Ce protocole détaille une approche standardisée pour quantifier la répartition de la pression plantaire, l’équilibre des pieds et l’angle de l’axe du pied lors de tâches de changement de direction de 45° à l’aide d’une plaque de pression Footscan, permettant une évaluation reproductible des schémas de charge bilatérale des membres à une vitesse d’approche contrôlée.
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Article de recherche
Effet du mouvement de changement de direction (COD) sur la pression plantaire et l’équilibre du pied dans les membres bilatéraux
Dans cet article
Résumé
Résumé
Ce protocole établit une approche standardisée pour tester si une tâche de changement de direction (COD) de 45° provoque une charge plantaire asymétrique entre les membres dominants et non dominants. Le flux de travail comprend l’étalonnage des plaques de pression, la préparation des participants pieds nus et le contrôle de la vitesse d’approche à 3,5 m·s⁻¹ (±5 %) utilisant des grilles de synchronisation pour améliorer la cohérence de l’essai. La charge plantaire est quantifiée par segmentation de pied à dix régions, et la position est normalisée dans le temps à 101 points. Les trajectoires de force sont normalisées à la force verticale moyenne (Zavg), permettant une comparaison entre les membres des signaux en continu dans le temps. Les différences des membres sont évaluées à l’aide d’une cartographie paramétrique statistique unidimensionnelle (SPM1d) avec une inférence basée sur la théorie des champs aléatoires, complétée par des métriques sommaires discrètes (par exemple, pics régionaux et indices d’équilibre des pieds) selon les besoins. Dans une cohorte de 15 adultes en bonne santé réalisant des essais standardisés de MCO à 45°, les analyses en continuité temporelle n’ont pas révélé de signification statistique au niveau de la courbe entre membres, indiquant un haut degré de symétrie fonctionnelle dans les conditions actuelles. Bien que de petites tendances directionnelles aient été observées dans certaines régions plantaires, elles doivent être interprétées comme des stratégies descriptives plutôt que définitives spécifiques aux membres. Dans l’ensemble, le protocole offre un cadre transparent et reproductible pour la recherche bilatérale en mécanique plantaire, soutenant les applications dans les tests de performance sportive, l’évaluation des chaussures, le suivi de la rééducation et l’évaluation clinique de la démarche.
Introduction
Les mouvements de changement de direction (COD) sont des compétences clés dans de nombreux sports, en particulier dans les activités à haute intensité comme le football, le basket-ball et le rugby, où la vitesse et la précision influencent directement la performance athlétique et lacompétitivité 1,2. Les recherches ont montré que les mouvements de la MCO nécessitent non seulement que les athlètes possèdent un haut niveau de force et d’explosivité des membres inférieurs, mais exigent aussi une bonne coordination et un contrôle fin de ladémarche 2,3,4. Pour obtenir une compréhension complète des mécanismes biomécaniques sous-jacents aux mouvements de la MCO, en particulier l’impact sur la pression plantaire, de nombreuses études se sont concentrées sur l’exploration des paramètres cinématiques et cinétiques associés, en particulier les variations sous différentes vitesses de mouvement et conditions de marche.
La répartition de la pression plantaire reflète les changements dynamiques de la structure du pied, de la fonction et du contrôle global de la posture corporelle 5,6,7. En analysant la pression plantaire, les paramètres physiologiques et pathologiques biomécaniques ainsi que les caractéristiques fonctionnelles du corps humain sous différentes postures et conditions de mouvement pouvaient être compris 8,9. Ces dernières années, l’analyse de la distribution de la pression plantaire est devenue un outil important en sciences biomédicales, en conception de chaussures et en performance sportive, contribuant ainsi à élucider les interactions biomécaniques complexes entre le pied et le sol. Des travaux antérieurs ont démontré que l’analyse de pression plantaire peut révéler des adaptations liées à la performance ; Par exemple, les joueurs professionnels de football présentent une charge avant du pied plus élevée que les athlètes récréatifs, reflétant les exigences spécifiques au sport en matière de propulsion et de stabilité. Par contre, des activités dynamiques, telles que la marche et l’atterrissage, généraient des charges plantaires nettement plus importantes que la position statique, soulignant l’importance biomécanique de la redistribution de la pression du pied lors dumouvement 10. De plus, Pataky et al. ont opposé le sous-échantillonnage discret traditionnel au SPM à pression plantaire (pSPM) basé sur la courbe et ont montré que la vitesse de marche affecte systématiquement les estimations de la pression plantaire maximale, les résultats soulignant que l’inférence champ par champ réduit la dépendance à des fenêtres d’échantillonnage arbitraires, soutenant notre utilisation de la SPM pour les analyses continues dansle temps 11.
Les sports et les activités sportives imposent des exigences biomécaniques uniques aux pieds, notamment lors des découpes rapides et d’autres manœuvres à haute intensité. Amaro et al. (2020) ont rapporté que les mouvements spécifiques au basketball, tels que la course, le coupe et le rebond, produisaient des variations dépendantes du mouvement dans la pression plantaire maximale dans les régionsdu pied 12. Serrano et al.13 ont également démontré que les jeunes joueurs de futsal maintenaient des schémas de pression plantaire constants lors des manœuvres de la MCO sur différentes surfaces, mettant en lumière la biomécanique adaptative du pied dans des contextes dynamiques. Kong et al.14 ont constaté une augmentation significative des charges sur l’avant-pied lors du sprint, des coupes de 45° et des arrêts par rapport à la course, soulignant l’importance biomécanique de la redistribution de la pression plantaire lors des activités sportives spécifiques.
Malgré l’application étendue de l’analyse de la pression plantaire dans la recherche sportive et chaussurée, peu d’études ont examiné de manière systématique la distribution de la pression plantaire et le comportement d’équilibre des pieds lors des tâches standardisées de la DCO. La présente étude répond à cette lacune en proposant un protocole reproductible pour l’évaluation bilatérale de la pression plantaire et de l’équilibre des pieds lors d’une manœuvre COD de 45° dans des conditions de vitesse contrôlée. Les auteurs ont choisi un angle de coupure de 45° car il représente un angle de découpe modéré couramment utilisé en recherche biomécanique, équilibrant la pertinence sportive avec la faisabilité en laboratoire et la sécurité des participants. De plus, la mécanique du COD est connue pour varier selon l’angle de coupe et la vitesse d’approche ; Par conséquent, les présentes conclusions doivent être interprétées comme spécifiques à une tâche standardisée de 45° réalisée à une vitesse d’approche contrôlée. Nous avons émis l’hypothèse que le membre dominant présenterait une charge plus importante dans les régions de l’avant-pied liées à la propulsion, tandis que le membre non dominant montrerait une variabilité médiolatérale accrue des indices d’équilibre du pied, reflétant son rôle de stabilisation. Les combinaisons de vitesse et d’allure sélectionnées sont basées sur la littérature existante et les ensembles de données open source combinés à des recherches biomécaniques actuelles sur les mouvements de la MCO, afin d’assurer la nature scientifique et représentative des conditionsexpérimentales 15,16.
Cette étude vise à révéler les schémas de répartition de la pression plantaire et de l’équilibre des pieds lors des mouvements de la MCO dans des conditions standardisées de vitesse et de marche. En analysant les réponses biomécaniques dans ce contexte spécifique de mouvement, les résultats devraient fournir des perspectives théoriques pour la science du sport, les stratégies de rééducation et la conception de chaussures de sport, offrant des conseils pratiques pour optimiser l’entraînement et les techniques de mouvement des athlètes.
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Protocole
L’étude a obtenu l’approbation du Comité d’éthique de l’Institut de recherche de l’Université de Ningbo (Numéro d’approbation : ty2022020). Tous les participants ont donné leur consentement écrit, ayant été informés de l’objectif, des exigences et des procédures de l’expérience. Les équipements et logiciels utilisés sont listés dans le tableau des matériaux.
1. Préparation en laboratoire
Une plaque de pression Footscan de 2 m (2,0 m × 0,40 m × 0,02 m, 16 384 capteurs) a été utilisée et échantillonnée à 480 Hz. La plaque était incrustée à fleur de la piste environnante à l’aide de tapis protecteurs pour éliminer les artefacts à hauteur de marche. Le système a été réglé à zéro et calibré selon le poids selon les instructions du fabricant, et le numéro de série de la plaque connectée ainsi que le fichier d’étalonnage ont été vérifiés avant les essais.
La vitesse d’approche sur les 2 derniers mètres avant le contact des pieds était surveillée à l’aide de doubles portes de synchronisation infrarouges, espacées de 2,0 m à une hauteur de faisceau de 80 cm et alignées avec la piste. Des vannes étaient positionnées de chaque côté de la piste afin de ne pas gêner la manœuvre COD. Les participants devaient maintenir 3,5 m·s⁻¹ (±5 %) le long du trajet d’approche avant de toucher la plaque de pression. Bien que les barrières de chronométrage quantifient la vitesse moyenne sur les 2 derniers mètres, les participants se sont approchés le long de la piste en tapis bleu et ont exécuté une manœuvre de changement de direction (COD) de 45° de sorte que le pied de la centrale (en tournant) touche la zone active de la plaque de pression. Pour minimiser le ciblage du placement des pieds, aucun repère visuel n’a été fourni, et plusieurs essais d’entraînement ont été autorisés. Un essai était jugé valide si le pied de la plante atteignait un contact complet dans la zone active sans ajustement évident de la foulée ; Les essais avec contact partiel ou ciblage évident ont été répétés.
2. Préparation des participants
Tous les participants ont donné un consentement éclairé écrit après avoir reçu une explication claire des objectifs et procédures de l’étude, avec la possibilité de poser des questions. Pour minimiser la variabilité inter-membres, seuls des individus dominant la jambe droite ont été recrutés. La dominance de la jambe a été déterminée par le test préféré de la jambe qui donne des coups de pied (≥2 confirmations sur trois essais) ; Tous les participants étaient dominants de la jambe droite. L’échantillon final comprenait quinze adultes chinois en bonne santé (9 hommes, 6 femmes ; âge : 22 ans ; poids : 65,52 kg ; taille : 170,3 cm), sans antécédents de blessures aux membres inférieurs ni de déformations du pied au cours des six derniers mois. Le critère d’inclusion spécifique a été conçu pour réduire les effets de confusion liés à l’âge et au sexe, améliorant ainsi la reproductibilité et la validité statistique des résultats expérimentaux.
Les participants devaient porter un pantalon de sport moulant et se tenir pieds nus sur la plaque Footscan, les deux pieds alignés ensemble. Des données anthropométriques ont ensuite été collectées et enregistrées, incluant la taille, le poids, la longueur des pieds, la taille des chaussures et le type de voûte plantaire. La hauteur longitudinale médiale de l’arc a été évaluée à l’aide de l’Indice de Hauteur de l’Arche (AHI), calculé comme le rapport entre la hauteur dorsale (mesurée à 50 % de la longueur totale du pied) et la longueur totale du pied. Des valeurs d’AHI comprises entre 0,310 et 0,356 étaient considérées comme indicatives d’une structure d’arcnormale 17.
Avant de commencer les essais principaux, les participants ont d’abord vu une démonstration des tâches de mouvement requises. Un jogging lent de 10 minutes a ensuite été effectué par chaque participant comme échauffement standardisé afin d’assurer une préparation physiologique adéquate pour les enregistrements statiques et dynamiques.
3. Justification de la taille de l’échantillon
Une analyse de sensibilité pour un test t jumelé à deux queues (α=0,05, 1−β=0,80, n=15) a indiqué que l’étude était propulsée pour détecter des effets internes du sujet d’environ la dz de Cohen ≈ 0,74 pour le critère discret principal (FBI).
4. Segmentation et abréviations de la région plantaire
La surface plantaire du pied était divisée en 10 régions anatomiques par le logiciel Footscan : hallux (T1), orteils inférieurs considérés comme une seule région (T2-T5), du premier au cinquième métatarsien (M1-M5), talon médial (MH), talon latéral (LH) et médio-pied (MF). Pour l’Indice d’équilibre du pied (FBI), la charge médiale était définie comme la somme des forces normalisées de M1, M2 et MF, tandis que la charge latérale comprenait M3, M4, M5 et LH. Cette classification suit les règles par défaut de segmentation du balayage des pieds basées sur les têtes métatarsiennes, la fente calcânée et les limites du milieu du pied (30 % à 60 % de longueur des pieds). Une clé d’abréviation complète est fournie à la Figure 1A.
5. Mesure statique
- Posture et installation
Les participants se tenaient pieds nus sur la plaque de pression encastrée dans une posture bipède confortable, les pieds espacés à peu près à la largeur des épaules, les genoux étendus mais non verrouillés, les bras détendus le long du corps, et le regard fixé sur une marque murale à hauteur des yeux ~3 m devant. Les pieds étaient alignés avec l’axe AP (antérieur-postérieur) de la plaque ; aucune cible visuelle n’était placée sous ses pieds pour éviter le biais de position. - Stabilisation et enregistrement
Après une stabilisation silencieuse de 3 à 5 s, une seule image statique de la distribution de pression plantaire a été enregistrée. Deux répétitions valides ont été collectées par participant, avec ≥30 s de repos assis entre les essais afin de minimiser la dérive posturale. - Critères de validité et de répétition
Un essai statique était considéré comme valide si (1) le contact plantaire complet des deux pieds était visible dans la zone active, (2) aucun balancement ou ajustement évident des pas n’a eu lieu pendant la fenêtre de stabilisation, et (3) il n’y avait pas de chevauchement ni de troncature des empreintes aux marges de la plaque. Les essais ne répondant pas à ces critères ont été répétés. - Variables dérivées (statiques)
À partir de l’instantané statique, nous avons calculé la pression/force régionale à travers les dix régions anatomiques (clé abréviée à la Figure 1A) et les indices descriptifs utilisés pour le contrôle qualité des protocoles (par exemple, rapport de force totale latéral). Les données statiques étaient utilisées uniquement pour documenter la distribution de base et la qualité de segmentation des plaques ; tous les tests d’hypothèses ont été réalisés lors d’essais dynamiques de DCO.
6. Mesure dynamique
Les participants ont réalisé pieds nus des essais de dépression à pas latéral à 45°. Pour la coupe vers la droite, le pied gauche (en tournant/plante) atterrit entièrement sur la plaque de pression. Pour garantir une position régulière des pieds et un contact plantaire complet, un repère de départ fixe individuel a été fixé pour chaque participant lors de la familiarisation, de sorte que l’approche produise une séquence de pas à droite puis à gauche, le pas tournant à gauche touchant la plaque. Avant les tests formels, les participants ont effectué plusieurs séances de familiarisation pour établir une démarche naturelle et répétable sans cibles visibles sur la plaque. Au moins trois essais valides ont été enregistrés par condition ; Les essais avec un contact incomplet ou un ciblage visible ont été abandonnés et répétés. Pour la coupe vers la gauche, le repère de départ et la séquence des pas étaient en miroir de sorte que le pied de virage à droite touche la plaque de pression selon des critères identiques.
La piste du laboratoire mesurait 10 m ; La plaque de pression était encastrée à ras et située à 6 m de la ligne de départ, laissant ~6 m pour l’approche et ~2 m pour la décélération post-contact. La vitesse d’approche était surveillée à l’aide de deux grilles de synchronisation à faisceau simple (hauteur de faisceau 80 cm) placées à 2,0 m l’une de l’autre le long du trajet d’approche, la porte aval étant alignée sur le bord proximal de la zone active de la plaque de pression, mesurant ainsi les 2 derniers m avant le contact des pieds. Un essai n’a été reconnu comme valide que lorsque la vitesse d’approche mesurée était de 3,5 m·s⁻¹ (±5 %).
Tous les essais ont été observés de près par des chercheurs formés afin d’assurer le respect de la plage de vitesses indiquée et la bonne exécution de la tâche. Les données cinétiques étaient automatiquement collectées par le système Footscan et stockées en toute sécurité pour une analyse ultérieure. Le schéma de frappe des pieds n’était pas explicitement contrôlé ; Les participants ont réalisé la tâche en utilisant leurs styles de course eux-mêmes.
7. Traitement des données
Après l’expérience, toutes les données collectées sont traitées manuellement à l’aide du logiciel Footscan.
Chaque essai statique et dynamique a été soigneusement examiné afin d’identifier toute donnée manquante ou des schémas de contact perturbés afin d’assurer la validité des données. L’identification des pieds gauche et droit a été déterminée à partir d’images dynamiques de pression plantaire prises au contact du pied, fournissant une représentation visuelle de la répartition maximale de la pression et de la position du centre de pression pendant la phase de position.
La surface plantaire était initialement divisée en dix régions anatomiques grâce à la fonction de segmentation automatisée du système, qui classait le pied en zones avant-pied, milieu et arrière-pied. Des ajustements manuels étaient ensuite appliqués si nécessaire afin d’assurer une délimitation régionale précise. Sur la base de la segmentation finale, les valeurs de pression de chaque région ont été extraites et utilisées pour générer des courbes régionales temps-pression pour une analyse approfondie.
Les données de pression plantaire étaient exportées séparément pour les conditions statiques et dynamiques. Les paramètres exportés comprenaient les angles des pieds, les haches des pieds, l’équilibre des pieds et les valeurs de pression spécifiques à la zone (Figure 1), extraits des régions prédéfinies du pied.
REMARQUE : Malgré une stricte adhésion au protocole expérimental, les données de certains participants étaient incomplètes en raison de la disparition de trajectoires marquées dans le logiciel Footscan.
8. Pression et force plantaires
Pour examiner la répartition de la charge plantaire pendant la posture, des données de force et de pression plantaires en séries temporelles ont été extraites de dix régions plantaires. Les courbes force/pression-temps ont été normalisées dans le temps à 101 points pour garantir la comparabilité temporelle entre les essais. Pour minimiser la variabilité inter-sujets (par exemple, due à la masse corporelle), les forces régionales ont été normalisées à la force verticale moyenne sur la posture (Zavg), définie comme suit :
(1)
Où Fz (t) est la force de réaction verticale du sol dans l’image t, et N est le nombre de repères de posture. Les forces normalisées sont rapportées comme sans dimension (×1). En revanche, les pressions plantaires régionales ont été analysées en unités physiques (kPa) sans normalisation, car elles sont déjà exprimées par rapport à la surface de contact. Ce schéma de normalisation des forces suit les étudesprécédentes 18.
9. Équilibre des pieds
L’indice d’équilibre des pieds (FBI), illustré dans l’équation 2, fait référence à la pronation du pied ou à la supination du pied pendant la phase de position (Figure 1)19. Le Favg utilisé pour le calcul du FBI est la force moyenne de l’ensemble des19 plantaires. Le FBI était calculé comme suit :
(2)
où Fmédiale et latéral F représentent respectivement la somme des forces plantaires issues des régions médiales (M1, M2, MH) et latérales (M3-M5, LH). Les valeurs positives de l’FBI indiquent une charge médiale plus importante (pronation), tandis que les valeurs négatives indiquent une charge latérale plus importante (supination).
Notez que MF a été intentionnellement exclue du groupe FBI (médial = M1, M2, MH ; latéral = M3-M5, LH) afin d’éviter la variabilité liée à la voûte plantaire et de se concentrer sur l’équilibre avant-pied/talon.
10. Angle de l’axe du pied
L’angle de l’axe du pied reflète le degré de rotation interne et externe du pied pendant la marche. L’angle est composé d’une ligne connectée entre le point médian du talon et le milieu de l’espace entre le deuxième et le troisième métatarsien. La ligne de direction du mouvement est définie comme l’axe du pied :angle 19 (Figure 1). La rotation interne et externe du pied dans le plan horizontal était représentée respectivement par des angles négatifs et positifs.
11. Analyse statistique
Des mesures de résultats discrètes (par exemple, l’indice d’équilibre du pied, la pression plantaire dans différentes régions du pied et l’angle de l’axe du pied) ont été analysées à l’aide de SPSS v19.0. Pour chacun des 15 participants, les données du pied dominant et non dominant ont été traitées comme des échantillons appariés. Ainsi, des tests t appariés ont été réalisés pour les données distribuées normalement (avec la normalité vérifiée en fonction de la distribution des différences au sein du sujet), tandis que les tests de rang signé de Wilcoxon ont été appliqués pour des comparaisons non paramétriques. Pour chaque condition, les courbes au niveau de l’essai ont été moyennées au sein des comparaisons entre membres avant le sujet ; Des métriques discrètes utilisaient la moyenne interne du sujet des essais valides.
Pour les séries temporelles de pression plantaire continue, les valeurs étaient normalisées selon Zavg (voir Traitement des données) et normalisées dans le temps à 101 points par interpolation linéaire. Par la suite, une cartographie paramétrique statistique unidimensionnelle (SPM1d) avec des tests t appariés a été utilisée pour comparer les courbes de pression sur toute la phase de position. La théorie des champs aléatoires (RFT) a été employée pour contrôler l’erreur champ par champ et corriger les comparaisons multiples sur le temps20. Toutes les analyses de séries temporelles ont été réalisées dans MATLAB R2018a, et le seuil de signification a été fixé à 0,05.
Pour contrôler l’erreur familiale à travers plusieurs comparaisons discrètes, les valeurs p pour les résultats régionaux/métriques discrets ont été ajustées à l’aide de la procédure de Holm-Bonferroni (α = 0,05). Les interprétations de signification non ajustées et ajustées sont rapportées lorsque cela est pertinent.
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Résultats
Variations temporelles variables de force et de pression dans les dix régions
Lors des mouvements de changement de direction, le pied dominant présentait des valeurs de force et de pression en série temporelle plus élevées que le pied non dominant dans la plupart des régions plantaires (par exemple, M1, M3, M4, MF et SUM), en particulier pendant la phase de position moyenne à tardive. Cependant, l’analyse par cartographie paramétrique statisti...
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Discussion
Cette étude a exploré les différences bilatérales de répartition de la pression plantaire et de l’équilibre des pieds lors d’une tâche standardisée COD à 45°. Dans l’ensemble, les analyses SPM1d continues dans le temps n’ont pas identifié de différences statistiquement significatives entre les membres dans les trajectoires régionales de force/pression selon les postures. Bien que le membre dominant ait montré des amplitudes légèrement plus élevées dans certaines régions et que le membre ...
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Déclarations de divulgation
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Remerciements
Cette étude a été soutenue par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (12202216), la Fondation des sciences naturelles de Ningbo (janvier 2023128), le projet interdisciplinaire « Mechanics+ » du Fonds interdisciplinaire pour la jeunesse innovante de l’Université de Ningbo (GC2024006), ainsi que le Centre de recherche en ingénierie du Zhejiang pour les nouvelles technologies et applications de l’imagerie par résonance magnétique sans hélium liquide (2024GCLX05).
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Une plaque de pression Foustcan de 2 m | Tekscan Inc., États-Unis | 5101 | |
| Logiciels d’acquisition de données | Tekscan Inc., États-Unis | www.tekscan.com/products/software | |
| Grilles de synchronisation infrarouges | Lafayette Instrument Company, États-Unis | 5016A | |
| MATLAB | MathWorks, États-Unis | www.mathworks.com/products/matlab | |
| Boîte à outils SPM1d | Open source (Cartographie paramétrique statistique) | www.spm1d.org |
Références
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Réimpressions et autorisations
