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Biomécanique de la marche « Biomechanics of the gait » 2018 1/ Introduction Marcher, c’est passer d’une condition statique déjà instable, la bipédie, à une position dynamique encore plus instable compensée au dernier moment. La marche sur le plan psychique est une co...

Biomécanique de la marche « Biomechanics of the gait » 2018 1/ Introduction Marcher, c’est passer d’une condition statique déjà instable, la bipédie, à une position dynamique encore plus instable compensée au dernier moment. La marche sur le plan psychique est une condition de liberté et sur le plan moteur résulte de l’action de levier du corps propulsant celui-ci. Par l’absence de marche, l’homme devient dépendant. 2/ Terminologie Les 2 paramètres importants étudiés durant la marche sont le temps et la distance.  Variable « Temporelle »: stance time, single-limb and double-support time, swing time, stride and step time, cadence and speed  Variable « Distance »: stride length, step length and width, and degree of toe-out D’autres paramètres peuvent être identifiés  Variable de vitesse: Cadence, walking speed, walking velocity  Variable cinématique; Centre de gravité: modification de la trajectoire linéaire ou angulaire et de la vitesse Les articulations: modification de l’amplitude et de la trajectoire linéaire du centre articulaire Segments corporels: déplacement dans l’espace et dans le temps  Variable cinétique: GRF Les variables sont influencées par différents facteurs: l'âge, le sexe, la taille et la structure osseuse, la répartition des masses à travers les segments osseux, la mobilité articulaire, la force musculaire, le type de chaussure et l’état psychologique. Les variables donnent des informations qualitatives et quantitatives pour l’évaluation et la description de la marche. 3/ Gait Cycle La marche: tache locomotrice complexe 3.1/ Stride (foulée) Cycle de marche (foulée): temps (1’’) et ensemble des phénomènes compris entre 2 contacts successifs du même membre inférieur au sol. Durée d’un cycle de foulée: durée de la phase d’appui et de la phase oscillante. Longueur du cycle de foulée: distance parcourue entre un contact au sol avec un pied et le contact suivant du même pied au sol (2 pas dont un droit et un gauche). La longueur diminue chez les seniors et augmente lorsque la vitesse de marche augmente. 3.2/ Step (pas). Le pas (step):  Temps et ensemble des phénomènes compris entre l’appui d’un talon au sol et l’appui du talon controlatéral. Le temps peut être diminué en cas d’affection (douleur, faiblesse, lésion,…) d’un des membres et compensé par son membre opposé.  Paramètres du pas: Longueur: distance linéaire entre 2 points successifs de contact du talon droit et gauche. Corrélation entre une symétrie de la marche et de la longueur du pas: indication sur la symétrie du pas. Largeur : distance linéaire transversale séparant les 2 talons. Si l’espace a diminué, perte de stabilité. Angle (foot placement /FT): Angle d’environ 7° formé par le croisement de la ligne du pied et une seconde ligne traversant le talon et le deuxième orteil. En position normale, l’angle du pas droit (Rt step length) est égale à l’angle du pas gauche (Lt step length)  Support time Single support: 1 pied en contact avec le sol. (40%) Double support: 2 pieds en contact avec le sol durant le cycle de marche. On observe 20% d’augmentation lors du trouble de l’équilibre et une diminution lorsque la vitesse de marche augmente.  Cadence de marche : Unité de mesure: pas/min Moyenne pour un adulte normal; 101-120 pas/min (fréquence différente homme/femme) Relation linéaire entre la cadence et la longueur de foulée Si la cadence augmente, diminution du « double-support » Si environ 180 pas: disparition du « double-support »  Vitesse de marche: Unité de mesure: m/s Evaluée sur une distance Moyenne pour un adulte normal ; 1.5 m/s Accélération: augmentation de la longueur du pas jusqu’à 120 pas/min. Après 120 pas/min, augmentation de la cadence. Certaines personnes augmentent la longueur des foulées pour réduire la cadence. Ft diminue à l’accélération de la marche Si vitesse de marche augmente, diminution de « stance phase and double support » et augmentation de « swing phase » A la course: ratio « stance and swing phase » s’inverse le double appui disparait et laisse place au « double swing »  Ground reaction forces (GRF) 3.3/ Notion élémentaire de la marche Durant un cycle de marche (100%) on distingue 2 périodes. Chaque membre inférieur à son cycle de marche. Une phase portante (stance phase- 62%) Une phase oscillante (swing phase38%): période pendant laquelle le pied est en l’air 3.3.1/ Stance phase Période durant laquelle le pied est en contact avec le sol. Elle commence avec le contact du talon au sol et se termine par la phase de propulsion (décollement de l’hallux du sol). Elle représente 62% du temps d’un cycle de marche. Cette phase peut-être divisée en 5 périodes: 1. Heel contact 2. Foot flat 3. Midstance : 4. Heel off: période de propulsion / phase terminale 5. Toe-off: « pre –swing » 1. Heel contact : phase de contact / d’amortissement La période débute lors de l’attaque de la partie postero-externe du talon. Le premier contact est réalisé en légère supination de STJ (médio-pied supiné). Cette phase se termine lorsque la pronation a atteint 4 à 5° de STJ. Dés lors STJ débute une supination pour préparer la phase d’appui. Le passage de la supination en pronation de STJ est une manœuvre essentielle ayant pour but d’amortir les chocs. Dés lors STJ en position pronatée entraine une rotation interne de la jambe et donc une flexion du genou sur un segment allongé. L’avant pied débute sa course vers le sol et le médio-pied se réduit. Attention au risque de lésions de l’appareil musculo-squelettique si STJ n’absorbe pas les choques (absence de pronation ou pied pronaté). Mobilité et adaptation du pied « loose packed position ». Suite à la pronation de STJ le pied devient un élément mobile qui s’adapte à la surface d’appui (terrain) et à la charge du corps. 2. Foot flat: phase d’appui Débute après la phase de propulsion de la jambe controlatérale. Elle se poursuit par le contact de l’avant pied sur le sol et se finalise lors du lift du talon. Modification fonctionnelle de la mobilité du pied à un levier rigide « close packed position ». Cette rigidification issue de la transition de STJ en supination est favorable à la propulsion. Le pied controlatéral se trouve dans la phase d’oscillation. 3. Midstance : phase d’appui L’alignement du trochanter dans l’axe de la bissectrice du pied. Position intermédiaire de la phase d’appui (phase unipodale). 4. Heel off: phase de propulsion / phase finale Débute avec le lift du talon et se finalise suit au décollement des orteils (l’hallux en dernier). Transmission de la charge du corps sur l’avant pied (tête des métatarsiens et des orteils). Le poids est ensuite diffusé de la partie latérale de l’avant pied vers la partie médiale. Décharge de M5 après l’élévation du talon. La supination de STJ est complète = pied rigidifié: position favorisant une bonne propulsion « close packed position». Transfert du poids du corps vers le pied controlatéral situé dans la phase de contact. Gait-line 3.3.1.1/ Cinétique de la marche Les forces qui interviennent dans la marche sont le poids corporel, les forces de réaction du sol, la résistance à l’air et les forces musculaires internes. Ground reaction force (GRF)  Les forces Les forces de réaction au sol sont les forces appliquées au corps par le sol. Pour rappel une force peut être décomposée en 2 forces comme si il s'agissait de 2 forces différentes : une composante verticale et une composante horizontale. Celles-ci peuvent produire l’accélération ou la décélération d’un objet.  Si nous adaptons cette décomposition, la force de réaction du sol lors de la marche (appui du pied au sol) peut être décomposée en une force verticale agissant vers le haut et une force horizontale agissant en arrière ou vers l’avant. Les forces verticales et horizontales reflètent l’accélération de la masse du corps produite par l’ensemble des segments corporelles, la gravité et les forces musculaires agissant simultanément à chaque moment durant la phase portante. Richard Baker, Professor of Clinical Gait Analysis  Composante verticale Présence d’un double pics: 1er pic au talon: moment de force du corps. Il débute à la fin de la phase de contact et résulte d’une élévation du centre de gravité durant la midstance (phase unipodale). Phase intermédiaire entre les 2 pics: Inférieur au poids du corps durant la phase « midstance » résultant du moment de balancé vers le haut du centre de gravité (center of mass). 2ème pic lors de la propulsion par la contraction des extenseurs (pied controlatéral en phase d’oscillation): poids transféré sur l’avant pied. L'énergie cinétique emmagasinée lors du transfert du corps va subir un accélération linéaire. Caractéristiques des 2 pics Amplitude : 100 à 120% (valeur de pointe 120%) Rouge: accélération vers le haut Jaune: décélération vers le haut Vert: accélération vers le bas Blanc: décélération vers le bas  Composante horizontale La grandeur et la direction de la force de cisaillement horizontale dépend de la position du CG par rapport au pied. Dans sa direction postérieure lors de la phase de contact pour ralentir la progression du corps vers l’avant. Dans sa direction antérieure lors de la phase « toes off » pour propulser le corps vers l’avant. Plus la longueur du pas sera grande, plus les forces de cisaillement seront grandes en raison de l’angle entre l’extrémité inférieure et le sol. Caractéristiques Force de friction suffisante entre le pied et le sol afin d’éviter le glissement du talon. Application simultanée de la force de propulsion d’un membre à la force de freinage de l’autre membre lors du transfert du poids entre 2 membres. Valeur de la crête: 20% du poids du corps Jaune: accélération vers l’avant Bleu: accélération vers l’avant. 3.3.2/ Swing phase Période durant laquelle le pied n’est pas en contact avec le sol. Elle débute lorsque les orteils quittent le sol. Elle représente 37% du temps d’un cycle de marche. Pour faciliter le passage du pas, le pied sera en position de supination et la jambe en rotation externe. Cette phase peut être divisée en 3 périodes: Acceleration (early swing) Midswing Deceleration (late swing) Acceleration Elle débute quand le pied quitte le sol Activité des muscles fléchisseurs de hanche Midswing Elle débute quand la jambe non portante se trouve verticalement sous le corps Passage sous le corps d’une position postérieure à antérieure Deceleration Stabilisation musculaire du pied (préparation au contact du sol) 3.3.3/ Activité musculaire lors de la marche Angle de articulaire de la cheville du genou et de la hanche GRF (horizontal and vertical) Moment articulaire de force 3.3.3.1/ Moment articulaire de force Un moment de force: Est proportionnel à la grandeur de la force Est à une distance perpendiculaire du pivot Dépend du sens de la force Dépend d’une autre force agissant dans le sens opposé Donne une information sur le groupe musculaire dominant Notion qui rassemble 3 paramètres: La force Accélération Moment de force Calculer le moment de force Kinetics Richard Baker Professor of Clinical Gait Analysis Winter, D. A., 1984. Kinematic and kinetic patterns in human gait: variability and compensating effects. Human Movement Science 3, 51-76.  Motor patterns La cheville Léger moment de force en flexion dorsale pour amener le pied vers le sol suivi d’une activité en flexion plantaire croissante jusqu’à atteindre son pic situé à 50% de la foulée. Le genou Le moment de force du genou présente une flexion en tout début de phase portante. Le mouvement de flexion est suivi d’une réponse en extension de manière à arrêter la flexion à mesure que la charge du corps augmente sur l’appui. Durant la seconde moitié de la phase portante, on observe un moment de flexion. Avant et après la phase « toe-off », les extenseurs s’activent pour ralentir le « backward rotating » de la jambe et minimiser l’élévation du talon après la phase « toe-off » à environ 65% de la foulée. A la fin de la phase oscillante, la flexion du genou sert à ralentir l’oscillation de la jambe avant le prochain contact du talon au sol. La hanche Dans la première partie de la phase d’appui aura un moment de force en extension. Ce modèle d’extension stabilise le genou pour l’empêcher de s’effondrer et ralentir la « forward rotating » du tronc. Dans la seconde partie, les fléchisseurs de hanche servent à ralentir le « backward rotating » de la cuisse et ensuite inversement, les fléchisseurs entrainent un « forward rotating » vers l’avant lorsque la hanche bascule en avant la « swing phase ». Durant la phase d’oscillation, le moment de « forward rotating » des fléchisseurs se poursuit et est suivi par une contraction des extenseurs pour ralentir la cuisse en balancement vers l’avant. Dans la phase d’appui on observe un modèle de flexion et d’extension du membre inférieur. Pendant la phase portante il y a une présence majeure du modèle d’extension qui s’inverse rapidement en flexion pendant la phase d’oscillation et revient en extension pour que le membre s’étende avant le contact du talon. 3.3.4/ Angular rotation of each joint during movement Sagittal plane Hanche: Pré-appui: flexion Stance phase: extension complète et le corps avance au dessus « plantigrade foot ». Heel off: flexion pour que le membre quitte le sol et continue à fléchir vers la phase d’oscillation. il y'a une variation d'amplitude de 60 dégrés entre l'extension max et la flexion max Attaque talon  Genou Pré-appui: flexion 15° Stance phase: extension vers position neutre ou une flexion minimale. Heel off: le genou repart en flexion, au début de l’oscillation pour permettre au pied de quitter le sol. Pendant le reste de la phase d’oscillation, le genou s’étend passivement par le moment de force produite précédemment. avant le heel contact le genou sera à 15dégrés ici on réalise des mouvements de flexion/extension dans une position fléchie ici on fait de l'extension parce qu'on a besoin qu'une jambe soit quand le talon quitte le sol c'est comme stabilisée une fusée qui décolle on a besoin de la stabilité de la jambe au debut de l'impact on aura un genou et une hanche en flexion  Cheville Heel contact: position neutre Foot flat: flexion plantaire de 5 à 10° Midstance: flexion dorsale du pied. Le tibia se déplace au dessus du talus. Heel off: flexion plantaire de la cheville, le talon quitte le sol pour préparer la phase propulsive. Phase d’oscillation: une flexion dorsale amène la cheville en position neutre, permettant au pied de ne plus toucher le sol. On observe une flexion majorée de la hanche et du genou pour compenser l’absence de passage en position neutre (steepage gait). l'amplitude de propulsion es de 40 dégrés le moment de force est maintenu au contact du talon au sol pour éviter que l'avant pied ne touche le sol avant le talon  Frontal plane Mouvement minimal de la hanche Léger mouvement d’adduction pendant la phase de portance Léger mouvement d’abduction pendant la phase d’oscillation transversal plane Peu de mouvement de rotation du basin et de la hanche « Range of motion minimal » ou légèrement fixé en rotation externe 3.3.4.1/ Angle: stance phase Heel contact Genou est en extension et en rotation externe avant la phase de contact (0° de flexion). Flexion du genou à 15° (internally rotates) avant de repartir en externe. La Hanche est en flexion (30°) et en rotation externe. La mobilité du calcanéus n'est pas dans son Foot flat (fin de double appui) maximum lors de la marche Flexion du genou à 15° avec une rotation externe. La hanche est toujours en flexion de 30°. Rotation du fémur en position neutre. Midstance (1 appui) Flexion du genou 15°, tibia en rotation externe. La hanche est fléchie à 25° et le fémur est en rotation interne. lors de cette phase, le calca est inversé et fait de la pronation en vue de préparer le pied pour la phase heel off Heel off Genou fléchi entre 0°-5° et le tibia en rotation externe. Hanche extension entre 0-10° et le fémur en rotation externe et débute l’abduction. Toe-off Genou fléchi entre 0-30° de flexion et le tibia en rotation externe. La hanche est en extension à 20° et le fémur est en rotation externe avec de l’abduction. La cheville est flexion plantaire de 20°. 3.3.4.2/ Angle: swing phase Initial swing Le genou est entre 30° et 60° de flexion et le tibia en rotation interne. La hanche est entre 0° et 20° de flexion, le fémur se déplace de la rotation interne vers la position neutre. Mid swing Le genou se déplace à 0° avec un tibia en rotation externe. La hanche est entre 20° et 30° de flexion avec un fémur en rotation externe. Le genou et la hanche poursuivent leur mouvement par la force d’inertie. Terminal swing Le genou est à 0° et le tibia en rotation externe. La hanche est à 30° de flexion avec une rotation externe du fémur. 3.3.5/ Power La puissance se calcule par un moment de force multipliée par la vitesse angulaire. La puissance correspond au taux de génération ou d’absorption d’énergie. Génération: concentrique Absorption: excentrique  La vitesse angulaire est un angle balayé dans un certain temps. C’est un vecteur qui décrit une vitesse de rotation et l’axe autour duquel cette rotation est effectuée. Son unité est le tour/min ou le rad/s  La puissance est générée par les muscles. La puissance développée sera donc différente d’une articulation à l’autre. Certains muscles génèrent de la puissance sur 2 sites articulaires (bi- articulaires)  Mechanics and energetics of load carriage during human walking on est typiquement dans un plan sagittal Tzu-wei P. Huang, Arthur D. Kuo Journal of Experimental Biology 2014 217: 605-613; doi: 10.1242/jeb.091587  Winter, D. A., 1984. Kinematic and kinetic patterns in human gait: variability and compensating effects. Human Movement Science 3, 51-76. 3.3.6/ Muscle activity La marche est maintenue par une combinaison entre l’activité musculaire, le moment de force et la GRF. Les contractions concentriques produisent le mouvement et entrainent une accélération du corps vers l’avant. Les contractions excentriques auront un rôle de ralentissement et de stabilisation du mouvement. Les contractions excentriques seront prédominantes sur les contractions concentriques durant la marche. Muscle activity during the gait cycle Contraction concentrique: Stance phase Gastrocnémiens: le talon quitte le sol. Psoas Iliaque: flexion de la hanche pour tirer le membre inférieur de la phase portante du sol. Swing phase Tibial antérieur: flexion dorsale du pied. Contraction excentrique: Tibial antérieur: permet de descendre doucement le pied au sol (heel contact). Gastrocnémiens: limite l’amplitude de la flexion dorsale. Les adducteurs de la phase portante vont limiter la descente controlatérale du pelvis. En cas de douleur sur la phase portante: le patient décharge l’appui. Diminution de la phase portante. Diminution de la longueur du pas. Diminution de la longueur de la foulée. Stephen Robinovitch, Ph.D: Clinical biomechanics of gait 3.3.7/ Déplacement du centre de gravité La localisation du COM se situe à 55% de la hauteur corporelle et antérieure à S2. Trajectoire imposée du COG dans l’espace durant le mouvement. La trajectoire suit une oscillation sinusoïdale dans le plan horizontal et vertical Plane transversal: vertical displacement of COM Plane sagittal: lateral displacement of COM Plane coronal: combined displacement of COM Gait cycle Signification fonctionnelle. Diminuer le déplacement du COM = Réduire la dépense énergétique. 3.3.8/ Mouvement du bassin Rotation du bassin Pendant une marche normale, on observe une rotation du bassin d’un coté à l’autre autour d’un axe vertical. Durant la phase d’oscillation, rotation médiale de 5° sur la hanche portante pendant que l’autre hanche, se déplace vers l’avant. Le bassin en rotation augmente la longueur du pas. Stephen Robinovitch, Ph.D: Clinical biomechanics of gait Inclinaison du bassin Inclinaison du pelvis vers le bas du coté de la phase d’oscillation. L’amplitude est contrôlée par l’intervention des adducteurs de la hanche du coté de l’appui. L’inclinaison du pelvis réduit la pointe de la trajectoire COM. L’inclinaison du bassin amène la flexion du genou pendant la phase d’oscillante, en sorte que le pied ne touche plus le sol. Trajectoire du COM dans un plan sagittal Rotation du bassin augmente le point bas de la trajectoire. Inclinaison du bassin et la flexion du genou « mid-stance » baissent le sommet de la trajectoire. Flexion plantaire (après heel contact) diminue la pente de l’augmentation. Flexion plantaire (après heel off) réduit la pente de la diminution. Déplacement latéral du bassin Pendant l’appui, le bassin glisse latéralement vers le membre en phase portante La phase préceinte entraine le COM vers la jambe portante. Facilite la fonction des adducteurs de la phase portante pour augmenter la jambe en oscillation et contrôler l’inclinaison du bassin.