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Article de méthode

Influence de la manipulation de la largeur de pas sur la biomécanique de la course

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DOI :

10.3791/67152

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28 février 2025

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1Faculty of Sports Science, Ningbo University, 2Auckland Bioengineering Institute, The University of Auckland

Dans cet article

Résumé

Le présent protocole décrit un dispositif expérimental conçu pour étudier l’influence de la manipulation de la largeur de pas sur la biomécanique de la course à l’aide d’un système de capture de mouvement. L’objectif est d’élargir les ensembles de données pertinents et d’examiner les effets de différentes largeurs de pas sur la chaîne cinématique du membre inférieur humain.

Résumé

La largeur des pas est un facteur critique qui influence la biomécanique des membres inférieurs pendant la course, affectant considérablement la stabilité, les performances et le risque de blessure. Comprendre ces effets est essentiel pour optimiser les performances de course et minimiser le risque de blessure. Cette étude a évalué les effets de différentes largeurs de pas sur la biomécanique des membres inférieurs à différentes vitesses de course. Treize hommes chinois en bonne santé (âgés de 20 à 24 ans) ont participé à l’étude, courant à des vitesses de 3,0 m/s et 3,7 m/s en utilisant six largeurs de pas distinctes : la largeur de pas préférée et cinq variations (réductions de 13 % et 6,5 %, et augmentations de 6,5 %, 13 % et 25 %, en fonction de la longueur des jambes). Les données ont été collectées à l’aide d’un système de capture de mouvement et de plaques de force, puis analysées à l’aide de mesures répétées, d’ANOVA et de tests de corrélation. Les résultats ont indiqué que des largeurs de pas plus larges réduisaient considérablement les moments d’abduction du genou et les angles d’adduction de la hanche, tandis que des largeurs de pas plus étroites augmentaient la charge articulaire du genou. Ces résultats ont des implications importantes pour les cliniciens et les coureurs, suggérant qu’une sélection minutieuse de la largeur des pas peut aider à réduire le risque de blessure et à améliorer l’efficacité de la course. Cette étude apporte un nouvel ensemble de données qui jette les bases de recherches futures sur la relation entre la largeur des pas et la biomécanique de la course et sert de référence pour les pratiques d’entraînement et de réadaptation.

Introduction

Les facteurs environnementaux, y compris les éléments spatiaux et temporels, influencent directement les déplacements quotidiens de l’homme. Les individus peuvent adopter différentes postures et schémas de mouvement tout en courant et en marchant dans diverses conditions environnementales. Il est bien établi que la modification des techniques de course peut avoir un impact sur la biomécanique du corps, la largeur des pas étant étroitement associée à la stabilité et à l’équilibre pendant la course humaine 1,2. La largeur de pas est définie comme la distance médiolatérale entre le milieu du pied et le contact initial avec le sol de chaque pied, représentant une variable dans le plan frontal3. Pendant la marche et la course, des variations à court terme de la largeur des pas peuvent influencer la biomécanique des membres inférieurs sur trois plans 3,4,5.

De nombreuses études ont démontré que la largeur des pas affecte de manière significative la biomécanique des articulations des membres inférieurs, la cinématique et la cinétique pendant la course. Une largeur de pas plus large réduit les angles d’adduction de la hanche, les moments d’abduction du genou et les angles d’éversion de l’arrière-pied, contribuant ainsi à une meilleure stabilité et réduisant potentiellement le risque de blessure 6,7. À l’inverse, une largeur de marche plus étroite augmente la rotation interne du genou et les angles d’adduction de la hanche, ce qui peut augmenter les charges articulaires. Plus précisément, une largeur de pas étroite a été associée à des variations accrues de la rotation interne du genou et du couple d’abduction maximal du genou par rapport à une largeur de pas normalede 6,7. De plus, il a été démontré que des largeurs de pas plus larges réduisent la charge tibiale, diminuant ainsi le stress sur le tibia pendant la course8. Ces résultats soulignent le rôle essentiel de la largeur de pas dans l’influence de la biomécanique de la course, soulignant son importance dans l’optimisation des performances et la minimisation du risque de blessure.

Des études ont en outre démontré que les vitesses de marche et de course influencent les paramètres biomécaniques des membres inférieurs 9,10,11,12. Cependant, les effets du changement de largeur de pas sur la biomécanique à différentes vitesses d’exercice restent incertains, et peu de données scientifiques concernant le mouvement humain dans différentes conditions de vitesse et de largeur de pas sont disponibles. Par conséquent, cette étude vise à étudier l’impact des changements de largeur de pas sur la biomécanique des membres inférieurs à différentes vitesses, en se concentrant sur des paramètres clés tels que l’angle d’adduction de la hanche et le moment d’abduction du genou.

Pour y remédier, un ensemble de données a été établi comprenant 13 participants masculins en bonne santé âgés de 20 à 24 ans, y compris des fichiers C3D et des données cinématiques prêtes à l’emploi. Les participants ont été invités à courir à des vitesses de 3,0 m/s et 3,7 m/s en utilisant six largeurs de pas distinctes. La sélection de ces largeurs et vitesses de pas a été éclairée par les résultats de recherche existants et l’état actuel des ensembles de données open source sur la biomécanique de la marche dans la littérature 13,14,15,16,17. Cette étude vise à examiner les effets aigus des changements de largeur de pas sur la chaîne cinétique des membres inférieurs tout en élargissant l’ensemble de données pour fournir des informations précieuses sur la relation entre la largeur des pas et la biomécanique des membres inférieurs.

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Protocole

L’étude a reçu l’approbation du comité d’éthique de l’Institut de recherche de l’Université de Ningbo (numéro d’approbation : ty2022001). Tous les participants ont fourni un consentement éclairé écrit après avoir été informés de l’objectif, des exigences et des procédures de l’expérience. Les détails des consommables, de l’équipement et des logiciels utilisés sont répertoriés dans la table des matériaux.

1. Préparation expérimentale

  1. Préparation de l’équipement
    1. Placez huit caméras infrarouges à des endroits appropriés pendant l’étalonnage de l’équipement et vérifiez s’il y a des reflets dans la zone d’expérience (p. ex., marqueurs réfléchissants sur les vêtements des participants). Supprimez ou couvrez les reflets et assurez-vous d’un éclairage suffisant.
    2. Insérez le dongle de chiffrement couplé dans le port parallèle du PC. Démarrez les caméras de capture de mouvement, le logiciel de suivi, l’amplificateur de plate-forme de force et l’ADC.
    3. Ouvrez le logiciel de suivi et attendez que les huit caméras s’initialisent. Vérifiez que le processus est terminé lorsque les voyants de la caméra passent du rouge au vert.
    4. Passez en mode Appareil photo et développez le panneau Ressources système sur la gauche. Sélectionnez les huit caméras.
    5. Ajustez les paramètres dans le panneau de gauche sous Propriétés. Réglez l’intensité du flash sur 0,95-1, le gain sur 1x et le mode niveaux de gris sur Auto. Sous Ajustement centroïde, définissez le seuil sur 0,2-0,4, le rapport de circularité minimum sur 0,5 et la hauteur maximale des gouttes sur 50.
    6. Positionnez l’image en T avec des marqueurs au centre de la zone de capture de mouvement. Sélectionnez à nouveau les huit caméras dans la barre d’outils de gauche.
    7. Effectuez l’étalonnage dans le panneau Outils à droite. Sélectionnez l’objet d’étalonnage Baguette à 5 marqueurs et cadre en T dans la liste des cadres en T .
    8. Cliquez sur le bouton Arrêter sous l’option Masque de l’appareil photo dans le panneau Outils de préparation du système . Une fois que l’écran est devenu bleu, cliquez à nouveau sur le bouton pour revenir à l’état Stop .
    9. Cliquez sur le bouton Démarrer sous l’option Calibrer les caméras . Déplacez le cadre en T d’avant en arrière dans la plage de capture, en vous assurant que la hauteur d’oscillation correspond à la hauteur focale de l’appareil photo. Arrêtez-vous lorsque les voyants bleus des caméras cessent de clignoter.
    10. Basculez la vue en perspective 3D et replacez l’image en T au centre de la zone de capture de mouvement. Assurer l’alignement avec les limites de la plate-forme de force.
    11. Cliquez sur le bouton Démarrer sous l’option Définir l’origine du volume dans le panneau de droite.
  2. Préparation de la plate-forme de pression
    1. Positionnez deux plaques de force intégrées au centre de la zone de capture de mouvement et synchronisez-les à 1000 Hz.
    2. Marquez six largeurs de pas sur la plate-forme de force à l’aide de rubans de couleurs différentes pour représenter chaque condition, y compris la largeur de pas préférée et cinq variations (réductions de 13 % et 6,5 %, et augmentations de 25 %, 13 % et 6,5 % de la longueur des jambes). Connectez la plate-forme au PC pour la collecte de données.
      REMARQUE : Assurez-vous que le système enregistre les coordonnées antéro-postérieures (axe Y) du pied au moment du contact, avec du ruban jaune indiquant la largeur de pas préférée et d’autres couleurs indiquant les variations.
  3. Préparation du système de chronométrage
    1. Placez une porte de chronométrage électronique à faisceau unique sur un trépied pour enregistrer la vitesse de course des participants lorsqu’ils passent sur les plaques de force.
      REMARQUE : Assurez-vous que la distance entre les portes de chronométrage électroniques est de 3 m (comme illustré à la Figure 1).

2. Préparation des participants

  1. Obtenez le consentement éclairé écrit des participants, expliquez brièvement l’objectif et les procédures de l’étude, et encouragez-les à poser des questions. Assurez-vous que tous les participants sont dominants de la jambe droite pour minimiser la variabilité.
    REMARQUE : La présente étude porte sur 13 hommes chinois en bonne santé, âgés en moyenne de 22,7 ans, pesant 70,9 kg et mesurant 1,75 m. Assurez-vous qu’il n’y a pas de blessures aux membres inférieurs ou de déformations du pied au cours des six derniers mois. Cette sélection d’échantillons réduit l’influence de l’âge et du sexe sur les paramètres biomécaniques, assurant ainsi la validité statistique et la reproductibilité. La taille de l’échantillon est suffisante pour analyser les effets de la largeur de pas sur la biomécanique.
  2. Demandez aux participants de porter des pantalons de sport ajustés et des chaussures expérimentales normalisées pour minimiser les interférences dans la démarche. Retirez l’excédent de vêtements.
  3. Collecter et enregistrer des données anthropométriques : taille, poids, longueur des jambes, largeur des épaules et largeur des hanches.
    REMARQUE : Mesurez la longueur de la jambe de la colonne iliaque antéro-supérieure à la malléole latérale. Mesurez la largeur des épaules et des hanches comme les distances directes entre les points de repère anatomiques respectifs.
  4. Gardez la peau des participants au sec et fixez des marqueurs réfléchissants aux repères anatomiques à l’aide de ruban adhésif double face.
    REMARQUE : Utilisez 38 marqueurs réfléchissants avec des positions spécifiques et des noms d’étiquette détaillés dans le tableau 1. Assurez un placement précis et une fixation sûre des marqueurs. Pour les zones à fort mouvement ou les surfaces inégales, renforcez les marqueurs avec du ruban musculaire ou un adhésif doux pour la peau. Après avoir placé les marqueurs, prenez des photos de face, de dos et de côté pour la documentation.
  5. Demandez aux participants de faire du jogging pendant 5 minutes en guise d’échauffement avant de commencer les enregistrements statiques et dynamiques.

3. Étalonnage statique

  1. Lancez le logiciel de suivi et créez une nouvelle base de données en sélectionnant Nouvelle base de données dans la barre d’outils. Dans la section Gestion des données , choisissez Classification des nouveaux patients, puis Nouveau patient, et enfin, cliquez sur Nouvelle session pour configurer une base de données d’informations sur les participants.
  2. Cliquez sur Mettre en service dans la barre d’outils de gauche, puis utilisez le bouton Diviser horizontalement dans l’interface Affichage . Sélectionnez des graphiques pour afficher le nombre de trajectoires.
  3. Cliquez sur Préparation du sujet dans la barre d’outils. Demandez au participant de se tenir debout, les pieds écartés de la largeur des épaules, un pied sur la plate-forme de force, les bras parallèles aux épaules et de regarder droit devant lui. Cliquez sur Démarrer pour commencer la collecte de données et maintenez la position pendant 10 s. Cliquez sur Arrêter pour terminer la capture statique.
    REMARQUE : Passez en mode « Perspective 3D » pour vous assurer que la caméra capture au moins une image montrant les 38 marqueurs réfléchissants sur le corps du participant.

4. Essais dynamiques

  1. Informez les participants de se préparer à l’expérience et d’entrer dans l’état expérimental.
  2. Opérations logicielles
    1. Cliquez sur Mettre en service dans le panneau des ressources de gauche et sur Capturer dans le panneau des outils de droite. Une fois que les participants sont prêts, démarrez l’essai en cliquant sur Démarrer et terminez-le en cliquant sur Arrêter une fois terminé.
      REMARQUE : Étiquetez différents essais avec des largeurs de pas variables dans la section « Nom de l’essai ».
  3. Effectuez l’expérience de largeur de pas préférée, en capturant le mouvement à trois vitesses différentes.
    1. Demandez aux participants de marcher naturellement le long d’un chemin droit avec deux plates-formes de force, en plaçant le pied gauche sur la plate-forme A (Kistler) et le pied droit sur la plate-forme B (AMTI).
    2. Considérez que l’essai a réussi si le temps nécessaire pour effectuer un passage (passant au-dessus des plates-formes de force) est compris entre 0,95 et 1,05 s à 3,0 m/s ou entre 0,76 et 0,86 s à 3,7 m/s. Répétez l’essai si le timing ne répond pas à ces critères afin de minimiser l’influence des fluctuations de vitesse sur la biomécanique de la course. L’objectif principal est d’étudier l’influence de la vitesse.
      REMARQUE : Ces plages de temps ont été calculées sur la base de vitesses de course prédéfinies (3,0 m/s et 3,7 m/s) et de la distance connue entre les portes de chronométrage électroniques. Cela permet aux participants de maintenir une vitesse de course constante tout au long de l’essai et de refléter avec précision les conditions expérimentales.
    3. Demandez aux participants de courir à une vitesse de 3,7 m/s sur une trajectoire droite avec deux plates-formes de force.
      REMARQUE : Si le temps passant sur la plate-forme de force est compris entre 0,76 et 0,86 s, considérez l’essai comme réussi ; Sinon, réessayez. Assurez-vous que les participants placent systématiquement leur pied gauche sur la plate-forme A et leur pied droit sur la plate-forme B. Des études antérieures ont montré des différences biomécaniques significatives à différentes vitesses 9,10,11,12. Demandez aux participants de s’entraîner plusieurs fois avant les essais formels pour assurer une démarche naturelle. Surveillez de près les essais, assurez-vous de leur bonne exécution et de la tenue des marqueurs. Chaque condition nécessite au moins cinq essais réussis.
  4. Mesure de la largeur de pas souhaitée et réglage de différentes largeurs de pas
    1. Sur la base de la définition de la largeur de pas et de recherches antérieures, mesurez la largeur de pas préférée des participants dans trois modes de mouvement 8,18,19,20. À l’aide du système de capture de mouvement, assurez-vous que l’axe Y dans le système de coordonnées du laboratoire représente la direction médiolatérale (d’un côté à l’autre).
      1. Enregistrez les coordonnées de l’axe Y des marqueurs de talon gauche et droit lors du contact initial avec le sol. Calculez la largeur de pas préférée comme la différence dans les coordonnées de l’axe Y des deux talons, fournissant une mesure directe de la distance latérale entre les pieds.
    2. Marquez les plates-formes de force avec des rubans de couleurs différentes correspondant à cinq conditions de largeur de pas (largeur de pas réduite ou augmentée de 13 %, 6,5 % ou 25 % de la longueur de la jambe). Le ruban jaune indique la largeur de pas préférée.
      REMARQUE : Des études antérieures ont montré des différences biomécaniques significatives lorsque la largeur des pas change de 13 % par rapport à la longueur des jambes 5,8,18,19. Sur la base de cette constatation, introduire des conditions de largeur de pas supplémentaires.
    3. Demandez aux participants de marcher droit tout en se concentrant vers l’avant. Assurez-vous que les pas du pied gauche sur le ruban jaune sur la plate-forme A et les pas du pied droit sur un ruban de couleur différente sur la plate-forme B. Attribuez au hasard des couleurs de ruban spécifiques pour modifier la largeur des pas.
      REMARQUE : Rassemblez au moins cinq essais réussis pour chaque condition de largeur de pas.
    4. Demandez aux participants de courir à des vitesses de 3,0 m/s et 3,7 m/s avec les cinq largeurs de pas différentes.
      REMARQUE : Assurez-vous que les participants suivent correctement les instructions et surveillez le détachement des marqueurs. Rassemblez au moins cinq essais réussis pour chaque condition et assurez-vous d’un temps de repos adéquat après chaque test.

5. Traitement des données

  1. Après l’expérience, traitez manuellement toutes les données collectées à l’aide d’un logiciel compatible. Connectez séquentiellement les données en fonction des points de repère définis dans le tableau 1.
  2. Vérifiez chaque trajectoire statique ou dynamique pour détecter tout marqueur manquant ou interrompu sur les participants. Utilisez l’outil de connexion/remplissage de points dans le logiciel pour reconnecter manuellement les marqueurs manquants, en faisant référence aux marqueurs à proximité pour plus de précision.
  3. Analysez les forces de réaction au sol (GRF) pendant les activités dynamiques en définissant un seuil vertical de 20 N pour détecter le contact avec le pied et le décollage des orteils, en définissant la phase d’appui de chaque cycle de marche.
    REMARQUE : Les données GRF du contact du talon à l’arrêt des orteils définissent un cycle de marche et sont enregistrées sous forme de fichiers C3D bruts.
  4. Exportez les données traitées aux formats C3D, MOT, TRC et CSV. Assurez-vous que chaque participant effectue environ 55 essais dans des conditions statiques, de marche et de course avec six largeurs de pas différentes. Utilisez les données pour comparer la largeur des pas et les caractéristiques des membres.
    REMARQUE : Malgré le strict respect du protocole, certains participants peuvent avoir des données incomplètes en raison de la disparition de la trajectoire des marqueurs dans le système d’équipement.

6. Analyse statistique

  1. Analyser les données à l’aide d’un logiciel statistique (p. ex., SPSS, Python), en mettant l’accent sur les effets de la largeur de pas et de la vitesse de course sur la biomécanique des membres inférieurs.
  2. Utiliser l’ANOVA à mesures répétées pour analyser les paramètres biomécaniques, en appliquant la correction de Bonferroni pour les tests post-hoc si nécessaire.
  3. 6.3. Utiliser des méthodes non paramétriques comme le test de Friedman lorsque les hypothèses de normalité et de sphéricité ne sont pas remplies. Définissez tous les niveaux de signification à p < 0,05.

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Résultats

Après l’expérience et le traitement des données, la trajectoire du marqueur traité et les données de force de réaction au sol simulée (GRF) ont été enregistrées dans des fichiers C3D, comme indiqué dans le tableau 1. Le dossier C3D.zip contient l’ensemble de données brutes obtenu à partir de l’expérience de capture de mouvement. Tous les enregistrements de données sont énumérés dans le tableau 2. L’ensemble de données est organisé en dossiers, chacun représentant l’un des 13 participants...

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Discussion

L’impact de la largeur de pas sur la course humaine est un problème multiforme et important. La largeur du pas fait référence à la distance latérale entre le centre du talon et le sol au moment du contact initial de chaque pied3. La modification de la largeur des pas peut affecter la stabilité, l’équilibre, la biomécanique et la dépense énergétique pendant la course. Des recherches antérieures suggèrent qu’une augmentation de la largeur de la marche peut réduire l...

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Remerciements

Cette étude a été soutenue par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (12202216), la Fondation des sciences naturelles de Ningbo (2023J128) et le projet interdisciplinaire « Mechanics+ » du Fonds pour la jeunesse innovant de l’Université de Ningbo (GC2024006).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
AMTI Force PlateAMTIOR6-7Watertown, MA, USA
Ruban coloré pour le marquage au solGénérique-Utilisépour marquer différentes largeurs de pas sur les plaques de force, acheté en ligne
Kistler Force PlateKistler9260AAWinterthur, Suisse
MATLABMathWorksVersion R2021bTraitement et modélisation des données
Réfléchissant MarqueursVicon Metrics Ltd.-Utilisé pour marquer les points du corps des participants
Mono-faisceau Chronométrage électronique GateBrower TimingSystem-Draper, UT, USA, Utilisé pour enregistrer la vitesse de course
Chaussures expérimentales standard Chaussuresde marque désignéespour minimiser les interférences de marche
Système de capture de mouvement ViconMetrics Ltd.Vicon T-SeriesOxford, Royaume-Uni, Utilisé pour la capture de mouvement
Vicon Nexus SoftwareVicon Metrics Ltd.Version 1.8.5ACollecte et analyse des données

Références

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Réimpressions et autorisations

Mots-clés

Biom canique des membres inf rieursCharge articulaireCapture de mouvementPlateformes de forceCapture de mouvement sans marqueursStabilit la coursePr vention des blessuresCoordination musculaire
Influence de la manipulation de la largeur de pas sur la biomécanique de la course
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