Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Cet article présente une vision synthétique des différents dispositifs permettant la mesure du mouvement humain, et en particulier des systèmes opto-électroniques à marqueurs passifs. Les méthodes de calcul de la cinématique articulaire et les erreurs liées au protocole expérimental sont décrites. Le calcul par dynamique inverse des moments représentant l'action résultante des muscles croisant une articulation, puis les principales approches utilisées pour avoir accès aux forces développées dans les différents muscles sont exposés.
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This article aims to give an overall view of the various devices used for measuring human movement and in particular opto-electronic systems based on passive markers. Methods for computing the joint kinematics and the errors related to the experimental protocol are described. The inverse dynamics calculation giving the moments representative of the resulting action of all muscles crossing the joint, then the main approaches used to evaluate the forces developed in the different muscles are exposed.
Auteur(s)
-
Laurence CHÈZE : Professeur des universités, Université Lyon 1 - Laboratoire de biomécanique et mécanique des chocs, Lyon
INTRODUCTION
Les pathologies de l'appareil locomoteur et neurologiques deviennent un problème majeur de santé publique, notamment en raison du vieillissement de la population et de l'accès plus large aux activités de loisirs dans les pays industrialisés. Pour parvenir à une meilleure compréhension et à un meilleur traitement de ces troubles, les études cliniques, mais aussi sportives ou ergonomiques, font de plus en plus appel à la biomécanique du mouvement, qui consiste à appliquer les outils, méthodes et formalismes de la mécanique à l'étude du mouvement humain en considérant celui-ci comme un système constitué de segments rigides articulés entre eux. Toutefois, par rapport à un système mécanique classique, le corps humain se distingue d'une part par son haut niveau de redondance à la fois cinématique et musculaire, mais également par une commande très complexe qui permettent, ensemble, une très grande diversité et de larges possibilités d'adaptation dans les gestes et les postures. La modélisation musculo-squelettique tente donc d'apporter des éléments de compréhension plus fins sur la contribution des différentes structures (géométrie articulaire, muscles, tendons, ligaments...) à un mouvement donné.
Dans ce contexte, cet article vise à donner au lecteur une vision synthétique des différentes étapes à franchir, depuis la mesure du mouvement jusqu'à la détermination de résultats interprétables sur le plan clinique. Les différents dispositifs permettant la mesure du mouvement humain sont succinctement présentés. Puis le principe sur lequel repose la reconstruction tridimensionnelle des systèmes les plus couramment utilisés – les systèmes opto-électroniques à marqueurs passifs – est exposé de manière plus détaillée. Les méthodes de calcul de la cinématique articulaire, donnant accès aux mouvements de chaque degré de liberté des articulations à partir des mesures de ces systèmes sont ensuite décrites, et les erreurs liées au système de mesure mais aussi au protocole expérimental utilisé pour sa mise en œuvre sont détaillées. Avant d'aborder la modélisation musculo-squelettique, le calcul par dynamique inverse des moments représentant l'action résultante des différents muscles croisant une articulation est présenté. Enfin, nous terminerons cet article en exposant les principales approches utilisées pour avoir accès aux forces développées dans les différents muscles au cours d'un mouvement.
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MOTS-CLÉS
Systèmes d’analyse du mouvement Plateformes dynamométriques Enregistrement électromyographique Evaluation clinique de la locomotion Performance sportive Analyse cinématique Dynamique des systèmes multi-corps
KEYWORDS
Motion capture systems | Force platforms | Electromyographic recording | Clinical evaluation of locomotion | Sport’s performance | kinematics | Multi-body dynamics
DOI (Digital Object Identifier)
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De la mesure à l'interprétation : calcul de la cinématique articulaire
En anglais
1. Différents dispositifs d'analyse du mouvement disponibles sur le marché
1.1 Quel outil de mesure pour quelle application ?
Si l'on se restreint aux moyens de mesure non invasifs, l'outil le plus simple pour analyser le mouvement est le caméscope numérique, couplé à l'utilisation de logiciels d'analyse vidéo permettant le suivi automatique ou semi-automatique de cibles (collées sur la peau en regard des points d'intérêt), et la mesure d'angles (dans le plan de l'image perpendiculaire à l'axe de la caméra) ou de distances (après calibrage utilisant l'image d'un objet de taille connue). L'utilisation de plusieurs caméscopes permet une analyse plan par plan. Cette solution a l'avantage d'être à la fois très simple à mettre en œuvre et peu onéreuse, mais reste dédiée à l'analyse globale de mouvements (par exemple dans le cas de gestes sportifs, in situ ) car la précision des résultats est très dépendante du contexte et le suivi d'un nombre important de marqueurs peut être long et fastidieux.
Les systèmes à capture optique, comme Motion Analysis, Vicon, Qualysis, BTS... nécessitent que des marqueurs (billes de plastique recouvertes de matériau rétro-réfléchissant) soient positionnés sur les points d'intérêt du sujet (figure 1). Des couronnes de diodes entourant les objectifs des caméras émettent un rayonnement stroboscopique, rouge à infrarouge, réfléchi dans la direction incidente par les marqueurs. Un filtre positionné sur l'objectif rend les caméras sensibles à une longueur d'onde précise, et seuls les marqueurs sont donc repérés. À partir du traitement d'image d'un minimum de deux caméras, les positions tridimensionnelles (3D) des marqueurs sont calculées par triangulation . Les systèmes actuels permettent, après identification des marqueurs sur une image de référence ou par l'utilisation d'un « modèle » pré-établi, un suivi automatique de leurs trajectoires en temps réel, y compris pour une fréquence d'échantillonnage élevée (500 à 2 000 Hz) et sans limite quant au nombre de marqueurs. Le volume du champ analysé peut être facilement adapté aux besoins en ajustant la taille des...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HARTLEY (R.), STRUM (P.) - Triangulation. - Computer vision and Image Understanding, 68(2), p. 146-157 (1997).
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(2) - ZHAO (H.), WANG (Z.) - Motion measurement using inertial sensors, ultrasonic sensors, and magnetometers with extended kalman filter for data fusion. - IEEE Sensors Journal, 12(5), p. 943-953 (2012).
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(3) - SABATELLI (S.), GALGANI (M.), FANUCCI (L.), ROCCHI (A.) - A double-stage Kalman filter for orientation tracking with an integrated processor in a 9-D IMU. - IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 62(3), p. 590-598 (2013).
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(4) - MAHONY (R.), HAMEL (T.), PFLIMLIN (J.) - Nonlinear complementary filters on the special orthogonal group. - IEEE Transactions on Automatic Control, 53(5), p. 1203-1218 (2008).
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(5) - EL-GOHARY (M.), McNAMES (J.) - Shoulder and elbow joint angle tracking with inertial sensors. - IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 59(9), p. 2635-2641 (2012).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Base de données publique contenant les données d'actions mécaniques articulaires mesurées à partir de prothèses instrumentées dans différentes situations de la vie courante (page consultée le 11 février 2014) http://www.orthoload.com/
Orthoload, Loading of orthopaedics implants, en ligne, 2014, Bergman G. editor http://www.OrthoLoad.com
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