Biomécanique Humaine - Attia 2021 [PDF]

Zitiervorschau

Biomécanique humaine Mastère Professionnel de Médecine du sport MODULE I : Physiologie de l’exercice- Biologie- Test d'EffortSuivi médical du sportif Aspect médicaux - Technologie et Pratique sportive

Université de Sousse Faculté de Médecine « Ibn El Jazzar ». Dr ATTIA Ahmed®

Introduction 

La première véritable étude scientifique des mouvements du corps humain fût réalisée voici plus de cent ans.



E.J. MAREY (médecin physiologiste) & G. DEMENY (ingénieur et inventeur) sont les premiers inventeurs des outils d’objectivation appropriés pour la locomotion des animaux (1888) .

 Etude du galop du cheval  Le vol des pigeons

> 1907 DEMENY invente la 1ère plate-forme de forces Etude par chronographie  étude par chronophotographie (10 i/s) sur plaque mobile > Le corps humain représentait un défi de taille pour valider certains principes ou lois mécaniques ou biologiques.

On décrivait de manière qualitative la mécanique humaine et animale

L’évolution rapide des sciences conduit à l’analyse quantitative

Les mouvements du corps humain constituent la partie observable de la conduite motrice et qui se prête à une analyse purement mécanique.

 L’œil humain (entraîneur ou scientifique) est et restera toujours indispensable pour analyser le mouvement (d’un athlète ou d’un malade) dans sa globalité.  Toutefois, la vitesse des mouvements tel qu’un mouvement acrobatique complexe et surtout leur synchronisation doit être telle qu’une décomposition fine dans l’espace et dans le temps est maintenant nécessaire.

 Ce n’est qu’avec les développements technologiques, que la biomécanique connait un rayonnement bcp plus large touchant : > l’instrumentation > l’industrie du sport ; > la chirurgie assistée par ordinateur > la conception d’implants orthopédiques > l’ergonomie > l’industrie du cinéma

Qu’est-ce que la Biomécanique ?  C’est la science qui examine les forces extérieures et intérieures qui agissent sur le corps humain et les effets produits par celles-ci.

En pratique : Chaque mvt repose en effet sur l’intégration d’une multitude de paramètres: force, vitesse, accélération, puissance, habileté motrice…

 L’entraîneur ou le scientifique a donc besoin de moyens de mesure : Études cinématiques en 3D ; Études dynamiques sur plateaux de forces ; Études électromyographiques « EMG » ; qui vont compléter de manière objective et précise les phénomènes qu’il avait seulement pu pressentir.

Les critères d’efficacité dans certains sports individuels ou collectifs sont donnés par les entraîneurs en termes globaux issus de leurs propres savoir faire et d’expériences diverses.

Domaines d’application :  Biomécanique des APS  Biomécanique ergonomique  Biomécanique médicale

Biomécanique des APS :  Le sport est un des champs privilégiés d'application de la biomécanique  Que se soit pour mieux comprendre un geste, améliorer une performance sportive ou adapter le matériel sportif, on a souvent recours aux principes et aux connaissances de la mécanique et de la physiologie des groupes musculaires.

Biomécanique ergonomique :  Pour la pratique de certains sports, l'athlète se sert d'engins et de matériels sportifs.

apport de la technologie conception et la fabrication de matériel et d'équipements sportifs Amélioration de la performance et la sécurité du matériel

Biomécanique ergonomique :  Un ergonomiste s'attardera aux caractéristiques anthropométriques de l’être humain et au mouvement dans le but de mieux adapter le poste de travail à l’homme et à la tâche Les matériaux composites tels que : les fibres de carbone, les polymères… ont révolutionné les procédés manufacturiers et le matériel sportif.

Biomécanique médicale :  Une meilleure compréhension des propriétés mécaniques et du mvt s’est traduite par des aides techniques (orthopédiques) plus fonctionnelles, plus sécuritaires et de meilleures qualités à l’avantage des personnes ayant une déficience physique.

Objectifs :  Connaissance plus approfondie du mvt ;  Proposition de modification ;  Correction du défaut observé.

La biomécanique apporte ainsi des explications concrètes aux mouvements et aux anomalies voire aux accidents qui peuvent toucher l’appareil locomoteur.

Performance

Tâches :  Étude des particularités anatomo-mécanique et fonctionnelle du corps humain (forme, disposition, orientation, étendu des surfaces d’appui…)  Étude des particularités biocinématique du mvt (type, nature, degré d’amplitude…)  Étude du mvt normal ou pathologique (mvts sportifs ou incapacité motrice)

Schéma du Système d ’acquisition

Enregistrement vidéo  Analyse descriptive du mouvement : cas de la course

Outils d’analyse Cinématique :  S’appui sur la mesure de déplacements des segments corporels ;  Permet une analyse descriptive du geste basée sur les variations de positions, des vitesses et des accélérations au cours du temps ;  Permet à partir d’enregistrement vidéo, de fournir des informations quantitatives sur le mouvement ( kinogrammes, animation 3D, courbes…) ;

Outils d’analyse Cinématique en 3D

Caméras Objet de calibration

Étalonnage des caméras :  La localisation spatiale des marqueurs est obtenue à l'aide d'au moins deux caméras vidéo.  L'image de chaque marqueur donne naissance à une droite objet dans l'espace.  L'intersection de deux droites objet issues des images d'un même marqueur fournit la position dans l'espace de ce marqueur.

Pourquoi modéliser ?  La biomécanique utilise la modélisation pour représenter le corps de façon simplifiée afin de rendre l’analyse des différents mouvements plus faciles.  Explication : Les segments sont représentés sous forme de système de tiges articulées.  Pour vulgariser, modélisation = bonhomme allumette!

Chaînon corporel:  Chaque segment représente un membre, soit un ou des os recouverts de tissus « mou ».  Donc, chaque tige rigide inclue dans la modélisation représente un segment corporel. Mais cette simplification implique trois conditions :

1) Les os sont parfaitement rigides et n’amortissent aucune force exercée par les muscles impliqués. 2) Les segments sont symétriques ; la masse est donc répartie de façon constante. Ce qui implique que les muscles ne subissent aucun changement de forme, et maintiennent ainsi leur forme tout au long des contractions. 3) Toutes les articulations ont des axes de rotation immobile.

Chaînon corporel:

LE MODELE ANTHROPOMETRIQUE DU CORPS HUMAIN

LE MODELE ANTHROPOMETRIQUE DU CORPS HUMAIN LES SEGMENTS

LE POIDS RELATIF

L’EMPLACEMENT RELATIF

Tête & cou

7%

50 %

Le tronc

43 %

44 %

Le bras

3 % (x2)

47 %

L’avant-bras

2 % (x2)

44 %

La main

1 % (x2)

50 %

La cuisse

12 % (x2)

44 %

La jambe

5 % (x2)

42 %

Le pied

2 % (x2)

44 %

Modélisation biomécanique : Localisation spatiale des marqueurs

Chaînon corporel : 14 ou 15 segments rigides

ETUDE CINEMATOGRAPHIQUE 3D Kinogramme du smashe en volley-ball

250 images/s

Etude cinématographique du salto arrière CNMSS

Kinogramme 3D du salto arrière en gymnastique

En résumé:  Analyse Cinématique : Étudie les mouvements indépendamment des causes qui les ont produits. C’est une étude descriptive du mouvement Déplacements

Vitesses

Accélérations

Outil d’analyse dynamique :  Une analyse dynamique permet de mesurer directement et en temps opérateur la force résultante d’action de l’individu sur le sol.

Système d’acquisition dynamique

Plate-forme de forces KISTLER

- Dans le domaine de la recherche en APS, la plate-forme de forces fut l'instrument de mesure le plus utilisé ; elle intègre le domaine médical. - Une plate-forme, par construction, ne détecte que les forces d'action ; - La mesure de la résultante d'action est obtenue suivant les trois axes.

La plate-forme de forces En résumé sont accessibles à chaque instant :



Fx , Fy , Fz : Les composantes de la force d'action ;

 M x , M y , M z : Moment des forces par rapport au centre géométrique de la plate-forme ; 

Ax , Ay

: Les coordonnées du point d'application de la résultante des forces.

Éléments d'une force : A chaque force s'exerçant sur un corps solide, on peut attribuer :

Un point d'application, c'est l'origine O du vecteur Une direction, celle de la ligne droite qui supporte le vecteur Un sens, celui indiqué par la flèche à l'extrémité du vecteur Une grandeur, c'est la longueur qui est proportionnelle à l'intensité de la force

Caractéristiques d’une force

Les conditions expérimentales

P R

Modèle musculo–squelettique estimer les charges articulaires

Amplitudes de mouvements articulaires en 3D

Exemple de variations de la force F au cours d’un pas

Biomécanique et Santé : La biomécanique couvre deux grands volets :

 L’ingénierie du corps  La réadaptation La biomécanique correspond à l’étude fonctionnelle du mvt.

Biomécanique Médicale : Objectifs : - Étudier la locomotion humaine pathologique ; - Améliorer la performance d’une personne ayant une incapacité motrice ; - Améliorer la performance par les aides orthopédiques ; - Faire une évaluation pré et post thérapeutique ; - Établir des normes de sécurité.

Biomécanique Médicale :  La biomécanique permet de mettre en évidence les causes des anomalies au niveau de la statique : - une jambe plus courte que l’autre, - un bassin déplacé, - une art. sacro-iliaque ayant bougé, - ou un déplacement vertébral.

Cibles : • Adulte

• Enfant

Moyens : • Dispositifs d’Analyses en 3D, PF, EMG…

Mouvements  Marche normale, marche perturbée, marche du sujet âgé…

 Mouvements du membre supérieur

Pathologies Neurologiques • Adulte  – AVC, Trauma crâniens, Pathologies dégénératives, Pathologies héréditaires… • Enfant  – IMC, Trauma crâniens, Myopathies, Neuropathies…

Pathologies de l’Appareil Locomoteur • Adulte – Arthrose, pathologies inflammatoires… – Traumatologie – Amputations • Enfant – Malformations congénitales, Troubles statiques des membres, incoordination dans l’exécution des tâches fonctionnelles, scolioses …(réversibles ou symptomatiques)

Étude des maladies musculo-squelettiques  En utilisant une technique de radiographie bi-planaire et un logiciel de reconstruction tridimensionnelle, la position spatiale des vertèbres et des côtes est identifiée et la forme scoliotique de la colonne est facilement reconstituée dans les trois plans.  Ainsi, on arrive à prédire avec un certain succès la correction espérée de la scoliose par une modélisation biomécanique des vertèbres et des tiges employées pour redresser la colonne.

Luxation des vertèbres cervicales

Hernie discale

Évaluations thérapeutiques  Avant traitement – Évaluation du trouble, tests thérapeutiques • Après traitement – Évaluation du résultat du traitement

Troubles statiques des membres

-Limitation des contraintes articulaires -Correction des asymétries toniques pathogènes -Prévention des éventuels déformations osseuses Remarque :

La station debout prolongée entraîne une tension excessive des tendons et ligaments des pieds (les muscles restant inactifs) et peut provoquer un affaissement des arcs, ou "pieds plat", notamment chez les sujets obèses.

Une meilleure compréhension du comportement mécanique de l’articulation et de la structure ligamentaire mène au développement de nouvelles approches chirurgicales. Au moyen de la modélisation, les forces exercées au genou ainsi que les déformations des ligaments lors de la marche sont estimées.

Des modèles servent d’outils de mesure par leur capacité de prédire les forces développées

Estimation des forces

Calcul des contraintes et des déformations des implants

Prédire le comportement à l’interface

os-implant

Les plaques ou les vis doivent pouvoir prendre une partie de l’effort mécanique tout en laissant l’os travailler

Une meilleure connaissance biomécanique de l’articulation : - Étude sur les propriétés mécaniques de l’articulation, des ligaments et des os ; - Estimation des forces exercées au genou ainsi que les déformations des ligaments au moyen de la modélisation

Cahiers de charge d’orthèses plus fonctionnelles Nouvelles approches chirurgicales

Arthrose fémoro-tibiale interne

La prothèse de genou a pour but de remplacer le cartilage usé (arthrose) par des surfaces métallique et plastique.

Cette prothèse peut-être uni-compartimentale ou totale. Elle est uni-compartimentale lorsqu'elle ne remplace que les surfaces articulaires d'un seul compartiment du genou.

La prothèse est totale lorsqu'elle remplace deux ou trois compartiments du genou.

L'intervention consiste à enlever le cartilage restant et de "resurfacer", (recouvrir l'os par la prothèse en gardant le maximum d'os)

Une prothèse totale à glissement

Les prothèses charnières

Les complications mécaniques : Prothèse du Genou - L'instabilité du genou est une complication possible de ces prothèses à glissement dont le fonctionnement repose sur le bon état ligamentaire du genou : il peut s’agir d’une instabilité rotulienne avec une rotule qui se luxe en dehors, ou d’une instabilité entre le fémur et le tibia ;  - L'usure. C’est le risque inhérent à toute prothèse : Le risque de cette complication est bien sûr fonction de la durée d’utilisation de la prothèse ;

Les complications mécaniques  - Le descellement. Mobilité anormale entre la prothèse et l’os, à l’origine de douleurs. Cette complication peut survenir avec une prothèse cimentée, mais également avec une prothèse sans ciment pour laquelle c’est la repousse osseuse au niveau de la prothèse qui assure son maintien.  - les fractures. Un traumatisme peut être à l’origine d’une fracture du fémur, du tibia ou de la rotule, au contact de la prothèse. Peuvent également exister des fractures de la prothèse elle-même, parfois sans choc, véritables fractures « de fatigue » du matériel.

Les complications mécaniques  La raideur à distance de l'intervention ne peut plus être traitée par une simple mobilisation sous anesthésie. Si cette raideur est importante et fonctionnellement gênante, il est possible d'envisager une arthrolyse (intervention qui consiste à sectionner les adhérences intraarticulaires à l'origine de la raideur).  Rq : Cette longue énumération des complications ne doit cependant pas faire oublier leur rareté et la qualité habituelle des résultats obtenus par les prothèses du genou.

Prothèse totale de la hanche

Biomécanique orthopédique Décrire certaines pathologies de la marche chez les patients atteints de myopathie ou de paralysie cérébrale.

On s’intéresse à quantifier l’efficacité des orthèses ou des prothèses Jambe artificielle

Aides techniques: Les plastiques et les matériaux composites # à l’acier et à l’aluminium du poids et du volume des orthèses et des prothèses

Propriétés mécaniques = subir de grandes déformations

Emmagasiner de l’énergie de déformation

Les aides techniques en biomécanique médicale

Prothèse du pied: Les plastiques et les matériaux composites ont permis d’alléger et de diminuer le volume des aides techniques tout en conservant la même résistance mécanique. L’utilisation des fibres de carbone a réduit le poids d’un pied artificiel traditionnel (bois et caoutchouc) de 450g à 135g.

Aides techniques:  Les pieds artificiels ont pris une forme plus naturelle et sont devenus plus légers en se délaissant du bois et des mousses caoutchoutés.  Les amputés développent donc un patron de marche beaucoup plus naturel et à moindre effort.  Une gamme d’activités sportives telles que la course à pied, le tennis, et le basket-ball leur sont maintenant plus accessibles et cela se traduit par une meilleure participation d’amputés à ces sports.

La plate-forme de forces KISTLER

cas de la marche

L’outil d’analyse dynamique :  Étudie les causes qui créent le mouvement (les forces extérieures et les moments des forces qui agissent sur le corps humain).

Forces

Vitesses

Déplacements

L'électromyographie ou EMG  Comprendre l'activité musculaire (superficiels) ainsi que l'interaction des différents muscles lors de l'exécution de mouvements sportifs.  Concerne l'électrophysiologie du muscle chez l'homme normal et chez les patients atteints de maladies musculaires.  De point de vue physiologique, le potentiel d’action est le résultat de la sommation de tous les courants d’action des fibres musculaires, activées par le même influx nerveux. Ce potentiel d’unité motrice est caractérisé par sa durée, son amplitude et sa forme.

L'électromyographie ou EMG    

A: droit antérieur B: jumeau interne C: jumeau externe D: jambier antérieur

Tracés électromyographiques du quadriceps (Hainaut, 1976)

Le Cybex 6000 ou Biodex Rééducation fonctionnelle

La contraction isocinétique :  imposer au muscle une vitesse de raccourcissement à peu près constante.  La vitesse angulaire du mouvement est constante et où la charge, adaptée aux diverses situations des leviers osseux, sollicite le muscle de façon uniforme, dans toutes les positions du mouvement.

 Ainsi, la tension du muscle est maximale quel que soit l’angle de l’articulation. Ce type de contraction est spécifique à certains sports tels que la natation, l'haltérophilie, l’aviron, le canoë-kayak…

Podologie appliquée au sport  Étude statique ;  Étude dynamique ;  Analyse de la pression plantaire - en statique : plate-forme posturographique statique; - en dynamique : semelles avec capteurs, FootScan, PF de forces.

Répartition de la pression sous le pied

La Posturographie : La posturographie statique: s'adresse en fait à l'exploration des algies posturales dans un but de correction.

La plateforme de posturographie dynamique: Cette machine est utilisée pour tester l'organisation neurosensorielle d'un sujet. Correction des dysfonctions locales par la réharmonisation tonique; • Correction des asymétries toniques pathogènes; • Limitation des contraintes, tant articulaires que musculaires, en harmonisant son tonus; • Un suivi posturologique et un maintient de l'harmonie tonique permettant la prévention de ces déformations.

Étude Podologique Analyse sur le terrain :  Pied du basketteur, Pied du volleyeur, Pied de l’escrimeur, Pied du marcheur ;  Instabilité de la cheville ou du genou chez le rugbyman ;  Le genou varum : traitement symptomatique par orthèse plantaire ;  Étude de la course à pied : analyse biomécanique, analyse de la chaussure de jogging, répercussions pathologiques, étude des pressions plantaires dans différents types de chaussure ;  Podologie post-opératoire ;  Confection d’orthèses plantaires ou interdigitales complétant la prise en charge thérapeutique.

Conclusion  Peu importe le mouvement étudié, celui d’un athlète ou d’un malade, d’un débutant ou d’un expert, on a souvent recourt aux mêmes concepts de base en biomécanique.  La biomécanique ou l’analyse du mouvement est une des premières démarches à entreprendre avant de passer à l’explication ou à la rééducation d’un geste.