Dynamique inverse CH V Anthropométrie (Winter, Allard & Blanchi) Longueurs segmentaires Centres de masse 0.129H 0.186H 0.146H 0.108H 0.285H 0.0280 0.4970 0.0160 0.039H Largeur du pied : 0.055H HAT = 0.678 0.520H 0.0810 0.377H 0.630H 0.465H 0.870H Masses segmentaires 0.818H H 0.936H 0.259H 0.520H 0.130H Longueur du pied : 0.152H 0.0060 0.1000 0.0465 0.0145 Dynamique inverse : Cinématique (déplacements, vitesses, accélérations Moment musculaire résultant Anthropométrie (longueur, masses, CdG, moments d’inertie) Force articulaire de compression Cinétique (Force et Moment externes) DI Force articulaire de cisaillement 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. F Comp • Force articulaire de cisaillement : composante horizontale de la force de réaction articulaire. M biceps M triceps FCis M Re s Les étapes de la dynamique inverse Moment résultant estimé par dynamique inverse Knee Hip Angle (rad) Stance Stance Swing Stance Swing 0.0 2.0 -0.5 1.5 -1.0 1.0 -1.5 0.5 -2.0 0.0 Flexion Extension Flexion -5 Extension Flexion Extension 40 Extensor Net muscle moment (N∙m) Angular velocity (rad∙s-1) 5 3 1 -1 -3 Concentric Eccentric 20 10 Extensor Extensor 20 10 -10 0 -30 0 -20 -40 Net muscle power (W) Swing Ankle -10 Flexor -50 Flexor 60 20 20 30 10 10 0 0 0 -30 -10 -10 -60 -20 -20 0 20 40 60 80 100 % of cycle duration 0 20 40 60 80 100 % of cycle duration Flexor 0 20 40 60 80 100 % of cycle duration Puissance : Notion de puissance : la puissance correspond à la quantité de travail fournie par unité de temps (unité, Watts (W)) : W P t W Pt 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 Notion de rendement : Rendement brut : Travail produit Rbrut Energie dépensée Rendement net : Travail produit Rnet Energie dépensée Energie de repos Rendement apparent : Rapp Travail produit Energie dépensée Energie vide That’s all 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. O3 α3 Fy 4 ? O4 α4 α2 α O2 Fx 4 ? M4 ? F O1 Moment résultant estimé par dynamique inverse (Accélérations : Cahouët et al. 2002) 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) 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 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 Conditions Isométriques Estimation des moments Quel que soit le niveau de force Quelle que soit l’activité musculaire Conditions dynamiques Correspondance entre : M G et M̂ G Amplitude maximale « réaliste » Respect de la convention de signes Moments agoniste et antagoniste en combinant l’utilisation de l’EMG et de l’optimisation numérique (Application(s) clinique(s) : Centomo et al. 2007) Estimation “indirecte” des efforts musculaires Forces musculaires isométriques en contraignant l’optimisation par l’EMG (Vigouroux et al., 2007) Estimation “indirecte” des efforts musculaires Forces musculaires en conditions dynamiques (Buchanan et al., 2004, 2005 ; Seth & Pandy, 2007) 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) Estimation des moments résultants : Système pluri-articulé de 4 segments Paramètres anthropométriques (Zatsiorsky and Seluyanov, 1983) Dynamique inverse : M Aθ θ Bθ θ θ Cθ θ 2 G θ Estimation des moments agoniste et antagoniste : (Amarantini & Martin, 2004) ˆ G t M ˆ G t M ˆ G t M Ext. Fléch. p w t i EMG i t fci 1 E Δθ E θ& i find: , fc, p, w, , 1 ˆ M that minimize: min M G G 2 t 2 0 et 0 with: 1 w 0 M̂ 0 et M̂ 0 G G Flech. Ext. 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) “EMG-assisted” minimax optimization 500 400 400 force (N) force (N) Knee extensor muscles “Classical” minimax optimization 500 300 200 Rectus Femoris Vastus Medialis Vastus Intermedius Vastus Lateralis 100 200 100 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 time (% cycle) 15 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 70 80 90 100 time (% cycle) 300 250 10 Biceps Femoris Longus Biceps Femoris Brevis Gastrocnemius Semimembranous Semitendinosus 5 force (N) force (N) Knee flexor muscles 300 200 150 100 50 0 0 0 10 20 30 40 50 60 time (% cycle) 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 time (% cycle) 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. Emet = VO2 Eqenerg O2 Eqenerg O2 = équivalent énergétique de l’O2 • C’est la quantité d’énergie libérée chaque fois qu’on « brûle » 1 litre d’O2. • L’équivalent énergétique de l’O2 varie en fonction du QR utilisation de tables du QR Équivalent énergétique de l’O2 Eqenerg O2 = 5,2 kCal / l = 21,7 kJ / l si QR = 1 (1kCal = 4,18 kJ) Eqenerg O2 = 5,086 kCal / l = 21,25 k J / l si QR = 0,9 Eqenerg O2 = 4,971 kCal / l = 20,77 kJ / l si QR = 0,8 Eqenerg O2 = 4,854 kCal / l = 20,29 kJ / l si QR = 0,7 Puissance et mode de contraction musculaire : Puissance = 0 isométrique Puissance > 0 concentrique Puissance < 0 excentrique 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 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. 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 Activité d'une unité motrice vs. EMG Potentiel capté en provenance d'une fibre 3 2 1 + 5 4 + + Positions successives du dipôle par rapport à l'électrode : 1. distance(+) ~ distance(-) V ~ 0. 2. distance(+) < distance(-) V > 0. 3. distance(+) ~ distance(-) V ~ 0. 4. distance(+) > distance(-) V < 0. 5. distance(+) ~ distance(-) V ~ 0. Activité d'une unité motrice vs. EMG Potentiel capté en provenance d'une fibre 3 2 1 + 5 4 + + Variation du potentiel au cours du temps : V 0 mv T 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 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 Skin Tendon Electrode Nerve Muscle Raw EMG Signal Electrode Tendon Exemple Activité agoniste et antagoniste De Luca 1985 Enregistrement du signal EMG 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. Signal propre EMG rectifiée LEFT RIGHT RF RF HS HS AT AT G/S G/S 0 25 50 TO 75 TO 100 % stride % stride 0 25 50 75 100 LEFT – RF 100 50 V 0 -50 %Max Activity -100 100 81% Max Activity Value = 75 mV 50 0 0 10 20 30 40 50 60 % stride Magnitude At time 0:16 Freq = 133 Hz 0 100 200 Frequency (Hz) 300 Time (ms) TO 70 80 90 100 Potentiels d’action De Luca 1982 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 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 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. 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 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. EMG et Parkinson