RELATION ENTRE L’ANALYSE VECTORIELLE ET L’EMGi
Comparaison de deux méthodes de mesures de la force musculaire segmentaire


Dans le cadre du Workshop de l’ENPHE, Gilles Péninou présente ici les résultats de nombreuses recherches effectuées dans le laboratoire d’analyse du mouvement de l’EFOM. La méthode d’analyse vectorielle qu’il propose peut s’utiliser en pratique libérale avec un peu d’entrainement.
Monsieur Gilles Péninou est cadre de santé en kinésithérapie, Docteur en Biomécanique.

 



1 - Introduction :

Que ce soit l’examen du mouvement ou celui d’un exercice physique, il est souvent nécessaire d’avoir une idée approchée de l’effort réalisée par le sujet. L’effort général d’un sujet est évalué par l’analyse de la dépense énergétique, soit à travers la mesure de la consommation d’oxygène, soit avec l’enregistrement de la fréquence cardiaque en continu. Il n’est pas cependant indicatif de la dépense énergétique produite par l’activité musculaire au niveau segmentaire. Le seul indicateur physiologique de l’effort local est la force développée.

La force est produite par le muscle grâce à deux composantes : celle de l’élasticité et celle de la contractilité. Il est toujours possible de mesurer l’activité contractile d’un muscle avec l’ElectroMyoGraphie (E.M.G.) de surface (seule méthode non-invasive acceptée dans les analyses de terrain). Pourtant cette méthode reste un peu difficile à utiliser sur le terrain. S’il est facile en laboratoire de contrôler l’installation d’électrodes, la pertinence du montage et les parasites ; il en est autrement sur le terrain pour éviter ces difficultés, qu’il s’agisse de patient ou de personne en activité.

Dans la recherche d’une méthode alternative pouvant être facilement utilisée sur le terrain pour estimer la force musculaire, nous avons proposé une analyse vectorielle (1996) (8) mise au point à partir de calcul de barycentres. Cette méthode approximative ne nécessite qu’une photographie du sujet lors d’une activité examinée.

Sur un document visuel (photographie ou vidéographie) une analyse vectorielle est réalisée dans le plan du mouvement. Elle permet de chiffrer la force du muscle équivalent, et de comparer la variation de cette force dans des situations segmentaires différentes, ou en comparaison avec la force maximale volontaire. La méthode offre l’avantage de pouvoir obtenir les informations positionnelles à distance du sujet, sans aucun contact, sans aucune influence sur l’activité du sujet. Elle exige en revanche une bonne maîtrise de l’analyse et nécessite de réaliser des calculs à posteriori.

L’objectif de la présente recherche était d’établir la relation entre les estimations des forces agissant sur l’articulation, obtenues à partir de deux méthodes – analyse E.M.G. et analyse vectorielle sur photographie.

La question qui se pose est celle de la relation entre l’activité électrique du muscle qui est représentative de la force contractile, et la force obtenue par l’analyse vectorielle du muscle équivalent, qui est représentative de tous les muscles agonistes dans ce sens du mouvement, en incluant la force contractile et la force élastique


1.1 Rappel physiologique :

Le schéma rhéologique de Hill (1) montre que la force du muscle est composée d’éléments viscoélastiques qui s’opposent au mouvement d’allongement, et d’éléments contractiles dont l’activation provoque une contraction concentrique, excentrique ou isométrique. La répartition de ces forces dans le muscle dépend de la position d’allongement des fibres. La courbe tension/longueur (1) indique que la force contractile n’est pas aidée par les éléments élastiques du muscle lorsque la course du muscle est rapprochée (entre la course moyenne et interne).

L’efficacité en terme de force, de l’activation des fibres contractiles dépend de la position des filaments d’actine et de myosine des sarcomères. Lorsque la course du muscle se rapproche des positions extrêmes la force contractile produite par le muscle diminue indépendamment de l’activité neuromusculaire. C’est ainsi qu’en course interne du muscle, l’activité produite est peu efficace, alors qu’en course externe ce sont les éléments élastiques qui en relation avec l’allongement assurent la tension.

Enregistrer l’activité électrique du muscle n’est indicatif que de la force produite par le muscle dans la course moyenne (1). C’est dans cette course que les fibres musculaires excitées sont efficaces. C’est également dans cette course que la relation entre l’activité électrique du muscle et sa force est la plus proche.


1.2 L’analyse vectorielle :

Cette analyse est réalisée à partir des images (photo. ou Vidéo.) prises dans un plan analysé (ex. plan sagittal pour la flexion/extension) et visualisant le corps entier du sujet. Sur l’image une silhouette est dessinée.

Le principe consiste à marquer les centres de masses sur la silhouette d’un sujet en y ajoutant si nécessaire celui de la charge portée par la ou les mains (La localisation de ces centres de masse est donnée par la littérature) (11), puis de réaliser les calculs des barycentres. Après avoir déterminé la direction du muscle équivalent par rapport à l’articulation choisie, il devient possible, par le calcul vectoriel de l’équilibre des moments, de déterminer l’intensité de la force nécessaire pour tenir la position.

Cette méthode présente des sources d’erreurs dont la première et la plus importante est le marquage sur une silhouette des indications anatomiques (situation de chaque centre de masse, localisation du Centre Instantané de Rotation (C.I.R.) et direction du muscle équivalent). Elle exige de l’opérateur de posséder une bonne connaissance anatomo-morphologique, et une expérience dans le dessin. Il est recommandé, pour minorer les risques d’erreurs, d’agrandir les images de la silhouette pour réaliser les marquages.

Les calculs sont assez simples et répétitifs, ils peuvent êtres facilités par l’utilisation du logiciel Biovect (8). Pour réaliser ces calculs il est nécessaire de digitaliser l’image, puis de marquer les points sur l’image à l’écran de l’ordinateur à l’aide de la souris.



1.3 E.M.G. :

La technique utilisée correspond à celle de l’E.M.G.intégré qui consiste à enregistrer l’activité d’un muscle ou d’un groupe de muscles. Les prises d’information se font à l’aide d’électrodes de surface, elles sont amplifiées, puis enregistrées à l’aide d’une carte analogo-digitale, ce qui permet de réaliser les calculs mathématiques à l’aide de l’informatique (4,5).

La durée de l’enregistrement doit être suffisante pour percevoir toutes les variétés myo-électrique du mouvement, elle ne doit pas être trop longue de façon à pouvoir conserver les données. L’intégration se fait sur un temps court 1/10 ou 2/10 de seconde. Ce temps est choisi sur la période d’activité optimale de façon à pouvoir comparer en valeur relative soit avec un autre mouvement soit avec un maximum myo-électrique.



2 - Matériel et Méthode :

Nous avons réalisé deux situations expérimentales : La première comparait l’activité des muscles spinaux lombaires lors du port de charge, la deuxième comparait l’activité du muscle deltoideus avec le même type d’effort (3,12,14,16).

Pour la première : Nous avons comparé la variation de l’E.M.G.i. et de l’analyse vectorielle des muscles spinaux lombaires.

Parallèlement nous avons réalisé l’enregistrement E.M.G. sur la masse para-spinale, et l’analyse vectorielle sur ces muscles. Le choix de ces muscles vient de la facilité d’isoler ce groupe de muscles qui est sous cutané (ce qui a permis de réaliser une E.M.G. de surface), et qui ne présente pas de groupes musculaires agonistes dans le plan sagittal (ce qui facilite le placement de la direction pour le muscle équivalent).

Pour la deuxième : L’objectif a été de comparer les résultats obtenus avec les deux méthodes aux valeurs mesurées lors de l’effort maximal.

Le mouvement d’élévation de l’épaule est principalement assuré par le muscle deltoideus qui est sous-cutané et qui permet l’enregistrement de surface des deux faisceaux moyens et antérieurs. Le placement de la direction du vecteur, représentant le muscle équivalent , fut installé en suivant la direction du muscle deltoideus vu de profil, en particulier du corps charnu antérieur.


2.1 Les mouvements testés :

Ils sont à peu près les mêmes pour les deux études :

Nous avons demandé à un groupe hommes/femmes de 15 sujets pour la première étude et de 32 sujets pour la seconde, tous étudiants en kinésithérapie à l’EFOM, de porter en position debout, à l’aide des mains, deux charges. Pour la première étude elles étaient de 30N et 60N , pour la deuxième étude elles étaient de 20 et 40N .

Le choix de la charge à maintenir entre les deux expériences est dicté par le souci de comparer deux situations différentes. Lors de la position bras tendus, la charge de 60 N imposée lors de la première expérience s’est révélée limite à supporter pour les sujets de petite taille, ce qui a justifié un choix de 40 N lors de la deuxième expérience.

Ces charges ont été portées dans trois positions différentes :
1) Contre le thorax.
2) Les coudes fléchis à 90°. (figure 2)
3) Les bras tendus. (figure 3)



(figure1)

(figure 2)

(figure 3)



Les trois positions ont été exécutées dans un même mouvement d’une durée totale de 10 secondes, avec un temps d’arrêt de 2 secondes pour chacune des trois positions. Un faisceau laser (capteur de passage) était placé de façon à être coupé par le mouvement des segments du membre supérieur entre chaque position. Le croisement du faisceau a permis, par la suite d’avoir une indication sur la trace du signal brut de l’E.M.G., de reconnaître chaque étape du mouvement.


Lors de la deuxième étude; Il a été, outre les trois situations précédentes, demandé aux sujets de réaliser un effort maximal, en tirant les bras tendus vers le haut sur un filin attaché au sol et comportant un capteur de force (figure 4).




2.2 L’EMG :

La méthode est en tout point conforme aux recommandations européennes (13). Les deux électrodes de surface sont installées en regard du corps charnu des muscles, elles sont distantes de 2cm, une électrode neutre est installée sur une éminence osseuse. La fréquence d’enregistrement est de 1000Hz. Le pré-ampli est de 50 et l’ampli est de 100, soit une amplification totale de 5000.

La qualité de l’installation est contrôlée en direct par un oscilloscope et une restitution sonore.

L’ensemble est piloté par une informatique (hard et soft) qui lance l’enregistrement et sa durée (10 secondes) sur le nombre de voies désirées. Les données apparaissent tout d’abord en brut sur l’écran, puis elles sont segmentées pour une analyse mathématique, sur une période de temps de 100 millisecondes chacune. Les analyses mathématiques sont faites à l’aide d’un tableur. Les données sont enregistrées en valeur absolue puis la sommation nous indique la valeur en E.M.G.i. sur la période segmentée.


2.3 La prise de documents visuels :

Le mouvement demandé étant un mouvement sagittal, toutes les informations visuelles ont été prises de profils.

Lors de la première expérience, les prises de vue ont été réalisées par un appareil photographique, alors que lors de la deuxième c’est un appareil vidéographique (camescope super 8) qui a servi de support. L’analyse a été faite à partir des arrêts sur image numérisée.

Sur les documents agrandis sont placés les centres de masses segmentaires, ce qui permet de déterminer la position du centre de masse de l’ensemble porté par l’articulation choisie (il s’agit de l’articulation L5/S1 pour la première étude, et de l’articulation scapulo-humérale pour la deuxième). Cette position est obtenue à l’aide des équations d’égalité des barycentres.

La direction du muscle équivalent est portée sur la silhouette en tenant compte du volume musculaire compris entre le C.I.R. et la surface. Le dernier calcul détermine la force développée par le muscle équivalent par l’égalité du moment de chaque force rapporté au C.I.R..



3 - Résultats :

3.1 L’activité des muscles spinaux lombaires
3.1.1 La méthode E.M.G.i. :

Les premiers résultats ont indiqué qu’il y avait une grande différence entre les sujets si l’on considère le chiffre brut obtenu à l’E.M.G.i.. Par contre, en comparant les données à la valeur obtenue lors de l’enregistrement de l’effort maximum, elles sont proches d’un sujet à l’autre. Ce qui montre l’importance du calcul relatif.

La comparaison des réponses entre les muscles spinaux des deux côtés droit et gauche, montre qu’il n’existe aucune différence, p=0,001 , ceci nous a permis de calculer la moyenne de l’ensemble des muscles spinaux lombaires des deux côtés.

Les résultats, (figures 5, 6) montrent comme prévu, la progression de l’activité d’EMGi entre le port d’une charge de 30N et 60N. Ils montrent également une progression de l’activité lorsque le sujet écarte la charge du poids du corps vers l’avant.



3.1.2 La méthode vectorielle :

Il n’y a pas, dans l’analyse vectorielle, de calcul de la force maximale. Les données sont en chiffres bruts à partir des calculs. On observe une progression de la force développée par les muscles spinaux, sans que l’on puisse dissocier les deux côtés. La courbe indique (figures 5, 6), la progression entre les deux charges et les trois positions, et elle montre une évolution de 100 daN à 250 daN. Ces chiffres sont à rapprocher des références NIOSH( 15), qui indiquent que les muscles spinaux ne doivent pas dépasser 300 daN pour rester en deçà du risque.


3.1.3 La comparaison :

La comparaison tient compte de la progression entre les deux charges et les trois variables positionnelles. Les deux comparaisons (figures 5, 6) montrent un bon parallélisme entre les résultats.

On observe que le parallélisme des deux courbes est très bon lorsque la charge est la plus petite, par contre la situation extrême c’est-à-dire les deux bras tendus avec une charge de 60N, montre une augmentation un peu plus forte de l’E.M.G.i., qui donne à cette courbe une inclinaison sensiblement plus prononcée.


3.2 L’activité du muscle deltoideus de l’épaule
3.2.1 La méthode E.M.G.i. :

Les premiers résultats ont montré, en valeur relative au maximum, des données voisines pour la majorité des sujets. Ils indiquent que le muscle deltoideus antérieur a bien été le plus représentatif de l’activité électrique dans cette position.

Globalement cette étude confirme la première, avec une progression de l’activité myo-électrique entre les 3 positions et entre les deux charges. La position coude à 90° n’a pas toujours donné exactement les résultats escomptés : malgré les consignes, certains sujets n’ont pas évité le contact des coudes contre le thorax. L’E.M.G.i est alors faible, proche de la valeur lorsque la charge est au contact avec le thorax.

Pour la position bras tendus, les compensations devenaient impossibles et la valeur trouvée est assez constante, elle a permis de la comparer avec celle de la force maximale. Nous avions comparé l’activité électrique de deux faisceaux du muscle, l’antérieur et le moyen. Du fait de la position de prise de la charge, les mains en supination, c’est surtout le faisceau antérieur qui s’est révélé actif. Certaines personnes ont cependant montré une activité non négligeable du faisceau moyen lors de la position les bras tendus. Ce phénomène est à mettre sur le compte d’une exécution imparfaite du maintien en supination, qui a entraîné une rotation médiale du bras et placé ce faisceau dans une position plus favorable.

Toutes ces imperfections, liées à l’exécution du protocole, sont actuellement corrigées dans une autre expérimentation en cours au laboratoire.


3.2.2 La méthode vectorielle :

Cette méthode a été, en tout point, identique à celle de la première étude, elle a montré une progression en relation avec le moment de la charge portée (figure 7). Cette progression concerne l’augmentation du moment de charge par l’éloignement du bras de levier mais aussi par l’augmentation de la charge de 20N puis 40N.

3.2.3 La comparaison :

L’intérêt primordial est surtout la comparaison de la valeur relative au % de la force maximale mesurée volontaire. Nous connaissions la valeur électrique de cet effort maximal, ainsi que l’effort produit enregistré par le capteur placé sur le filin. La comparaison des deux méthodes (figure 8) montre que les mesures donnent un résultat statistiquement identique avec une P=0,01

L’effort produit par un sujet qui porte à bout de bras une charge de 20N est de 30 à 35 % de la F. max. . Ce même effort avec une charge de 40N est voisin de 45 % de la F. max.




4. Discussion :

Ces deux études démontrent que les résultats obtenus avec les deux méthodes sont quasiment identiques.

La valeur de progression de la force calculée avec l’analyse vectorielle est identique à celle calculée à partir de l’enregistrement de l’activité myo-électrique. La valeur relative est également identique entre les deux méthodes, comparativement à la force volontaire maximale du sujet. Ce parallélisme valide bien la méthode vectorielle et permet d’estimer d’une manière objective qu’elle donne des résultats dont la fiabilité est de l’ordre de 5%.

Ce parallélisme démontre l’intérêt que l’on rencontre à utiliser la méthode la plus simple. Il n’est pas facile de transporter un appareil d’E.M.G. sur le terrain, dans ce cas il faut au minimum équiper le sujet de capteurs et installer soit un enregistreur, soit un boîtier de télémétrie. Ces équipements offrent l’inconvénient, outre leur coût, de modifier le comportement du sujet qui se sent équipé et ne peut l’oublier ce qui modifie sa gestuelle. Le grand avantage de la méthode d’analyse vectorielle, est qu’elle reste à distance du sujet sans imposer d’équipement. Le sujet ne modifie pas ses gestes ni ses postures, il est alors possible d’analyser tous les éléments biomécaniques de sa réalité en instantané (10).

La méthode vectorielle permet de quantifier un effort en tenant compte non d’une valeur arbitraire mais de la réalité relative à chaque personne. Depuis 8 ans de son existence nous avons assemblé une banque de données qui permettra très bientôt de proposer les références des forces acceptables pour les principales articulations.

Des nombreuses études ergonomiques portant sur les efforts musculo-squelettiques sont déjà réalisées ( 2, 5, 6, 7, 9, 11, 12). Ces analyses permettent d’évaluer les efforts musculaires mais aussi les charges supportées par le squelette à un étage donné. En comparant ces efforts avec les bases de données, il est possible de déterminer la hauteur de l’effort consenti par le sujet et d’intervenir sur les conseils des positions et d’aménagement du poste de travail.

L’analyse de l’effort sur le terrain concerne aussi le domaine de la kinésithérapie et du sport. Alors que l’évaluation est devenue une préoccupation dominante, l’évaluation de la force musculaire développée par un sujet fait l’objet de discussions en raison de la fiabilité des éléments de mesure sur le terrain. L’analyse vectorielle, simple et à un coût minime, devient une technique de choix, permettant de comparer lors de différentes actions la réalité de la force locale.



5. Conclusion :

Les résultats présentés montrent une excellente corrélation entre l’analyse vectorielle et l’E.M.G.. Si l’électromyographie reste un instrument de choix au laboratoire elle est difficile à utiliser sur le terrain. L’analyse vectorielle se révèle au contraire un moyen bien adapté, elle est non invasive et respecte l’intégralité de la posture et de la gestuelle des sujets. Cette technique permet sans risque et sans frais de multiplier les analyses pour apprécier la force d’un groupe de muscles dans des situations comparables. Bien que la méthode requière des connaissances préalables en anatomo-morphologie, elle n’est pas très difficile à apprendre pour les personnes dont le cursus de départ ne contient pas ces connaissances. En revanche, elle est très facile à appliquer par les professionnels médicaux, paramédicaux ou biologistes. Les kinésithérapeutes devraient de ce fait, pouvoir utiliser cette méthode dans l’évaluation de l’activité musculaire et des contraintes articulaires de leurs patients.


Par G. Péninou et B. Kapitaniak, avec la collaboration de F. Hebert, S.Margaix, A. Porpiglia , O. Zerbib EFOM :
Laboratoire d’analyse du mouvement 118 bis rue de Javel : 75015 Paris.

1)
 Bouisset S., Maton B. Muscles, posture et mouvement. 1995, Hermann, Paris. 
2)
Calmus M.L., Zardi P, Kapitaniak B. Etude de la charge de travail de poseur de pierres tombales. 1997. Cahier de Médecine Interprofessionnelle (CAMIP), 3, 273-286. 
3)
 Gondelmann P., Bruneteau P. Etude électromyographique des muscles lombaires au cours du bending test ; 1997. Mémoire du Diplôme d’Université de physiologie du travail et d’ergonomie. Faculté de médecine Pitié Salpétrière/EFOM ,Paris. 
4)
Julien F. Péninou G. Evaluation de la technique du contracter-relâcher chez des violoncellistes professionnels Medecine des arts 2000, 33, 25-30. 
5)
 Kapitaniak B, Bregeon F, Job F. Energy cost and heart rate in motorcycle racing. 1994. VIIth Congress of International Council of Motorsport Sciences, Paris 
6)
 Kapitaniak B, Bruneteau P. Etude de la charge de travail occasionnée par la manipulation des chariots dans un aéroport parisien. 1996. Cahier de Médecine Interprofessionnelle (CAMIP), 1, 5-14 
7)
 Kapitaniak B, Cornetet P,Duforez F, Portero P. Cardiac strain in mechanics team in Formula racing. Part 1 Task analysis, bimechanical analysis. (1995) VIIIth Congress of International Council of Motorsport Sciences, Miami  
8)
 Kapitaniak B., Péninou G., Heusch F. Software « Biovect » - help for postural analysis. 1996, XIth Annual International Occupational Ergonomics and Safety Conférence, Zurich. 
9)
 Lindh M. , Gilles-Chomel P. Etude de l’influence des positions de selle et de tronc sur les stratégies posturales et gestuelles du cycliste. 2001. Mémoire du Diplôme d’Université de physiologie du travail et d’ergonomie. Faculté de médecine Pitié Salpétrière/EFOM ,Paris. 
10)
 Monod H., Kapitaniak B. Ergonomie. 1999, Masson, Paris 
11)
 Péninou G., Monod H., Kapitaniak B. Prévention et ergonomie . 1994, Masson, Paris. 
12)
 Puig C., Botet Y. Analyse du comportement E.M.G. des para vertébraux lombaires durant le mouvement de flexion antérieur du tronc chez le sujet sain. 1997. Mémoire du Diplôme d’Université de physiologie du travail et d’ergonomie. Faculté de médecine Pitié Salpétrière/EFOM ,Paris. 
13)
 S.E.N.I.A.M. European Recommendations for Surface ElectroMyoGraphy. 1999, Roessingh Research and development b.v. 
14)
 Shivonen T. Low back pain, paraspinal E.M.G. and forgotten dorsal rami. 1995. Thèse de doctorat de l’Université de Kuopio, Finlande. 
15)
 Waters T.R., Putz-Anderson V., Garg A. Applications manual for the revised NIOSH Lifting Equation. 1994, NIOSH, Cincinnati, Ohio. 
16)
 Zana J.P., Schiltz J.P. F.M.M. et activité électrique des muscles spinaux lombaires. 1999. Mémoire du Diplôme d’Université de physiologie du travail et d’ergonomie. Faculté de médecine Pitié Salpétrière/EFOM ,Paris.