TD du cours de Met1 partie biomécanique

Méthodologie de la recherche en
biomécanique et science du
mouvement humain
Thouzé Arsène
sur la base des cours de Nicolas Turpin et Fabien Dal Maso
introduction
La démarche scientifique est l’ensemble des méthodes
mises en place pour répondre à des questions
(scientifiques) et augmenter la connaissance dans un
champs donné
-Notre champs (?): la performance motrice (humaine)
et ses déterminants
Étape 1: Une hypothèse ou une question (précise) … la littérature peut
elle apporter la réponse? Non, alors on continue…
Étape 2 : définir un protocole réaliste… c’est faisable? Oui, alors on
continue...
introduction
Nos outils: les outils de la salle d’analyse
du mouvement du CREPS:
-Système d’acquisition EMG
-Système de caméras Vicon
-Capteurs de forces
-Le Biodex
-Outils de stimulation musculaire
…Et des sujets consentants (ne pas oublier de leur
faire signer un consentement écrit!!)
EMG
L’EMG = observation du courant de dépolarisation
(1)
Électrode EMG
(3)
(2)
Plaque
motrice
EMG
Facteurs influençant le signal
1) muscle = milieu inhomogène
Points moteurs
2) attention à orientation des électrode
/ orientation des fibres (angle de
pennation)
3) cross-talk (ou diaphonie)
4) amplitude cancellation = principe de
sommation linéaire des potentiels
d’action
EMG
La seule information précise:
on
off
timing = activé / pas activé
(Farina 2006 – Exerc. Sport Sci Rev.)
 Améliorer la qualité de l’information
- Filtrer pour éliminer les sources de variations non-physiologiques
EMG
 Positionnement des électrodes:
- site internet SENIAM  http://www.seniam.org/
- sinon articles scientifiques ou identifier la position du
muscle par une série de contraction relâchement
-Pas sur le point moteur
-Pas sur le tendon
-Et orienté dans le sens des fibres
 Préparation de la peau:
- Rasage
- Nettoyage à l’alcool+ éther
 diminution de l’impédance (résistance)
 Toujours vérifier la qualité du signal avant tout
enregistrement!!!
D = 1 cm
EMG
 caractéristiques du signal EMG:
-Signal de type oscillatoire dont les fréquences sont comprises entre 10 (<10Hz =
mouvement) et 500 Hz (>500 = bruit)
- circuits électriques = 50Hz
- ECG <3Hz
- Fréquence max de décharge des Unités Motrices ~50 Hz
- Vitesse de conduction des Potentiels d’Action < 5 m/s, si cette vitesse diminue la
fréquence propre des ondes diminue.
Une onde de dépolarisation :
fréquence propre ~= 500Hz
loi de shannon fréquence d’échantillonnage > 2*la plus haute
fréquence dans le signal
EMG
Signal
Signal
1000
1
500
0.5
0
0
-500
-1000
-0.5
-1
-1500
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
time (s)
Spectre
500
+
0
0.2
0.4
0.6
amplitude
90 % de la puissance < 10 Hz
x 10
0
1.4
1.6
1.8
Signal EMG
2
1.5
fréquence médiane = 89.4118Hz
90 % de la puissance < 228.2353 Hz
1
MPF : 118.7851 Hz
MPF : 10.0009 Hz
0.5
100
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0
0
500
50
100
150
200
=
250
350
400
Signal
1500
1000
500
0
-500
Pic à 10 Hz
visible
300
fréquence (Hz)
fréquence (Hz)
-1000
-1500
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
time (s)
Spectre
4
5
x 10
Somme des 2 signaux
4
amplitude
amplitude
fréquence médiane = 10Hz
200
1.2
Spectre
4
3
2.5
Signal à 10 Hz
1
time (s)
400
300
0.8
3
fréquence médiane = 78.8235Hz
2
90 % de la puissance < 225.2941 Hz
MPF : 110.7711 Hz
1
0
0
50
100
150
200
250
fréquence (Hz)
300
350
400
450
500
Les signaux
électriques se
somment
linéairement!
450
500
EMG
« mouvements » de la ligne
de base = artéfact de
mouvements
<10Hz
Signal
1000
500
Les types de filtres:
High pass (passe haut)
bandStop
Passband
Low pass (passe bas)
0
-500
-1000
-1500
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
time (s)
Spectre
4
3
x 10
Gain du filtre
amplitude
2.5
2
1.5
fréquence médiane = 89.4118Hz
90 % de la puissance < 228.2353 Hz
1
MPF : 118.7851 Hz
0.5
0
0
50
100
150
200
250
fréquence (Hz)
Pic à 50 Hz (source électrique?)
300
350
400
450
500
EMG
Signal Filtré
Signal
1500
1000
500
0
-500
-1000
-1500
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
time (s)
Spectre
4
3
x 10
Gain du filtre
amplitude
2.5
2
1.5
fréquence médiane = 90.5882Hz
90 % de la puissance < 226.4706 Hz
1
MPF : 117.8672 Hz
0.5
0
0
50
100
150
200
250
fréquence (Hz)
300
350
400
450
500
EMG
Signal EMG (on
peux enlever la
moyenne = 0)
Rectification
(valeur absolue)
filtre passe bas à
~ 9Hz
RMS (root mean
square = une somme
de carré)
Enveloppe = étude des coordinations (ie., fréquence basses), niveau
d’activité (intensité de la contraction)
Cinématique : décrit les mouvements humains en
termes de position (déplacements), vitesse et
accélération.
Dynamique
inverse
:
déduire
à
partir
du
mouvement les forces qui lui ont donné naissance
Les Systèmes à marqueurs passifs
Gait Analysis: Techniques and
Recognition of Abnormal Gait
Position des marqueurs:
recommandations de la
société de biomécanique
(site…)
A partir d’images vidéo « classique »
Aviméca – logiciel libre
A partir d’outils spécifiquement dédiés à l’acquisition de
cinématiques de points
Calibration du système
1. Déterminer le repère du laboratoire (origine et orientation)
Z
X
Y
2. Définir la position des caméras les unes par rapport aux autres dans l’espace
Gait Analysis: Techniques and
Recognition of Abnormal Gait
Calcul d’angle par la méthode de « Projection orthogonale »
Malléole externe :
xM = 0
yM = 0
Genou :
xG
yG
yG
yM
xM
xG
tan α = (yG – yM) / (xG – xM)
α = (tan)-1 α
Calcul d’angles par la méthode de calculs numériques
• Création de repères segmentaires
• Repère orthonormé :
– Axes définis à partir des marqueurs
– Axes perpendiculaires entre eux
• Utilise le produit vectoriel

X  M1 M 2
M1
M3
M2
Y  M3 M 2
Z  X Y
X Y Z
Calcul d’angles par la méthode de calculs numériques
• Repère segmentaire donne
– Position du segment dans l’espace
– Orientation du segment dans l’espace
• Par des outils qu’on appelle:
– Le vecteur
OM 2
M1
M3
M2
– La matrice de rotation
R
Calcul d’angles par la méthode de calculs numériques
Rotation autour de Z
Rotation autour de X
Rotation autour de Y
Calcul d’angles par la méthode de calculs numériques
• Calcul de la cinématique du genou
• Calcul d’une matrice de passage
K  Rc T  Rj
• T = transposé de la matrice
Rc
Rj
Calcul d’angles par la méthode de calculs numériques
K  Rc T  Rj
• On détermine les angles à partir de la
matrice de passage (K)
Rc
Rj
• Selon une séquence d’angles définie
• Séquence d’angle:
– ordre des rotations (RxRyRz, RzRxRy …)
• vitesse (linéaire) = (d2 - d1)/( t2 - t1)
• vitesse (angulaire) = (θ2 - θ1)/ (t2 - t1)
• accélération (linéaire) = (v2 - v1)/( t2 - t1)
• accélération (angulaire) = (ω2 - ω 1)/ (t2 - t1)
- applications associées à l’entraînement
- applications associées à la réadaptation
précautions
• Fréquence d’acquisition 100 ou 200 Hz (mais
tout le signal se trouve sous les 50Hz!!)
• Filtrage données cinématiques entre 5 et 10
Hz (au dessus ce n’est pas physiologique)
Cinétique : décrit les forces impliquées dans la
production du mouvement.
Plateforme de force
La force de réaction au sol
(GRF) est due à la force de
réaction exercée par le corps
sur le terrain dans les trois
dimensions de l’espace.
Gait Analysis: Techniques and
Recognition of Abnormal Gait
Composante verticale
%P
100
0
0
20
40
60
80
100
Composante verticale
%P
100
P
0
0
20
40
60
80
100
Poids du corps
Composante verticale
%P
100
P
Phase
F1
d'amortissement
0
0
20
40
60
80
100
Poids du corps
Composante verticale
F2
%P
Phase de
surcharge
( 110 - 120% P)
100
P
Phase
F1
d'amortissement
0
0
20
40
60
80
100
Poids du corps
Exemple pour la composante verticale
F2
%P
Phase de
propulsion
F4
( 110 - 120% P)
Phase de
surcharge
( 110 - 120% P)
100
P
Poids du corps
Phase
F1
d'amortissement
0
0
20
40
60
80
100
Objectif: extraire les indices pertinents pour votre étude en fonction des
questions de recherche (ex: impulsion, force maximale, durée etc…)
Exemple pour la composante verticale
Objectif: extraire les indices pertinents pour votre étude en fonction des
questions de recherche (ex: impulsion, force maximale, durée etc…)
Retrouver les efforts musculaires?
• Dynamique inverse = complexe et peu fiable
en tant que méthode de quantification mais
permet de comparer des conditions
expérimentales
• Moments globaux d’une articulation (actifs,
passif = tendon,ago et antago) => pas les
forces musculaires
Ergomètre isocinétique - BIODEX
Renseigne sur l’effort
développé autour d’une
articulation
Utilisation dans le cadre de
l’entraiment pour optimisation
de la performance
Utilisation dans des cas
clinique pour la réadaptation
fonctionnelle
Etude de la mécanique musculaire
Permet de fixer et/ou de mesurer:
• les angles articulaires et les déplacements
ex. genou à 90°, hanche à 110°
• Permet d’imposer la vitesse de contraction
isométriqe v = 0
concentrique v>0
Excentrique v<0
• Mesure le couple exercé par l’articulation
Utilisation :
-relation couple- vitesse-angulaire
-relation couple-angles
-vitesse maximale de contraction
Précaution:
- Ne fait participer qu’une seule articulation (mouvement non naturel)
- mesures faites pour seule articulation à la fois
Stimulateurs électriques
• Stimulation transcutanée des fibres musculaires
-stimulateur de type compex
•Stimulation des nerfs moteurs
Idée: simuler la commande nerveuse réelle par une commande contrôlée par
l’expérimentateur
twitch : réponse mécanique à une stimulation
Twitch interpolé: force supplémentaire liée à l’ajout d’une stimulation
Onde M: réponse EMG liée à la stimulation
Réflexe H (de Hoffman): évaluation des modulation de l’excitabilité spinale
Traitement des données
• Étape 1: sélection des données « potables »
– Etape lourde (cad chronophage) mais indispensable!
– On range soigneusement les données « propres » dans un fichier à part (et on
sauvegarde)
• Etape 2: Traitement des données et extraction des indices pertinents
– On ne traite pas tout azimut!! On fait des choix (précis) en fonction des questions
posées
– Garder une trace écrite des traitements effectués
– Ces indices finirons dans un fichier excel rassemblant tous les résultats de l’étude, les
caractéristiques des sujets etc…
Outils de traitement:
– Excel (1ère étape)
– Scilab, matlab (mieux!) mais implique des connaissances en programmation (il faut s’y
mettre!!)
• Etape 3: les statistiques et l’écriture des résultats
– Utilisez des logiciels (Statistica®, SPSS etc…) et… faire simple pour les stats!
– On conserve ses graphs (simples et bien chialés) dans un ou plusieurs fichiers
powerpoint .
– On rédige les résultats : on voulais voir ceci et voilà ce qu’on observe, et c’est tout, pas
(trop) d’interprétation à cette étape
Partie 2
• Construction d’un article scientifique
• Exercices théoriques
– Traitement des données
– statistiques
L’Article scientifique
• L’éditeur, le journal, la révision par les pairs
– Le CV d’un scientifique et d’un laboratoire repose sur ses publications!
– Indice H : indice d’un publiant, calculé à partir du nombre N de publications et du
nombre des citations de ces articles (mais peu représentatif de l’intérêt de la recherche)
– L’impact factor pour un journal, est calculé à partir du nombre de citation d’un journal
(IF = 1 => bof, IF = 3 pas mal; IF >4 excellent, Nature IF = 36, le summum)
– Processus de révision d’un article
• Soumission à un journal scientifique
• l’éditeur décide de réviser le papier : on est dans le topic, chouette on continue
• Des pairs anonymes ou non (selon le journal) jugent le travail,
• s’il est sérieux et sans biais expérimental vous êtes en « minor revisions » pour
corriger les petites erreurs, les phrases mal dites,
• Si l’article possède de grosses lacunes liées au traitements uniquement, vous êtes
en « major revisions »
• Sinon, vous êtes boulés
Un article = UNE information (à la limite 2
mais pas plus!!)
Titre: dit (presque) tout
sur l’information que
vous voulez faire
passer
1-De quoi on parle,
pourquoi on a fait
l’étude, qu’est qu’on
cherche?
2-Comment on a fait?
3-Qu’est ce qu’on a
observé (résultats
résumés)
Que diable cela veut il
bien dire? Quel impact,
quel est l’intéret de
cette information
L’introduction (au présent- de l’indicatif)
Accroche le
lecteur, de quoi
on parle
Dire rapidement ce
qu’on sait du sujet,
et ce qui est fait en
général (utiliser les
références des
articles de revue/ou
des articles de
références)
Stresser le problème.. Tout cela
est bien,oui mais voilà, on ne sait
pas ceci, on a pas vérifier cela…
Du coup, on s’est proposé de le faire
pour vous, et voilà comment on va s’y
prendre
Ecriture de la méthode (au passé)
1- les participants,
age poids taille,
spécificité, des sujets
entrainés ou non par
exemple
S’il ya un comité
d’éthique le mettre
On a suivi les
déclarations de
helsinki (dernière
modif = 2004)
2- présentation du
déroulement de
l’étude dans les
grandes lignes
3- détails de chaque outils utilisés lors de l’acquisition (tous… et dans
les détails- lire les notices, regarder les caractéristiques techniques du
matériel sur internet), décrire les modèles mécaniques
Ecriture de la méthode (au passé)
On doit pouvoir reproduire l’étude dans les détails en lisant la
méthode
4- les data analysis:
comment j’ai traité
mes données, l’emg a
été traité comme ceci,
pour la force on a
utilisé cela etc…
Utiliser les articles de
références!!!
5- les stats utilisés : pour tel comparaison
ANOVA 2 facteurs, 3 mesures répérétes, test
de kolmogorov smirnov pour vérifie la
normalité des données etc…
Le cahier de laboratoire
Obligatoire en théorie/ peu spratiqué en staps
-Relate TOUS les faits qui se produisent lors dune
expérimentation: et plus généralement dans l’évolution du projet
-Projet XX
-Date XX
-Expermentation de tel heure à telle heure
-On teste XX, tout se passe bien…
Fiche déroulement du protocole
A- test matériel
B- préparation du sujet
C-échauffement etc….
La déclaration de helsinki
Effectuée Juin 1964, révisé en 2004
Donen les principes éthique de la recherche médicale impliquant des sujets
humain
Dans les grandes lignes:
Respecté la confidentialité, la dignité, l’intégrité, la vie et la décision du patient
(il peut se retirer à tout moment de l’étude)
-Toute recherche soit être clairement décrite dans un protocole, celui-ci doit
indiquer les informations concernant les sponsors, sources de financement et
les possibles conflits d’intérêt liée à cette recherche
-Toute recherche doit être approuvée par un comité d’éthique indépendant
-Elle doit être supervisée par un professionnel compétent…
Comité de protection des personnes (CPPPRB)
C’est le comité consultatif de protection des personnes ou comité d’éthique
Peu pratiqué en staps, mais obligatoire (voir le directeur du laboratoire)
Le laboratoire doit souscrire une assurance en cas d’accidents survenu lors des
expérimentations
Les locaux sont sujet à une mise en conformité.
Le sujet doit signer un consentement écrit, papier sur lequel figure, le titre
de la recherche, l’objectif, et les risques et savoir qu’il est libre de quitter
l’étude quand il le souhaite:….je déclare que par participation est
volontaire et gratuite….etc…
En général c’est mieux si le sujet est indemnisé
Ecriture des résultats (au passé)
Organisée par point importants pour la démonstration -> vous cherchez à
convaincre que ce que vous dites en conclusion tiens la route,
chaque point des résultats est un argument, froid (sans interprétation), et
précis
C’est une exercice assez difficile si on ne veux pas que ça ressemble à ça!!
Si un résultat est significatif, on peut mais c’est pas obligé:
Juste le p probablilité que Ho soit accepté (qu’il n’y ais pas de différences)
[1 0.05] => p = 0.056 (3 décimales suffisent)
[0.05-0.001] => p<0.05
Sinon p<0.001
Les résultats font partie intégrante de
la démonstration au même titre que la
discussion.
Ecriture des résultats (au passé)
Donc….
1-Dire comment s’est déroulé
l’étude si c’est nécessaire
2- faires des parties en fonction de
la stratégie utilisée pour convaincre
Et pour chaque partie:
décrire (i) les résultats en termes
clairs, éventuellement le graphique
qui met ce résultat en évidence,
puis (ii) les statistiques qui ont
permis de le dire.
Nous montrons que tel paramètre
évolue, l’analyse X montre que la
valeur passe de a+-x à b+-y de
manière significative (p<0.05).
Kargo and Nitz 2004
La discussion
Une partie qui résume ce qu’on cherchait, ce qu’on a fait pour ça et ce l’étude
montre.
Plusieurs parties qui place l’étude dans un cadre plus général
-Ce qu’on trouve est il normal?
- Qu’est ce que ça apporte par rapport à ce qu’on savait avant.
-Perspectives: qu’est ce qui reste à chercher, quelles sont les limites de notre
étude.
La bibliographie (référence)
Normes, styles APS (american psycological society)
sur internet
En général dans l’ordre alphabétique
Utiliser endnote / zotéro (logiciel gratuit)
Format classique (dépend des journaux)
Tous les auteurs. Titre. Journal. Volume-numéro-page_d:page_f année
Todorov E. Direct cortical control of muscle activation in voluntary arm
movements: a model. Nature 3: 2000.
Citation: et al. (et les autres) et coll (et collaborateurs) pour des résultats
de plusieurs travaux.
Todorov et al. (2005a) montrent que…; le mouvement est volontaire
(todorov et al. 2001;michel et zori 2005) -> référence pure.