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Étude de l'influence de l'asymétrie de vitesse du tapis roulant à deux courroies sur la biomécanique de la locomotion chez le sujet sain

Gourdou, Philippe (2010). Étude de l'influence de l'asymétrie de vitesse du tapis roulant à deux courroies sur la biomécanique de la locomotion chez le sujet sain. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Problématique : Par le passé, plusieurs études ont analysé les modifications des variables spatiotemporelles et des activités électromyographiques (EMG) chez le sujet sain, lorsqu’il évoluait en environnement asymétrique contrôlé par un tapis roulant à deux courroies. Ceci afin de mettre en évidence que chaque jambe pouvait avoir son propre patron de marche et de pouvoir par la suite développer des exercices de réadaptation pour des pathologies ou la marche est asymétrique telle que l’hémiparésie. Certaines études proposaient des séquences de marches alternant essai asymétrique et symétrique.

D’autres études proposaient des combinaisons d’asymétrie ordonnées où les vitesses des courroies avaient des ratios différents. Habituellement les ratios d’asymétrie étaient grands et ne variaient pas d’un incrément régulier. A la connaissance de l’auteur, jusqu’à présent personne n’a proposé des combinaisons d’asymétrie dans un ordre aléatoire pour éliminer l’effet séquence. Seulement un auteur (Reisman et al., 2005, 2007, 2009) a mesuré des longueurs de pas et de foulée, suivant une version modifiée qu’il proposait. Or, après analyse, il s’est avéré que ses définitions ne correspondaient pas aux définitions données dans la littérature pour la marche sur sol. De plus, sûrement à cause d’une technologie limitée, personne n’a analysé les forces de réaction au sol durant les exercices de marche en environnement asymétrique.

Objectif : Le but de ce mémoire est d’étudier les modifications des variables spatiotemporelles de forces de réaction au sol, ainsi que les modifications des coordinations des activités électromyographiques durant différents essais d’asymétrie proposés dans un ordre aléatoire pour éliminer l’effet séquence, dont les taux d’asymétrie évoluaient faiblement d’un incrément régulier de 10%. Ceci afin d’observer si nous obtenions les mêmes résultats déjà publiés avec de plus grand taux d’asymétrie pour les variables spatiotemporelles et électromyographiques ; de voir ensuite s’il y avait un effet prédictif au comportement de certaines variables spatiotemporelles ; et enfin, pour apporter une contribution en étudiant l’évolution des modifications de forces de réactions au sol durant l’exercice de marche en environnement asymétrique.

Méthodologie : Pour ce faire, dix-sept (17) sujets sains ont été recrutés et ont effectué dixhuit (18) essais de marche de cinq (5) minutes chacun sur un tapis roulant à deux courroies. La vitesse de la courroie sous la jambe dominante était réglée aléatoirement à l’une des trois (3) vitesses de référence fixées : Vref1=0,75m/s, Vref2=1m/s, Vconf qui correspond à la vitesse de marche confortable du sujet. Ensuite la courroie sous la jambe non dominante était réglée aléatoirement de façon à ce que la vitesse non dominante soit inférieure à 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, ou 50% de celle dominante. Une fois ces six (6) essais complétés, nous répétions cela deux fois pour les autres vitesses de référence. La capture de mouvement s’est faite grâce à six (6) caméras VICON fonctionnant à 120Hz. Les plateformes de forces KISTLER ont enregistré les forces de réaction au sol à une fréquence de 120Hz. L’activité électromyographique s’est faite à 2000 Hz avec huit (8) électrodes DELSYS. Les variables spatiotemporelles comprennent la longueur de foulée, la longueur de pas, la largeur de pas, la durée de cycle, la durée d’appui, la durée d’oscillation, la durée de double appui. Les variables électromyographiques comprennent le début, la fin et la durée d’activation du gastrocnémien, du tibialis antérieur, du droit antérieur (rectus femoris), et du semi-tendineux.

Les variables de forces de réaction au sol comprennent les amplitudes des pics médial, latéral, antérieur, postérieur, du premier pic vertical, et du deuxième pic vertical, ainsi que leurs moments de réalisation durant le cycle de marche.

Pour analyser les résultats, les dix (10) cycles de marche les plus répétables ont été conservés. Nous avons utilisé des ANOVA pour jauger les effets des taux d’asymétrie sur les modifications des variables.

Résultats : Les modifications des variables ont montré qu’il y avait bien une modification du patron de la marche en fonction du taux d’asymétrie. Les comportements des variables temporelles et électromyographiques ont confirmé ce qui a été publié précédemment à l’exception des durées de double appui où l’on observe des comportements légèrement différents, mais cependant non significatif pour chacun des côtés. Les durées d’appui se sont avérées être très prédictibles. Les comportements des variables spatiales ont montré des comportements différents de ce qui avait été publié, cela étant principalement dû au fait que nous avons pris comme définitions des longueurs celles de la littérature pour la marche sur sol, et non les versions modifiées de Reisman (Reisman et al, 2005, 2007, 2009). Les forces de réaction au sol ont montré des modifications significatives et différentes pour chacune des jambes, à l’exception du deuxième pic vertical, où les modifications en fonction du taux d’asymétrie étaient les mêmes sous chacune des jambes.

L’activation EMG du gastrocnémien fut avancée dans le cycle de marche et sa durée d’activation fut augmentée. Pour celui non dominant, le début d’activation fut retardé et sa durée réduite. Le droit antérieur dominant a réduit voire annulé son activation durant la phase d’oscillation lorsque le taux d’asymétrie augmentait.

Conclusion : Lorsque l’on impose différentes asymétries de marche, les patrons de la marche sous chacune des jambes évoluent de façon différente. Ces résultats peuvent contribuer au développement d’exercices de réadaptation cherchant à rendre la marche plus symétrique pour des pathologies telles que l’hémiparésie où la marche est dite asymétrique.

Titre traduit

Biomechanical analysis of assymetrical gait in split-belt treadmill walking for able-bodied subject

Résumé traduit

Problematic: In the past, few studies have analyzed the spatiotemporal and electromyographical (EMG) modifications when healthy subjects walked in an asymmetric environment controlled by a split-belt treadmill. These, in order to show each leg has its own gait pattern. Some of these studies proposed a sequence of walking trial alternating asymmetric and symmetric trials always in the same order. Other studies proposed several combinations of asymmetric trials with different asymmetric ratios, and always in the same sequence order. Usually asymmetric ratios were high and the incremental ratio was not kept constant. To the author knowledge, no study by far has proposed randomly asymmetric trials combinations in order to eliminate the sequence effect. Moreover only one author (Reisman et al., 2005, 2007, 2009), measured the stride and step lengths but with a modified versions. The latter do not match with the ground walking definitions as proposed in the literature. Finally, no study has attempted yet to analyze the ground reaction forces in asymmetric environment.

Aim: The goal of this Thesis is to study spatiotemporal, ground reaction forces and EMG activities modifications during asymmetric walking in split-belt treadmill. Different asymmetric ratios were assessed in a randomized condition where the increment increases steadily by 10%. This small increment was set to verify if the behavior of the spatiotemporal and EMG activities variables match with what it was found previously with high asymmetric ratios. The predictability of the spatiotemporal parameters was assessed in this study.

Methodology: Twenty (17) healthy adult subjects took part in the experimentation. Each subject carried out a total of eighteen walking trials on a split-belt treadmill at different asymmetric ratio. Each trial lasts for 5 min. First, the speed of the belt located under the dominant leg was randomly set at three reference speeds: Vref1=0,75m/s, Vref2=1m/s, as well as Vconf. The latter corresponds to the subject’s comfortable walking speed. Then, the speed of the belt located under the non dominant contra-lateral leg was randomly set to 0%, 10%,20%, 30%, 40%, and 50% less than the dominant ipsilateral side speed. For each reference speed, the experiment was repeated twice. Kinematics data was collected by a 3D an optoelectronic motion analysis system (VICON M460) using six (6) cameras at 120 Hz.
Two KISTLER force plates recorded the ground reaction forces at 120Hz. EMG data of Gastrocnemius, Tibialis anterior, Rectus femoris and Semi tendinous of both side were collected at 2000Hz using eight (8) electrodes (DELSYS, Myomonitr III) system. The following spatiotemporal variables were assessed: stride cycle time, stance time, double support time, swing time, stride length, step length, step width. The parameters extracted from the ground reaction forces are: peak amplitudes and timing of medial peak force, lateral peak force, anterior peak force, posterior peak force, 1st and 2nd vertical peak forces. For the EMG activity and for each muscle three parameters were defined: the onset, the offset as well as the activation duration. For each trial, the ten (10) most repeatable gait cycles were kept for the analysis based on the index of repeatability. A one-way analysis of variance (ANOVA) was carried out to test for significant effect of the asymmetric ratio on the spatiotemporal, EMG as well as the ground reactions forces parameters separately.

Results: During the asymmetric ratio conditions, we observed a reorganization of gait pattern. Spatiotemporal and EMG parameters were in agreement with previous studies except for the double support time, where we notice a difference between ipsilateral and contralateral double support phase. Our study reveals that the stance time parameter is highly predictive, whereas stride cycle time and step width had a very low degree of prediction. Moreover we defined a new method to estimate the stride and step length which were found to be close to the ground walking. Ground reaction forces exhibit a significant difference between each leg, except for the 2nd vertical peak where the variations with respect to the asymmetric ratio were similar for both legs. The Gastrocnemius activation of the dominant side occurred earlier during the gait cycle and last longer. For the non dominant side one, the activation appeared later and last shorter. The Rectus femoris activation of the dominant side reduced during swing phase up to cancel it when the asymmetric ratio was high.

Conclusion: Gait pattern of each leg is altered differently when different asymmetric conditions of walk are imposed. The results can help to develop rehabilitation exercises for getting a better symmetrical gait pattern for people who has asymmetric gait pathology such as hemiparesis.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie". Bibliogr : f. [142]-145.
Mots-clés libres: Démarche Mesure. Mécanique humaine. Biomécanique. Marche.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Aissaoui, Rachid
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Nadeau, Sylvie (UdeM)
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 18 nov. 2010 16:41
Dernière modification: 20 janv. 2017 21:10
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/300

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