Protocole de validation du modèle cinématique S2M_Mod_BF

Le protocole de validation a pour but de comparer les angles articulaires issus d’un modèle multi-corps avec et sans fermeture de boucle cinématique à ceux obtenus à partir d’un modèle issu de mesures invasives de référence. Des tiges en métal ont été insérées dans la clavicule, la scapula et l’humérus d’un sujet afin de mesurer directement la cinématique des articulations sterno-claviculaire, acromio-claviculaire et gléno-humérale avec une grande précision au cours d’un lever de charge. Le caractère fortement invasif de ce protocole explique le recours à un seul participant.

2.4.1 Participant

Le seul candidat recruté pour cette expérimentation était âgé de 27 ans, il mesurait 174 cm et pesait 57 kg. Celui-ci avait au préalable signé un formulaire de consentement éclairé. Le protocole a été accepté par les comités d’éthique de l’Université de Montréal (CPP#12-132) et du Karolinska Institutet de Stockholm (CPP#25/11).

2.4.2 Instrumentation

Un chirurgien a implanté des tiges intra-corticales dans des conditions stériles d’une salle de bloc opératoire de l’hôpital universitaire Karolinska en Suède. Après l’administration locale d’un anesthésiant (AstraZeneca, Södertälje, Suède), l’opération chirurgicale consistait à réaliser une incision de 1 à 2 cm sur les tissus mous avant de perforer l’os. Une tige en acier inoxydable (Synthes, Bettlach, Suisse) était ensuite vissée dans l’os. Une première tige de 1,6 mm de diamètre est vissée dans la clavicule gauche du sujet. Puis, une seconde tige de même diamètre que la précédente est insérée dans l’épine de la scapula gauche du participant.

Enfin, une dernière tige de 2,5 mm est placée sous l’insertion deltoïdienne, sur la face latérale de l’humérus gauche. La figure 13 permet d’observer le positionnement des différentes tiges intra-corticales. Des clusters de quatre marqueurs réfléchissants sont fixés sur les deux premières tiges intra-corticales alors que la tige plantée dans l’humérus avait un cluster à cinq marqueurs (Figure 13). Le lieu d’incisure et d’insertion des tiges a été soigneusement sélectionné afin de ne pas endommager les muscles, les nerfs et les vaisseaux sanguins avoisinants. Cette opération chirurgicale ne devait pas affecter non plus la motricité du sujet. Les tiges ont été orientées dans le but d’éviter tout contact des marqueurs avec une autre tige ou même avec la tête ou le cou du participant au cours du mouvement. La solidité de l’installation est testée manuellement et les sites d’insertion des tiges ont été nettoyés, stérilisés et couverts avec un pansement stérile. Les tiges ont été retirées à la fin du protocole et les sites d’incisures de nouveaux nettoyés, stérilisés et recouverts avec un pansement. Un antibiotique et un antidouleur (AstraZeneca, Södertälje, Suède) sont ensuite donnés au participant. Aucune complication clinique n’est intervenue durant le protocole.

Figure 13: Placement des tiges intra-corticales et placement des clusters de marqueurs qui lui sont associés.

Le laboratoire d’analyse du mouvement de la Karolinska Institutet a ensuite accueilli le même participant afin de placer 35 marqueurs cutanés. Les positions de ces marqueurs sont identiques à celles qui sont illustrées à la Figure 8. Les trajectoires des marqueurs sur les clusters et la peau sont enregistrées à 300 Hz à l’aide du système optoélectronique d’analyse du mouvement ViconTM muni de 13 caméras T40-S et cinq caméras T20-S (Oxford Metrics Ltd, Oxford, UK).

2.4.3 Procédure

Des essais en position anatomique et relâchée sont tout d’abord collectés. Puis, les mêmes séries de mouvements fonctionnels que ceux décrits au tableau 3 sont enregistrées afin de déterminer les positions des centres et axe articulaires (Ehrig et al., 2006; O’Brien et al., 1999). Ensuite, le participant a effectué une montée \ descente de caisse d’une masse de 6,75 kg avec les deux mains dans le plan sagittal. La caisse était initialement posée sur une table à la hauteur des hanches du sujet. Le geste à effectuer correspondait à soulever la caisse le plus haut possible et la redescendre sur la table. Le mouvement réalisé pour ce protocole de validation du modèle cinématique faisait partie d’une expérimentation incluant d’autres tâches dynamiques (Dal Maso et al., 2015).

2.4.4 Différents modèles cinématiques

Afin d’évaluer l’implémentation d’une fermeture de boucle scapulo-thoracique dans l’estimation de la cinématique articulaire, le modèle avec fermeture (S2M_Mod_BF) est généré. Les caractéristiques du modèle S2M_Mod_BF ont déjà été décrites. Deux autres modèles cinématiques sont ensuite développés pour ce protocole de validation. Le deuxième est un modèle (S2M_Mod_BO) multi-corps avec une chaîne cinématique ouverte qui utilise en entrée les mêmes trajectoires des marqueurs cutanés que le modèle S2M_Mod_BF. La seule différence du modèle S2M_Mod_BO par rapport au S2M_Mod_BF est que l’ellipsoïde n’a pas été implémenté. Le modèle S2M_Mod_BO ne bénéficie donc pas de la fermeture de boucle cinématique. Les mêmes méthodes que décrites précédemment ont permis d’identifier les positions de référence ainsi que les centres et axe de rotations des articulations qui composent les modèles S2M_Mod_BO et S2M_Mod_BF. Les reconstructions de ces deux

modèles cinématiques utilisent l’optimisation globale. La fonction objective du problème de cinématique inverse était différente pour un modèle avec une boucle ouverte par rapport à un autre modèle avec une boucle fermée. L’équation de cinématique inverse à résoudre correspond à l’équation (9) pour le modèle S2M_Mod_BO.

Un troisième modèle cinématique (S2M_Mod_Ref) est généré. S2M_Mod_Ref utilise en entrée les trajectoires des marqueurs cutanés pour le segment du thorax et celles des marqueurs placés sur les clusters des trois tiges intra-corticales pour les segments clavicule, scapula et bras. À la différence des modèles S2M_Mod_BO et S2M_Mod_BF, le modèle S2M_Mod_Ref utilise l’optimisation locale pour résoudre le problème de cinématique inverse. L’écriture du problème peut s’écrire sous la forme de l’équation suivante :

( ) ∑( )

( ) ₍₁₆₎

sujet à

où et sont les coordonnées locales du marqueur sur un segment rigide lors de deux images de référence, est la matrice de rotation du segment, et , le vecteur translation du repère local (Challis, 1995). La contrainte R’R=1 permet de s’assurer que la transformation est orthogonale, c’est-à-dire qu’elle correspond à un mouvement d’un segment. Contrairement aux deux autres, le modèle S2M_Mod_Ref est actionné par trois degrés de liberté en translation aux articulations sterno-claviculaire, acromio-claviculaire et gléno-humérale. Celui-ci ne bénéficie pas de fermeture de boucle puisque l’optimisation locale traite segment par segment de manière indépendante. Les mêmes méthodes que décrites dans les parties précédentes ont permis de déterminer les positions des centres articulaires de la chaîne cinématique.

2.4.5 Traitement des données pour la validation du modèle cinématique

Le même traitement des angles articulaires en sortie des trois modèles a été appliqué (sous- partie 3). Une erreur quadratique moyenne est calculée sur l’essai complet de montée-descente

d’une charge entre les angles articulaires issus du modèle S2M_Mod_BO par rapport à la cinématique articulaire de référence fournie par le modèle S2M_Mod_Ref. Aussi, une autre erreur quadratique moyenne est également réalisée entre le modèle S2M_Mod_BF et le même modèle S2M_Mod_Ref de référence. Afin d’évaluer le modèle S2M_Mod_BF dans l’estimation de pics ou points d’inflexion de la cinématique articulaire, une erreur quadratique moyenne sur quatre points d’inflexion, sélectionnés durant l’essai de montée-descente, est également réalisée. Le modèle de référence S2M_Mod_Ref est donc à la fois comparé aux modèles S2M_Mod_BO et S2M_Mod_BF au moyen d’une erreur quadratique moyenne sur l’essai complet et sur quatre points d’inflexion de la cinématique articulaire des articulations sterno-claviculaire, scapulo-thoracique et thoraco-humérale.