Dans ce deuxième numéro de « On Refait La Marche », le Pr. Frédéric MARIN, du Laboratoire de biomécanique et bioingénierie de l’université technologique de compiègne nous présente une intervention intitulée : biomécanique articulaire et modélisation musculosquelettique. Cette intervention a été enregistrée lors du séminaire « ACTUALISATIONS EN PHYSIOPATHOLOGIE NEUROLOGIQUE ET ANALYSE DU MOUVEMENT CHEZ L’ENFANT ATTEINT DE PARALYSIE CEREBRALE » le 28 novembre 2011 à l’Hôpital Robert Debré (Paris), organisé par le Dr. Ana Presedo (chirurgien orthopédiste).
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UPDATED : J’ai le grand plaisir d’annoncer la sortie la semaine prochaine d’un ouvrage collectif intitulé « le mouvement ». Cet ouvrage coordonné par François Hug, Maître de Conférence à l’U.F.R. S.T.A.P.S. de Nantes, fait partie de la collection « Pour l’Action » et est édité par la revue E.P.S..
J’ai eu le privilège de rédiger un chapitre « Analyse du mouvement et handicap : application à la marche pathologique ». J’y parle de l’Analyse Quantifiée de la Marche. J’ai rédigé cette partie avec Arnaud Gouelle, étudiant en Thèse et aujourd’hui responsable de la plateforme d’évaluation du mouvement de l’hôpital Robert Debré à Paris. Un grand bravo à tous ceux qui ont participé à la rédaction de cet ouvrage et surtout à François HUG, car coordonner un livre n’est pas qu’une partie de plaisir. Bravo à tous donc.
« Le mouvement » est sorti, vous pouvez voir le sommaire et le commander via ce lien : http://www.revue-eps.com/catalogue/details.aspx?id=15298
Les grandes écoles d’ingénieurs en biomécanique (ENSAM, UTC…(pas exhaustif)), comme beaucoup de ceux qui pratiquent du calcul complexe utilisent Matlab. L’INRIA a développé il y a quelques années une alternative open source, Scilab. Ces deux solutions, excellentes, sont de véritables usines à gaz qui ne sont pas forcément adaptées aux petits besoins pressants du biomécanicien. Ci-dessous, la présentation d’outils pour les biomécaniciens par un biomécanicien (Monsieur Gilles DIETRICH, Maître de conférence à l’Universtié Paris V René Descartes). Essayez ces outils, vous ne serez pas déçus. Ils se placent facilement, pour certains modules, au même niveau que les ténors du genre. La suite est un ensemble d’outils permettant l’acquisition, le traitement, la modélisation et la simulation du mouvement humain.
Tracker est un logiciel d’acquisition vidéo, de calibration et de tracking manuel et automatique (2D et 3D). Ce logiciel permet l’acquisition de fichiers vidéo à partir de caméras numériques compatibles avec les standards suivants:
La calibration 2D et 3D s’effectue à partir de pattern 2D (damiers) Le tracking automatique de cibles utilise plusieurs types d’algorithmes (kalaman, pattern matching, blob tracking, Lucas Kanade etc.). Les données trackées (2D ou 3D) peuvent être directement enregistrées (fichiers C3D) ou envoyer sur une ligne TCP/IP.
Snap est un logiciel d’acquisition de données cinématiques à partir de fichiers vidéo (AVI, MPEG, MOV).La saisie des points se fait de façon manuelle ou semi-automatique.
Les données (2D) ainsi saisies peuvent être utilisées par les autres logiciels.
Dlt est un programme de calibration 2D et 3D utilisant une transformation linéaire directe. Il permet la transformation de données cinématiques de plusieurs caméras (6 au maximum) en fichiers 3D ou de recalibrer un espace 2D.
Les fichiers 3D résultants (Texte ou C3D) correspondent à la cinématique des points anatomiques repérés.
C3D Visual Editor est un logiciel d’édition des données spécialement dédié aux fichiers C3D. Il permet toutes des modifications rapides des données cinématiques (trajectoires etc.) et analogiques (forces, EMG etc.) ainsi que l’édition des groupes et paramètres des fichiers C3D.
Il est compatible avec le format de données C3D, texte ainsi qu’avec les fichiers des systèmes VICON, Elite, Qualisys,
DynaView est un logiciel de traitement de données cinématiques spécifiquement orienté vers l’automatisation des calculs sur un grand nombre de fichiers.
Il est compatible avec le format de données C3D, texte, ainsi qu’avec les fichiers des systèmes VICON, Elite, Qualisys, MatLab
Digital modeling est un logiciel de modélisation (dynamique inverse) biomécanique graphique 3D.
Il offre la possibilité d’utiliser des modèles déjà constitués (Winter, Chandler, Hanavan) sur vos données 3D, ou de concevoir de nouveaux modèles biomécaniques.
Le calcul de dynamique inverse permet de connaître les efforts en différents points du modèle (articulations, centre de masse etc.)
Il est compatible avec le format de données C3D, texte, ainsi qu’avec les fichiers des systèmes VICON, Elite, Qualisys, MatLab
Interactive Dynamics est un logiciel de simulation biomécanique.
Il permet de générer des simulations en utilisant :
un moteur de dynamique directe un moteur de dynamique inverse
un moteur de cinématique inverse
des contrôleurs et des lois de comportement
la gestion des chocs et des contacts
la gestion du flux de données TCP/IP de systèmes d’acquisition temps réel
3DVL est un langage de programmation commun à l’ensemble des logiciels BiomecaLab.
Il permet d’étendre les fonctionnalités des différents logiciels par la réalisation de modules (Plug-Ins).
Il est aussi utilisable seul comme un langage de script (3DVL script), indépendamment de la suite logiciel BiomecaLab.
Il est compatible avec le format de données C3D, texte ainsi qu’avec les fichiers des systèmes VICON, Elite, Qualisys, et interfacé directement avec MatLab, SciLab
Logiciels annexes
Un certain nombre de logiciels annexes sont aussi disponibles :
Received 23 May 2007; received in revised form 29 September 2007; accepted 27 November 2007. published online 18 January 2008. Corrected Proof
Bon évidemment, entre crochets, c’est moi qui l’ai rajouté. Chaque laboratoire d’analyse de la marche fraîchement installé a tout de suite envie de faire preuve de rigueur scientifique et clinique. Bien souvent, cela passe par une remise en cause des modèles « vendus » avec le système de capture de mouvement (PlugInGait chez Vicon). Toutefois, avant de remettre en cause cet outil, il faut bien savoir à quoi il sert, ce que l’on cherche à en obtenir et comment on va gérer l’ensemble des données acquises au cours du temps. Car bien plus qu’une lubie d’ingénieur, c’est tout un système ingénierie/clinique qui se met en place, avec au centre des patients (pas toujours simples à analyser) et au bout, un acte thérapeutique qui n’est pas sans conséquences.
Alors…Faut-il jeter PlugInGait ?
Ce très intéressant article s’intéresse à l’étude de 5 protocoles d’analyse de la marche. En fait, c’est la reproductibilité de 5 modèles biomécaniques qui est ici éprouvée. Parmis ces modèles, PlugInGait, très largement utilisé par la communauté des spécialistes en analyse de la marche. PlugInGait n’est pas tout neuf, c’est même l’un des doyens. Il est basé à l’origine sur le modèle de Newington et adapté par Davis et Ounpuu que l’on ne présentent plus. C’est un modèle anthropométrique proportionnel… Déjà on commence assez mal puisque un modèle anthropométrique est basé sur des tables, elles mêmes tirées de mesures faîtes sur des cadavres, la plupart adultes. Autant dire tout de suite qu’un modèle anthropométrique est mauvais pour rendre compte d’un système complexe comme l’être humain. A cela, il faut associer les contraintes de la capture de mouvement. On place des marqueurs rétroréfléchissants sur une peau qui n’est pas fixée à l’os. La peau glisse et du coup on a de légères perturbations qui rendent le modèle encore plus imprécis (ceux qui travaillent sur le membre supérieur et qui placent des marqueurs sur l’omoplate savent de quoi je parle). Et je ne vous parle pas de l’imprécision de la mesure liée à la technique retenue pour enregistrer le mouvement et le traitement du signal qui sera fait ensuite.
Cherche-t-on la précision en clinique ? Oui absolument mais pas à n’importe-quel prix. Bien plus que la précision c’est la reproductibilité que l’on cherche. La précision absolue, il n’est pas possible de l’obtenir du fait que l’on utilise un modèle. Par conséquent le calcul précis d’un centre interne de rotation est voué à l’échec avec de tels outils. EOS est notamment utilisé pour palier le manque de précision mais ce n’est pas encore la panacé absolue. Alors…Qu’est-ce-qu’on fait ?
Et bien nous à Bois-Larris nous gardons notre bon vieux PlugInGait. Plusieur raisons à cela. Tout d’abord, et comme le confirme l’article, PlugInGait se place très correctement au niveau des modèles les plus récents en terme de reproductibilité. Ensuite, il continue à être amélioré avec des extensions au modèle comme l’Oxford Foot Model (pour le pied) ou l’upper Limb Model (pour le bras). Ensuite il s’agit de pouvoir comparer les données d’aujourd’hui à celles d’hier. Là, on arrive à la discussion de cet article. Le plus important, c’est d’avoir un protocole précis et bien rodé avec un nombre restreint de personnes intervenant dans le placement des marqueurs. Le plus important pour celui qui place les marqueurs en faisant des erreurs de placement c’est de faire toujours les mêmes erreurs. Du coup, on cherche la reproductibilité et non-plus la précision absolue de la mesure. Aussi fiable et bon que soit le modèle que l’on retient, il ne supporte pas de trop grandes variations inter-opérateurs.
A ceux qui installent de nouvelles structures d’analyse de la marche je dirais ceci : possédez votre système, vos protocoles et donnez du sens à ce que vous mesurez. Intégrez-le dans une démarche clinique, maîtrisez-en chaque étape aussi bien qu’on puisse le faire. Ensuite, et seulement ensuite, vous pourrez faire de la recherche/développement en parallèle pour adapter et rendre plus efficaces vos outils de modélisation (modèles géométriques, aide d’ancillaires,…)
Abstract
Data collection and reduction procedures, coherently structured in protocols, are necessary in gait analysis to make kinematic and kinetic measurements clinically comprehensible. The current protocols differ considerably for the marker-set and for the biomechanical model implemented. Nevertheless, conventional gait variables are compared without full awareness of these differences.
A comparison was made of five worldwide representative protocols by analysing kinematics and kinetics of the trunk, pelvis and lower limbs exactly over the same gait cycles. A single comprehensive arrangement of markers was defined by merging the corresponding five marker-sets. This resulted in 60 markers to be positioned either on the skin or on wands, and in 16 anatomical landmark calibrations to be performed with an instrumented pointer. Two healthy subjects and one patient who had a special two degrees of freedom knee prosthesis implanted were analysed. Data from up-right posture and at least three gait repetitions were collected. Five corresponding experts participated in the data collection and analysed independently the data according to their own procedures.
All five protocols showed good intra-protocol repeatability. Joint flexion/extension showed good correlations and a small bias among protocols. Out-of-sagittal plane rotations revealed worse correlations, and in particular knee abduction/adduction had opposite trends. Joint moments compared well, despite the very different methods implemented. The abduction/adduction at the prosthetic knee, which was fully restrained, revealed an erroneous rotation as large as 30° in one protocol. Higher correlations were observed between the protocols with similar biomechanical models, whereas little influence seems to be ascribed to the marker-set.
