Méthode numérique d'estimation du mouvement des masses molles

THÈSE

Pour l'obtention du grade de

DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE POITIERS UFR des sciences fondamentales et appliquées

Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique -PPRIMME

(Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006)

École doctorale : Sciences et ingénierie en matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique - SIMMEA (Poitiers)

Secteur de recherche : Biomécanique et bio-ingénerie Cotutelle : Université de Montréal

Présentée par :

Arsène Thouzé

Méthode numérique d'estimation du mouvement

des masses molles

Directeur(s) de Thèse :

Patrick Lacouture, Mickaël Begon, Tony Monnet Soutenue le 18 décembre 2013 devant le jury

Jury :

Président Laurent Bosquet Professeur, Université de Montréal

Rapporteur Franck Barbier Professeur des Universités, Université de Valenciennes Rapporteur Raphaël Dumas Directeur de recherche, Université de Lyon 1

Membre Patrick Lacouture Professeur des Universités, Université de Poitiers Membre Mickaël Begon Professeur adjoint, Université de Montréal Membre Tony Monnet Maître de conférences, Université de Poitiers Membre Nasser Rezzoug Maître de conférences, Université de Toulon

Pour citer cette thèse :

Arsène Thouzé. Méthode numérique d'estimation du mouvement des masses molles [En ligne]. Thèse Biomécanique et bio-ingénerie. Poitiers : Université de Poitiers, 2013. Disponible sur Internet <http://theses.univ-poitiers.fr>

THESE

pour l’obtention du Grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE POITIERS

(Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées)

(Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006)

École Doctorale : Sciences et Ingénierie en Matériaux, Mécanique, Énergétique et

Aéronautique.

Secteur de Recherche : Biomécanique et Bio-Ingénierie

Présentée par :

Thouzé Arsène

MÉTHODE NUMÉRIQUE D’ESTIMATION DU MOUVEMENT DES MASSES MOLLES

Directeur de Thèse : Patrick Lacouture

Co-directeurs de thèse : Tony Monnet et Mickaël Begon

Soutenue le 18 Décembre 2013

devant la Commission d’Examen

JURY

R. Dumas

Directeur de Recherche

Université de Lyon 1

(Rapporteur)

F. Barbier

Professeur

Université de Valenciennes

(Rapporteur)

N. Rezzoug

Maître de Conférences

Université de Toulon

(Examinateur)

L. Bosquet

Professeur

Université de Montréal

(Examinateur)

M. Begon

Professeur Adjoint

Université de Montréal

(Examinateur)

P. Lacouture Professeur

Université de Poitiers

(Examinateur)

T. Monnet

Maître de Conférences

Université de Poitiers

(Examinateur)

Université de Montréal

MÉTHODE NUMÉRIQUE D’ESTIMATION

DU MOUVEMENT DES MASSES MOLLES

par Thouzé Arsène

Thèse de doctorat effectuée en cotutelle

au

Département de Kinésiologie Université de Montréal

Et

Facultés de Sciences Fondamentales Appliquées Université de Poitiers

Th se p se t e à la Fa ult des Études Sup ieu es et Postdo to ales de l U i e sit de Montréal

e ue de l o te tio du g ade de Ph. D. e s ie es de l a ti it ph si ue

Décembre 2013

i

i

Remerciements

Cette thèse s est effe tu e en cotutelle aux seins des laboratoires de Simulation et de Mod lisatio du Mou e e t à l U i e sit de Mo t al et du la o atoi e de ‘o oti ue Bio a i ue Spo t et Sa t de l I stitut Pp i e UP‘ à l U i e sité de Poitiers. La collaboration passée et présente entre les membres de ces deux équipes ont permis que cette otutelle s effe tue da s les eilleu es o ditio s possi les, est pou ette aiso ue je commencerai par remercier mes directeurs de thèse à savoir MM. Mickaël Begon, Tony Monnet et Pat i k La outu e a e ui je t a aille depuis o e t e à la ait ise à l Université de Poitiers. Je remercie également Mr Flo e Colloud pou a oi i iti à l a al se du ou e e t et à la recherche. Je ne peux pas finir ces premiers remerciements sans citer Mr Paul Allard qui trouve toujours le moyen pour s a use da s e u il e t ep e d, lo s de ou s ou e e he he. Sui e et exemple permet de rendre le quotidien plus agréable et plus excitant

Je remercie les e es du ju pou l i t t u ils a o de t à es t a au : MM. Franck Barbier et Laurent Bosquet Raphaël Dumas et Nasse ‘ezzoug. J ai e ais gale e t e e ie les personnes rencontrées lors de congrès. Leu uestio o t pe is de do e u peu plus de sens à

o t a ail et de oi u ils pou aie t i t esse u pu li d a e tis et de o -initiés.

Je remercie mes collègues de RoBioSS : Arnaud, Franco, Vincent Sébastien, Julien, Chris,

Mathieu et souhaite beaucoup de plaisir à Mathieu au sein de cette équipe où j ai pu olue da s u e a ia e p opi e au t a ail e asso ia t o e ts d tudes et de d te tes à ha u de es retours au SP2MI. Je remercie les sujets qui ont participé aux expérimentations nécessaires à ce

ii

t a ail. J au ais oulu passe plus de te ps a e es pe so es ais le ale d ie a fait ue j ai pass plus de temps à Montréal.

Je tiens à exprimer mes sincères remerciements à Mickaël pour a oi p opos ette aventure scientifique qui avec le temps est devenue une aventure humaine. Pour la bonne et simple aiso ue e o age a pe is de e o t e du eau o de. Il a d a o d es o pag o s de la .….eu au S M. Not e petite t oupe soud e autou de os oites à lu h et de D si e e a ue d jà. C est do ette t oupe o pos e d Ariane, Fabien, Joséphine, Landry, Monique, Mr Michaud, Landry, Patrick, Son Altesse Sérénissime, La Ligue des Ingénieurs, Talia et ceux que nous avons

adopté : Anne Chou, Doc Caribou, je les remercie pour tous ces moments passés dans et en dehors du la o. O peut di e ue e la o atoi e est à l i age de Mo t al, u elti g-pot de nationalités et de pe so alit s. Nul doute u u jou je e ie d ais à Mo t al pa e ue je le Beau ie .

Je fi is es e e ie e ts pa les a is et les p o hes ui o t soutenu. Les camarades de récré-gouter du S2M. Les habitants du bloc situé sur Rue St Denis pour avoir partagé leur culture avec oi. Les pe so es ue j ai laiss es en partant et qui se sont révélés être les amis, les vrais, sincères, chaleureux et accueillants à chacun de mes retours. Je pense donc à Nico, David, Albin, Charlie, A tho, Ma et toute la a de du Stade Poite i ui o t toujou s suppo t pe da t es années jusque dans leur foyer lors de mes séjours en terres pictaves. Je remercie également la famille Brune pou a oi offe t le gîte et le ou e t à ha u de es s jou s e F a e.

Enfin des remerciements particuliers à Diane qui a su me remotiver quand tait diffi ile. Et u i e se e i à a fa ille, es sœu s et pa e ts pou leu soutie sa s faille. J ai e ais être capable de les e e ie à la hauteu du soutie u ils o t appo t lo s de es a es d tudes sans toujours comprendre le pourquoi du comment.

Résumé

i

Résumé

L a al se io a i ue du ou e e t hu ai e utilisa t des s st es opto le t o i ues et des marqueurs cutanés considère les segments du corps comme des corps rigides. Cependant, le mouvement des tissus ous pa appo t à l'os, est à di e les us les et le tissu adipeu , p o o ue le déplacement des marqueurs. Ce déplacement est le fait de deux composantes, une composante propre correspondant au mouvement aléatoire de chaque marqueur et une composante à l u isso provoquant le déplacement commun des marqueurs cutanés lié au mouvement des masses sous-ja e tes. Si o e d tudes ise t à i i ise es d pla e e ts, des si ulatio s o t o t ue le mouvement des masses molles réduit la dynamique articulaire. Cette observation est faite uniquement par la simulation, car il n'existe pas de méthodes capables de dissocier la cinématique des asses olles de elle de l os. L o je tif p i ipal de ette th se o siste à d eloppe u e méthode numérique capable de distinguer ces deux cinématiques.

Le premier objectif était d'évaluer une méthode d'optimisation locale pour estimer le ou e e t des asses olles pa appo t à l hu us o te u a e u e tige i t a-corticale vissée chez trois sujets. Les résultats montrent que l'optimisation locale sous-estime de 50% le déplacement des a ueu s et u elle o duit à u lasse e t de a ueu s diff e ts e fo tio de leu d pla e e t. La li ite de ette thode ie t du fait u'elle e tie t pas o pte de l e se le des composantes du mouvement des tissus mous, notamment la composante en unisson.

Le second objectif était de développer une méthode numérique qui considère toutes les composantes du mouvement des tissus mous. Plus précisément, cette méthode devait fournir une cinématique similaire et une plus grande estimation du déplacement des marqueurs par rapport aux méthodes classiques et dissocier ces composantes. Le membre inférieur est modélisé avec une chaine cinématique de 10 degrés de liberté reconstruite par optimisation globale en utilisant seulement les marqueurs placés sur le pelvis et la face médiale du tibia. L esti atio de la i ati ue sa s o sid e les a ueu s pla s su la uisse et le ollet pe et d' ite l i flue e de leu déplacement sur la reconstruction du modèle cinématique. Cette méthode testée sur 13 sujets lors de sauts a o te u jus u à , fois plus de d pla e e t des a ueu s e fo tio de la thode considérée en assurant des cinématiques similaires. Une approche vectorielle a montré que le d pla e e t des a ueu s est su tout dû à la o posa te à l u isso . U e app o he at i ielle asso ia t l opti isatio lo ale à la hai e i ati ue a o t ue les asses olles se d pla e t principalement autour de l'axe longitudinal et le long de l'axe antéro-postérieur de l'os.

L'originalité de cette thèse est de dissocier numériquement la cinématique os de celle des masses molles et les composantes de ce mouvement. Les méthodes développées dans cette thèse augmentent les connaissances su le ou e e t des asses olles et pe ette t d e isage l tude de leu effet su la d a i ue a ti ulai e.

Abstract

ii

Abstract

Biomechanical analysis of human movement using optoelectronic system and skin markers considers body segments as rigid bodies. However the soft tissue motion relative to the bone, including muscles, fat mass, results in relative displacement of markers. This displacement is the results of two components, an own component which corresponds to a random motion of each marker and an in-unison component corresponding to the common movement of skin markers resulting from the movement of the underlying wobbling mass. While most studies aim to minimize these displacements, computer simulation models have shown that the movement of the soft tissue motion relative to the bones reduces the joint kinetics. This observation is only available using computer simulations because there are no methods able to distinguish the kinematics of wobbling mass of the bones kinematics. The main objective of this thesis is to develop a numerical method able to distinguish this different kinematics.

The first aim of this thesis was to assess a local optimisation method for estimating the soft tissue motion using intra-cortical pins screwed into the humerus in three subjects. The results show that local optimisation underestimates of 50% the marker displacements. Also it leads to a different marker ranking in terms of displacement. The limit of local optimisation comes from the fact that it does not consider all the components of the soft tissue motion, especially the in-unison component.

The second aim of this thesis was to develop a numerical method that accounts for all the component of the soft tissue motion. More specifically, this method should provide similar kinematics and estimate large marker displacement and distinguish the two components to conventional approaches. The lower limb is modeled using a 10 degree of freedom chain model reconstructed using global optimisation and the markers placed only on the pelvis and the medial face of the shank. The original estimate of joint kinematics without considering the markers placed on the thigh and on the calf avoids the influences of these markers displacement on the kinematic model reconstruction. This method was tested on 13 subjects who performed hopping trials and obtained up to 2.1 times of marker displacement depending the method considered ensuring similar joint-kinematics. A vector approach shown that marker displacements is more induce by the in-unison component. A matrix approach combining the local optimisation and the kinematic model shown that the wobbling mass moves around the longitudinal axis and along the antero-posterior axis of the bone.

The originality of this thesis is to numerically distinguish the bone kinematics from the wobbling mass kinematics and the two components of the soft tissue motion. The methods developed in this thesis increases the knowledge on soft tissue motion and allow future studies to consider their movement in joint kinetics calculation.

Table des matières

iii

Table des matières

Remerciements ... i

Résumé ... i

Abstract ... ii

Table des matières ... iii

Liste des tableaux ... vi

Liste des figures ... viii

INTRODUCTION GÉNÉRALE ... 1

Partie 1 : REVUE DE LITTÉRATURE ... 6

/ L a al se i ati ue et le p o l e des asses olles ... 7

. / Mesu e de la i ati ue pa l i age ie di ale ... 7

1.2/ Mesure de la i ati ue de l os pa la oie o ti ale ... 12

1.3/ Apports des méthodes médicales et corticales ... 16

1.4/ Limites de ces méthodes ... 23

2/ Cinématique par méthodes numériques ... 27

2.1/ Les approches locales ... 27

. / L app o he glo ale ... 36

3/ Point sur la revue de littérature ... 42

3.1/ Méthodes et apports ... 42

3.2/ Méthodes non-invasives, intérêts et limites ... 45

4/ Problématique générale... 48

Partie 2 : MESURE EXPÉRIMENTALE DU MOUVEMENT DES MASSES MOLLES ... 51

1/ Introduction ... 52

2/ Matériels et Méthodes ... 55

2.1/ Protocole expérimental... 55

2.2/ Acquisitions ... 57

2.3/ Construction des repères techniques ... 58

2.4/ Repère anatomique du bras... 58

2.5/ Évaluation du mouvement des marqueurs du bras ... 63

2.6/ Analyses statistiques ... 65

3/ Résultats ... 68

Table des matières

iv

3.2/ Analyse des valeurs maximales ... 71

4/ Discussion ... 76

5/ Conclusion ... 81

Partie 3 : MESURE NUMÉRIQUE DU MOUVEMENT DES MASSES MOLLES ... 82

1/ Introduction ... 83

. / D u e esu e o ti ale à u e esu e u i ue ... 83

1.2/ Évaluation du mouvement des masses molles sur le membre inférieur ... 84

1.3/ L i po ta e de disti gue les o posa tes du ou e e t des asses olles ... 86

1.4/ Objectifs et hypothèses ... 88

/ Mod le u i ue d aluatio du ou e e t des asses olles ... 90

. / L utilisatio d u e hai e i ati ue ... 90

2.2/ Reconstruction de la chaine cinématique par optimisation globale ... 91

2.3/ Nouvelle approche globale ... 94

2.4/ Distinction des composantes ... 97

3/ Matériels et Méthodes ... 102

3.1/Expérimentations ... 102

3.2/ Construction des repères techniques et anatomiques ... 106

3.3/ Construction de la chaine cinématique ... 108

3.4/ Analyse des données ... 110

3.5/ Statistiques ... 113

4/ Résultats ... 116

4.1 / Analyse cinématique ... 116

4.2/ Évaluation du mouvement des masses molles ... 120

. / Mou e e t des asses olles à l u isso ... 134

5/ Discussion ... 140

5.1/ Points sur les limites de cette étude ... 141

5.2/ Analyse cinématique ... 142

5.3/ Évaluation du mouvement des masses molles ... 146

5.4/ Analyse des composantes du mouvement des masses molles ... 149

6/ Conclusion ... 157

DISCUSSION GÉNÉRALE ... 158

1/ Limites des travaux effectués... 159

2/ Synthèse des travaux effectués ... 162

Liste des tableaux

v

CONCLUSION GÉNÉRALE ... 172

BIBLIOGRAPHIE ... 175

ANNEXES ... i

A. / Ce tifi ats d thi ue pou l tude e e da s la Pa tie ... ii

A.2/ Estimation des centres et axes articulaires par méthodes fonctionnelles. ... iv

A.3/ Optimisation des matrices de rotation par optimisation locale ... ix

A.4/ Résultats complémentaires : Partie 2 : Mesure expérimentale du mouvement des masses molles ... xii

A.5/ Page libre ... xiv

A. / Ce tifi at d thi ue pou l tude e e e Pa tie ... xv

A.7/ Repères techniques du membre inférieur ... xvi

A.8/ Calcul de la cinématique ... xviii

A.9/ Statistiques ... xx

A.10/ Résultats complémentaires : Partie 3 : Mesure numérique du mouvement des masses molles ... xxiii

Liste des tableaux

vi

Liste des tableaux

Tableau 1 : Valeur RMS moyenne du déplacement (mm) des marqueurs sur chaque segment selon les

axes antéropostérieur (A-P), proximo-distal (P-D) et medio-latéral (M-L) [6] (avec autorisation). ... 19

Tableau 2: Caractéristiques des sujets ... 56

Tableau 3 : Marqueurs anatomiques ... 56

Tableau 4 : D tails de l e pla e e t des a ueu s te h i ues du as. ... 57

Tableau 5 : No es o e es et a t t pe e illi t es su l e se le des a ueu s, pou chaque sujet, chaque geste obtenus da s les deu o ditio s d aluatio du d pla e e t des marqueurs. Une étoile (*) au-dessus de la colonne des valeurs indique une différence significative entre les sujets. ... 68

Tableau 6 : Classements des marqueurs en fonction de leur norme moyenne lors des coups de poing. ... 71

Tableau 7 : Valeurs de W et khi-carré obtenus pour le coefficient de concordance. ... 71

Tableau 8 : Normes maximales et écart type en millimètres, pour chaque sujet, chaque geste obtenus da s les deu o ditio s d aluatio du ou e e t des asses olles. ... 72

Tableau 9 : Classements des marqueurs en fonction de leur déplacement maximal lors des coups de poing. ... 74

Tableau 10 : Valeurs de W et de khi-carré obtenues pour le coefficient de concordance. ... 74

Tableau 11 : Nomenclature pour chaque de rotation des masses molles autour des axes anatomiques. ... 98

Tableau 12 : Liste des marqueurs anatomiques placés sur chaque segment ... 104

Tableau 13 : Paramètres et degrés de liberté de la chaine cinématique. ... 110

Tableau 14 : Exemple de paramètres et degrés de liberté de la chaine cinématique pour le participant 5. Les longueurs segmentaires sont exprimées en centimètres et les rotations en degrés, chacun de ces paramètres est mesuré alors que le sujet tient une position statique. ... 110

Tableau 15 : Valeurs RMSd et écart type en degrés des différences du calcul entre les trois méthodes utilisées. ... 118

Liste des tableaux

vii

Tableau 16 : Valeurs RMSd et écart type en degrés des différences du calcul entre les trois méthodes utilisées. ... 119

Tableau 17 : Classement des marqueurs de la cuisse en fonction de la méthode de calcul. ... 125

Tableau 18 : Classement des marqueurs de la jambe en fonction de la méthode de calcul. ... 129

Tableau A19: Classements des marqueurs en fonction de leur déplacement moyen lors du geste d Applaudisse e ts ... xii Tableau A20 : Classements des marqueurs en fonction de leur déplacement moyen lors du geste de Lancers de Balles ... xii

Tableau A21: Classements des marqueurs en fonction de leur déplacement maximal lors du geste d Applaudisse e ts ... xiii

Liste des figures

viii

Liste des figures

Figure 1 : Contributions des différents tissus à la force de réaction au sol [4] (avec autorisation). ... 3

Figure 2 : Dispositif intra-corticaux : a) fixateurs externes [27]; b) tiges intra-corticales [28]; c) traceurs percutanés [7] (avec autorisations). ... 13

Figure 3 : Amplitude et écart-type moyen du déplacement des marqueurs chez deux sujets (noir et gris) pour des tâches de montées de marche (SC), de passage de la position assis-debout-assis (STS), de « step » (SUD) et de flexion du genou contre la gravité (EG) [19] (avec autorisation). ... 17

Figu e : Illust atio de l i te al Defo atio Te h i ue et du fi ateu utilis pou la alidatio [ ] (avec autorisation). ... 33

Figure 5 : Schéma récapitulatif des caractéristiques du mouvement des masses molles. ... 44

Figure 6 : M ologie du as d ap s [ ]. Les plus i po ta ts us les so t le i eps et le t i eps. ... 54

Figure 7: Placement des marqueurs cutanés et corticaux sur les sujets ... 56

Figu e : P oje tio du e t e des pi o d les su l a e a ti ulai e du oude. ... 59

Figu e : ‘ep e a ato i ue de l hu us e t su ... 60

Figu e : É aluatio de l i e titude de l esti atio de l hu us da s l espa e. ... 61

Figure 11 : Valeurs moyennes et écart type du déplacement des marqueurs, une étoile (*) signifie une diff e e sig ifi ati e au seuil α= , . ... 69

Figure 12 : Moyenne et écart-type en millimètre de la norme maximale du déplacement des a ueu s hez les t ois sujets. U e toile * sig ifie u e diff e e sig ifi ati e au seuil α= , . ... 73

Figure 13 : Chaine cinématique du membre inférieur à trois segments : S1 pelvis, S2 cuisse et S3 jambe, développée pour analyser le mouvement des masses molles. ... 91

Figure 14 : Reconstruction de la chaine cinématique par OG2. Les marqueurs rouges sont les marqueurs conservés pour reconstruire la chaine cinématique et la position des marqueurs, pour calculer leur déplacement par rapport aux positions enregistrées représentées pas les étoiles bleues. ... 96

Figure 15 : Décomposition vectorielle du mouvement des marqueurs. ... 97

Figure 16 : Projection des vecteurs unisson, DU, et propre, DP respectivement représentés en transparence par des vecteurs rouge et vert sur le vecteur totale, DT. ... 100

Liste des figures

ix

Figure 17 : Placement des marqueurs sur le bassin et le membre inférieur. Une copie est disponible en

annexe A.5 en guise de page libre. ... 103

Figure 18 : Repère anatomique du bassin. ... 107

Figure 19 : Repère anatomique de la cuisse. ... 107

Figure 20 : Repère atomique de la jambe. ... 108

Figure 21 : Cinématique de la hanche (moyenne et écart-t pe lo s d u saut de hoppi g pou les t ois thodes OL, OG et OG . L i sta t LA o espo d au o e t du o ta t a e le sol, la lig e o ti ue o espo d à l i sta t du d ollage TO alors que les lignes pointillées correspond aux i sta ts de fle io a i ale et de ilieu de phase a ie e ete us pou l a al se MANOVA. ... 117

Figure 22 : Cinématique du genou (moyenne et écart-t pe lo s d u o o e de hoppi g pou les t ois thodes OL, OG et OG . L i sta t LA o espo d au o e t du o ta t a e le sol, la lig e o ti ue o espo d à l i sta t du d ollage TO , les lignes pointillés correspond aux instants de fle io a i ale et de ilieu de phase a ie e ete us pou l a al se MANOVA... 119

Figure 23 : Valeurs moyennes et écarts-types du déplacement des marqueurs obtenus par les trois méthodes, les étoiles au-dessus des accolades signifient que les méthodes diffèrent significativement l u e de l aut e. ... 121

Figure 24 : Norme moyenne sur les sujets et écart type du déplacement des marqueurs placés sur la face antérieure de la cuisse pour OL (bleu), OG1 (rouge) et OG2 (vert). ... 122

Figure 25 : Norme moyenne sur les sujets et écart type du déplacement des marqueurs placés sur la face postérieure de la cuisse pour OL (bleu), OG1 (rouge) et OG2 (vert). ... 123

Figure 26 : Valeurs moyennes et écarts-types du déplacement des marqueurs obtenus par les trois méthodes, les étoiles au-dessus des accolades signifient que les méthodes diffèrent significativement l u e de l aut e. ... 126

Figure 27 : Norme moyenne et écart type du déplacement de chaque marqueur pour OL (bleu), OG1 (rouge) et OG2 (vert). ... 128

Figure 28 : Contribution moyenne et écart type (en pourcentage) des composantes du mouvement des masses molles sur le déplacement des marqueurs sur la cuisse et la jambe. ... 130

Figure 29 : Composantes moyennes sur chacun des marqueurs de la cuisse vue de face. La o posa te à l u isso est e oi e et la o posa te p op e e g is... 131

Figure 30 : Composantes moyennes sur chacun des marqueurs de la face postérieure de la cuisse. La o posa te à l u isso est e noire et la composante propre en gris... 132

Liste des figures

x

Figure 31 : Composantes moyennes sur chacun des marqueurs de la jambe vue de face. La

composante unisson est en noire et la composante propre en gris. ... 133

Figure 32 : Composantes moyennes sur chacun des marqueurs de la jambe vue de la face postérieure. La o posa te à l u isso est e oi e et la o posa te p op e e g is. ... 134

Figure 33 : Mou e e t à l u isso des asses olles o e su le seg e t de la uisse a e les rotations (gauche) et translations (droite) autour et le long des axes X, Y et Z respectivement de haut e as. LA o espo d à l atte issage et TO au o e t du d ollage. ... 135

Figure 34 : Mou e e t à l u isso des asses olles de la uisse pou t ois sujets leu, ouge, e t sur le segment de la cuisse avec les rotations (gauche) et translations (droite) autour et le long des a es X, Y et ) espe ti e e t de haut e as. LA o espo d à l atte issage et TO au o e t du décollage. ... 136

Figure 35 : Mou e e t à l u isso des asses olles su le seg e t de la ja e a e les otatio s (gauche) et translations (droite) autour et le long des axes X, Y et Z respectivement de haut en bas. LA o espo d à l atte issage et TO au o e t du d ollage. ... 138

Figure 36 : Mou e e t à l u isso des asses olles de la ja e pour trois sujets (bleu, rouge, vert) sur le segment de la cuisse avec les rotations (gauche) et translation (droite) autour et le long des a es X, Y et ) espe ti e e t de haut e as. LA o espo d à l atte issage et TO au o e t du décollage. ... 138

Figure 37 : Résumé du phénomène des artefacts de tissus mous et aspects abordés lors de la Partie 2 en rouge et la Partie 3 en bleu... 163

Figu e : Pe spe ti es d olutio du od le i ati ue e ouge ... 170

Figure 39: Illustration du principe de la méthode SCoRE. ... iv

Figure 40: Illustration de la méthode SARA. ... vii

Figu e : O ie tatio d u solide S aux instants t0 et ti. ... ix

Figure 42 : Page libre à détacher. ... xiv

Figure 43 : Repère technique du pelvis (a), de la cuisse (b), de la jambe (c) et du pied (d). Les marqueurs représentés par une croix noire sont les marqueurs de la face postérieure du segment. .xvii

Liste des figures

INTRODUCTION GÉNÉRALE

INTRODUCTION GÉNÉRALE

2

Les p i ipes g au de l a al se du ou e e t o sid e t le o ps hu ai o e u système poly-articulé constitué de solides rigides représentant les segments du corps humain.

Seulement, ces segments sont composés de plusieurs types de matières biologiques et parmi celles-ci

nous distinguons les masses molles [1, 2] constituées de la peau, du tissu adipeux et des muscles qui e tou e t l os, o sid o e la pa tie la plus igide du seg e t. Lo s de l e utio d u geste, es asses olles so t a i es de ou e e ts pa appo t à l os e etta t e ause l h poth se classiquement retenue qui considèrent les segments rigides. Ces mouvements sont causés par les

contractions musculaires nécessaires à la mobilisation du squelette [3], aux impacts que ce dernier

subit [4, 5] et à l i e tie des asses olles a l es [6, 7].

Le ou e e t des asses olles est la p i ipale sou e d e eu da s le al ul de la i ati ue a ti ulai e du fait u il pe tu e la positio des a ueu s pla s su le seg e t pa appo t à l os sous-jacent [3]. Des méthodes e p i e tales pe ette t d o te i la i ati ue de l os e fi a t di e te e t des a ueu s pa des p o du es i asi es. D aut es thodes, o -i as-i es a d elopp es à l a-ide d out-ils ath ati ues, o t pou ut de dui e l effet du mouvement des masses molles sur la cinématique articulaire mais ne prennent pas en compte le

mouvement des masses molles considérant que celui- i i flue e pas la dynamique articulaire [8]. Hors les masses molles influencent, bien entendu les paramètres inertiels des segments et de ce fait

leur mouvement accéléré impacte les forces de réaction au sol. Selon Pain [9, 10], la déformation du

seg e t p o o ue u e a iatio du o e t d i e tie pa appo t à l a e e ti al de la uisse de à 30% en fonction des sujets. La Figure 1 illustre comment les différents tissus constitutifs des segments

agissent sur la force de réaction au sol. Des études [5, 11, 12] basées sur la simulation du mouvement

ont comparé la force de réaction au sol produite par un système poly-articulé composé de solides

INTRODUCTION GÉNÉRALE

3

Challis [12] ont ainsi montré que les masses molles ont un effet sur la force de réaction au sol. Avec

des asses o iles, ette fo e de a tio o espo d à , fois le poids de o ps alo s u elle peut être de 40,5 fois supérieure au poids corporel a e u od le igide lo s d u e ta he de eptio . Ce constat est également visible aux articulations puisque le pic de force verticale à la hanche passe de

17,1×103 à 11,1×103 N. L effet su le al ul des o e ts a ti ulai es au ge ou o t e t gale e t une diminution importante entre ces deux modèles, 267 Nm pour un modèle à masses mobiles

contre 500 Nm pour un modèle rigide.

Figure 1 : Contributions des différents tissus à la force de réaction au sol [4] (avec autorisation).

Ainsi, à la lecture de ces articles, le mouvement des masses molles influence de manière sig ifi ati e l aluatio d a i ue du o ps e ou e e t [4]. En négliger les effets reviendrait à e o sid e ue la i ati ue osseuse; epe da t le d eloppe e t d algo ith es de

INTRODUCTION GÉNÉRALE

4

compensation des artefacts de tissus mous et leurs utilisations permettent de diminuer voire

supprimer ces effets sur la cinématique [13], mais le mouvement des masses molles reste encore à

une variable à déterminer.

Pour déterminer le mouvement des masses molles, il faut être capable de distinguer celui-ci

du mouvement de l os. Peu de thodes e iste t pou alue de manière non-invasive en trois dimensions, ce mouvement. Cette évaluation o stitue l o jet du t a ail p se t da s e oi e. La e ue de litt atu e sui a te fait l i e tai e des thodes, des solutio s e périmentales et numériques existantes pour évaluer le mouvement des masses molles et le comprendre. Une solution

numérique abordée dans la revue de littérature sera utilisée dans la deuxième partie de ce mémoire.

Cette solution sera comparée à la cinématique de l os o te ue pa l i se tio d u e tige i t a-o ti ale. La t a-oisi e pa tie du oi e e pose a le d eloppe e t d u e ou elle thode

u i ue d aluatio du ou e e t des asses olles pou a a t ise u peu plus le phénomène du mouvement des asses olles. Le oi e s a h e a su u e dis ussio elata t l e se le des t a au effe tu s et des sultats o te us e les o f o ta t au o aissa es globales sur les artefacts de tissus mous en général.

Partie 1 : REVUE DE LITTÉRATURE

6

Partie 1 : REVUE DE LITTÉRATURE

7

/ L’a al se i

ati ue et le p o l

e des asses olles

L a al se i ati ue tudie le ou e e t des seg e ts à l aide de la g o t ie a al ti ue qui nécessite de définir un repère dans lequel le mouvement de chaque segment est décrit. Les

positions et les orientations de ces segments sont obtenues dans un repère global à partir de la d fi itio de ep es lo au . Les a es de es ep es so t s à l aide de a ueu s pla s su les segments [14]. Le plus souvent, la positio de es a ueu s est e egist e à pa ti d u s st e opto le t o i ue d a al se du ou e e t. Le al ul de la i ati ue seg e tai e epose su l h poth se de igidit des seg e ts ; elle a pou o je tif de ep se te elle de l os sous-jacent à la peau.

Seule e t le ou e e t des asses olles ui e tou e t l os pe tu e la positio des a ueu s pa appo t à l os sous-ja e t e ui a pou o s ue e d i lu e des e eu s da s le calcul de la cinématique articulaire. Néanmoins, il existe des moyens pour quantifier le mouvement des a ueu s pa appo t à l os et o te i ai si u e i ati ue li e de tout a tefa t des tissus ous. L i age ie di ale off e plusieu s te h i ues ; les plus i t essa tes so t l i age ie pa résonnance magnétique et la fluo os opie. D aut es te h i ues utilise t les s st es d a al ses i atog aphi ues e fi a t di e te e t les a ueu s su l os ia des tiges i t a-corticales, fixateurs externes et traceurs percutanés. Un bref inventaire des études ayant utilisé ces outils est

proposé dans cette partie ; les résultats obtenus ainsi que les avantages et inconvénients sont

discutés.

. / Mesu e de la i

ati ue pa l’i age ie

di ale

L i age ie pa so a e ag ti ue disti gue les os des tissus ous e e ita t l h d og e o te u da s les ellules de es tissus ; la fluo os opie utilise les a o s-X et les

Partie 1 : REVUE DE LITTÉRATURE

8

p op i t s a so a tes des tissus pou o te i le ou e e t de l os. Nous p se to s les uestio s au uelles es outils d i age ie o t po du, ai si ue les avantages et les inconvénients de ces technologies.

. . / L’i age ie pa so a e ag ti ue IRM

Selon la Société Française de Radiologie, ces outils et notamment les IRM de type 1.5 et

3 Teslas so t les plus utilis s e e he he. L a i e des liaiso s u i ues e t e le tu el et la statio d e egist e e t des i ages a pe is de ets p og s da s le t aite e t de l i age e te es de apidit et de pote tialit su tout da s l a uisitio d i ages. La disti tio des diff e ts tissus est u e au ai e pou l a al se du ou e e t des asses olles. Sa geu et al. [15] utilisent un IRM 1.5T pour effectuer une mesure non-invasive du mouvement des masses molles lors de uat e i sta ts d u e fle io de ge ou. Su ha u des seg e ts du e e i f rieur, ils constatent lors de flexion de genou un mouvement commun aux masses molles du membre inférieur. Une elatio e t e la t a slatio des asses olles et l a gle de fle io du ge ou est o stat e su la uisse alo s u ils e o state t au u e su la jambe. Ils ne constatent pas de relations directes e t e la otatio des asses olles et l a gle de fle io du ge ou. Ces sultats o t e t ue le mouvement des masses molles est un phénomène complexe, spécifique aux segments et dépendant

des muscles solli it s. Le o stat d u e telle elatio e t e la t a slatio des asses olles de la ja e et la fle io de he ille ifie ait ette h poth se de sp ifi it , ais l tude de Sa geu et al. [15] ne considère u u e seule a ti ulation e aiso de l espa e est ei t p opos pa le tu el de l ai a t ui e pe et pas d tudie la cheville en même temps.

E plus de e pe ett e l tude ue d u e seule a ti ulatio à la fois, e t pe d a al se est restreint à un faible nombre de laboratoires en raison de la disponibilité de cet appareil car les appareils d I‘M . T et T o t deu o je tifs, la e he he et le diag osti di al. Les I‘M T

Partie 1 : REVUE DE LITTÉRATURE

9

commencent à faire leur apparition dans les centres hospitaliers et universitaires ; ces derniers ont

pour objectif principal de répondre à des questions de recherche. Pour autant, ils sont très évolués

par rapport au modèle 1.5T et 3T, ce qui pose un problème de coût. De plus, ce type de technique ne pe et d tudie le ou e e t ue su de fai les a plitudes et e uasi-statique. Le champ d olutio des seg e ts est est ei t pa le tu el de l ai a t i te disa t l tude de gestes o e la a he et la ou se. Da s es it es d e lusio , Sa geu et al. [15] précisent que les sujets ne devaient pas dépasser 1,80 m en raison du dispositif expérimental. La dernière limite de ces outils est u ils e ua tifie t pas la diff e e e t e la i ati ue de l os et elle o te ue à l aide de marqueurs cutanés car le tunnel ne permet pas de coupler cet appareil avec un système de

stéréophotogrammétrie.

E e a he, l I‘M alue la g o t ie e a te du o ps et l utilise pou capturer le maillage de l os. Ce de ie est e suite i t g à l aide de e alage osseu , lo s ue le ou e e t de elui-ci est o te u à l aide de te h i ues ui utilise t les a o s X pou e egist e le ou e e t de l os.

1.1.2/ La fluoroscopie

La fluoroscopie est u s st e ui et des a o s X et pe et d a u i la i ati ue du squelette lors de gestes moins standardisés que la flexion de genou. Moins volumineux et de o eptio diff e te u u appa eil à so a e ag ti ue, et appa eil pe et de placer autour un système de stéréophotogrammétrie. Il évalue ainsi le déplacement des marqueurs par rapport à l os sous-jacent en plaçant des marqueurs radio-opaques [16] ou en utilisant une prothèse de genou pour calculer le déplacement de marqueurs réfléchissants par rapport à celle-ci [17-19]. Lors de

mouvements de flexion-extension enregistrés à 30Hz selon deux plans (frontal et sagittal), Sati et al.

[16] ette t e ide e u autou d u e e a ti ulatio , le d pla e e t de a ueu s adio-opa ues peut a ie e fo tio de leu loig e e t pa appo t à l a e a ti ulai e du ge ou. Ai si

Partie 1 : REVUE DE LITTÉRATURE

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plus ceux- i so t p o hes de l a e a ti ulai e et plus ils su isse t le glisse e t de la peau pa appo t à l os sous-jacent.

E atta ha t u ep e seg e tai e su ha u e des pa ties d u e p oth se totale de ge ou Stagni et al. [19] e egist e t à Hz la positio et l o ie tatio du f u et du ti ia lo s de mouvements de montée de marche, de « step », de passage de la position assise à debout et de

flexion du genou. Le couplage avec un système de stéréophotogrammétrie permet de mesurer le d pla e e t des a ueu s et d esti e leu effet su la i ati ue a ti ulai e. La esu e du déplacement des marqueurs donne une cartographie de la cuisse et de la jambe identifiant sur

chaque segment les zones les plus sensibles aux artefacts de tissus mous. Ils constatent que les

marqueurs placés sur la cuisse subissent plus le mouvement des masses molles que ceux placés sur la

jambe. En cinématique, les degrés de rotation les plus affectés par le mouvement des masses molles so t eu de l a du tio -addu tio et les otatio s i te es et e te es. L a al se su la i ati ue articulaire montre ue l effet du ou e e t des asses olles su les sultats d pe d également du hoi de l e pla e e t des a ueu s. Seule e t, l e pla e e t afi d o te i la eilleu e esti atio de la i ati ue a ti ulai e a ie d u geste à l aut e.

L effet du ou e e t des asses olles su le al ul des a gles d a du tio -adduction et de rotation interne-externe de la jambe entraine, selon Garling et al. [20], une surestimation des valeurs de 12°. Ils ont aussi montré que cette différence évolue avec les degrés de flexion-e te sio et u il e iste pas de elatio li ai e e t e la i ati ue de l os et elle o te ue a e les a ueu s. Néanmoins la différence entre les cinématiques diminue lorsque la jambe passe de la position fléchie

à tendue. Ce résultat est contradictoire avec ceux obtenus par Sangeux et al. [15] mais, à la différence

Partie 1 : REVUE DE LITTÉRATURE

11

La fluoroscopie couple deux s st es d a uisitio du ou e e t, ais elle pe et aussi de e o st ui e l os. Cette e o st u tio de l os est possi le pa u e egist e e t p ala le de sa g o t ie à l aide de CT-scan [21]. C est e e o st uisa t ette g o t ie de l os u Ak a shahi et al. [6] ont mesuré le déplacement de marqueurs cutanés et son effet sur la cinématique articulaire du

genou. Ils cherchent à déterminer le placement de marqueurs le plus proche de la cinématique du

squelette. Ils ont ainsi montré que le placement de marqueurs le plus p is a ie d u geste à l aut e. Le d oupage du le de a he e deu phases o ta t et a ie e o t e ue l e eu i duite par les mouvements de peau est plus importante lors de la phase aérienne traduisant ainsi la part non gligea le de l i ertie des tissus mous tout en émettent une hypothèse de sous-estimation du déplacement des marqueurs lors de cette phase en raison de la faible résolution du dispositif

expérimental. Leurs résultats rejoignent ceux de Stagni et al. [19], à savoir : des mouvements de

masses molles spécifiques aux sujets et à la tâche. La différence de ces travaux avec ceux de Stagni et

al. [19] side da s le fait u ils o t t e s su u e populatio sai e à l i e se d u e populatio pathologique (prothèse totale du genou).

Les tudes it es p de e t essite t d effectuer des gestes à faible vitesse d e utio e aiso des fai les f ue es d a uisitio auto is es pa les dispositifs utilis s. Les fréquences utilisées dans ces études variaient de 30 à 50Hz [6, 16, 19]. Ces fréquences sont suffisantes pour étudier le mouvement de marqueurs pa appo t à l os sous-jacent. Seulement Pain et Challis [12] e o a de t d utilise u e f ue e d a uisitio d passa t les Hz afi d tudie le ou e e t des asses olles da s leu glo alit . Cette li ite li e à la fluoroscopie a été dépassée par Miranda et al. [22] qui enregistrent des mouvements de fentes latérales à 250Hz. Cette

étude utilise à la fois la fluoroscopie bi-pla ai e et u s st e d a al se du ou e e t tout e e ala t la g o t ie de l os o te ue pa CT-scan. Ils appliquent aux marqueurs cutanés une

Partie 1 : REVUE DE LITTÉRATURE

12

procédure de solidification numérique [23] dans le but de déterminer le mouvement de groupes de a ueu s pla s su la uisse et la ja e pa appo t à l os e al ; ils d te i e t ai si l effet su la cinématique articulaire du genou. Ils montrent que, pour des gestes à grandes vitesses et à fort

impact, les segments montrent un comportement spécifique en matière de mouvements des masses olles ais aussi ue e ou e e t est plus i po ta t ap s l i pa t a e le sol.

Même si Miranda et al. [22] o t solu le p o l e li à la f ue e d a uisitio , le ha p d a uisitio dispo i le à l aide de la fluo os opie este fai le puis u ils o pa e t le olu e d a uisitio dispo i le à elui d u allo de asket-ball. Ce olu e auto ise l tude ue d u e seule articulation mais la fluoroscopie présente l a a tage de e pas t e li it e pa la taille des sujets [15]. Sangeux et al. [15] considèrent que la fluoroscopie reste une technique invasive en raison de l utilisatio de a ons-X. Cette dose de rayons-X émise lo s de l a uisitio o ditio e le deg de précision des acquisitions et des résultats nécessitant de faire un compromis entre dose à émettre et

résolution.

Il est possi le d o te i la i ati ue de l os sans utilise de s st e d i age ie di ale. Ces te h i ues pe ette t d e egist e le ou e e t à la f ue e d a uisitio essai e pou analyser le mouvement des masses molles et son effet sur plusieurs articulations à la fois. Pour cela il

existe des outils pour acquérir la cinématique des os en utilisant des systèmes optoélectroniques et des a ueu s fi s di e te e t su l os.

. / Mesu e de la i

ati ue de l’os pa la voie o ti ale

Le seul o e d o te i la i ati ue osseuse a e des s st es opto lectroniques est de fi e des a ueu s di e te e t à l os. Pou ela, des outils di au o e les fi ateu s e te es o t t utilis s pou o te i la positio et l o ie tatio de l os [3]. Les tiges intra-corticales qui

Partie 1 : REVUE DE LITTÉRATURE

13

positionnent les fixateurs externes ont été détournées de leur fonction principale [24, 25] ; des

traceurs percutanés [7, 26] o t t utilis s pou o te i la i ati ue de l os sous-jacent. Ces différents outils sont illustrés dans la Figure 2.

a) b) c)

Figure 2 : Dispositif intra-corticaux : a) fixateurs externes [27]; b) tiges intra-corticales [28]; c) traceurs percutanés [7] (avec autorisations).

1.2.1/ Les fixateurs externes

Les fixateurs externes (Figure 2a)) sont des dispositifs utilisés pour réduire une fracture ou o ige la lo gueu d u seg e t pa appo t à so ho ologue. Ce dispositif soig e u e pe so e tout en lui permettant de se déplacer. Dès lors, placer des marqueurs sur ce dispositif représente une réelle opportunité pour obte i le ou e e t de l os.

Le déplacement de marqueurs cutanés placés sur la cuisse et la jambe a été mesuré par

Angeloni et al. [29] lors de mouvements de marche, pédalage et de flexion-extension. Peu importe le

geste étudié, les marqueurs placés au niveau du grand trochanter et du condyle latéral sont ceux qui se d pla e t le plus pa appo t à l os sous-ja e t, e d pla e e t pou a t alle jus u à mm sur l a e a t opost ieu du seg e t.

À l aide de es fi ateu s, Cappozzo et al. [3, 14] ont montré que le mouvement des masses olles ep se te la sou e d e eu p i ipale e analyse du mouvement et que le déplacement des

Partie 1 : REVUE DE LITTÉRATURE

14

marqueurs varie en fonction de leur emplacement (proches des articulations, ventre du muscle). Les

amplitudes de déplacement peuvent atteindre 30 su l a e a t opost ieu du seg e t uisse ; cette erreur se propage dans le al ul de la i ati ue faisa t a ie l a gle de otatio i te e-externe de la hanche de 6 à 28°.

1.2.2/ Les tiges intra-corticales

Au out de tiges de tal iss es di e te e t da s l os Figure 2b)) sont placés des marqueurs réfléchissants ou des capteurs électromagnétiques pour mesurer directement le ou e e t de l os. Ces tiges so t à l o igi e les moyens de fixations des fixateurs externes et ont d a o d pe is de ua tifie le d pla e e t de a ueu s pa appo t à l os a e les t a au de Lafortune [30, 31]. Mais, comme pour les fixateurs externes, elles ont surtout servi à quantifier la diff e e e t e la i ati ue de l os et elle o te ue a e les a ueu s uta s su issa t le mouvement des masses molles. Ces études ont été menées pour évaluer et comprendre le

mouvement des masses molles sur des sujets sains.

Ainsi Fuller et al. [32] constatent un mouvement de masses molle cyclique, dépendant de la tâ he ais il o t e t gale e t u il est pas possi le de disti gue u e f ue e p op e au a tefa ts pa appo t à elle de l os. L effet du ou e e t des asses olles su la i ati ue e peut donc pas être corrigé par des filtres conventionnels (Butterworth, passe-haut, passe-bas) [33].

En plaçant trois [25, 34] à six marqueurs réfléchissants [32] sur deux tiges intra-corticales

placées sur les condyles fémoraux et tibiaux, Reinschmidt et al. [25, 34] et Benoit et al. [24] ont o t ue si le d pla e e t des a ueu s tait sp ifi ue au sujets et à la tâ he, tait aussi le as pou l e eu i duite da s le al ul de la i ati ue. Elle a ie d u geste à l aut e a he, ou se, fe tes lat ales et tou he p i ipale e t le al ul des deg s d a du tio -adduction et rotations interne et externe.

Partie 1 : REVUE DE LITTÉRATURE

15

Andersen et al. [28] mettent en évidence deux composantes du mouvement des marqueurs. La p e i e est dite à l u isso ; e ou e e t est la o s ue e du ou e e t des asses sous la peau. La seconde composante est due aux propriétés élastiques de la peau et est qualifiée de o posa te p op e. À l aide d u od le li ai e et d u e a al se g o t i ue du ou e e t des a ueu s pa appo t à l os, ils tudie t [28] le rapport entre ces deux composantes lors de la marche, de fentes latérales et de bonds répétitifs (hopping). Ils montrent ainsi que le mouvement des a ueu s est plus le fait de la o posa te à l u isso ue de la o posa te p op e. U e esu e de ces composantes permettrait de prendre en compte le mouvement des masses sous-jacentes dans le

al ul de la d a i ue a ti ulai e et d la o e des algo ith es de o pe satio .

1.2.3/ Les traceurs percutanés

Les traceurs percutanés percent la peau et le périoste pour se pla te da s l os Figure 2c)). Ces traceurs sont essentiellement conçus pour la cheville. Les pointes se placent au niveau des malléoles et des marqueu s pla s su le dispositif pou o ait e la positio et l o ie tatio de l os auquel ils sont rattachés.

Da s u e tude t aita t de l effet du ou e e t des a ueu s su le al ul de la dynamique articulaire, Holden et al. [7] utilisent ce système pour quantifier le mouvement de a ueu s pla s su la ja e. Ils tudie t aussi l e eu p opag e pa les artefacts liés aux mouvements des masses molles de la jambe sur le calcul des efforts articulaires calculés par

dynamique inverse.

Ce système a également été utilisé pour déterminer un placement de marqueurs optimal. C est pou ette aiso ue Manal et al. [26] l utilise t su la jambe lors de la marche. Ils identifient trois facteurs de placement des marqueurs : proximo-distal, médio-latéral et disposés à même la

Partie 1 : REVUE DE LITTÉRATURE

16

ai si ue l e eu i duite da s le al ul de la i ati ue du ge ou est oi s i po ta te ua d le ou e e t des asses olles est o t ai t pa u e a de d lastoplaste et ue les a ueu s so t placés sur la partie distale de la face latérale de la jambe.

1.3/ Apports des méthodes médicales et corticales

Les thodes pou o te i la i ati ue de l os o t do les p e ie s l e ts su l a al se des a tefa ts li s au ou e e ts des asses olles. Selo Pete s et al. [35], deux types de résultats se dégagent. Ces résultats sont dits directs et indirects. Les premiers sont relatifs au

déplacement des marqueurs par rapport à une référence. Les résultats indirects quantifient la p opagatio de l e eu p o o u e pa le d pla e e t des marqueurs dans le calcul de la cinématique articulaire.

Ces différents résultats ont permis de caractériser le mouvement des masses molles en o t a t u il est tout d a o d sp ifi ue au sujet et à la tâ he. ‘appelo s u il est la o s ue e des co t a tio s us ulai es, des i pa ts su is pa le o ps et de l i e tie des asses olles. Les mouvements de peau, de tissus us ulai es et adipeu a ie t d u seg e t à l aut e. Ces sultats ont aussi montré que le mouvement des masses molles sur un même segment est le fait de deux o posa tes. La p e i e de ses o posa tes est dite à l u isso et efl te le ou e e t glo al des masses sous-jacentes à la peau [36] alors que la composante propre est liée au mouvement aléatoire de ha u des a ueu s. Le ou e e t des asses olles a ie d u seg e t à l aut e ais il a ie également sur ces mêmes segments qui présentent des zones plus ou moins sensibles à ce

Partie 1 : REVUE DE LITTÉRATURE

17

1.3.1/ Résultats directs : déplacement des marqueurs

1.3.1.1/ Spécifique aux sujets

L a al se du d pla e e t des a ueu s o t e ue la quantité de déplacement des marqueurs a ie d u sujet à l aut e. Ai si, Stag i et al. [19] obtiennent des amplitudes et des écart-t pes o e s de d pla e e écart-ts de a ueu s diff e écart-ts d u sujeécart-t à l auécart-t e. Ces sulécart-taécart-ts so écart-t illustrés à la Figure 3. Ils e pli ue t ette diff e e pa u to us us ulai e diff e t d u sujet à l aut e. Be oit et al. [24] constatent également que pour une même tâche, le déplacement des marqueurs, mesuré avec une tige intra- o ti ale, est diff e t d u sujet à l aut e. A e la fluoroscopie Akbarshahi et al. [6] obtiennent différentes amplitudes de dépla e e t d u sujet à l aut e. Ces o stats so t ta lis à pa ti de g oupes d âges diff e ts, ais ils existent également au sei d u e g oupe d âge. E o pa a t les aleu s o te ues da s l tude de Stag i et al. [19] réalisée sur des sujets âgés de 64 et 67 ans et celles disponibles dans Akbarshahi et al. [6] dont les sujets o t a s d âge o e , il s a e ue les sujets âg s p se te t de plus g a des a plitudes de déplacements que les jeunes. Cette différence suggère que les propriétés et la proportion des

différents tissus est une cause de différence entre les sujets.

Figure 3 : Amplitude et écart-type moyen du déplacement des marqueurs chez deux sujets (noir et gris) pour des tâches de montées de marche (SC), de passage de la position assis-debout-assis (STS),

Partie 1 : REVUE DE LITTÉRATURE

18

Sans utiliser de méthodes invasives mais en alua t la positio et l o ie tatio de t iades de marqueurs les uns par rapport aux autres au cours du mouvement, Gao et al. [37] étudient la

différence de déplacement de ces triades chez des sujets de sexes différents. Ils montrent ainsi que

les triades de marqueurs subissent moins de translation mais plus de rotations les uns par rapport aux

autres chez les femmes que chez les hommes. Le sexe semble donc être un facteur de différence

supplémentaire entre les sujets. Dans une étude sur le placement de marqueurs optimal sur le

thorax, ce constat est également fait par Armand et al. [38]. Cette différence entre les sujets est donc o u e à l e se le des seg e ts.

Peters et al. [39] tie e t o pte de l i di e de asse o po el et o t e t u e asso iatio i i ale e t e l a th opo t ie des sujets et l olutio de la dista e i te -marqueurs. En prenant en compte la différence de propriétés des tissus soulevées par Akbarshahi et al. [6], la faible

association entre anthropométrie et déplacement de marqueurs [39], on peut supposer que des

différences de déplacement entre les sujets seraient obtenues en comparant des morphotypes

différents même si à e jou au u e tude a e o e effe tu e ge e de o pa aiso s.

1.3.1.2/ Spécifique à la tâche

Les études citées précédemment ont analysé les différences de déplacements de marqueurs d u e tâ he à l aut e. Ces a al ses o t o t ue les a ueu s se d pla e t pa appo t à l os sous-jacent plus ou moins en fonction de la tâche exécutée par les sujets. La Figure 3 issue de Stagni

et al. [19] est un exemple des amplitudes des déplacements obtenues sur les deux segments pour deu sujets su uat e tâ hes diff e tes. Ces aleu s so t e p i es e fo tio de l a plitude et de l a t t pe o e du ou e e t de l e se le des a ueu s su la uisse. Ak a shahi et al. [6] calculent la différence RMS moyenne entre la positio de ha ue a ueu pa appo t à l os et so

Partie 1 : REVUE DE LITTÉRATURE

19

déplacement au cours du mouvement. Les différences RMS moyennes sont résumées dans le Tableau

1 pour chaque segment du membre inférieur et pour chaque geste étudié.

Tableau 1 : Valeur RMS moyenne du déplacement (mm) des marqueurs sur chaque segment selon les axes antéropostérieur (A-P), proximo-distal (P-D) et medio-latéral (M-L) [6] (avec autorisation).

Flexion du genou en chaine ouverte

Rotation axiale de

hanche Marche Step

Axe A-P P-D M-L A-P P-D M-L A-P P-D M-L A-P P-D M-L

Cuisse 6,8 9,6 8,6 8,1 2,4 10,1 6,2 7,6 9,7 5,9 12,6 10,7

Jambe 5,5 2,5 8,6 3,4 1,3 4,3 6,0 3,3 8,4 4,3 2,7 6,9

La Figure 3 comme le Tableau 1 montrent que le déplacement des marqueurs par rapport à l os a ie d u e tâ he à l aut e. Les aiso s de es diff e es so t a ato i ues, puis ue ha ue mouvement nécessite une contraction musculaire spécifique. Ces mouvements ont également des

caractéristiques différentes ; en effet Stagni et al. [19], tout comme Akbarshahi et al. [6], ont alterné

les tâches comportant ou non des impacts. Ces deux élé e ts o t e t gale e t u e fo tio de la tâche ce ne sont pas sur les mêmes axes que les marqueurs montrent un plus grand déplacement.

1.3.1.3/ Spécifique aux segments

Pour obtenir la cinématique articulaire, il est nécessaire de placer des marqueurs sur les

segments proximal et distal. Les études citées plus tôt ont toutes montré que les marqueurs subissent

plus ou moins de déplacement en fonction du segment sur lesquels ils sont placés. La Figure 3 comme

le Tableau 1 montrent les déplacements de marqueurs mesurés sur chacun des segments. Ainsi la

cuisse est le segment du membre inférieur sur lequel les marqueurs montrent le plus de déplacement pa appo t à l os sous-jacent [17, 19, 35, 36]. Cette diff e e e t e les seg e ts s e pli ue du fait que la cuisse est un segment plus volumineux que la jambe. Le modèle anthropométrique de De Leva

[40] estime que la cuisse représente 14% de la masse totale du corps humain alors que la jambe

représente seulement 4%. Le modèle anthropométrique de Winter [41] quant à lui estime la cuisse à

Partie 1 : REVUE DE LITTÉRATURE

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E plus d t e sp ifi ue au seg e ts, le d pla e e t des a ueu s a ie d u e pla e e t à l aut e su les seg e ts. La a te ta lie pa Stag i et al. [19] montrent différentes zones de déplacements de tissus mous. Peters et al. [39] montrent que les marqueurs placés sur la

face médiale de la jambe sont moins sensibles aux mouvements des asses olles, a est u e zone d pou ue d i se tio s us ulai es. De a i e g ale, il a t o t ue les a ueu s so t plus se si les au ou e e ts des asses olles lo s u ils so t pla s su le e t e du us le et aux abords des reliefs osseux [3, 34]. Par exemple Sati et al. [16] o t e t u u a ueu pla su l a e a ti ulai e du ge ou peut se d pla e de 40 su l a e a t opost ieu pa appo t à l os sous-jacent alors que Cappozzo et al. [3] constatent un déplacement antéropostérieur de 30 mm

lorsque le marqueur est placé sur le grand trochanter.

Le déplacement des marqueurs est causé pa plusieu s fa teu s et so a plitude a ie d u sujet, d u e tâ he, d u seg e t à l aut e ais aussi d u e zo e seg e tai e à u e aut e. E identifiant sur les segments les zones les plus sensibles aux mouvements des masses molles (e.g

reliefs osseux et ventre du muscle), les résultats recommandent des placements de marqueurs pour di i ue l effet du ou e e t des asses olles su la i ati ue. Cet effet su la i ati ue est quant à lui quantifié par les résultats indirects.

1.3.2/ Résultats indirects

: P opagatio de l’e eu su le al ul de la

cinématique

Plusieu s tudes o t e t l effet de la p opagatio des e eu s su le al ul de la i ati ue articulaire. Ces études comparent la cinématique de référence à une cinématique calculée à partir de

marqueurs cutanés. Cappozzo et al. [3, 14] ont été les premiers à quantifier la différence entre la

cinématique du squelette et celle obtenue avec des marqueurs cutanés, en montrant notamment une

Partie 1 : REVUE DE LITTÉRATURE

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nous verrons que la différence obtenue entre la cinématique de référence et celle calculée à partir de

marqueurs cutanés est due à de multiples facteurs.

1.3.2.1/ Spécifique au sujet

L e eu p opag e da s le al ul de la i ati ue, comme le déplacement des marqueurs, a ie aussi d u sujet à l aut e [36]. Akbarshahi et al. [6] constatent de plus grandes différences sur le calcul de la flexion-extension du genou chez deux des sujets par rapport aux deux autres et i e se e t su le al ul des a gles d a du tio . Les a ts t pes o se s su les si sujets ui o t pa ti ip à l tude de Be oit et al. [24] témoignent de cette variabilité entre les sujets. Ils observent des écart-t pes d a plitude o pa a le à la o e e des diff e es o stat es e t e la cinématique de référence et celle obtenue avec des marqueurs. Lors de fentes latérales, cet

écart-type est de 6° pour une moyenne de 8° sur la différence RMS al ul e su l a du tio -adduction du genou.

Selon certaines études [7, 34], u e thode de o pe satio de l effet du ou e e t des marqueurs pa appo t à l os sous-jacent par une méthode numérique devra prendre en compte les caractéristiques individuelles de chaque sujet pour compenser cet effet. Parmi les facteurs à prendre

en compte, ils citent la composition corporelle et le rapport masse musculaire/masse adipeuse et la o ilit de es diff e ts tissus ui a ie t d u sujet à l aut e.

1.3.2.1/ Spécifique à la tâche

Pa i les tudes ui o t ua tifi la diff e e e t e la i ati ue de l os et elle o te ue par des marqueurs cutanés, certaines calculent la cinématique articulaire avec un seul placement de

marqueurs [24, 25, 34] alo s ue d aut es he he t à o pa e diff e ts pla e e ts de a ueu s [19]. Les p e i es d te i e t si u e tâ he p o o ue plus d e eu u u e aut e. Ai si Be oit et al. [24] o state t ue peu i po te les i sta ts pose du pied, ilieu de l appui et d ollage du pied

Partie 1 : REVUE DE LITTÉRATURE

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lors de la marche et de fentes latérales, les différences RMS sont plus importantes lors des fentes

latérales.

Les secondes, qui comparent les placements de marqueurs entre eux [6, 19], cherchent à d te i e les uels d e t e eu duise t l e eu li e au ou e e t des a ueu s pa appo t à l os sous-ja e t. Elles o lue t ue pou u e sujet, le pla e e t le plus p is a ie d u e tâ he à l autre [19]. Alors que Akbarshahi et al. [6] constatent également que ce placement va ie d u a gle de otatio à l aut e pou u e e tâ he.

Cette a al se su ha u des a gles de otatio o t e u peu plus la o ple it de l e eu p opag e pa le ou e e t des asses olles pa appo t à l os sous-ja e t. O sait d o es et d jà que l e eu p opag e da s le al ul de la i ati ue a ie d u sujet à l aut e o e d u e tâ he à l aut e. Cepe da t les sultats di e ts o t o t ue le d pla e e t des a ueu s a ie d u seg e t à l aut e, la uestio ai te a t est de sa oi si la a iatio d u seg e t à l aut e i flue e la cinématique articulaire.

1.3.2.2/Spécifique au segment

Il se ait plus o e t de di e ue la p opagatio de l e eu est sp ifi ue à l a ti ulatio plutôt ue sp ifi ue au seg e t. E fo tio de l a ti ulatio tudi e, l a t e t e la i ati ue de f e e et elle o te ue pa des a ueu s uta s a ie d u e a ti ulatio à l aut e. Ai si, Reinschmidt et al. [25] constatent que les marqueurs cutanés permettent de donner une bonne

estimation de la cinématique de la cheville par rapport à la référence obtenue par des tiges

intra-corticales avec une différence RMS a i ale de ° su le al ul des deg s d i e sio -éversion alors u elle peut d passe ° su le al ul des deg s de otatio i te e-externes du genou.

Cette diff e e e t e les a ti ulatio s est li e au seg e ts de l a ti ulatio o sid e. Ces mêmes travaux [25] ua tifie t l e eu i t oduite pa ha ue seg e t da s la i ati ue. Da s le as du ge ou, la uisse i duit espe ti e e t jus u à , et ° d e eu su les a gles de fle io

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e te sio , otatio s i te e et e te es et d a du tio -adduction alors que la jambe induit sur les t ois a gles des e eu s i f ieu es à , °. La uisse se le t e la ause p i ipale de l e eu da s l a al se de la cinématique du genou, ce sont les conclusions de nombreuses études [24, 25, 34-36]. La cause principale de cette erreur est la différence de quantités des masses molles sur les segments ui p o o ue t de plus g a ds d pla e e ts de a ueu s su e seg e t pa appo t à l os e o pa aiso d aut es seg e ts tel ue la ja e c.f 1.3.1.3).

Finalement, peu importe le type de résultats (directs, indirects), le déplacement des

mar ueu s et l e eu i duite da s le al ul de la i ati ue a ti ulai e so t sp ifi ues à u e tâ he et a ie t d u sujet à l aut e [7, 18, 24, 32, 34, 35]. Ces tudes o t gale e t o t ue l i e tie était une cause non négligeable du mouvement des masses molles [3]. Andersen et al [28] ont o t ue le d pla e e t des a ueu s et l e eu i duite da s la i ati ue so t principalement causés par le mou e e t à l u isso de es a ueu s. Toutes les tudes s a o de t à dire que le mouvement des masses molles représentent un problème majeur et inhérent en

analyse cinématique [24]. Ces études posent les bases de la connaissance sur le mouvement des asses olles, ais la oie di ale o e o ti ale, o e outils d aluatio est soumise à de nombreuses limites.

1.4/ Limites de ces méthodes

L usage de tiges i t a-corticales reste pour le moment, le moyen le plus performant pour tudie la i ati ue de l os. Cette thode pe et l analyser un plus grand nombre de gestes par appo t à l i age ie di ale. Cepe da t, elle essite des p autions particulières en raison du caractère invasif et des risques engendrés par ces outils [42]. En effet chacune des études citées

Partie 1 : REVUE DE LITTÉRATURE

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p de e t p ise t u au oi s u sujet a p ou de la douleu lo s des essais. De plus les tiges intra- o ti ales peu e t plie sous l effet de l i te a tio a e les tissus [43].

Le risque de plier des traceurs percutanés est moins important voire nul. Contrairement aux tiges iss es da s l os, e so t des poi tes ui s i s e t de pa t et d aut e de l a ti ulatio e pe ça t le périoste. Ce tissu est riche en cellules nerveuses, ce qui peut provoquer de la douleur au cours de la

pose et une sensation de gêne lors du mouvement. Ces dispositifs doi e t t e pla s da s l os par un chirurgien orthopédiste dans un milieu médicalisé pour des raisons d h gi e et de s u it .

À l i e se des deu outils p de ts, les fi ateu s e te es e so t pas des outils o çus pou l a al se du ou e e t. Ils so t p es its au e fa ts et adoles e ts lo s u il s agit de o ige la lo gueu d u os ; ils sont placés sur des adultes pour une réduction de fracture. Les sujets de ces études sont avant tout des patients et ep se te t l oppo tu it d o te i la i ati ue de l os au ou s d u a te th apeuti ue. Cette diff e e e t e sujets et patie ts apporte de nouvelles considérations éthiques et protocolaires (geste à effectuer).

Dans le o te te d u e aluatio du ou e e t des asses olles, ces outils peuvent être utilisés mais les résultats devront tenir compte de la o t ai te u e e e t ces dispositifs sur le ou e e t des asses olles puis u ils atteig e t l os e passa t entre les muscles et tendons [34, 36, 42]. Le pla e e t d u e tige essite do de p e d e e compte les muscles à contourner pour attei d e u elief osseu . Pa e e ple, pou attei d e l hu us la tige i t a-corticale passe à t a e s le te do du deltoïde. Co e a t le e e i f ieu , le o e et petit fessie s atta he t au niveau du grand trochanter [32]. Ces muscles sont recouverts par le tenseur du fascia-lata et une

couche de tissu adipeux. Cela représente une importante quantité de tissus pouvant interagir avec la