Identification des synergies musculaires lors de l'activité de la marche chez la personne atteinte d'arthrose du genou

Sidi Mamar, Samir (2013). Identification des synergies musculaires lors de l'activité de la marche chez la personne atteinte d'arthrose du genou. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La détermination automatique et précise des instants de début et de fin de l’activité musculaire du signal électromyographique (EMG) de surface est très importante dans l’analyse des altérations neuromusculaires chez les sujets atteints de l’arthrose du genou durant la locomotion. Jusqu’à présent, il n’existe pas de « gold » standard pour la détection automatique du début/fin de l’EMG, excepté la méthode visuelle qui demeure subjective. Il existe plusieurs méthodes automatiques de détection de l’activité EMG basés sur différents approches : approche par seuillage, approche par énergie TKE, approche par maximum de vraisemblance AGLR, et enfin approche combinée TKE/AGLR. Ces méthodes présentent des limites lorsque le rapport signal sur bruit est faible, ce qui est le cas durant l’analyse de la locomotion des personnes gonarthrosiques.

Le but de notre étude est de développer une nouvelle méthode de détection automatique des activités EMG durant la marche chez les sujets gonarthrosiques, en se basant sur les résultats de l’analyse des signaux EMG de surface de chaque cycle de marche. Ces résultats permettrons d’analyser les patrons de l’activation musculaire par cycle de marche d’un groupe de sujet atteint de gonarthrose, afin d’estimer les variations neuromusculaires des muscle des membres inférieurs.

Notre étude sera réalisée sur 2 sujets sains et 4 sujets gonarthrosiques de grade KL=3,4. 16 muscles bilatéraux des 2 membres inférieurs seront évalués durant la marche à vitesse confortable sur un tapis roulant à deux courroies. Quatre méthodes automatiques ont été développées afin de déterminer l’activité EMG: La méthode MS (approche par seuillage), la méthode TKE (approche par énergie); la méthode probabiliste (approche par maximum de vraisemblance AGLR) et enfin la méthode combinée TKE/AGLR.

Les patrons d’activations des muscles quadriceps et ischio-jambiers des sujets sains différent d’un sujet à un autre, alors que ceux des patients gonarthrosiques semblent s’activer durant les mêmes cycles de phases, mais avec des nombres d’activations et de fréquences d’occurrence différents. Ce qui laisse penser que le contrôle neuromusculaire des patients gonarthrosiques tend à utiliser les mêmes stratégies, et par conséquent un « patron typique des patients gonarthrosiques ». Quant aux patrons d’activations des muscles tibial antérieur (TA), gastrocnémien latéral GL et gastrocnémien médial (GM), ces derniers sont différents d’un participant à un autre.

La durée d’activation des muscles quadriceps et biceps femoris (BF) des patients gonarthrosiques est plus grande durant la phase d’appui, et plus courte durant la phase oscillante, comparée à celle des sujets sains. De plus, le muscle semi tendineux des patients gonarthrosiques semble être plus actif durant la phase oscillante et le début de la phase d’appui.

Le muscle TA semble être plus utilisé par les patients gonarthrosiques pour contrer la flexion plantaire, réalisée par l’activation des muscles gastocnémiens, limitant ainsi la flexion du genou durant la phase d’appui.

Le niveau d’activation des muscles vaste latéral (VL), vaste médial (VM) et BF des patients gonarthrosiques est plus grand durant la phase d’appui, comparé à ceux des sujets sains. De plus, les patients gonarthrosiques déploient une plus grande activation musculaire sur le côté latéral durant la phase d’appui. Les muscles ST, TA et GM des patients gonarthrosiques présentent de plus faibles niveaux d’activations, comparés à ceux des sujets sains.

L’analyse des signaux EMG par cycle de marche nous a permis d’observer que les patients gonarthrosiques utilisent des stratégies de contrôle neuromusculaire différentes de celles des sujets sains, en termes de patron, de niveau, et de durée d’activations. De plus, la nouvelle méthode de détermination de l’activation musculaire, selon le critère RMS minimal, a permis à la méthode TKE de détecter les activations musculaires sur les différents cycles des signaux EMG, d’une manière complètement automatique.

Titre traduit

Identification of muscle synergy during walking activity in osteoarthritis patients

Résumé traduit

Automatic identification and precise on/off muscle activity from surface electromyography signal (EMG) is very important in the analysis of neuromuscular alterations in patients with osteoarthritis of the knee during locomotion. So far, there is no gold standard for automatic on/off EMG activity detection, except the visual method whom still subjective. There are several methods for automatic EMG activity detection based on different approaches: an approach by thresholding, approach by energy TKE, approach by maximum likelihood AGLR, and finally approach by combined TKE / AGLR. These methods have limitations when the signal to noise ratio is low, which is the case in the analysis of the locomotion of knee osteoarthritis patients.

The aim of our study is to develop a new method for automatic EMG activity during walking in knee OA patients, based on the results of the analysis of surface EMG signals of each gait cycle. These results allow analyzing the patterns of muscle activation by gait cycle of a group of patient with osteoarthritis, to estimate changes in neuromuscular muscle of the lower limbs.

Our study will be conducted on 2 healthy and 4 knee OA patients grade KL = 3.4. 16 bilateral muscles of 2 lower limbs will be evaluated during the comfortable speed walking on a treadmill with two belts. Four automatic methods have been developed to determine the EMG activity: MS (threshold approach) method, TKE (energy approach) method, the probabilistic method (maximum likelihood approach AGLR) and finally the combined method TKE / AGLR.

The patterns of activation of the quadriceps and hamstring muscles of healthy differ from one subject to another, while those of knee OA patients seem to activate during the same cycle phases, but with different numbers of activations and frequencies of occurrence. This suggests that the neuromuscular control of knee OA patients tend to use the same strategies, and therefore a "typical pattern of knee OA patients." The patterns of activations of TA, GL and GM muscles are different from one participant to another.

The duration of activation of the quadriceps and BF muscles of knee OA patients is greater during the stance phase and shorter during the swing phase, compared to healthy subjects. In addition, the ST muscle of knee OA patients seems to be more active during the swing phase and the beginning of the stance phase. The TA muscle seems to be more used by knee OA patients to counter plantar flexion caused by the activation of G muscle, thus limiting knee flexion during the stance phase.

The level of activation of VL, VM and BF muscles of knee OA patients is greater during the stance phase compared to those of healthy subjects. In addition, knee OA patients deploy greater muscle activation on the lateral side during the stance phase.

The level of activation of ST, TA and GM muscles of knee OA patients is lower compared to healthy subjects.

Analysis of EMG signals by gait cycle allowed us to observe that the knee OA patients use different neuromuscular control strategies from those of healthy subjects, in terms of pattern, level, and duration of activation. In addition, the new method for determining the muscle activation, according to the minimum RMS criterion enabled the TKE method to automatically detect muscle activations on different cycles of EMG signals.

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, concentration technologies de la santé." Bibliographie : pages 101-104.
Mots-clés libres:	Marche. Électromyographie. Gonarthrose. activation, musculaire, patron, synergie
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Aissaoui, Rachid
Codirecteur:	Codirecteur de Guise, Jacques A.
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	29 nov. 2013 18:48
Dernière modification:	02 nov. 2022 13:51
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1225

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