Les capteurs de 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
CHU Brest
INSERM U650
[email protected]
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
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
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
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
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
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…)
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Mesurer le mouvement
• Ne peut dispenser d’un examen clinique
– Précis
– Quantifié
• Doit correspondre à une stratégie
– Toujours de transmission d’information
– Diagnostic
– Surveillance
• D’une évolution sur une maladie chronique
• D’un effet thérapeutique
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
LES CAPTEURS
LES MOYENS
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
CAPTEURS DE PERFORMANCE
LES MOYENS
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Mesure des variables spatio-temporelles
• 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 (+ complexe)
Les Moyens
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
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
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
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
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
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
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
CAPTEURS SEGMENTAIRES
Les Moyens
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
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
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Description du segment
• Position et orientation dans l’espace
– Un capteur donne tout: US, électromagnétique (++)
– Un capteur donne sa position: marqueur
• Actif: le capteur émet un signal (lumière)
• Passif: le capteur réfléchi un signal (lumière)
– Un capteur donne son orientation et son mouvement
(gyroscope+accéléromètre): mouvements relatifs groupe de capteurs
par rapport à groupe de capteurs
• Activité musculaire
– EMG de surface
– EMG intramusculaire (fils)
Les Moyens
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Eléments à connaitre pour la description cinématique
• Problème général: passer de l’information de plusieurs capteurs
à un angle articulaire
• L’opération la plus simple: orientation dans l’espace (par rapport
au laboratoire)
• Intérèt: orientation d’un segment (jambe) par rapport au segment
adjacent (cuisse) = angle du genou
• A prendre en compte
– Les éléments pré-requis
– Les modes de calcul
Les Moyens
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Les pré-requis à l’analyse cinématique
• Le modèle biomécanique
– Quelle conception a-t-on des relations entre les segments?
– Segments rigides
– Segments liés entre eux en un point : articulation de type rotule (sphère)
Les Moyens
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Les pré-requis à l’analyse cinématique
• Le modèle anatomique
–
–
–
–
Comment situer les points d’articulation?
Nombreuses méthodes de détermination
Points anatomiques externes repérés par un marqueur
Etude anatomique: un point externe est à telle distance du
centre articulaire
• Genou, coude: milieu des deux condyles, des 2 épicondyles
• Epaule : x cm à la verticale du bord externe de l’acromion
Les Moyens
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Un système de mesure
Les Moyens
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Informations obtenues: cinématique
• Les données spatio-temporelles
(calcul par extraction de position)
• Des angles
• Par dérivation
– Vitesses
– Accélérations
Les Moyens
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Electromyogramme
• Enregistrement de l’activité musculaire
• Electrodes de surface le plus souvent
• Aucun calcul (signal brut)
• Traitement possible : enveloppe
Les Moyens
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Informations obtenues : EMG
• Temps d’activation
– Mise en correspondance
• Type d’activité
– Normale
– Pathologique
Les Moyens
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Informations obtenues: EMG
• Tout calcul en comparaison nécessite une normalisation
Les Moyens
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
– Contraction maximale (pas de sens chez certains patients
– Activité maximum par exemple au cours du cycle
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
0.22
0.20
0.18
0.16
0.14
0.12
0.10
0.08
C
0.06
Lente
Rapide
Confortable
Vitesse
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
CAPTEUR DE MESURE DES
FORCES EXTERNES
Les Moyens
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
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
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
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
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Mesure
Signaux analogiques
V
Sol
Sec
Convertisseur
analogique/numérique
0
Les Moyens
1
1
0
1
0
1
Signaux numériques
0
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
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
%
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
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
Freinage
Les Moyens
oscillation
100
%
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
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
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Moments calculés aux articulations
N.m.kg
1 -1
N.m.kg
1 -1
Moment articulaire de la
hanche
Ext.
Ext.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Moment articulaire du
genou
0
%
100
90
Flex.
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Flex.
appui
oscillation
appui
-1
oscillation
-1
N.m.kg
Moment articulaire de la
cheville
-1
1.5
1
Flex.
0
10
Les Moyens
20
30
appui
40
50
60
70
80
90
oscillation
%
100
%
100
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Puissances calculées aux articulations
P  M
P Puissance articulaire (W)
M Moment articulaire (Nm)
 Vitesse angulaire (rad.s-1)
Les Moyens
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Puissances calculées aux
articulations
W.kg
-1
W.kg-1
Puissance articulaire du
genou
Puissance articulaire de la
hanche
1
Gen.
0.5
Gen.
0
10
0
Abs.
-0.5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100%
30
40
appui
oscillation
W.kg1
3
Gen.
2
1
0
Abs.
-1
Les Moyens
10
20
30
appui
40
50
60
70
80
90
Abs.
-1
appui
20
50
60
70
80
90
oscillation
10%
0
oscillation
%
10
0
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
SAVOIR RECONNAITRE UNE
MARCHE NORMALE
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Cinématique normale: membre/sagital
Marche Normale
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Cinématique normale : bassin
Marche Normale
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
EMG normal: proximal
Marche Normale
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
EMG normal: distal
Marche Normale
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Cinétique normale
Marche Normale
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
SAVOIR METTRE EN RELATION
CINEMATIQUE ET EMG
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Marche normale
Mettre en relation
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Marche pathologique
Mettre en relation
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Marche pathologique
Mettre en relation
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
CONNAITRE LES LIMITES DE
LA MESURE DU MOUVEMENT
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Erreurs de calcul
• Modèle anatomique
– Définition du centre articulaire
– Définition des repères externes
– Loi de relation entre les deux
• Modèle biomécanique
– Segment rigide
– Articulation de type rotule
• Séquence de rotations (angles d’Euler)
Limites
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
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
45
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Erreurs instrumentales
• Dufour et Godillon-Maquinghen 1999: 0,44mm
– Avec des caméras < 0,3 Mpix
– Actuellement caméras entre 1 et 40 Mpix
Limites
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
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
47
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
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
48
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
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
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
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
50
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
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
51
Enseignement National DES – DIU de Médecine Physique et de Réadaptation
Module : Bases physiologiques et évaluation des fonctions de l’appareil locomoteur
Merci de votre attention