La cartographie de pression en complément des mesures de force

L'analyse du mouvement humain fournit des informations importantes lorsqu'on essaie d'améliorer les performances des athlètes, d'évaluer la récupération après un traumatisme ou de travailler à la prévention des blessures. Le mouvement humain est généralement décrit à l'aide de caractéristiques cinétiques et cinématiques.

Les caractéristiques cinématiques comprennent les distances, les vitesses, les accélérations et les trajectoires de segments ou d'objets donnés, tandis que les forces et les couples externes et internes représentent les caractéristiques cinétiques. La connaissance des forces exercées sur le corps pendant le mouvement est une pièce importante du puzzle qui permet de comprendre le mécanisme de chargement des différents segments du corps.

Les plateformes de force et les systèmes de cartographie de pression sont deux outils couramment utilisés pour aider à quantifier ces forces exercées sur le corps. Le choix d'utiliser une technologie plutôt qu'une autre dépend du type de questions auxquelles vous cherchez à répondre.

image Source: Wagner, Markus & Slijepcevic, Djordje & Horsak, Brian & Rind, Alexander & Zeppelzauer, Matthias & Aigner, Wolfgang. (2018). KAVAGait: Knowledge-Assisted Visual Analytics for Clinical Gait Analysis. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. PP. 0.1109/TVCG.2017.2785271.

Image Source: Dijkstra, Erik & Gutierrez-Farewik, Elena. (2015). Computation of ground reaction force using Zero Moment Point. Journal of Biomechanics. 48. 3776–3781. 10.1016/j.jbiomech.2015.08.027.

Pour garantir la qualité des données, les plateformes de force doivent généralement être fixées sur une surface plane et ne plus être déplacées jusqu'à la fin des tests. Il existe des plateformes de force plus portables, mais elles doivent toujours être placées sur des surfaces nivelées pour garantir des données précises et fiables. Cela peut être un véritable défi dans les environnements de sport ou en dehors d'un espace contrôlé de laboratoire.

Alternatives à la plateforme de force

Les systèmes de cartographie des pressions sont une solution alternative et complémentaire à la collecte des informations de force de réaction au sol. Ces systèmes sont disponibles dans différents formats (tapis, chemins et semelles de chaussures à capteurs).

Les systèmes de cartographie de pression sont généralement plus facilement transportables que les plateformes de force. Ils peuvent fournir des informations sur la cinématique et la cinétique similaires à une plateforme, mais avec quelques différences clés. Les solutions de cartographie de pression mesurent uniquement la composante verticale des forces de réaction au sol. Cette mesure de force est calculée et additionnée à partir de centaines de petits capteurs résistifs à l'intérieur de la surface sensible (figure 2a), pour afficher les courbes de force totales en fonction du temps pour le pied gauche et pour le pied droit (figure 2b).

Figure 2a - Capteur F-Scan avec des flèches rouges décrivant la composante verticale (normale) de la force sous le pied gauche

Figure 2b - Courbes de la force verticale totale en fonction du temps pour les pieds gauche (vert) et droit (rouge) du côté droit.

Comme les plateformes de force, les solutions de cartographie de pression peuvent calculer la plupart des paramètres temporo-spatiaux de la marche et les informations sur le CoF/CoP (Centre des Forces/Pressions) pendant divers mouvements. L'avantage des solutions de cartographie de pression réside dans leur capacité à afficher une décomposition graduelle de la pression du pied pendant le mouvement mesuré (figure 3a). L'utilisateur a ainsi la possibilité de décomposer la fonction du pied en différentes phases de la marche et de mieux comprendre comment les forces et les pressions sont dispersées sous le pied au cours des différentes phases. D'un point de vue sportif, ces informations donnent aux chercheurs ou aux entraîneurs la possibilité de mieux étudier les différentes techniques que l'athlète peut adopter pour exécuter une action particulière (p. ex. coureur de l'avant-pied ou du talon à l'orteil, techniques de coupe).

Figure 3a - Profils de pression plantaire : images F-Scan de la décomposition de la marche à partir de l'attaque du talon et pendant la phase d'appui

Figure 3b - Profils de pression plantaire de 4 appuis consécutifs du pied sur un tapis Strideway

Cartographie de pression pour l'analyse de la fonction du pied

Les systèmes de cartographie de pression disposant d'une résolution élevée en éléments de mesure de force, il est possible d'isoler des régions spécifiques sous le pied. Cela peut être utile pour localiser avec précision les régions où la fonction du pied est altérée pendant la phase d'appui de la marche.

L'exemple ci-dessous illustre une foulée du pied droit à l'aide d'un capteur de pression intégré à la chaussure, avec et sans orthèse. Les profils de pression affichés révèlent une différence assez importante au niveau de la répartition de la pression. Il y a moins de rouge (pression élevée) dans les régions métatarsiennes avec l'orthèse que sans, et l'arche médiane est remplie de bleu (pression faible) avec l'orthèse.

Cependant, lorsque nous regardons les courbes de la force verticale totale en fonction du temps, qui seraient similaires à celles obtenues avec une plateforme de force, les deux courbes de force (pieds gauche et droit) semblent assez similaires et ne présentent probablement pas de réelles différences significatives l'une par rapport à l'autre.

Segmentation du pied

Examinons maintenant le même exemple avec les pieds divisés en deux régions (figure 5). En décomposant chaque pied en une zone de talon et une zone métatarsienne, on observe maintenant des différences significatives dans les courbes temporelles de force. On constate que les formes des courbes et les pics des régions du talon et de la zone métatarsienne sont très différents avec et sans orthèse.

Il suffit de regarder l'affichage de la cartographie de pression pour comprendre pourquoi les forces ont été réduites dans ces régions en observant simplement l'arche médiale. Avec le soutien supplémentaire de l'arche médiane apporté par l'orthèse, les forces et la pression dans les régions du talon et des métatarses du pied sont réduites et la région de l'arche médiane se charge davantage.

Figure 5 -Courbes de force en fonction du temps et profils de pression pour le même pied droit avant et après traitement, à la différence que le pied est décomposé en une segmentation avant-pied et talon. Les différences dans les courbes force/temps du talon et de l'avant-pied sont maintenant beaucoup plus apparentes

La possibilité de diviser le pied en régions spécifiques est essentielle pour analyser la fonction du pied. Bien que les plateformes de force permettent d'obtenir les courbes de force totale en fonction du temps (voir figure 4a), elles ne sont pas en mesure de fournir les profils de pression du pied ni, en fin de compte, de caractériser la fonction du pied de la manière illustrée ci-dessus.

Ces information sont déterminantes pour les chercheurs qui étudient différentes pathologies de la marche caractérisées par un contact prolongé du talon (équin ou hallux limitus fonctionnel pour n'en citer que quelques-unes) ou des zones de haute pression associées à une ulcération (pied diabétique ou sauvetage de membre). Ce type d'information peut également être décisif dans la prévention des blessures, la reprise de la pratique sportive après une blessure et pour entraîner des sportifs à adopter une technique appropriée.

Que ce soit dans le cadre d'une recherche fondamentale sur la marche ou sur la performance biomécanique, nécessitant la collecte de données de forces tridimensionnelles, un système de cartographie de pression permet d'obtenir des informations supplémentaires qui peuvent être synchronisées avec les données de la plateforme de force pour améliorer ses mesures.

Si vous envisagez d'utiliser une solution technologique pour améliorer vos travaux sur la marche, suivre les progrès réalisés en rééducation ou pour recueillir des informations précises sur la fonction du pied dans le cadre d'un entraînement sportif, la cartographie de pression est un outil portable très efficace et économique pour y parvenir.

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Publié dans: Biomécanique