La cinématique du genou

La cinématique du genou

Typiquement, les études de la cinématique permettent d’évaluer les positions ainsi que les angles articulaires au cours d’un mouvement pour diverses raisons. La première est la méthode de capture des mouvements qui est facilitée grâce aux capteurs optoélectroniques qui mesurent directement des positions et des angles. Enfin, ces études rendent l’interprétation clinique plus parlante. Cependant, l’étude de la cinématique inclut aussi l’étude de la vitesse et des accélérations du mouvement. Pour étudier les mouvements du membre inférieur, il est important de diviser en plusieurs phases, le cycle de marche.

Phase du cycle de marche 

La marche est un mouvement naturel que l’humain réalise au quotidien de manière répétitive afin de se déplacer. Lorsque l’on parle d’analyse de la marche, il est important de décomposer le mouvement en cycle de marche.

Le cycle de marche commence quand le talon entre en contact avec le sol et se termine lorsque ce même pied reprend contact avec le sol.

Il est possible de voir qu’un cycle de marche se décompose en deux phases : la phase d’appui qui correspond au moment où le pied est en contact avec le sol et la phase d’envol qui correspond au moment où le pied est en l’air. La phase d’appui correspond approximativement à 60 % du cycle et la phase d’envol à environ 40 %.

Méthode de mesures 

Capteurs optoélectroniques
À ce jour, les capteurs optoélectroniques sont les capteurs les plus répandus et utilisés pour analyser la biomécanique du genou. Ces capteurs se présentent sous la forme de marqueurs réfléchissants. En disposant les marqueurs sur la peau, il est possible de mesurer des positions et des orientations dans l’espace (Chehab, Andriacchi, & Favre, 2017).

Le mouvement des capteurs est enregistré par un système de caméras optoélectroniques.

Pour réaliser une analyse de la marche à l’aide du système de caméras Vicon (Oxford Metrics, Oxford, UK), au minimum 6 caméras sont nécessaires afin de couvrir la zone (équivalente à une salle de mesure) où les capteurs sont disposés et de ne pas avoir de problèmes de pertes de signal lorsque le sujet marche. En effet, durant l’acquisition, la référence ainsi que les parties du corps étudiées doivent toujours être visibles. Afin de capter les marqueurs réfléchissants, la caméra fonctionne avec une source infra rouge. Ce type de mesure avec des capteurs optoélectronique et cette caméra est considérée comme le gold standard en termes de capture de mouvements.

Il existe aussi d’autres systèmes de caméra plus petit que le système Vicon (p.ex. Polaris SpectraTM) permettant de réaliser les mesures. Mais même si ce système prend moins de place, la contrainte qui persiste est que l’espace de mesure est réduit à zone couverte par la caméra.

Le système utilisé présentement au LIO est un système de 12 caméras Vicon (Oxford Metrics, Oxford, UK).

Capteurs inertiels
Comme mentionné dans l’introduction, les capteurs optoélectroniques nécessitent un équipement important et coûteux qui restreint le champ d’acquisition à la zone couverte par les caméras. Au cours des dernières décennies, l’apparition de capteurs inertiels de plus en plus stables et précis a incité les chercheurs à essayer de remplacer les capteurs optoélectroniques pour l’étude de la marche hors d’un laboratoire.

Un capteur inertiel est composé de différents systèmes : un accéléromètre, un gyroscope et un magnétomètre. L’accéléromètre va permettre, comme son nom l’indique, de mesurer l’accélération du membre sur lequel est positionné le capteur. Il mesure la combinaison de l’accélération linéaire ainsi que de l’accélération gravitationnelle. Le gyroscope va permettre de mesurer la vitesse angulaire alors qu’un magnétomètre donne l’orientation du capteur par rapport au champ magnétique de la terre (Barrois, Vidal, & Ricard, 2015).

Contrairement à un capteur optoélectronique, un capteur inertiel va mesurer des vitesses angulaires et des accélérations et non plus des positions et des orientations dans l’espace. Cela rend l’analyse de la cinématique différente entre les deux types de capteurs. Si l’on veut comparer les données résultantes des capteurs optoélectroniques avec les capteurs inertiels, il suffit dériver la position du capteur une fois afin d’obtenir la vitesse angulaire de celui-ci et deux fois pour obtenir l’accélération. Cependant, ces opérations mathématiques auront une influence sur les résultats à cause du bruit de mesures. Lors d’une dérivée, le bruit est amplifié. À l’inverse, si l’on veut obtenir les positions et orientations à partir d’un capteur inertiel, l’approche est d’intégrer le signal de vitesse angulaire. Une inconnue subsiste néanmoins, qui est la constante issue de l’opération d’intégration. De plus, l’interprétation de la cinématique se fait dans un référentiel déterminé par la définition de systèmes de coordonnées liés à chaque os du membre inférieur et qui est déterminé par une méthode de calibrage qui nécessite l’identification de points anatomiques spécifiques sur le sujet. La représentation de la cinématique à l’aide de capteurs inertiels est l’objet d’intenses recherches et pour le moment, à notre connaissance, il n’existe pas de méthode de calibrage qui permette de représenter la cinématique du genou de manière identique avec les deux systèmes de mesure.

Définition des systèmes d’axes et méthodes de calibrage
Pour analyser le mouvement, la société internationale de biomécanique (en anglais, International Society of Biomechanics, ISB) propose d’analyser le mouvement des repères anatomiques associés à chaque membre par rapport à une référence commune appelée repère global. Un repère global est un repère qui est le même pour tous les capteurs étudiés, c’est à dire qu’il contient l’origine qui est le point de référence pour les capteurs. Un repère anatomique est quant à lui, un repère associé au segment, membre, étudié (aussi appelé Body Anatomical Frame, BAF). Lorsqu’on utilise des capteurs pour mesurer le mouvement des segments, il faut estimer l’orientation et la position du BAF du segment par rapport aux marqueurs utilisés (calibrage). Le calibrage des capteurs est une partie importante concernant l’acquisition et le traitement des données car il permet d’associer les orientations des capteurs aux segments du corps.

Ainsi grâce aux différents repères, on peut analyser chaque membre ou un membre par rapport à un autre selon l’étude désirée. Cependant, il est essentiel de définir un système d’axes et de références afin de pouvoir analyser les mouvements. Cette étape s’effectue lors du calibrage. L’article de (Wu & Cavanagh, 1995) décrit la méthode de normalisation des mouvements cinématiques.