotion, si elle n’utilise qu’une partie des possibilités offertes par le système doit cependant l’utiliser avec sa complexité. » En effet, cette activité quotidienne qui semble être effectuée naturellement, sans effort et sans réflexion, nécessite pourtant un ensemble de mouvements complexes et coordonnés sollicitant le cerveau, la moelle épinière, les muscles, les os et les articulations. Dans la majorité des études de la locomotion, les mouvements du haut du corps, tronc et bras, sont négligés alors que la fluidité et l’efficacité de la marche en dépendent aussi.

L’étude de la démarche pathologique

La marche d’un individu peut être altérée suite à l’atteinte d’une structure ostéo-articulaire, musculaire, ou neurologique (périphérique ou centrale). Un mouvement anormal peut apparaitre pour deux raisons : soit le sujet n’a pas le choix, le mouvement étant contraint par une déficience telle qu’une faiblesse, une spasticité ou une raideur; soit le mouvement est une compensation, que le sujet utilise pour corriger un autre problème qui a par conséquent besoin d’être identifié. L’analyse de la locomotion peut donner un meilleur aperçu de la nature du déficit et de la façon dont le patient est capable de le compenser. Elle doit permettre une meilleure compréhension de la condition pathologique elle-même et suggérer des méthodes de traitement améliorées. Quelques difficultés se présentent lors de l’étude biomécanique d’une démarche pathologique : Tout d’abord différents problèmes peuvent se manifester par une démarche anormale comparable. Il faut définir une allure anormale par des termes descriptifs, non pas par les causes pathologiques (Whittle, 2007). De plus, on observe des effets et non des causes; autrement dit la démarche observée n’est pas seulement le résultat direct d’un processus pathologique mais aussi le résultat des tentatives du sujet de compenser ce processus pathologique. Enfin l’analyse de la locomotion est fortement compliquée par les variations de démarche existantes entre les individus asymptomatiques, or ces variations sont plus importantes encore entre des patients de pathologie similaire (Loslever, Laassel et Angue, 1994).

L’étude biomécanique de la gonarthrose

La gonarthrose est l’une des pathologies classiquement étudiée dans les laboratoires de biomécanique. Comparés à des sujets contrôles, les patients au genou arthrosique présentent une diminution de la vitesse de marche et de la cadence, un temps de support augmenté, une foulée plus courte, une augmentation de la flexion du genou au contact du talon, et une flexion réduite durant la phase d’appui (Heiden, Lloyd et Ackland, 2009). Pour repérer des modifications de la démarche dues à la pathologie, de nombreux protocoles peuvent être envisagés. L’approche qui a été la plus souvent utilisée consiste à extraire des paramètres caractéristiques du patron de marche au genou dans le plan sagittal et de les comparer entre un groupe d’individus gonarthrosiques (OA) et un groupe d’individus asymptomatiques (AS). Mais les méthodes se sont diversifiées au fur et à mesure du développement des technologies et l’analyse de la locomotion dispose d’outils de mesure de plus en plus précis, tel que l’exosquelette KneeKG (Sudhoff et al., 2007) qui enregistre les déplacements des segments corporels dans les trois dimensions en minimisant les artefacts créés par les mouvement de la peau. Suite à cette mise-en-relief des domaines d’intérêt touchant cette étude, le prochain chapitre fait un état des lieux des connaissances actuelles concernant la cinématique des articulations du membre inférieur.

La cinématique angulaire tridimensionnelle L’objectivité en analyse de la marche est un pré-requis important pour garantir une haute qualité de recherche ou de pratique clinique. Comme le soulignent Krauss et al. (2011), les protocoles diffèrent aux niveaux des modèles biomécaniques sous-jacents, des ensembles de marqueurs associés, des enregistrements et des traitements des données. Cette variété des approches utilisées d’une étude à l’autre crée des problèmes lorsqu’elle amène à des comparaisons parfois hasardeuses des résultats. Par exemple, Ferrari et al. (2008) ont comparé cinq protocoles actuellement utilisés en analyse de la marche sur un cycle de marche, à la hanche, au genou et à la cheville (Figure 2.1). Les mouvements dans le plan sagittal montrent une bonne corrélation entre les protocoles. Les mouvement dans les autres plans révèlent des corrélations plus faibles.

Le comité de standardisation et de terminologie de la Société Internationale de la Biomécanique (Standardization and Terminology Committee – STC of the International Society of Biomechanics – ISB) propose un standard général des cinématiques aux articulations (incluant la cheville et la hanche) basé sur le Système de Coordonnées d’une Articulation (Joint Coordinate System – JCS) proposé par Grood et Suntay (1983) pour le genou. Cette effort de standardisation est résumé par Wu et al. (2002) ainsi : Pour chaque articulation, un standard pour le système d’axe local de chaque os de l’articulation est généré. L’utilisation du JCS comme proposé par Grood et Suntay (1983) a l’avantage de rapporter les mouvements dans des termes cliniquement pertinents. Premièrement, un Système de Coordonnées Cartésien (CCS) est établi pour chacun des deux segments du corps adjacents. Les axes dans ces CCS sont définis à partir des marqueurs osseux du corps qui sont soit palpables soit identifiables sur rayons-X, et suivent les recommandations générales de l’ISB (Wu et Cavanagh, 1995). L’origine commune des deux systèmes d’axes est le point de référence de la translation linéaire survenant à l’articulation, sa position initiale neutre. Deuxièmement, le JCS est établie à partir des deux CCS. Deux des axes du JCS sont fixés au corps, et le troisième est « flottant », perpendiculaire aux deux premiers. Enfin, le déplacement de l’articulation, incluant trois composantes de rotation et trois de translation, est défini à partir du JCS.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 CADRE THÉORIQUE
1.1 Introduction
1.2 La biomécanique et l’analyse de la marche
1.2.1 L’étude du mouvement
1.2.2 Les paramètres de la marche
1.2.3 L’étude de la démarche pathologique
1.3 Les articulations du membre inférieur
1.3.1 Le genou
1.3.2 La hanche
1.3.3 La cheville
1.4 L’arthrose du genou
1.4.1 L’arthrose
1.4.2 La gonarthrose
1.4.3 L’étude biomécanique de la gonarthrose
CHAPITRE 2 RECENSION DES ÉCRITS
2.1 Introduction
2.2 La cinématique angulaire tridimensionnelle
2.3 La cinématique du genou
2.4 La cinématique de la hanche
2.5 La cinématique de la cheville
CHAPITRE 3 PROBLÉMATIQUE ET BUT DE L’ÉTUDE
3.1 Problématique
3.2 Objectifs de l’étude
3.3 Hypothèses de travail
CHAPITRE 4 MÉTHODOLOGIE
4.1 Introduction
4.2 Base de données
4.2.1 Acquisition
4.2.1.1 Participants
4.2.1.2 Plan expérimental
4.2.1.3 Instrumentation
4.2.1.4 L’évaluation de la marche en laboratoire
4.2.2 Pré-traitement
4.2.2.1 Filtrage
4.2.2.2 Découpage temporel et rééchantillonnage
4.2.2.3 Sélection des cycles de marche et moyennage
4.2.2.4 Validation des données et démographie des sujets retenus
4.3 L’analyse statistique
4.3.1 L’analyse de variance
4.3.1.1 Principe de l’ANOVA
4.3.1.2 Conditions de distribution des échantillons
4.3.2 Plan de test
4.3.2.1 Point par point
4.3.2.2 Points d’intérêt
4.3.2.3 Variables biométriques
4.4 La classification par une approche globale
4.4.1 Introduction
4.4.2 La recherche du meilleur sous-cycle
4.4.2.1 L’extraction de caractéristiques globales
4.4.2.2 L’algorithme de recherche
4.4.3 Le système de classification
4.4.3.1 La décomposition en valeur singulière
4.4.3.2 L’algorithme du classificateur
4.4.3.3 Le résidu de projection
CHAPITRE 5 RÉSULTATS
5.1 Analyse statistique
5.1.1 Variables biométriques
5.1.2 Comparaison des moyennes
5.1.2.1 À la hanche
5.1.2.2 Au genou
5.1.2.3 À la cheville
5.2 Classification par une approche globale
5.2.1 À la hanche
5.2.2 Au genou
5.2.3 À la cheville
CHAPITRE 6 DISCUSSION
6.1 Discussion des résultats
6.2 Liens avec la littérature
6.3 Limites de l’étude
CONCLUSION
ANNEXE I REPÈRES ANATOMIQUES
ANNEXE II RÉSULTATS ANOVA POINT PAR POINT
BIBLIOGRAPHIE

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