Mesure de la marche et du mouvement

Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Mesure de la marche et du mouvement
Olivier Rémy-Néris
Mathieu Lempereur
Sylvain Brochard
CHRU de Brest
INSERM U650
[email protected]
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Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
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
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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
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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
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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
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LES CAPTEURS
Les Moyens
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CAPTEURS DE PERFORMANCE
Les Moyens
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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)
Les Moyens
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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
Les Moyens
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Exemple de paramètres spatio-temporels
Douleur
Norme
Cadence
52.4
Duree
1.15 s
Duree Dbl App apr POD
0.16 s
Duree Dbl App apr POG
0.15 s
Duree Rel Dbl App apr POD 13.6 %
Duree Rel Dbl App apr POG 13.0 %
Duree Relative Simple Appui 36.9 %
Duree Simple Appui
0.42 s
Largeur du Pas
0.16 m
Longueur Enjambee
1.26 m
LongueurPas
0.63 m
Vitesse
1.10 m/s
Les Moyens
Gauche
51.1
1.17 s
0.19 s
0.24 s
15.8 %
20.4 %
25.0 %
0.29 s
0.16 m
0.91 m
0.49 m
0.77 m/s
Après MPR
Droite
51.1
1.19 s
0.19 s
0.24 s
15.8 %
20.4 %
39.8 %
0.47 s
0.20 m
0.91 m
0.42 m
0.77 m/s
Gauche
55.4
1.09 s
0.18 s
0.18 s
16.5 %
16.3 %
35.1 %
0.38 s
0.15 m
1.06 m
0.54 m
0.97 m/s
Droite
55.4
1.08 s
0.18 s
0.18 s
16.5 %
16.3 %
35.3 %
0.38 s
0.14 m
1.05 m
0.51 m
0.97 m/s
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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
Les Moyens
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CAPTEURS SEGMENTAIRES
Les Moyens
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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
Les Moyens
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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)
Les Moyens
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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 Moyens
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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
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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
Les Moyens
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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)
Les Moyens
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Un système de mesure
Les Moyens
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Informations obtenues: cinématique
•
•
•
Les données spatio-temporelles
(calcul par extraction de position)
Des angles
Par dérivation
– Vitesses
– Accélérations
Les Moyens
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Electromyogramme
• Enregistrement de l’activité musculaire
• Electrodes de surface le plus souvent
• Aucun calcul (signal brut)
• Traitement possible : enveloppe
Les Moyens
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Informations obtenues : EMG
•
Temps d’activation
– Mise en correspondance
•
Type d’activité
– Normale
– Pathologique
Les Moyens
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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
A
0.28
0.28
0.26
0.26
0.24
0.24
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
Indice de co-contractions
Indice de co-contractions
•
0.22
0.20
0.18
0.16
0.14
0.12
0.10
0.08
B
0.06
Lente
Rapide
Confortable
Lente
Rapide
Confortable
Vitesse
Vitesse
Les Moyens
0.22
0.20
0.18
0.16
0.14
0.12
0.10
0.08
C
0.06
Lente
Rapide
Confortable
Vitesse
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CAPTEUR DE MESURE DES
FORCES EXTERNES
Les Moyens
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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
Les Moyens
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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.
Y1
Y4
X1
X4
Z4
Z1
O
X
Y2
I
Y3
X2
X3
Z3
Les Moyens
Z2
Y
Z
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Mesure
Signaux analogiques
V
Sol
Sec
Convertisseur
analogique/numérique
0
Les Moyens
1
1
0
1
0
1
Signaux numériques
0
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Forces mesurées sur les plateformes
Force latérale d’appui
N.kg-1
2
Force suivant
l’axe médial
1
0
10
20
30
40
50
60
appui
-1
Les Moyens
Force suivant
l’axe latéral
70
80
90
oscillation
100
%
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Forces mesurées sur les plateformes
Force antéro/postérieure
d’appui
N.kg-1
2
Propulsion
1
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-1
appui
-2
Les Moyens
Freinage
oscillation
100
%
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Forces mesurées sur les plateformes
Force verticale d’appui
Surcharge
appui
oscillation
N.kg-1
11
10
9
8
Propulsion
7
6
5
4
Pied à plat
3
2
1
Amortissement
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
%
Quelles sont les forces aux articulations ?
Les Moyens
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Moments calculés aux articulations
N.m.k
1 g-1
N.m.k
1 g-1
Moment articulaire de la
hanche
Ext.
Ext.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Moment articulaire du genou
90
10
0
%
Flex.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
%
10
0
Flex.
appui
oscillation
appui
-1
oscillation
-1
N.m.k
g-1
1.5
Moment articulaire de la
cheville
1
Flex.
0
10
20
30
appui
40
50
60
70
80
90
oscillation
%
10
0
Les moments sont le reflet de l’équilibre musculaire
(agonistes-antagonistes du plan considéré ) au niveau de
l’articulation
Les Moyens
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Puissances calculées aux articulations
P  M
P Puissance articulaire (W)
M Moment articulaire (Nm)
 Vitesse angulaire (rad.s-1)
Les Moyens
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Puissances calculées aux articulations
W.kg-1
Puissance articulaire de la
hanche
W.kg-1
Puissance articulaire du
genou
1
Gen.
Gen.
0.5
0
10
0
Abs.
0.5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
10
0
%
20
40
50
60
70
80
90
Abs.
-1
appui
30
appui
oscillation
%
10
0
oscillation
W.kg1
3
Gen.
2
1
0
Abs.
-1
10
20
30
appui
40
50
60
70
80
90
oscillation
10%
0
Les puissances sont le reflet des échanges d’énergie élastique
Les Moyens
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SAVOIR RECONNAITRE UNE
MARCHE NORMALE
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Cinématique normale: membre inférieur plan sagittal
Marche Normale
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Cinématique normale : bassin
Marche Normale
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EMG normal: proximal
Marche Normale
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EMG normal: distal
Marche Normale
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Dynamique normale
Force latérale
Marche Normale
Force antéropostérieure
Force verticale
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SAVOIR METTRE EN RELATION
CINEMATIQUE ET EMG
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Marche normale
Mettre en relation
Mettre en relation
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Marche pathologique
Mettre en relation
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Marche pathologique
Mettre en relation
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CONNAITRE LES LIMITES DE
LA MESURE DU MOUVEMENT
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Erreurs de calcul
•
Modèle anatomique
– 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
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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
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Erreurs instrumentales
•
Dufour et Godillon-Maquinghen 1999: 0,44mm
– Avec des caméras < 0,3 Mpix
– Actuellement caméras entre 1 et 40 Mpix
Limites
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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
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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
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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
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Sans et avec optimisation
Avec et sans optimisation
180
15
160
10
140
Flexion du coude
Abduction/Adduction de l'Avant bras
Résultats correction mouvements de peau
Méthode Lu et O Connors, modifiée par Roux
Correction des aberrations
5
0
-5
120
100
80
60
40
-10
20
-15
0
20
40
60
Mouvement normalisé
Limites
80
100
0
0
20
40
60
80
100
Mouvement normalisé
51
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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
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Merci de votre attention