Biomécanique et outils de capture de la marche humaine

Biomécanique et outils de capture de la marche humaine 

La standardisation du cycle de la marche normale 

La marche bipédale est le mode de locomotion naturel de l’être humain combinant le maintien de l’équilibre en position verticale et sa propulsion, mettant en jeu de manière combinée et alternée les deux membres inférieurs.

La marche est une activité motrice cyclique qui alterne entre une phase d’appui (pied ipsilatéral en contact avec le sol) et une phase oscillante (pied ipsilatéral en phase d’envol). Un cycle de marche est ainsi composé d’une phase d’appui (environ 60% du cycle) et d’une phase d’oscillation (environ 40% du cycle) des membres inférieurs droit et gauche (Perry & Davids, 1992).

Un cycle de marche est composé de deux pas, le pas est défini par la pose d’un talon et la pose du talon controlatéral. Les phases de double appui commencent à l’attaque d’un talon ipsilatéral et se terminent lors de la levée des orteils du pied controlatéral. Les phases de simple appui commencent à la levée des orteils d’un pied et terminent à la pose du talon du même pied.

Décomposition du cycle de la marche 

• La phase d’appui
Cette phase est définie comme la période pendant laquelle le pied est en contact avec le sol, elle représente d’ailleurs 60% du cycle de marche et est composée de quatre sous phases :
– La phase de mise en charge : Cette phase représente la période de double appui initial qui débute par l’attaque du talon et se termine lorsque le pied controlatéral décolle du sol;
– Le milieu de la phase d’appui : Ce qui correspond à la première moitié du simple appui (10% à 30%) ;
– La fin de la phase d’appui : Correspondant à la deuxième moitié du simple appui (30% à 50%) ;
– La pré oscillation : Correspondant à la période de double appui controlatéral.

• La phase d’oscillation
Elle est définie par la période où le talon n’est plus en contact avec le sol, et représente 40% du cycle de marche et regroupe trois sous phases :
– Le début de l’oscillation : Elle commence au décollage des orteils du sol et s’étend de (60% à 73%) du cycle de marche ;
– Le milieu de l’oscillation : Elle représente le deuxième tiers de la phase d’oscillation qui s’étend de (73% à 86% du cycle de la marche) ;
– La fin de l’oscillation : Elle représente le troisième tiers de la phase d’oscillation.

Les caractéristiques spatio-temporelles de la marche 

Les caractéristiques de la marche étudiée dans ce projet de recherche englobent les paramètres spatiaux et temporels.

Les paramètres spatiaux
Les paramètres incluent dans mon étude de recherche sont :
– La longueur de pas droit : Elle est définie comme la distance antéro-postérieure en mètre séparant les deux contacts talon ipsilatéral gauche et controlatéral droit ;
– La longueur de pas gauche : Elle est définie comme la distance antéro-postérieure en mètre séparant les deux contacts talon ipsilatéral droit et controlatéral gauche ;
– La longueur de foulée : Elle est définie comme la distance antéro-postérieure en mètre séparant les deux contacts talon du même côté, correspondant aussi à la longueur de deux pas consécutifs.

Les paramètres temporels
Les paramètres incluent dans mon étude de recherche sont :
– La vitesse de marche : Elle est le produit de la longueur de pas par la cadence et est exprimée en mètres/seconde ;
– La cadence : Elle est le rythme de la marche correspondant au nombre de pas par minute.

Capture et analyse du mouvement 

Principe de fonctionnement du système de capture VICON du tapis roulant AMTI à deux voies
Le système VICON permet la mesure de la cinématique tridimensionnelle des segments corporels du membre inférieur et l’extraction des paramètres spatio-temporels. Le système VICON® T 20-S utilisé pour l’enregistrement de la cinématique est un outil de mesure de haute précision avoisinant les 200 micromètres dans la reconstruction 3D d’un marqueur comparativement au model VICON® 460 plus récent qui lui est précis à 63±5 micromètres,Windolf, Gotzen, & Morlock, (2008). Par ailleurs, les forces de réaction au sol lors de la marche sont mesurées grâce à un tapis roulant à deux voies de type AMTI en mode vitesse fixe et en mode haptique. Ce tapis est équipé de plates-formes dynamométriques permettant la mesure des forces et des moments des réactions au sol sur chaque voie.

Principe de fonctionnement du système de capture Xsens du LIO
Le système Xsens, composé de capteurs inertiels combinant des accéléromètres 3D, des gyroscopes 3D et des magnétomètres 3D, permet la reconstruction de l’orientation du corps humain dans l’espace tridimensionnel en temps réel. Il permet ainsi la mesure de la cinématique 3D de toutes les articulations du corps durant la marche et d’en déduire les paramètres spatio-temporels tels que décrits dans l’article de Roetenberg, Luinge, & Slycke, (2009).

Dans notre projet de recherche, ce système sera utilisé dans trois conditions de marche : la première le long d’un corridor, la seconde sur un tapis roulant à double voie en mode vitesse fixe et la troisième sur le même tapis, mais cette fois-ci en mode haptique. Un modèle estimant la vitesse de marche de chaque courroie indépendamment a été développé dans l’environnement de Matlab\Simulink. Ce modèle permet de contrôler la vitesse de marche en temps réel sur chacune des deux courroies.

La partie suivante traitera d’une revue de littérature s’articulant autour de la biomécanique de la marche humaine normale dans différentes conditions de marche: la marche le long d’un couloir, sur un tapis roulant à vitesse fixe ainsi que la marche sur un tapis en mode haptique. En effet, il sera question de mesurer des paramètres spatio-temporels tels que la longueur de pas, la longueur de foulée, la cadence, ainsi que la vitesse de marche grâce à des outils de mesure similaires utilisés dans certaines études, à ceux existant au sein de notre laboratoire de recherche à savoir, le système optoélectronique (VICON). Il s’agira de comparer par la suite ces paramètres dans les trois conditions, quantifiant la variabilité de la marche par la mesure du coefficient de variation (CV) : ceci permettra d’analyser le comportement de la personne lors de la marche. Les auteurs ont quantifié les paramètres spatio-temporels le long du corridor et les ont comparés à chaque fois dans deux conditions de marche à savoir :
– La marche le long d’un couloir comparativement à la marche sur le tapis roulant à vitesse fixe ;
– La marche sur tapis à vitesse fixe comparativement à la marche en mode «haptique»;
– La marche le long d’un couloir comparativement à la marche sur le tapis roulant en mode haptique.
Par ailleurs, des chercheurs tel que Stolze et al., (1997), Wass, Taylor, Mastas., (2005) et Van de Putte, Hagemeister, St-Onge, Parent, & De Guise, (2006) se sont intéressés à la durée nécessaire au vu de la familiarisation de la marche sur un tapis roulant. Cette revue apportera vraisemblablement un appui à nos résultats d’analyse des paramètres spatio-temporels étudiés, ou pourrait être en partie ou en totale divergence avec les résultats obtenus.