Propriétés viscoélastiques et étirement du système musculo-tendineux

Le comportement mécanique du système musculo-tendineux lors de l’étirement peut être étudié à partir de deux essais : le cycle de charge/décharge et l’essai de relaxation (Magnusson 1998) (Figure 12).

 Cycle de charge/décharge

Le cycle de charge/décharge, généralement effectué à partir d’un dynamomètre isocinétique, consiste à étirer puis à raccourcir le système à une vitesse angulaire constante (Figure 12A). A partir de ce test, il est alors possible de déterminer (i) l’indice de raideur musculo-tendineuse, défini par la pente de la relation moment-angle, autrement dit, par le ratio entre la variation de force et la variation de longueur ou de déplacement du système musculo-tendineux. Egalement, (ii) l’énergie potentielle élastique peut être définie par l’aire sous la courbe moment-angle (Magnusson 1998; Gajdosik 2001).

Le cycle de charge/décharge est généralement effectué à faible vitesse angulaire afin de limiter l’apparition d’un réflexe d’étirement (McNair et al. 2000).

Figure 12. Cycle de charge/décharge présentant l’angle articulaire en fonction (A) du temps et (B) du moment musculaire. L’aire de l’hystérésis (zone grise) correspond à l’énergie dissipée par le système

musculo-tendineux (Nordez 2006).

On constate que lors de l’allongement passif (cycle de charge), le moment, l’indice de raideur ainsi que l’énergie potentielle élastique augmentent de façon non linéaire en fonction de l’amplitude articulaire. En effet, pour une même variation de longueur, la variation de force ou d’énergie potentielle élastique est plus grande pour des longueurs musculaires plus importantes. Ceci reflète un comportement viscoélastique, impliquant à la fois des propriétés de viscosité et d’élasticité, décrites proportionnellement par les modèles rhéologiques de Hooke (« spring », ressort parfait, où le changement de longueur est proportionnel aux forces appliquées) et de Newton (« dashpot », amortisseur, où la vitesse et la durée de déformation sont proportionnelles aux forces appliquées) (Taylor et al. 1990). Le cycle charge/décharge permet de démontrer la présence d’une hystérésis (Figure 12B), autre caractéristique d’un système viscoélastique. L’hystérésis correspond à la non linéarité de la relation moment-angle lors du cycle charge/décharge, c’est à dire à la différence d’énergie élastique potentielle entre l’allongement et le raccourcissement. On constate que le moment développé est plus faible lors de la décharge, reflétant une dissipation d’énergie potentielle élastique (Taylor et al. 1990; Magnusson 1998).

Le moment développé lors de l’étirement est donc dépendant de l’angle articulaire (autrement dit, des forces appliquées au système) mais également de la vitesse de déformation (Taylor et al.

1990; Magnusson 1998). Le système musculo-tendineux développe un niveau de raideur et d’énergie élastique potentielle plus important lors d’un étirement passif rapide relativement à un étirement passif lent (Figure 13). D’un point de vue biomécanique, cela s’expliquerait par un relâchement musculaire moins important lors d’un étirement rapide, ne permettant pas de réduire le moment passif en résistance à l’étirement.

A. B.

Figure 13. Exemple de courbes force-longueur lors de cycles de charge effectués à différentes vitesses. Pour une même variation de longueur, la force développée par le système musculo-tendineux est plus importante

au cours d’un étirement rapide (Taylor et al. 1990).

Outre l’amplitude et la vitesse, il apparaît que le comportement viscoélastique du système musculo-tendineux peut être modulé par la répétition d’étirements. Par exemple, Taylor et al. (Taylor et al. 1990) ont montré une diminution progressive du moment maximal passif (Figure 14A), ainsi qu’une déformation de la longueur du système musculo-tendineux (Figure 14B), entre le premier et le dixième cycle de charge/décharge du muscle long extenseur du pouce. De la même manière, Magnusson et al. (Magnusson et al. 1998) ont reporté une diminution de l’hystérésis entre le premier et le dixième cycle charge/décharge (Figure 14C). D’autre part, Magnusson et al. (Magnusson et al.

1996a) ont mis en évidence une réduction de la raideur musculo-tendineuse et de l’énergie potentielle élastique (Figure 14D) entre le premier et le cinquième étirement statique de 90 s des muscles ischio-jambiers.

Figure 14. (A) Moment maximal passif et (B) déformation de la longueur de l’unité musculo-tendineuse du long extenseur du pouce lors de 10 cycles charge/décharge (Taylor et al. 1990). (C) Courbes moment-angle lors du premier et dixième cycle charge/décharge (Magnusson et al. 1996a). (D) Courbes moment-angle lors

du premier et cinquième étirement d’une série d’étirements statiques de 90 s des muscles ischio-jambiers (Magnusson et al. 1998).

 Essai de relaxation

L’essai de relaxation permet également d’étudier le comportement viscoélastique du système musculo-tendineux. Ce test consiste à maintenir le système en position étirée pendant une durée donnée (Figure 15A). On observe alors une diminution du moment à cet angle donné au cours du temps (Figure 15B), reflétant à la fois un comportement visqueux (diminution du moment musculaire avec le temps) et élastique (persistance/rémanence d’un certain niveau de force) (Taylor et al. 1990;

Gajdosik 2001). La différence entre le moment maximal et le moment final correspond au relâchement musculaire (ou « viscoelastic stress relaxation »).

A. C.

B. D.

Figure 15. Essai de relaxation présentant le temps en fonction (A) de l’angle articulaire et (B) du moment (ou couple) musculaire au cours d’un étirement passif des muscles fléchisseurs plantaires, impliquant deux

phases dynamiques (charge et décharge du système musculo-tendineux) ainsi qu’une phase statique. ↕ Diminution du moment musculaire, correspondant au relâchement musculaire (Nordez 2006).

La répétition d’étirements peut également moduler la réponse viscoélastique lors de la phase statique. A partir d’une série d’étirements statiques à angle constant, Magnusson et al. (Magnusson et al. 1996a) montrent une diminution des valeurs de moment maximal et final ainsi que du relâchement musculaire entre le premier et cinquième étirement statique. Egalement, Taylor et al.

(Taylor et al. 1990) mettent en évidence une diminution du relâchement musculaire avec la répétition d’étirements. La figure 16 montre un relâchement musculaire plus important lors du premier et du deuxième étirement, comparativement aux autres répétitions. Les auteurs ne relèvent aucune différence significative entre le quatrième et dixième étirement. Les propriétés viscoélastiques évoluent donc en fonction du nombre d’étirements, autrement dit, des sollicitations antérieures. Ceci souligne le comportement thixotropique des structures du système musculo-tendineux, mis en évidence par un changement de raideur à la suite d’un allongement ou d’un étirement (Barnes 1997).

A. B.

Figure 16. Essais de relaxation au cours de 10 étirements passifs statiques de 30 s du muscle long extenseur du pouce (Taylor et al. 1990).

L’origine de ces modulations viscoélastiques pendant et suite à l’étirement n’est pas encore clairement identifiée. Par exemple, pour certains auteurs (Morse et al. 2008; Nakamura et al. 2011) la diminution de la raideur musculo-tendineuse suite à une série d’étirements statiques ne serait pas due à une modification de la raideur tendineuse mais plutôt de la raideur musculaire ou aponévrotique.

D’un autre côté, Kubo et al., (Kubo et al. 2001b) reportent des changements de propriétés viscoélastiques (diminution de raideur et de l’hystérésis) du tendon du gastrocnémien médial.

Toutefois, ces modulations ont été observées suite à une durée importante d’étirements statiques (10 min). Par ailleurs, des auteurs (Magnusson et al. 1996a) ont associé les diminutions de raideur musculo-tendineuse, de l’énergie potentielle élastique et du moment maximal passif, à un changement des propriétés viscoélastiques au niveau des structures élastiques parallèles.