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HAL Id: tel-00274709 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00274709 Submitted on 21 Apr 2008 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Modélisation biomécanique du mouvement : vers un outil d’évaluation pour l’instrumentation en orthopédie Jean-Phlippe Lepoutre To cite this version: Jean-Phlippe Lepoutre. Modélisation biomécanique du mouvement : vers un outil d’évaluation pour l’instrumentation en orthopédie. Physiologie [q-bio.TO]. Université du Sud Toulon Var, 2007. Français. tel-00274709 Année 2007 THÈSE présentée devant l’UNIVERSITÉ DU SUD TOULON - VAR pour l’obtention du DIPLÔME DE DOCTORAT Spécialité : BIOMECANIQUE soutenue publiquement le 17 décembre 2007 par Jean Philippe LEPOUTRE Modélisation biomécanique du mouvement : Vers un outil d’évaluation pour l’instrumentation en orthopédie JURY : M. BRISSWALTER J. : Professeur des Universités Président Université du Sud Toulon-Var, Toulon Mlle CHÈZE L. : Professeur des Universités Rapporteur Université Claude Bernard, Lyon M. WATELAIN E. : Maître de Conférences HDR Rapporteur Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis, Valenciennes M. GORCE P. : Professeur des Universités Directeur de thèse Université du Sud Toulon-Var, Toulon M. PUDLO P. : Maître de Conférences Examinateur Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis, Valenciennes Je dédie ce mémoire à ma Fée, à ma Famille, à mes Amis, à tous ceux qui m’ont apporté leur aide. Remerciements Je tiens à remercier mon directeur de thèse Philippe Gorce pour m’avoir accueilli au sein de son équipe et guidé tout au long de ce travail de recherche. Je souhaite à exprimer ma reconnaissance à Mademoiselle Laurence Chèze et à Monsieur Eric Watelain qui m’ont fait l’honneur d’accepter d’être les rapporteurs de mon travail et pour le temps qu’ils ont consacré à l’examen de ce mémoire. Je voudrais remercier aussi Monsieur Jeanick Brisswalter qui a accepté de présider la soutenance de cette thèse. Mes remerciements s’adressent particulièrement à Monsieur Philippe Pudlo pour sa participation au jury. Je tiens enfin à remercier également tous mes collègues et amis du laboratoire HandiBio-ESP pour leur soutien, conseil et aide ainsi que pour leur contribution significative quant à l’aboutissement de cette thèse. 3 Table des matières Table des matières INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................ 7 CHAPITRE I : EVALUATION DES PATHOLOGIES OSTEO-ARTICULAIRES COURANTES......................................................................................................................... 11 I.1 INTRODUCTION................................................................................................................. 11 I.2 LA MARCHE HUMAINE...................................................................................................... 12 I.2.1 Rappel des axes et plans pour l’observation des mouvements corporels................ 12 I.2.2 Rappels sur la structure osseuse du membre inférieur............................................ 13 I.2.2.1 Le bassin ........................................................................................................... 13 I.2.2.2 La cuisse............................................................................................................ 14 I.2.2.3 La jambe............................................................................................................ 15 I.2.2.4 Le pied .............................................................................................................. 16 I.2.3 Les mouvements articulaires.................................................................................... 18 I.2.3.1 L’articulation de la hanche................................................................................ 18 I.2.3.2 L’articulation du genou et de la rotule.............................................................. 19 I.2.3.3 L’articulation de la cheville .............................................................................. 20 I.2.3.4 L’articulation sous-astragalienne...................................................................... 21 I.2.3.5 Les articulations du pied................................................................................... 22 I.2.4 Synthèse des mouvements articulaires..................................................................... 23 I.2.5 Définition de la marche ........................................................................................... 23 I.3 LES PRINCIPES D’EVALUATION EN PODOLOGIE................................................................. 26 I.3.1 Le bilan en décharge................................................................................................ 26 I.3.2 Le bilan statique....................................................................................................... 27 I.3.3 Examen de la marche............................................................................................... 31 I.3.4 Synthèse.................................................................................................................... 39 I.4 PINCEMENTS LOMBAIRES, COXARTHROSE ET GONARTHROSE........................................... 41 I.4.1 Notions sur les principes de l’arthrose.................................................................... 41 I.4.2 Pincements lombaires.............................................................................................. 42 I.4.3 Coxarthrose.............................................................................................................. 44 I.4.4 Gonarthrose............................................................................................................. 46 I.4.4.1 Arthrose fémoro-tibiale interne......................................................................... 47 I.4.4.2 Arthrose fémoro-tibiale externe........................................................................ 47 I.4.4.3 Arthrose fémoro-patellaire................................................................................ 48 I.4.5 Synthèse des paramètres biomécaniques patho-mécaniques................................... 49 I.5 CONCEPTION DES ORTHESES PLANTAIRES ........................................................................ 50 I.6 CONCLUSION.................................................................................................................... 53 CHAPITRE II : ANALYSE DU MOUVEMENT : APPLICATION A L’ETUDE DES PATHOLOGIES DE L’APPAREIL LOCOMOTEUR...................................................... 54 II.1 INTRODUCTION ............................................................................................................... 54 II.2 HISTORIQUE.................................................................................................................... 55 II.3 LES SYSTEMES DE MESURE DU MOUVEMENT................................................................... 57 II.3.1 Les outils de mesure cinématique 3D..................................................................... 57 II.3.1.1 Les techniques à base de capteur..................................................................... 57 II.3.1.1.a Les goniomètres........................................................................................ 57 II.3.1.1.b Les accéléromètres ................................................................................... 59 II.3.1.1.c Les capteurs de positions magnétiques..................................................... 61 4 Table des matières II.3.1.2 Les systèmes optoélectroniques....................................................................... 63 II.3.1.2.a Les systèmes à marqueurs actifs............................................................... 64 II.3.1.2.b Les systèmes à marqueurs passifs ............................................................ 64 II.3.2 Choix du système d’analyse cinématique............................................................... 65 II.3.3 Les outils de mesure dynamique............................................................................. 66 II.3.3.1 Les systèmes à capteurs de pression................................................................ 66 II.3.3.2 Les plates-formes de forces............................................................................. 67 II.3.3.3 Les tapis de marche instrumentés.................................................................... 68 II.3.4 Choix de l’outil de mesure dynamique ................................................................... 69 II.4 MATERIEL ET METHODE.................................................................................................. 69 II.4.1 Système optoélectronique VICONTM....................................................................... 70 II.4.1.1 Présentation du matériel .................................................................................. 70 II.4.1.2 Phase de calibrage ........................................................................................... 71 II.4.1.3 Erreurs de mesure............................................................................................ 71 II.4.1.3.a Erreurs instrumentales .............................................................................. 72 II.4.1.3.b Erreurs expérimentales ............................................................................. 72 II.4.2 Le tapis de marche ADALTM................................................................................... 74 II.4.3 Synthèse .................................................................................................................. 76 II.5 PROTOCOLE .................................................................................................................... 76 II.5.1 Positionnement des marqueurs............................................................................... 76 II.5.2 Dispositif expérimental........................................................................................... 77 II.5.3 Déroulement d’une expérience............................................................................... 78 II.6 TRAITEMENTS DES DONNEES BRUTES.............................................................................. 79 II.6.1 Interpolation........................................................................................................... 79 II.6.2 Filtrage................................................................................................................... 80 II.6.3 Normalisation......................................................................................................... 80 II.6.4 Calcul des trajectoires angulaires articulaires...................................................... 81 II.6.4.1 Modélisation anatomique du membre inférieur............................................... 81 II.6.4.1.a Localisation des centres articulaires ......................................................... 81 II.6.4.1.b Construction des repères anatomiques ..................................................... 82 II.6.4.2 Méthodes de calcul de la cinématique articulaire............................................ 83 II.6.5 Synthèse .................................................................................................................. 87 II.7 CONCLUSION .................................................................................................................. 88 CHAPITRE III : EVALUATION DES PATHOLOGIES OSTEO-ARTICULAIRES COURANTES DU MEMBRE INFERIEUR : ANALYSE CINEMATIQUE.................. 89 III.1 INTRODUCTION.............................................................................................................. 89 III.2 CARACTERISTIQUES DE LA POPULATION ETUDIEE.......................................................... 90 III.3 OBTENTION DES VARIABLES ETUDIEES .......................................................................... 91 III.4 EVALUATION D’UNE PATHOLOGIE ................................................................................. 93 III.5 RESULTATS.................................................................................................................... 94 III.5.1 Analyse intra-sujets............................................................................................... 95 III.5.1.1 Sujet 1............................................................................................................. 96 III.5.1.2 Sujet 2........................................................................................................... 100 III.5.1.3 Sujet 3........................................................................................................... 104 III.5.1.4 Sujet 4........................................................................................................... 108 III.5.1.5 Sujet 5........................................................................................................... 112 III.5.1.6 Sujet 6........................................................................................................... 116 III.5.1.7 Sujet 7........................................................................................................... 120 III.5.2 Analyse inter-sujets ............................................................................................. 124 5 Table des matières III.5.2.1 Analyse des paramètres biomécaniques....................................................... 124 III.5.2.2 Caractérisation des modèles ostéo-articulaires ............................................ 127 III.6 DISCUSSION................................................................................................................. 137 III.7 CONCLUSION ............................................................................................................... 141 CHAPITRE IV : CALCUL DES ACTIONS MECANIQUES ARTICULAIRES DE L’APPAREIL LOCOMOTEUR : ANALYSE DYNAMIQUE........................................ 142 IV.1 INTRODUCTION............................................................................................................ 142 IV.2 MODELISATION DYNAMIQUE DU MOUVEMENT ............................................................ 143 IV.2.1 Rappel du principe fondamental de la dynamique.............................................. 145 IV.2.2 Modélisation mécanique...................................................................................... 145 IV.2.2.1 Modélisation géométrique............................................................................ 146 IV.2.2.2 Choix de la modélisation géométrique du membre inférieur....................... 147 IV.2.2.3 Modélisation inertielle ................................................................................. 147 IV.2.2.3.a Modèles anthropométriques proportionnels.......................................... 149 IV.2.2.3.b Modèles anthropométriques géométriques ........................................... 150 IV.2.2.4 Choix de la modélisation inertielle du membre inférieur ............................ 150 IV.2.3 Formalismes de résolution des équations du mouvement................................... 151 IV.2.3.1 Méthodes récursives..................................................................................... 151 IV.2.3.2 Méthodes de calcul parallèle........................................................................ 152 IV.2.3.3 Synthèse ....................................................................................................... 152 IV.2.4 Modèle mécanique du membre inférieur............................................................. 152 IV.3 RESULTATS ................................................................................................................. 156 IV.3.1 Analyse intra-sujets ............................................................................................. 157 IV.3.1.1 Sujet 1 .......................................................................................................... 157 IV.3.1.2 Sujet 2 .......................................................................................................... 160 IV.3.1.3 Sujet 3 .......................................................................................................... 163 IV.3.1.4 Sujet 4 .......................................................................................................... 166 IV.3.1.5 Sujet 5 .......................................................................................................... 169 IV.3.1.6 Sujet 6 .......................................................................................................... 172 IV.3.1.7 Sujet 7 .......................................................................................................... 175 IV.3.2 Liaisons entre les paramètres cinématiques et dynamiques................................ 177 IV.4 DISCUSSION................................................................................................................. 182 IV.5 CONCLUSION............................................................................................................... 186 CHAPITRE V : CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES ........................... 188 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES........................................................................... 193 ANNEXES............................................................................................................................. 204 ANNEXE A: DEFINITION DES REPERES SEGMENTS................................................................ 204 ANNEXE B: REPRESENTATION CLINIQUE DES DEPLACEMENTS DES SEGMENTS DU MEMBRE INFERIEUR ........................................................................................................................... 207 ANNEXE C: RESULTATS POUR TOUS LES SUJETS.................................................................. 209 ANNEXE D: MODELISATION INERTIELLE DU PIED................................................................ 238 ANNEXE E: PROGRAMME DE MODELISATION DU MEMBRE INFERIEUR SOUS FORME D’UN SCHEMA BLOC DANS SIMULINK ........................................................................................... 239 ANNEXE F: MODULE DE CALCUL DE LA REPARTITION DES FORCES SOL/PIED AU NIVEAU DU TALON ET DU PREMIER METATARSIEN AU MOYEN D’UN DECOUPAGE FLOU.......................... 241 6 Introduction générale Introduction générale Les troubles musculo-squelettiques de l’appareil locomoteur provoquent chez de nombreuses personnes des situations très invalidantes dans le cadre de la vie quotidienne. Ils sont la seconde cause d'invalidité après les maladies cardio-vasculaires et touchent environ 40% de la population française. En fonction de l’âge, ils ont une prévalence d’environ 9% à 20 ans, 17% à 34 ans et atteignent 80% pour les plus de 65 ans (source : Institut UPSA de la douleur). De surcroît, ces affections sont coûteuses à la communauté. L’hospitalisation, l’intervention et le séjour en centre de convalescence coûtent entre 10 000 et 20 000 € pour une prothèse de hanche "standard". Ils sont remboursés en totalité par la sécurité sociale. L’apparition précoce des symptômes est communément liée au type de profession et/ou à la pratique de sport. Elle induit souvent l’arrêt de l’activité pour un repos d’une durée pouvant atteindre plusieurs mois. L’orthopédie donne aujourd’hui la possibilité de corriger les origines de ces troubles conduisant à des pathologies douloureuses et invalidantes (douleurs articulaires, douleurs musculaires, tendinites, etc.). Ainsi, elle offre de nouvelles perspectives de prévention dans la correction des défauts fonctionnels de l’appareil locomoteur, et peut dans certains cas éviter ou retarder des traitements chirurgicaux plus lourds. Le traitement de correction par orthèses repose sur le concept innovant de la « rééquilibration fonctionnelle » des efforts transmis dans la chaîne osseuse et musculaire. En d’autres termes, il s’agit de corriger les anomalies cinématiques de l’appareil locomoteur, pour uniformiser les efforts sur les surfaces articulaires, et réduire ainsi les pressions sur les zones surchargées. Par conséquent, l’orthèse conduit à une dynamique mécanique de moindre contrainte, en « réajustant » la position des centres articulaires uploads/Litterature/ these-rapporteur-jplepoutre-pdf.pdf