Summary
Cet article introduit une méthodologie expérimentale complète sur deux des dernières technologies disponibles pour mesurer la biomécanique des membres inférieurs des individus.
Abstract
Les techniques d’analyse biomécanique sont utiles dans l’étude du mouvement humain. L’objectif de cette étude était d’introduire une technique pour l’évaluation biomécanique des membres inférieurs chez les participants en bonne santé à l’aide de systèmes disponibles dans le commerce. Des protocoles distincts ont été introduits pour l’analyse de la démarche et les systèmes de test de la force musculaire. Pour assurer une précision maximale pour l’évaluation de la démarche, il faut accorder une attention aux placements de marqueurs et au temps d’acclimatation auto-rythmé du tapis roulant. De même, le positionnement des participants, un essai de pratique et l’encouragement verbal sont trois étapes critiques dans les tests de force musculaire. Les preuves actuelles suggèrent que la méthodologie décrite dans cet article peut être efficace pour l’évaluation de la biomécanique des membres inférieurs.
Introduction
La discipline de la biomécanique implique principalement l’étude du stress, de la souche, des charges et du mouvement des systèmes biologiques - solides et fluides. Il implique également la modélisation des effets mécaniques sur la structure, la taille, la forme et le mouvement du corps1. Pendant de nombreuses années, les développements dans ce domaine ont amélioré notre compréhension de la démarche normale et pathologique, la mécanique du contrôle neuromusculaire, et la mécanique de la croissance et de la forme2.
L’objectif principal de cet article est de présenter une méthodologie complète sur deux des dernières technologies disponibles pour mesurer la biomécanique des membres inférieurs des individus. Le système d’analyse de la démarche mesure et quantifie la biomécanique de la démarche en utilisant un tapis roulant auto-rythmé (SP) en combinaison avec un environnement de réalité augmentée, qui intègre un algorithme SP pour réguler la vitesse du tapis roulant, tel que décrit par Sloot et al3. L’équipement de test de force musculaire est utilisé comme un outil d’évaluation et un outil de traitement pour la réadaptation des extrémités supérieures4. Ce dispositif peut évaluer objectivement une variété de modèles physiologiques de mouvement ou de tâches de simulation d’emploi en mode isométrique et isotonique. Il est actuellement reconnu comme l’étalon-or pour la mesure de la force du membre supérieur5, mais les preuves liées spécifiquement au membre inférieur restent floues. Cet article explique le protocole détaillé pour terminer une évaluation de la démarche et de la force isométrique pour l’extrémité inférieure.
Dans le cadre de l’analyse biomécanique, il est utile de combiner les évaluations des performances fonctionnelles (comme l’analyse de la démarche) avec des tests spécifiques de performance musculaire. C’est parce que si l’on peut supposer que l’augmentation de la force musculaire améliore les performances fonctionnelles, cela ne peut pas toujours être apparent6. Cette compréhension est nécessaire pour améliorer la conception future des protocoles de réadaptation et des stratégies de recherche afin d’évaluer ces approches.
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Protocol
La méthode rapportée a été suivie dans une étude qui a reçu l’approbation éthique du Comité d’éthique de recherche de l’Université de Bournemouth (Référence 15005).
1. Participants
- Recruter des adultes en bonne santé (âgés de 23 à 63 ans, moyens et S.D.; 42,0 à 13,4 ans, masse corporelle de 70,4 à 15,3 kg, hauteur 175,5 à 9,8 cm; 15 mâles, 15 femelles) pour participer à l’étude. Trente participants ont été recrutés pour cette étude.
- Assurez-vous qu’il n’y a pas d’antécédents autodéclaré de vertiges, de problèmes d’équilibre ou de difficultés de marche chez les participants.
- Assurez-vous que les participants ne souffraient d’aucune blessure ou affection neuromusculaire connue affectant l’équilibre ou la marche.
2. Configuration et procédures d’analyse de la démarche
- Utilisez un système d’analyse de la démarche(figure 1) composé d’un tapis roulant à double ceinture à instrumentation de la plaque de force, d’un système de capture de mouvement à 10 caméras et d’un environnement virtuel qui fournit un flux optique.
- Assurez-vous que le participant porte des vêtements non réfléchissants très serrés comme des shorts de vélo ou des leggings.
- À l’aide de bandes adhésives à double face, fixez 25 marqueurs réfléchissants passifs et placent selon la configuration du bas du corps du modèle du corps humain (HBM)7, tel que détaillé dans le tableau 1 et la figure 2. Les informations contenues dans ce document proviennent du Manuel de référence HBM8.
- Utilisez une règle commune pour prendre des mesures des largeurs requises du genou et de la cheville pour le HBM6.
- Sécurisez le participant à un harnais de sécurité qui est fixé à un cadre supérieur.
- Démarrez une nouvelle session dans la base de données et assurez-vous qu’elle est active (surlignée).
- À l’aide de l’onglet sujet, créez un nouveau participant à partir du bouton Squelette d’étiquetage.
- Naviguez sur le fichier 'LowerLimb HBM_N2.vst' et entrez ensuite le nom du participant. Le nouveau participant apparaît dans le volet Sujets.
- Allez à la vitre Tools et ouvrez l’onglet Préparation sujet.
- Zéro niveau les plaques de force via l’onglet Matériel. Assurez-vous qu’aucun poids n’est exercé sur les plaques de force.
- Préparez le participant à l’essai du ROM en le préparant au milieu du tapis roulant.
- Pour s’assurer que le participant peut s’habituer au tapis roulant auto-rythmé, demandez-lui de marcher à une vitesse confortable pendant 5 minutes au début de la session9,10.
- Après l’acclimatation et sans délai, demandez au participant de marcher au moins 5 min10,11.
- Assurez-vous que les participants sont aveuglés par le moment des enregistrements.
- Assurez-vous de démarrer le tapis roulant et de commencer les enregistrements de données en cliquant sur le bouton d’enregistrement Démarrer 12. Cela peut être fait avec des logiciels intégrés (Tableau des matériaux).
- Arrêtez l’enregistrement après l’acquisition de la quantité de données souhaitée. Il est recommandé de collecter trois séries de 25 cycles.
- Ouvrez le logiciel de traitement(Tableau des matériaux) et supprimez le bruit à haute fréquence sur les données, en sélectionnant un filtre à faible passage aux données de marqueur telles qu’un filtre Butterworth de deuxième ordre avec une fréquence de coupure de 6 Hz.
- Allez au fichier, puis sélectionnez Export pour enregistrer comme un .csv.
- Déterminez les foulées individuelles des données de force verticale et utilisez les marqueurs de pied pour déterminer les événements de démarche13.
- Analyser les paramètres de démarche tels que les données cinématiques, cinétiques et spatiales-temporelles dans Matlab R2017a(Fichier supplémentaire).
3. Configuration et procédures pour le test de force musculaire
- Utilisez l’équipement de test de résistance musculaire (dynamomètre multimodal)(figure 3), pour mesurer la force musculaire des participants en fonction de la contraction isométrique volontaire maximale (MVIC)14.
- Fixez l’outil/pad numéro 701 à la tête d’exercice dynamomètre.
- Testez la force musculaire isométrique du genou droit et gauche du participant.
- Testez les participants en position assise sur une chaise avec un dossier.
- À l’aide de l’interrupteur haut/bas, alignez l’axe dynamomètre avec l’axe anatomique de rotation de l’articulation du genou. Placer le tampon de l’outil centralement à la partie inférieure du tibia.
- Maintenez le genou à 90 degrés flexion, la hanche en rotation neutre et l’enlèvement, et le pied dans la flexion plantaire.
- Placez les mains du participant sur leur abdomen et stabilisez le tronc, les hanches et la mi-cuisse sur la chaise avec des sangles Velcro.
- Exécutez un essai d’entraînement pour que les participants s’habituent à la manœuvre d’essai.
- Demandez au participant d’étendre son genou (exercer une pression vers le haut sur le pad) suivi d’une flexion (exercer une pression vers le bas sur le pad) pour exercer une contraction maximale sur la commande Go pour 3 s.
- Fournir des invites verbales et des encouragements (« Push » pour la hausse et « Tirer » pour le bas) pendant les essais de force.
- Assurez-vous que les participants sont conscients qu’ils peuvent arrêter le test immédiatement s’ils éprouvent une douleur ou un inconfort inhabituel.
- Permettre aux participants de se reposer pendant 2 min.
- Répétez les étapes 3.1 - 3.12, trois fois pour la jambe gauche et la jambe droite et enregistrez les données en newtons (N).
- Enregistrer toutes les données et l’exportation comme un rapport pour l’analyse.
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Representative Results
L’écart moyen et standard des paramètres de la démarche spatiale-temporelle, cinématique et cinétique est donné dans le tableau 2. Les données MVIC pour les 30 participants sont résumées dans le tableau 3. Un ensemble typique de données pour le côté gauche et droit d’un participant montrant une représentation graphique des paramètres de démarche est fourni dans la figure 4 et la figure 5, respectivement.
Les données présentées sont représentatives des résultats obtenus chez tous les participants et sont compatibles avec les résultats de référence des manuels obtenus pour les tests de résistance et de résistance isométrique15.
Figure 1 : Système d’analyse des démarches. Le système GRAIL est utilisé pour mesurer les paramètres de la démarche. Ce système se compose d’un tapis roulant instrumenté à ceinture fendue, d’un écran de projection semi-cylindrique à 160 degrés, de capteurs de force, de caméras vidéo et de système infrarouge optique. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 2 : Diagramme des marqueurs utilisés dans le modèle de corps humain (HBM). Ce chiffre montre les placements exacts de tous les marqueurs dans le modèle de bas du corps HBM. Une attention particulière devrait être accordée au placement des marqueurs imprimés en vert (gras dans le tableau 1); ceux-ci sont utilisés lors de l’initialisation pour définir le squelette biomécanique. Ce chiffre est adapté du Manuel de référence HBM8. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 3 : L’équipement de test de force musculaire (dynamomètre multimodal) utilisé pour mesurer la force musculaire des membres inférieurs. Ce système est utilisé pour mesurer la force musculaire des participants en fonction de la contraction isométrique volontaire maximale (MVIC). S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 4 : Un rapport d’échantillon produit à partir de l’analyse hors ligne de l’évaluation de la démarche à l’aide de la technique proposée. Données temporelles spatiales et cycle de démarche cinématique et cinétique pour le côté gauche d’un participant. Chaque ligne représente un cycle de démarche. L’axe Y représente les angles communs en degrés pour les parcelles cinématiques et le moment commun en newton mètre par kilogramme pour les parcelles cinétiques. Les lignes rouges représentent les paramètres de la démarche latérale gauche. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 5 : Un rapport d’échantillon produit à partir de l’analyse hors ligne de l’évaluation de la démarche à l’aide de la technique proposée. Données temporelles spatiales et cycle de démarche cinématique et cinétique pour le côté droit d’un participant. Chaque ligne représente un cycle de démarche. L’axe Y représente les angles communs en degrés pour les parcelles cinématiques, et le moment commun en mètre newton par kilogramme pour les parcelles cinétiques. Les lignes vertes représentent les paramètres de la démarche latérale droite. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
| Étiquette | Emplacement anatomique | Description |
| T10 | T10 | Sur les 10ème vertèbres thoraciques |
| SACR | Os Sacrum | Sur l’os sacré |
| Nef | Nombril | Sur le nombril |
| XYPH XYPH | Processus Xiphoid | Xiphiod procces du sternum |
| Strn | Sternum | Sur l’encoche jugulaire du sternum |
| LASE | Os pelvien avant gauche | Épine iliaque supérieure supérieure gauche |
| RASIS RASIS | Os pelvien avant droit | Colonne iliac supérieure supérieure droite |
| LPSIS | Os pelvien dos gauche | Colonne iliac supérieure postérieure gauche |
| RPSIS (en) | Os pelvien dos droit | Colonne iliac supérieure postérieure droite |
| LGTRO (LGTRO) | Gauche plus trochanter du fémur | Au centre de la gauche plus grand trochanter |
| FLTHI FLTHI | Cuisse gauche | Le 1/3 sur la ligne entre le LGTRO et LLEK |
| Llek Llek | Épiondyle latéral gauche du genou | Du côté latéral de l’axe commun |
| Lati | Antérieur gauche du tibia | Le 2/3 sur la ligne entre le LLEK et LLM |
| Llm | Malleolus latéral gauche de la cheville | Le centre du malleolus latéral gauche |
| LHEE LHEE | Talon gauche | Centre du talon à la même hauteur que l’enfant |
| LTOE (LTOE) | L’teil gauche | Astuce de gros orteil |
| LMT5 | Gauche 5e méta tarsal | Caput du 5ème os méta tarsal, sur la ligne commune mi-pieds/orteils |
| RGTRO (RGTRO) | Droit plus grand trochanter du fémur | Au centre de la droite plus grand trochanter |
| FRTHI | Cuisse droite | Le 2/3 sur la ligne entre la RGTRO et RLEK |
| Rlek Rlek | Épiondyle latéral droit du genou | Du côté latéral de l’axe commun |
| Rati | Droit antérieur du tibia | Le 1/3 sur la ligne entre le RLEK et RLM |
| RLM (RLM) | Malleolus latéral droit de la cheville | Le centre du malleolus latéral droit |
| Rhee | Talon droit | Centre du talon à la même hauteur que l’enfant |
| RTOE RTOE | Droit aux versants | Astuce de gros orteil |
| RMT5 (en) | Droite 5ème méta tarsal | Caput du 5ème os méta tarsal, sur la ligne commune mi-pieds/orteils |
Tableau 1 : Marqueurs utilisés dans le modèle du corps humain (HBM). Ce tableau montre les emplacements exacts de tous les marqueurs dans le modèle de bas du corps HBM. Une attention particulière devrait être accordée au placement des marqueurs écrits en gras; ceux-ci sont utilisés lors de l’initialisation pour définir le squelette biomécanique. Ce tableau est adapté du Manuel de référence HBM8.
| Nom variable | Côté | Veux dire | Écart |
| Temporel spatial | |||
| Vitesse de marche (m/s) | 1.37 | 0.22 | |
| Longueur de l’étape (m) | Gauche | 0.72 | 0.07 |
| Oui | 0.73 | 0.07 | |
| Temps de foulée (s) | Gauche | 1.07 | 0.10 |
| Oui | 1.07 | 0.10 | |
| Temps de stance (s) | Gauche | 0.70 | 0.08 |
| Oui | 0.70 | 0.08 | |
| Temps de balançoire (s) | Gauche | 0.37 | 0.03 |
| Oui | 0.37 | 0.03 | |
| Cinématique | |||
| Hip Flex (deg) | Gauche | 30.05 | 9.08 |
| Oui | 29.92 | 8.79 | |
| Hip Ext (deg) | Gauche | -13.26 | 7.75 |
| Oui | -13.36 | 7.68 | |
| Hip Abd (deg) | Gauche | -7.27 | 3.00 |
| Oui | -7.72 | 3.17 | |
| Hip Add (deg) | Gauche | 8.66 | 4.22 |
| Oui | 7.81 | 3.72 | |
| Hip Int Rot (deg) | Gauche | 5.38 | 6.95 |
| Oui | 6.82 | 6.42 | |
| Hip Ext Rot (deg) | Gauche | -9.04 | 7.03 |
| Oui | -5.77 | 5.97 | |
| Genou Flex (deg) | Gauche | 67.46 | 5.16 |
| Oui | 68.47 | 4.75 | |
| Genou Ext (deg) | Gauche | -0.43 | 2.26 |
| Oui | -0.29 | 2.01 | |
| Ankle Flex (deg) | Gauche | -17.20 | 6.94 |
| Oui | -14.91 | 6.47 | |
| Ankle Ext (deg) | Gauche | 18.13 | 5.92 |
| Oui | 19.36 | 6.54 | |
| Cinétique | |||
| Peak Hip Ext (Nm/kg) | Gauche | 0.82 | 0.21 |
| Oui | 0.80 | 0.24 | |
| Peak Hip Abd (Nm/kg) | Gauche | 0.91 | 0.15 |
| Oui | 0.92 | 0.11 | |
| Peak Hip Int Rot (Nm/kg) | Gauche | 0.26 | 0.13 |
| Oui | 0.26 | 0.14 | |
| Peak Knee Ext (Nm/kg) | Gauche | 0.38 | 0.06 |
| Oui | 0.39 | 0.06 | |
| Flex de cheville de crête (Nm/kg) | Gauche | 1.85 | 0.21 |
| Oui | 1.86 | 0.22 |
Tableau 2 : Déviation moyenne et standard des paramètres de démarche spatiale-temporelle, cinématique, cinétiques pour les 30 participants. Les paramètres de démarche sont signalés séparément pour la gauche et le côté droit.
| Nom variable | Côté | Veux dire | Écart |
| Ext genou | Gauche | 527.17 | 136.42 |
| Oui | 550.60 | 132.55 | |
| Flex genou | Gauche | 191.60 | 38.53 |
| Oui | 203.87 | 47.67 |
Tableau 3 : L’écart moyen et standard de la contraction isométrique volontaire maximale (MVIC) pour l’articulation du genou utilisant l’équipement de test de résistance musculaire pour les 30 participants.
Fichier supplémentaire 1 : Fichier de codage Matlab. S’il vous plaît cliquez ici pour afficher ce fichier (Cliquez à droite pour télécharger).
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Discussion
La contribution de cette étude est de décrire avec précision et complète dans un protocole les techniques pour l’analyse combinée de la démarche et des tests de force musculaire qui n’ont pas été décrits auparavant ensemble.
Afin d’obtenir des résultats précis pour l’analyse de la démarche, il y a deux domaines qui nécessitent une attention maximale : 1) les placements de marqueurs et 2) le temps d’acclimatation. L’exactitude des données mesurées dépend fortement de l’exactitude du modèle utilisé. Les autres facteurs clés qui influent sur l’exactitude comprennent le mouvement erroné des marqueurs en raison d’une déformation superficielle de la peau par rapport à la structure squelettique sous-jacente et la résolution du système de suivi16. La figure 2 montre les placements exacts de tous les marqueurs dans le modèle de bas du corps HBM. Une attention particulière devrait être accordée au placement des marqueurs imprimés en vert; ceux-ci sont utilisés lors de l’initialisation pour définir le squelette biomécanique. Les participants ont été invités à marcher pendant au moins 5 minutes pour s’adapter au tapis roulant SP marchant17,18. Le mode SP a été choisi afin de permettre aux participants une variabilité de foulée plus naturelle3. Cependant, des études ont montré que la vitesse de marche varie plus au cours de la marche SP et la perturbation de la démarche pourrait se produire par l’accélération ou la décélération de la ceinture3. Conformément à d’autres études13,19, pour minimiser cet effet, nous recommandons qu’au moins cinq minutes19 devraient être autorisées pour l’acclimatation.
Pour mesurer la force musculaire des participants à l’aide de l’équipement de test musculaire, il y a trois étapes critiques : 1) l’alignement de l’articulation du genou avec l’axe dynamomètre, 2) l’essai de pratique, et 3) l’encouragement verbal. L’alignement inapproprié entre l’axe de rotation du dynamomètre et de l’articulation du genou peut introduire un facteur confondant l’évaluation isométrique précise20. Tout au long de l’étude, tous les participants ont reçu des instructions précises sur le système avant de participer. Cependant, un essai de pratique et l’encouragement verbal sont deux facteurs qui peuvent grandement affecter le MVIC14. Beaucoup d’individus qui ont subi le test de force ont très peu ou pas d’expérience dans l’exécution des manœuvres d’essai de force. Les tests de résistance se sont généralement révélés fiables21, mais il a été démontré que les scores de force des participants novices sont susceptibles d’améliorer les tests ultérieurs à mesure qu’ils deviennent plus à l’aise et familiers avec le test et le système22. L’encouragement verbal pendant les essais d’exercice a été montré pour améliorer la force maximale23, taux de développement de force23, activation musculaire24, endurance musculaire25, puissance26, consommation maximale d’oxygène27, et le temps d’épuisement27,28. Par conséquent, nous recommandons fortement d’adopter cette étape.
Dans l’ensemble, les données présentées ici sont représentatives des résultats de référence des manuels pour la démarche et les tests de résistance isométriques obtenus sur d’autres équipements. Par conséquent, il est proposé que la méthodologie décrite dans cet article puisse être considérée comme efficace dans l’évaluation de la démarche et de la force musculaire chez les personnes en bonne santé. D’autres études devraient évaluer la fiabilité de ces systèmes avant qu’ils ne soient utilisés dans des applications cliniques.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Nous tenons à remercier le Dr Johnathan Williams pour ses conseils sur le traitement des données MATLAB.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 701 Small lever | Baltimore Therapeutic Equipment Company (BTE) | Not Available - Online link provided in description | The unique attachment designed for the Primus RS to measure Knee Extension/Flexion - https://store.btetech.com/collections/primus/products/701-small-lever |
| D-Flow Software - Vresion 3.26 | Motekforce Link | Not Available - Online link provided in description | Software used to control GRAIL system - https://summitmedsci.co.uk/products/motek-dflow-hbm-software/ |
| Gait Offline Analysis (GOAT) - Version 2.3 | Motekforce Link | Not Available - Online link provided in description | Software used for the analysis of the gait parameters - https://www.motekmedical.com/product/grail/ |
| Gait Real-time Analysis Interactive Lab (GRAIL) | Motekforce Link | Not Available - Online link provided in description | GRAIL system measures and quantifies gait biomechanics by using a virtual reality based self-paced (SP) treadmill - https://www.motekmedical.com/product/grail/ |
| Leg Pad for 701 | Baltimore Therapeutic Equipment Company (BTE) | Not Available - Online link provided in description | The unique attachment designed for the Primus RS to measure Knee Extension/Flexion - https://store.btetech.com/collections/primus/products/701-802-leg-pad |
| Positioning Chair | Baltimore Therapeutic Equipment Company (BTE) | Not Available - Online link provided in description | Participant Positioning Chair is designed for assessment and treatment of the lower exteremeties. The chair is designed for multiple positions. https://www.btetech.com/product/primus/ |
| Primus RS | Baltimore Therapeutic Equipment Company (BTE) | Not Available - Online link provided in description | Primus RS equipment captures and reports real time objective data in Isotonic, Isometric, and Isokinetic resistance modes - https://www.btetech.com/wp-content/uploads/BTE-Rehabilitation-Equipment-PrimusRS-Brochure-1.pdf |
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