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ANALYSE DE LA MARCHE HUMAINE Exam : questions ouvertes, théorie = travail interne/externe et cout énergétique et exercices = trouver paramètres, EMG, cinématique, cinétique ,etc.. selon graphes

1. LE CYCLE DE LA MARCHE Le cycle est composé de deux pas, il débute lors de la pose du talon droit au sol 0%, la marche étant symétrique la pose du talon gauche au sol correspond à 50% du cycle et lorsque le talon droit se pose à nouveau au sol le cycle est à 100%.

Le cycle comprend deux phases où les deux pieds sont au sol (0-10% et 50-65%) et deux phases où un seul pied est au sol (15-50% pour MI droit et 65-100% pour MI gauche). Les phases de double appui commencent à l’attaque d’un talon et se terminent lors de la levée des orteils de l’autre pied, phase de simple appui c’est l’inverse. Un MI est donc en appui pendant environ 2/3 du temps et oscille pendant 1/3 du temps. Autre division du cycle (par Perry) : Le double appui est divisé en deux parties, le contact initial (0-2%) et la mise en charge de 2 à 15% : pied droit se pose à plat, poids du corps transféré sur la jambe droite. 1

Le milieu d’appui de 15 à 40% correspond à la première partie du simple appui droit, poids du corps passe au-dessus du pied droit. Durant la fin d’appui de 40 à 50% du cycle le talon droit se lève, fin d’extension genou gauche et pied gauche s’apprête à toucher le sol. Le second pas est également divisé en 4 parties : La phase pré-oscillatoire de 50 à 65% qui correspond au double appui ensuite le début d’oscillation de 65 à 75% du cycle où le tronc monte sur la jambe gauche, genou droit se fléchit pour empêcher le pied de « trainer ». Le milieu d’oscillation de 75 à 90% du cycle : poids du corps passe au-dessus du pied gauche et genou droit s’étend. Fin d’oscillation de 90 à 100% : fin extension genou droit jusqu’à l’attaque du talon au sol.

Influence de la vitesse de la marche Pour augmenter sa vitesse il faut allonger la foulée et augmenter la fréquence du cycle. Au-delà de 2m/s il faut surtout augmenter la fréquence du cycle.

A basse vitesse, chaque double-appui = environ 20% du cycle, à haute vitesse = moins de 10%. Au plus double appui , au plus la vitesse Au plus le simple appui , au plus la vitesse Au + le pas est grand, au plus la fréquence est grande et la vitesse aussi. Les petits ne sont pas matures niveau cadence avant 10 ans. La cadence est élevée entre 0 et 20 ans environ puis se calme et se stabilise jusqu’ environ 70 ans où elle ré-augmente un peu. La longueur du pas évolue de manière opposée (petitegrande-petite). 2

Exemple exam : v = 1,8 km/h et longueur cycle = 25 cm  fréquence ? cycles/min ? V = L/T = L . f D’abord convertir données : 0,5 m/s et 0,25 m. l/v = 0,25 m / 0,5 m.s-1 = 60 cycles / min donc 60 cycles pour 60 secondes, la fréquence = 1 Hz

2. CINEMATIQUE DE LA MARCHE = Etudier uniquement le mouvement, indépendamment des forces. (parfois x=f, z=l, y=v)

Comment étudier cette cinématique ? Principalement en passif car moins coûteux. Il faut des caméras infrarouges à haute vitesse qui détectent des petits marqueurs placés aux différents points anatomiques du sujet ( GT, ME,…). Il faut calibrer le système, y encoder la distance entre chaque marqueur (il y en a trois par segment), pour que les cameras convertissent elles-mêmes les valeurs pixel en cm. Trois marqueurs par segment car on prend deux repères, un distal, un proximal et le troisième sert à créer une vision en 3D. Pour déterminer le déplacement angulaire il faut les coordonnées des points dans les différents plans de l’espace. C’est un système passif car les données une fois acquises, il nous donne tous les points sans savoir quel point représente quoi à chaque prise. Un système actif reconnait direct un point d’une prise à l’autre.

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Déplacement angulaire du bassin dans le plan transverse

0° = position anatomique

Contact initial : hanche droite en avant, rotation de +3° P/R à l’axe l = rotation max à 20%. Phase de simple appui : hanche gauche dépasse hanche droite vers 40%, rotation de -3°. A basse vitesse, le bassin est environ perpendiculaire à l’axe de progression (=axe x ou f) à 0%. Si la vitesse augmente, l’amplitude max apparait plus tôt dans le cycle. Le bassin pivote autour de la hanche droite pendant le premier pas, l’amplitude atteint un max de 7°. Déplacement angulaire du bassin dans le plan frontal à 0% : plus ou moins horizontal En milieu d’appui : bassin bascule du côté du membre oscillant, inclinaison max à 20% du cycle = -2°. Retour à l’horizontale vers 30% du cycle et bascule de +2° de l’autre côté à 50%. De nouveau horizontal dès 80%. Quelle que soit la vitesse, l’angle max est atteint 20% après l’attaque du talon.

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Déplacement angulaire du bassin dans le plan sagittal angle d’antéversion entre -3° et -15° selon les sujets, un peu plus petit pendant les phases de simple appui, varie peu pour le reste et la vitesse n’as pas une influence remarquable.

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Déplacement angulaire de la hanche dans le plan sagittal Première partie du cycle : hanche en flexion (max = 30° au début et à la fin du cycle). Un peu avant 50% : hanche en extension (max = 10°), varie selon la vitesse, jusqu’à 20° à 6km/h.

attention maitriser convention type ‘si y positif, hanche en flexion’ !

Déplacement angulaire de la hanche dans le plan frontal De 0 à 20% : adduction, son angle max varie selon la vitesse. A 70% : abduction maximale de 5 à 10° la vitesse n’influence pas son angle max et il est atteint en début de phase oscillatoire.

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Déplacement angulaire de la hanche autour de l’axe longitudinal Contact initial : rot.lat hanche, puis premier pas rot.med, vers 50% de nouveau rot.lat. Peu modifié par la vitesse de marche

Déplacement angulaire du genou dans le plan sagittal Si mouvmts du genou dans d’autres plans = pas normal. Amplitudes uniquement positives car les ligaments empêchent le mouvmt du genou vers l’arrière. Contact initial : genou en extension puis flexion pour amortir le talon, fin du simple appui ré7

extension et de nouveau flexion en phase pré-oscillatoire. Le choc engendré par la pose du talon au sol augmente avec la vitesse donc la flexion en début d’appui aussi (entre 5° et 20°). Le maximum de flexion survient toujours un peu avant le milieu de la phase oscillatoire.

Déplacement angulaire de la cheville dans le plan sagittal Depuis la pose du talon jusqu’à ce que le pied soit à plat (10%) : extension. Ensuite flexion pendant que le corps passe au-dessus du pied en appui et nouvelle extension quand le talon quitte le sol, amplitude maximale vers 60%. Dernière flexion pour que le pied n’accroche pas le sol et position plus ou moins neutre en phase oscillatoire avant l’attaque de talon suivant. Convention : 0° sur le graphe = cheville 90° par rapport au sol

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Déplacement angulaire du pied P/R à l’axe de progression (x) Angle de rotation proportionnel à la vitesse. Surtout une rotation interne en fin du double appui et une rotation externe en milieu de simple appui gauche.

Déplacement angulaire de la ceinture scapulaire La colonne vertébrale absorbe les rotations du bassin par les mouvements opposés sur la ceinture scapulaire. Donc au contact initial  épaule gauche en avant. Cette rotation opposée des deux ceintures en entraine une sur toutes les vertèbres : au-dessus de T7 dans un sens et en-dessous dans un autre (donc T7 ne subit aucune rotation).

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EN RESUME

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3. CINETIQUE DE LA MARCHE Etude des forces mises en jeu au cours du mouvmt (= dynamique). Forces externes : celles que le sol exerce sous les pieds, poids du corps P/R au CM et frottement de l’air = négligeables. Méthode : on utilise une plate-forme de force (grosse balance) équipée de jauges de contraintes qui ont une certaine résistance. Lorsqu’elles sont déformées leur valeur en Volts donne une estimation de la force appliquée. Nombre de Volts selon poids du sujet. Exemple : 30 V pour 30 kg (3 x 9.81 N) Le moment musculaire : résultante de tous les mouvements générés par les muscles agonistes et antagonistes, il indique quel groupe musculaire est dominant.

Si la somme des moments est positive, les muscles extenseurs sont dominants mais certains fléchisseurs sont un peu actifs. Exemple : flexion plantaire

BIEN COMPRENDRE DIAS 11-28

4. FONCTION MUSCULAIRE AU COURS DE LA MARCHE Déterminée par électromyographie (EMG). C’est un signal électrique généré lors d’une contraction et qui reflète la force développée, permet de savoir si le muscle est actif ou pas. Le signal électrique est enregistré par deux électrodes sur la peau, soit des électrodes de surface soit des implantés pour les muscles profonds.

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Première ligne : EMG « brut » Troisième ligne : enveloppe linéaire (= valeur absolue de l’EMG brut) qui permet de déterminer l’activité du muscle, c’est une sorte de moyenne. Signal plat : muscle inactif. Activité musculaire à vitesse intermédiaire

Muscles de la hanche Graphiques : courbe monte = flexion

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Grand fessier : contraction tjr concentrique, extension hanche jusqu’à 30%.

Psoas : contraction excentrique pour freiner l’extension de la hanche puis directement contraction concentrique pour initier la flexion. Moyen fessier : contrôle la bascule du bassin du côté de la jambe oscillante par une contraction excentrique puis direct concentrique. Grand adducteur : contrôle l’équilibre du bassin avec le grand fessier et fléchit le MI avec le psoas, contrôle aussi les mouvmts lat. Petit fessier : rotation med hanche quand le bassin pivote (0-50%).

Muscles du genou Graphiques : courbe monte = flexion

Quadriceps : étend le genou au contact initial puis va contrôler sa flexion par une contraction excentrique qui deviendra concentrique en milieu d’appui pour ré-étendre le genou. Le droit fémoral vers 50-75% contrôle flexion genou / fléchisseur hanche. Muscles ischiatiques : contraction excentrique pour freiner l’extension du genou, puis concentrique avec le droit fémoral pour contrôler la flexion du genou.

Muscles de la cheville Graphiques : courbe monte = extension

Triceps sural : contraction concentrique pour contrôler l’extension (flexion plantaire) de la cheville ensuite excentrique pour contrôler sa flexion (dorsale). Tibial post : génère l’extension de la cheville avec le triceps et provoque une supination du pied. Long fibulaire : sa contraction ramène le pied en pronation pour contrecarrer la supination du pied par le tibial post. Tibial ant : contraction excentrique pour contrôler l’extension de la cheville puis concentrique pour initier sa flexion. C’est ce muscle qui soulève le pied pour éviter qu’il ne traine. Extenseur commun des orteils et extenseur de l’hallux : semblable au tibial ant, contrôlent la pose du pied au sol puis lèvent les orteils et le pied.

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synthèse de tout ça p.35-39 syllabus + pouvoir gérer interprétation des graphiques des dias !

5. LE MECANISME DE LA MARCHE Système locomoteur : ensemble de muscles striés qui agissent sur un système de transmission (ostéo-articulaire) pour réaliser un mouvement. La fonction des muscles est de transformer énergie chimique en énergie mécanique.

La locomotion pédestre a l’avantage d’avoir une grande mobilité mais le désavantage d’avoir un grand coût énergétique (plus que si ça avait été des roues, par exemple). Le travail mécanique total peut être quantifié àpd des variations de K et U du CM. Il est divisé en deux parties : le travail externe, celui pour maintenir le mouvement du CM par rapport à l’environnement : c’est le travail des muscles contre l’environnement. Le travail interne, mouvements des membres P/R au CM, travail des muscles pour changer la forme du corps.

Etot = Wext

-> travail = variation du niveau d’énergie

Calcul de Wext : ∑ F = msujet . a (avec Fverticale, Fant-post (« forward »), Fhorizontale ou « i » et idem pour l’accélération)

En déduire K (mv2/2) et U (mgΔs)

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Ep descend en double appui et monte en simple appui, Ek >< .

Calcul de Wint : Etot = Etransl + Erot avec

et

Comment réduire le travail externe pendant la marche ? 1. Lisser la trajectoire du CM Si on compare notre marche à un compas (jambes = tiges rigides), on observe que la rotation du bassin dans le plan transverse allonge l’arc de cercle. L’avancée du bassin diminue la hauteur de 10mm P/R à la ligne horizontale.

rouge = sans la rot du bassin

Rotation du bassin dans le plan frontal (= bascule du bassin) : cette inclinaison du bassin côté jambe oscillante permet de diminuer l’élévation du CG de 5mm pris au sommet de la courbe théorique.

 Flexion genou (vers 20%) : diminue la hauteur de h quand on passe sur l’autre membre.

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L’extension qui suit empêche le CM de perdre de la hauteur.

Effet de la présence d’une cheville et d’un pied :

En 1 sans pied, trajectoire du genou est circulaire, en 2 la cheville permet le déplacement du centre de rotation de l’arrière (talon) vers l’avant du pied lors de la phase d’appui. But : lissage trajectoire du genou!!! Les mouvements de la cheville et du genou sont coordonnés : pdt flexion genou -> extension cheville. Cette coordination élimine l’ascension et la descente brutale du CG. Déplacement latéral du bassin : lors du passage de l’appui bipodal au pied droit par exemple il faut réorienter le CM au-dessus du MI droit. La largeur entre les pieds est réduite par le genu valgum physiologique (angle de décalage vertical entre grand trochanter et genou) et réduit du coup l’angle de décalage du CM.

En résumé le lissage du CM est dû à : 1) Rotation du bassin autour de l’axe vertical 2) Bascule du bassin du côté non porteur 3) Flexion genou pendant l’appui 4) Mobilité pied + cheville 17

5) Coordination mouvements pieds + cheville 6) Déplacement latéral du bassin

2. Le mécanisme pendulaire de la marche On a un peu d’énergie gratuite par le transfert entre K et U :

du coup Etot est presque nul : Wext aussi

Le recovery = fraction de l’énergie mécanique économisée par les transformations passives entre les énergies potentielle et cinétique.

R = 100 Wf + Wv - Wext W f + Wv

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6. DEPENSE ENERGETIQUE AU COURS DE LA MARCHE Mesure du cout métabolique de la locomotion se fait par méthode de calorimétrie indirecte en circuit ouvert : - Circuit ouvert = masque sur le patient pour mesurer cmb d’O2 il inspire et cmb de CO2 il expire. Calorimétrie indirecte = évaluer dépense énergétique à partir de la consommation d’O2 et la production de CO2. Le volume d'oxygène consommé est proportionnel à la quantité de calories dépensées -> 1 litre d'oxygène = 4.82 Kcal = 21 kJ. Les analyseurs d’O2 et de CO2 sont calibrés avec une bonbonne de gaz étalonnée. Une fois la consommation d’O2 mesurée, possible de quantifier l’E produite par l’oxydation des aliments à partir de l’équivalent énergétique de l’O2 (EEO2). Il varie entre les différents substrats alimentaires: glucides, lipides, protéines. La contribution protéique au métabolisme énergétique est habituellement négligeable mais il est possible de quantifier la part de glucides et de lipides oxydés à partir du rapport entre la production de CO2 et la consommation d’O2 = rapport des échanges respiratoires.

En fonction du RER, on sait à combien de joules correspond le fait d’utiliser 1l d’O2.

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Si RER compris entre 0,7 et 1, la production d’E dépend du métabolisme d’un mélange de nutriments et l’EEO2 doit être déterminé à partir de tables.

Le cout métabolique : Puissance brute = VO2 x Eq.énergétique en Watt (Joules/s) c’est la quantité d’énergie consommée par unité de temps pendant la marche

Eq.énergétique = 16,1 + 5. RER Le coût énergétique net çàd d’E produite par unité de distance parcourue :

C net = Puissance brute – Puissance repos vitesse

en Joules/mètres

Le terme « net » = dépense énergétique au repos est déduite de la dépense énergétique à l’effort ce qui permet de ne prendre en compte que les dépenses énergétiques liées à la locomotion. Puissance : La P brute est développée pour maintenir la T° du corps, respirer, digérer, etc… et la P nette est la puissance développée uniquement pour marcher. Puissance brute = 2.4 v2 -2v+3.5 (v=vitesse)

P net = P brute – P repos = 2.4 v2 - 2v + 1.7

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 Coût en forme de u? Car la courbe de la P évolue en fonction du carré de la v, c’est une exponentielle et le coût = P/v. La P et la v sont petites au début, ensuite la v augmente et la P aussi mais toujours en phase assez plate car exponentielle. Puis la P augmente très fort au carré de la v et le coût augmente. A basse vitesse, P est faible mais le temps est long dc le cout est important. A haute vitesse le temps est court mais P est élevé donc de nouveau le cout est important. A vitesse intermédiaire, le produit de la P et du tps est optimal donc le cout est minimal. Si la P augmentait de manière linéaire on n’aurait pas cette forme en « U » du coût. Le coût dépend du Wtot et du rendement (cfr chap.8).

Cnet = Pnet / V en

Joules/kg.m

C’est donc la quantité d’énergie nécessaire pour déplacer un kg de masse corporelle sur une distance d’un mètre. Arthrose du genou -> cout augmente car on le plie pas -> mouvmts bassin Chez le patient hémophile (trop de sang dans les articulations, ce qui les abîme très fort) le cout augmente également.

7. LE RENDEMENT DE LA MARCHE

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Rendement = rapport de l’E utilisable à l’E mise en œuvre. Donc le rapport entre l’énergie qui

sort d’un système et celle qui y entre. Rendement total d’un exercice = rapport entre W mécanique utile réalisé (Wu) par les muscles pour maintenir le corps en mouvement contre l’environnement et l’E dépensée (Eexp) pour réaliser l’ex.

Rendement mécanique = rendement de transmission (Rt) = rendement avec lequel l’E méca produite par les muscles est transformée en W utile par l’intermédiaire des leviers osseux. Il répond à la question « Quelle est la part du travail positif utile dans le travail positif total réalisé par les muscles ? ». = Wmécanique utile / Wmusculaire positif Rendement métabolique (Rm) ou plutôt rendement de la production de W mécanique = rendement musculaire = rendement avec lequel l’E chimique est transformée en E mécanique au niveau des muscles. Il répond à la question « Quelle part de l’énergie consommée est transformée en travail musculaire positif ? », le reste étant perdu en chaleur. = Wmusculaire positif / Coût métabolique

Donc :

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Or, lors de la locomotion en terrain ferme, non glissant et dans dénivellations, les frottements de l’air constituent la principale résistance offerte par le milieu. La résistance de l’air étant très faible, Wu est proche de zéro, Rt est donc environ nul. Du coup, on va s’intéresser à Rm !

Le rapport entre Wtot et l'énergie dépensée (Eexp) représente le rendement métabolique (Rm) durant la marche. W+ch est le travail mécanique provenant de la transformation d'énergie chimique en énergie mécanique. W+el est le travail mécanique provenant de l'énergie élastique stockée préalablement dans les muscles et les tendons = E gratuite!!! E+ch est l'énergie chimique dépensée pour réaliser le travail positif. E-ch est l'énergie chimique dépensée pour réaliser le travail négatif. Ech,isom est l'énergie chimique dépensée pour effectuer les contractions isométriques. Ech,frict est l'énergie chimique dépensée au cours des co-contractions, pour vaincre les frictions internes et pour toutes les activités telles que la respiration, les contractions card...