CHAPITRE 1 EVALUATION DE L’ÉQUILIBRE POSTURAL
1.2 Moyens et techniques d’évaluation du contrôle postural
1.2.2 Évaluation instrumentale du maintien de l’équilibre postural
Si l’inconvénient des méthodes d’évaluation clinique est de fournir des informations insuffisantes sur le degré et les causes de l’incapacité posturale, les épreuves instrumentales permettent une évaluation quantitative et qualitative des capacités posturales. Ils requièrent l’utilisation de dispositifs permettant l’acquisition de déplacement du CM (vidéographie ou accéléromètres) et le déplacement du CP (plateforme de force) (Yelnik and Bonan, 2008). A l’origine, ces méthodes se basent sur l’utilisation des systèmes d’enregistrement mécaniques ou magnétiques attachés à la région lombaire (Dornan et al., 1978; Lord et al., 1991) ou aux hanches (Dean et al., 1986). Par la suite, la plateforme de force est devenu l’instrument de référence (Winter 1995; Piirtola and Era, 2006; J A Raymakers et al., 2005; Burdet and Rougier, 2007; Mezzarane and Kohn, 2007;). Mesurant les 3 composantes orthogonales des forces de réaction au sol et les moments en un point, elles permettent de déterminer le déplacement du centre de pression CP, qui est un reflet des oscillations posturales. Ces méthodes sont mises en œuvre dans des conditions de laboratoire avec la présence d’un superviseur. Cependant, il apparait qu’elles sont inappropriées pour l’auto-évaluation. Par contre, les accéléromètres et les gyromètres, en permettant l’acquisition des accélérations du corps, son orientation verticale et sa vitesse angulaire, ont rendu l’évaluation de l’équilibre postural des activités physiques de la vie quotidienne possible (Steele et al., 2000; Yang and Hsu, 2010). Dans ce qui suit nous nous focaliserons sur ces deux méthodes d’évaluation instrumentales de la stabilité posturale; l’utilisation de la plateforme de forces statique et des capteurs inertiels.
Les variables estimées à partir du déplacement du CP ou issues d’un accéléromètre peuvent être classées selon deux catégories : les paramètres globaux et les paramètres structuraux (Baratto et al., 2002; Kirchner et al., 2012). Les paramètres globaux évaluent l’amplitude des oscillations aussi bien dans le domaine temporel que fréquentiel (Prieto et al., 1996) alors que les paramètres structuraux se veulent le reflet des processus de contrôle.
1.2.2.1 Utilisation des plateformes de force
Généralement, les plateformes de force statiques sont associées à un logiciel permettant le calcul du déplacement du CP à partir des forces et moments acquis. Les résultats obtenus dépendent du choix de la fréquence d’échantillonnage de l’ordre de 50 à 100Hz afin de caractériser
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correctement les oscillations. Une fois les données acquises, un filtre doit être appliqué respectant les fréquences définis pour le mouvement humain (0,1 et 15 Hz). Pour quantifier le déplacement du centre de pression, plusieurs paramètres sont utilisés. On peut les classifier selon deux catégories; paramètres globaux issus d’une analyse linéaire et les paramètres structuraux qui proviennent d’une analyse non linéaires (Baratto et al., 2002; Panjan and Sarabon, 2010).
Plusieurs paramètres posturaux ont été décrits dans une analyse « classique » de la trajectoire du CP (Tableau 3). Parmi ces paramètres on trouve ceux issus d’une caractérisation spatio-temporelle de la trajectoire du CP. Ils peuvent être classés selon trois sous catégories (Prieto et al., 1996);
- les paramètres d’amplitude (la moyenne quadratique, l’étendue, l’amplitude moyenne…), - de surface (la surface totale, la surface du cercle de confiance, la surface d’ellipse de
confiance…),
- les paramètres de variabilité (écart type) et des paramètres de types hybrides (vitesse moyenne, dimension fractale…).
Ces paramètres traduisent la taille globale des oscillations posturales (Kirchner et al., 2012). En effet, l’amplitude moyenne, l’étendue et la moyenne quadratique sont associés à la qualité de la stabilité posturale (Horak et al., 1989), alors que la surface est utilisée pour quantifier globalement la performance dans le plan horizontal (Maki et al., 1990; J A Raymakers et al., 2005).
Les paramètres fréquentiels extraits des déplacements du CP, sont aussi évalués et analysés. Différents paramètres ont été décrits (Prieto et al., 1996; Williams et al., 1997) (Tableau 3) comme par exemple la puissance totale (équivalente à la surface du spectre), la fréquence médiane (F50) sous laquelle se situe 50% de la puissance du signal, la fréquence sous laquelle se trouve 95% de la puissance du signal... Ces paramètres traduisent la fréquence privilégiées à laquelle s’effectue les oscillations posturales et caractérise les performances posturales (Rocchi et al., 2004).
Afin d’étudier plus finement les propriétés des oscillations posturales certains auteurs ont considéré que le système du contrôle de l’équilibre postural de la position debout est un système dynamique non linéaire (Collins and De Luca, 1993). Sous l’effet des oscillations posturales continues, le maintien de l’équilibre de la posture debout est le résultat d’un équilibre dynamique
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et par suite le déplacement du CP résultant d’un processus à la dynamique stochastique. Ainsi une telle caractérisation de la trajectoire du CP peut fournir des informations sur la régularité et la complexité des oscillations posturales (Panjan and Sarabon, 2010). Les paramètres résultant de l’analyse de l’aspect non linéaire des signaux stabilométriques peuvent être classées selon trois types (Panjan and Sarabon, 2010). Ces analyses considèrent que le signal du déplacement du CP est un ensemble de points (N), séparés par N-1 intervalles de temps.
Premièrement, L’analyse de la densité des trajectoires du CP est basée sur l’idée que le processus de maintien d’équilibre postural est composé de séquences de commandes motrices anticipées (Gatev et al., 1999; Morasso et al., 1999). Parmi les paramètres utilisés pour quantifier ces dernières on peut citer la valeur moyenne des pics dans la courbe des oscillations posturale (MP) et la variabilité intra-individu correspondante (VIS). Aussi, on considère la valeur moyenne de la longueur de l’intervalle de temps entre deux pics successifs (MT).
La deuxième approche de calcul des paramètres, (tableau 3), est basée sur l’idée que les oscillations posturales peuvent être représentées sous la forme de mouvements aléatoires par exemple Browniens fractionnaires et qu’elles peuvent être décomposées en deux processus stochastiques : un processus à court terme, interprété comme un mécanisme de contrôle en boucle ouverte et un processus à long terme, présenté comme un mécanisme de régulation en boucle fermée (Baratto et al., 2002).
Finalement, la troisième approche consiste à décomposer la trajectoire du CP (tableau 3). Parmi ces paramètres nous citons; L’entropie simple, utilisé dans l’analyse de système stochastique complexe et qui fournit des informations sur la régularité et la prédictibilité des séries temporelles de la trajectoire du CP (Richman and Moorman, 2000). Aussi, l’exposant maximum de Lyapunov, quantifie la stabilité locale des oscillations posturales en quantifiant la divergence éventuelle de trajectoires initialement proches et donc la résistance d’un système à des petites perturbations internes. En d’autres termes, ce paramètre qualifie la stabilité ou l'instabilité locale de déplacement du CP (Collins and De Luca, 1993; Mizuta et al., 2009; Kyvelidou et al., 2010;) L’analyse des oscillations posturales (représentées par le déplacement du CP ou du CM) est effectuée en considérant les directions antéropostérieure (AP) ou médio-latérale (ML) et dans le plan antéropostérieur- médio-latéral (AP-ML). En effet selon la posture adoptée, l’amplitude des
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oscillations peuvent être plus importantes selon la direction considérée et reflètent des mécanismes différents du contrôle antéropostérieur ou médiolatéral.
Les techniques d’évaluation clinique nécessitent la présence d’un observateur. En outre, elles ne sont parfois pas suffisamment sensibles afin de discriminer les capacités de maintien postural. Les techniques d’acquisition de déplacement du CM ou/ et du CP, tels que les moyens de mesure optoélectroniques ou les plateformes de forces, sont très couteux, nécessitent une précision de mise en place et une supervision attentive afin d’obtenir des données fiables et utiles. En effet, ces méthodes ne peuvent pas être utilisées dans le cadre d’une auto-évaluation et en dehors des conditions de laboratoire. Avec la validation de l’utilisation des capteurs inertiels dans l’évaluation du mouvement humain et plus précisément dans l’évaluation des capacités posturales et grâce à la technologie des systèmes micro-électromécaniques (MEMS), des systèmes ont été conçus pour utiliser ces capteurs en conditions ambulatoires et donc pour l’auto-évaluation. Dans la partie suivante, nous présentons les capteurs inertiels et leur utilisation pour l’évaluation de la stabilité posturale.
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Tableau 3 : synthèse des paramètres posturo graphiques
Nom Symbole Description Direction Unité
Paramètres d’amplitude (Hufschmidt et al., 1980; Prieto et al., 1996) Domaine spatio-temporelle
Distance
Amplitude moyenne AvgM L’amplitude moyenne de déplacement du CP (accélérations) AP, Ml et le plan AP-ML mm (mg)
Moyenne quadratique RMS La moyenne quadratique de la trajectoire du CP AP, Ml et le plan AP-ML mm (mg)
Le Range Range La distance maximale entre n’importe quels deux points de déplacement du
CP. AP, Ml et le plan AP-ML mm (mg)
Trajectoire des oscillations SP La longueur totale de la trajectoire du CP AP, Ml et le plan AP-ML mm (mg)
Vitesse moyenne MV La vitesse moyenne du déplacement du CP AP, Ml et le plan AP-ML mm.s
-1 (mm.s-1)
Hybrides
La fréquence moyenne MF
Définit par Hufschmidt. C’est la fréquence des mouvements circulaires avec un rayon égal à la longueur et l'amplitude moyenne totale identique à la trajectoire des oscillations posturales
AP, Ml et le plan AP-ML Hz
La surface par unité de temps AreaT
La surface délimitée par la trajectoire du CP divisé par unité de temps. Il est calculé en additionnant la surface du triangle formé par les deux points consécutifs et divisé la somme par la période de l’essai.
le plan AP-ML mm².s
-1 (mg².s-1)
Area
Surface Area La surface délimitée par la trajectoire du CP. le plan AP-ML µ m² (µg²)
Surface du cercle de
confidence AreaCC
La surface d'un cercle qui entoure tous les points de déplacement du CP avec
95% de confiance. le plan AP-ML µ m² (µg²)
Surface d’ellipse de confidence AreaCE La surface d’une ellipse qui entoure tous les points de déplacement du CP avec
95% de confiance. le plan AP-ML µ m² (µg²)
Domaine fréquentiel
Puissance total TP La puissance spectral total AP, Ml et le plan AP-ML
Fréquence médiane F50 la fréquence en dessous de laquelle 50% de la puissance totale est présente. AP, Ml et le plan AP-ML Hz
Fréquence de 95% de la
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le centroïde spectral CF la fréquence à laquelle le masse du spectre est concentrée AP, Ml et le plan AP-ML Hz
Nom Symbole Description Direction Unité
La dispersion de la fréquence FreqD Mesure de la variabilité du contenu du spectre de puissance. AP, Ml et le plan AP-ML Sans unité
Analyse non linéaire (Collins and De Luca, 1993) Analyse de la complexité et la régularité
Entropie simple SmEn L’entropie simple utilisée pour évaluer la complexité de la série temporelle de
déplacement du CP AP, ML et le plan AP-ML
Exposant de Lyapunov maximal λ max
L’exposant de Lyapunov est utilisé pour quantifier la stabilité locale des
déplacements du CP. AP, ML et le plan AP-ML
L’analyse des fluctuations
redressées DFA
Une analyse qui cherche à mettre en évidence les processus d’auto-similarité
dans les séries temporelles de déplacement du CP. AP, ML et le plan AP-ML
Analyse fractale
Dimension fractale FD Traduit la façon qu’a les oscillations posturales pour remplir l’espace. AP, Ml et le plan AP-ML Sans unité
Dimension fractale du cercle de
confidence FDCC
Traduit la façon qu’a les oscillations posturales pour remplir 95% du cercle de
confidence. AP, Ml et le plan AP-ML Sans unité
Dimension fractal e d’ellipse
de confidence FDCE
Traduit la façon qu’a les oscillations posturales pour remplir 95% d’ellipse de
confidence. AP, Ml et le plan AP-ML
Intervalle de temps ∆ c Temps moyen nécessaire pour que le sujet initie une correction au déséquilibre. AP, ML et le plan AP-ML s
Distance quadratique moyenne < ∆ >c
Distance quadratique moyenne parcourue avant que le sujet n’initie une
correction au déséquilibre. AP, ML et le plan AP-ML Mm² (mg²)
Coefficient d’échelle de courte
latence Ds Coefficient d’échelle linéaire de courte latence. AP, ML et le plan AP-ML
mm²/s (mg²/s) Coefficient d’échelle
logarithmique de courte latence Hs Coefficient d’échelle logarithmique de courte latence. AP, ML et le plan AP-ML
mm²/s (mg²/s) Coefficient d’échelle de longue
latence Dl Coefficient d’échelle linéaire de longue latence AP, ML et le plan AP-ML
mm²/s (mg²/s) Coefficient d’échelle
logarithmique de longue latence Hl Coefficient d’échelle logarithmique de courte latence. AP, ML et le plan AP-ML mm²/s
1.2.2.2 L’utilisation des capteurs inertiels dans l’évaluation du maintien de l’équilibre postural
Il y a un intérêt croissant dans l’utilisation des capteurs inertiels pour évaluer le mouvement humain et plus particulièrement la stabilité posturale. Cet engouement est liée à l’évolution des accéléromètres avec l’apparition des capteurs piézo-résistifs et capacitifs et aussi l’ouverture de nouvelle pistes d’exploration du signal de l’accéléromètre pour l’évaluation des activités physiques (Mathie et al., 2004; Pelham et al., 2006; Godfrey et al., 2008). Dans cette partie, nous présentons, une revue des types d’accéléromètres et gyromètres disponibles sur le marché ainsi que les spécifications et les performances qui sont nécessaires pour enregistrer les oscillations posturales. Dans l’analyse du mouvement humain, les systèmes d’acquisition sont souvent attachés à la région lombaire. Ce positionnement du capteur au niveau de la taille permet d’obtenir une bonne estimation des accélérations du centre de masse corporel. Cette question ainsi que l’utilisation de ces capteurs dans l’évaluation des oscillations posturales sont traitées en second lieu dans cette partie. Enfin, nous entamons cette partie par une description des signaux accélérométriques dans un contexte théorique.
Ces capteurs, en mesurant le signal accélérométrique du corps sur lequel ils sont fixés selon trois axes (les accéléromètres triaxiaux), permettent d’évaluer le mouvement de l’individu. Il existe plusieurs types d’accéléromètres dont les trois les plus connus sont les accéléromètres piézo-résistifs, piézo-électriques et capacitifs.
Les accéléromètres piézo-électriques : sont des systèmes composés d’un ressort et d’un
amortisseur. Une accélération de la masse entraîne des efforts de compression sur le matériau piézo-électrique. Ce dernier génère une charge électrique proportionnelle à l’accélération. Ces capteurs sont, généralement, utilisés dans des applications de mesure de vibration (Chen and Bassett, 2005)
Les accéléromètres piézo-résistifs : utilisent des résistances piézo-résistives en silicium dont
la résistance électrique change en réponse à une accélération appliquée. Ils sont utilisés généralement dans l’évaluation de l’inclinaison (Yang and Hsu, 2010)
L’accéléromètre à détection capacitive : sont composés d’une armature mobile (masse
sismique), placé entre deux armatures fixes. Le déplacement de la masse sismique entre les deux autres armatures entraine des variations de capacité proportionnelle à l’accélération (Figure 5). (Yang and Hsu, 2010)
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Figure 10 : Principe de fonctionnement des accéléromètres; (a) accéléromètre piézo-résistif, (b) accéléromètre capacitif et (c) accéléromètre piézo-électrique.
Les accéléromètres capacitifs et résistifs sont plus petits que l’accéléromètre piézo-électrique. L’apparition sur le marché, d’une forme miniature de ces capteurs a permis leur intégration dans des systèmes MEMS. De plus, ces deux capteurs permettent, contrairement à l’accéléromètre piézo-électrique, l’évaluation des forces dynamiques et statiques. Les forces dynamiques génèrent une accélération dynamique du capteur qui se déplace. Les forces statiques sont constantes, donc ne peuvent pas être détectés par un accéléromètre piézo-électrique puisque qu’il doit subir une accélération pour enregistrer une variation. Pour les accéléromètres capacitifs et piézo-résistifs, la masse est soumise à la force de pesanteur, donc même immobiles ces capteurs enregistrent l’effet de l’accélération de la gravité (Bao, 2000). Les progrès réalisés dans la conception des systèmes MEMS, a permis la diminution de la taille et le coût des dispositifs à base d’accéléromètres tout en assurant un niveau élevé de qualité et de fiabilité (Culhane et al., 2005). En plus de ces avantages, les accéléromètres permettent la mesure des variations en temps réel, non invasive et de manière prolongée. Cette capacité d'enregistrement continue est due à la consommation de courant relativement faible de ces dispositifs. Ces avantages expliquent la forte tendance à utiliser les accéléromètres dans la mesure et l’évaluation de l’activité physique de la vie quotidienne ou dans le cadre clinique. Dans la suite de cette partie, nous expliquerons les spécifications des accéléromètres dans le cadre de l’évaluation du mouvement humain et plus particulièrement celle des oscillations posturales. Dans le choix des accéléromètres à utiliser pour évaluer les mouvements humains, il faut prendre en considération que ces derniers sont généralement de faibles amplitudes et de fréquences basses (Tableau 4). En effet, l’intervalle de fréquence adéquat pour l’analyse des oscillations posturales n’est pas bien défini même en stabilométrie.
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Certaines recherches ont utilisé des plages de fréquence entre 0Hz à 3.5Hz (Mancini et al., 2012) alors que d’autres ont appliqué un intervalle de fréquence de coupure entre 0Hz à 2Hz (Yokoyama et al., 2002), entre 0Hz et 5Hz (Prieto et al., 1996) ou bien entre 0,3Hz et 5Hz (Martinez-Mendez et al., 2012). De là on peut conclure que, pour évaluer les activités physiques, les accéléromètres doivent être capable de mesurer des accélérations entre ±2g et une fréquence comprise entre 0 et 5Hz.
Tableau 4 : Amplitudes et fréquences exigées pour l’évaluation du mouvement humain à l’aide des accéléromètres
Auteur mouvement Bande de fréquence Étendu de mesure (Plasqui and
Westerterp, 2007) Activité physique 0,3- 3.5 Hz ±6g (Chen and Bassett,
2005) Activité physique 0,25 - 7 Hz 0,1-10g (Najafi et al., 2003) Activité physique de la vie
quotidienne 0,62-5 Hz NA
(Bouten et al., 1997)
Marche
0,8 – 5 Hz partie supérieure du
corps NA 0-70 Hz les parties inférieurs ±20g Course 1 -18 Hz cheville NA
0,7 -4 Hz région lombaire et tête. NA Activité physique quotidienne 0,7 -4 Hz ±6g
±12g (Mancini et al., 2012) Équilibre postural (posture
debout) 0 Hz-3.5Hz ±1.7g (Martinez-Mendez et
al., 2012)
Équilibre postural (posture
debout) 0,3Hz- 5Hz ±1.5g (Lamoth et al., 2009) Équilibre postural (posture
debout) 0,0016Hz- 20Hz NA
Grâce à leur capacité à mesurer des accélérations de faible amplitude et à basses fréquences, les accéléromètres ont suscité l’intérêt en tant qu’outils d’évaluation des oscillations posturales dans différentes conditions. Plusieurs études ont été effectuées pour valider l’utilisation de ces capteurs (Kamen et al., 1998; Moe-Nilssen, 1998b; Moe-Nilssen and Helbostad, 2002; Bonnet et al., 2004, 2004; O’Sullivan et al., 2009; Mancini et al., 2012). Dans son travail (Moe-Nilssen, 1998b), Moe Nilssen a trouvé une répétabilité élevée lors d’expériences de test-retest d’évaluation de la posture debout bipodale. Dans la même période, Kamen (Kamen et al., 1998) et ses collaborateurs ont utilisé des accéléromètres uniaxiaux, attachés à la région lombaire L3, à la cheville et à l’épaule pour quantifier l’amplitude et la fréquence des oscillations posturales pour les postures (1) debout sur une surface molle, (2) debout sur une surface rigide et (3) debout sur une surface molle avec les yeux fermés. Ils ont montré que les résultats obtenus à partir de l’accéléromètre au niveau de
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la région lombaire étaient les meilleurs. En 2012, Mancini et ses collaborateurs (Mancini et al., 2012), ont étudié la validation de l’utilisation des accéléromètres en calculant la corrélation des paramètres fréquentiels et temporels calculés à partir des signaux de déplacement du CP et les accélérations ainsi que la répétabilité de ces derniers. Des sujets sains et atteints de la maladie de parkinson avaient pour instruction de se maintenir debout. Les résultats ont montré que les paramètres calculés à partir des accéléromètres, tout comme ceux calculés à partir de la plateforme de force, permettent de différencier les sujets sains de ceux atteints d’une pathologie et qu’il y a une bonne corrélation entre les résultats des deux moyens de mesure particulièrement pour les paramètres temporels. Aussi ces derniers ont montré une meilleure répétabilité que les paramètres fréquentiels. (ICC >75 pour les sujets atteint de parkinson et ICC >0,7 pour les sujets sains).
D’autres travaux ont été menés afin d’étudier l’effet des informations sensorielles sur les données accélérométriques. On peut citer les travaux de Mayagoita et al (Mayagoitia et al., 1999) qui ont montré qu’un accéléromètre triaxial peut différencier quatre conditions de posture debout (debout simple, debout les yeux fermés, debout les pieds joints et debout les pieds joints et les yeux fermés). Aussi (Martinez-Mendez et al., 2012) a étudié l’effet de la vision sur les oscillations posturales de la posture debout (debout les yeux ouverts et debout les yeux fermés), chez des individus jeunes et âgées. A partir des accélérations acquises lors de 30 secondes, ils ont estimé 59 paramètres dont 30 ont détecté la différence de l’âge pour la condition yeux ouverts et 18 pour la condition yeux fermés.
Enfin, d’autres recherches sont menées pour étudier l’effet de la pratique sportive sur la qualité des oscillations posturales en utilisant des accéléromètres (Lamoth et al., 2009; Omkar et al., 2009; Lamoth and van Heuvelen, 2012;).
Si on résume, une estimation des paramètres temporels, fréquentiels et structurels, décrits