Mémoire

Apport de la courbographiedans l'étude de la dynamiquerachidienne

chez le cyclistependant la compétition

Ann. Kinésithér., 1980, 7, 473-484

M. LlÉNARD *, J. MATHIS-LÉGER *,F.-X. LEPOUTRE **, J.-C. GARROS ***

Le système biomécanique tronc-rachis de structure haubannée peutêtre décomposé en un système mécanique fait de vertèbres articulées entreelles et reliées par des éléments visco-élastiques et d'un système decommande comprenant des boucles de régulation et des muscles. Lesmouvements d'un sujet (marche, prise d'une charge, mouvement de la tête)impliquent une modification de cette structure pour conserver l'équilibre etla stabilité du corps.

L'étude des modifications de cette structure et en conséquence de laforme du tronc d'un sujet fait appel à des propriétés de biomécanique, derégulation posturale et d'ergonomie.

Un capteur de courbures du dos dans le plan sagittal nous estprésenté par les auteurs. Il est constitué d'une tige souple adaptée au dosdu sujet et on en mesure les dijormations à l'aide de jauges de contraintes.Ce capteur, d'un usage très simple, ne gêne pas le sujet dans sesmouvements et peut fournir des mesures en régime statique et en régimedynamique sur laforme du dos, indépendamment d'un repère fixe.

Retenons de cette étude d'une part, les modifications posturales ducycliste, mais surtout la description d'un appareil de mesures utilisable enkinésithérapie .

• Médecins, C.E.S. de médecine du sport, 02 La Capelle .•• Docteu r Ingénieur, Université de Valenciennes .

••• Kinésithérapeute, 92, avenue du Général de Gaulle, 02 La Capelle.Enregistrements et mesures réalisés dans le service d'Automatique Industrielle et Humaine IPr Malvache) de

l'Université de Valenciennes.

473

1------

INTRODUCTION

L'étude bibliographique met en évidence la multiplicité des boucles derégulation posturale et le grand nombre de degrés de liberté du systèmetronc-rachis. Parmi toutes les approches possibles de ce sujet, notrecontribution consiste à caractériser les variations de courbures externes dusystème tronc-rachis d'un opérateur humain assis sans dossier et perturbépar une accélération selon un axe Ox antéro-postérieur, en vue d'unemodélisation des données. Dans cette optique, un capteur des courburesdu rachis a été réalisé. Il est constitué d'une tige souple adaptée au dos dusujet dont on mesure les principales courbures à l'aide de 4 paires dejauges de contrainte. Les courbures sont mesurées au niveau approximatifdes apophyses épineuses des vertèbres D 1, D 6, D 10, L 3.

La détection des courbures du rachis est réalisée en effectuant uncompromis entre souplesse d'utilisation et précision du capteur. Cetteprécision est non seulement liée aux caractéristiques physiques dudispositif mais aussi au nombre de points de mesures judicieusementpositionnés le long du dos.

Ce compromis, associé à la possibilité de visualiser la forme desprincipales courbures du dos, a abouti à fixer quatre points de mesure­régulièrement répartis à partir du rachis lombaire.

MATÉRIEL ET MÉTHODE

Capteur des courbures du rachis dorsa-lombaire dans le plan sagittal

Ce capteur est constitué d'une tige souple en fibre de verre, adaptéeau dos du sujet et dont on mesure les déformations par des jauges decontraintes, la tige de section rectangulaire: 1,6 mm X 5 mm, et unelongueur de 60 cm est fixée d'une part au niveau des hanches par uneceinture, d'autre part au niveau des épaules par une ceinture croisée endeux points (fig. 1). Le point d'attache, au niveau des hanches, est une

y

F1br. d•....• n.\.6mm&:5mm

ox

fibre de verr."'~mm

Caoutchouc C 10 mm

DOl du sujet

474

FIG. 1. - Vue en coupe de la tige en fibre de verre:

a) enregistrement dans le plan sagittal,b) enregistrement dans le plan sagittal et dans le plan latéral.

(C7 - DI)

(05 - 06)

Sème cervicale - 6ème dorsale

région du milieu des dorsales

- 1ère dorsale7ème cervicale

région de la jonction dorso-cervicale

,C 1 _\ C 7 _Dl\\

1

I~1

11

''''~D12 région des 9è et 10è dorsale (09 - DIO)III

I.l5=\ (symétrique par rapport à la jonction'~!lacrum dorso-lombaire aux vertèbres L2 - L3).

région lombaireVoie 4

Voie 2

Voie 3

Voie 1

2è et 3è lombaire

(L2 - 13)

FIG. 2. - Choix de remplacement des points de mesure en regard des repères anatomiques.

èeinture très peu élastique qui n'est pas gênante vu la structure essen­tiellement osseuse du bassin (fig. 2).

Ce point de fixation sert de « référence)} pour la reconstitution de laforme de la tige et peut être considéré en tant que tel du point de vue del'anatomie. La ceinture croisée qui passe derrière le cou et devant lesépaules est refermée derrière le dos. Elle permet d'adapter la tige d'unemanière satisfaisante à la forme initiale du dos moyennant quelquesprécautions.

Cette ceinture permet à la tige de coulisser le long de la ligne desapophyses épineuses lorsque la longueur de celle-ci varie avec la posturedu sujet. Ce système donne satisfaction même pour des mouvementsassez rapides générés par notre dispositif expérimental. La gêne du sujetest réduite car les ceintures ne limitent ni les mouvements, ni larespiration. La hauteur de la tige est réglable par rapport à la ceinture deshanches pour adapter le capteur à la taille du sujet (± 2 cm).

Les jauges de contraintes sont d'un type classique, collées au supporten fibre de verre. Elles sont montées par paires sur les 2 faces de 5 mm dela tige, parallèle au dos du sujet (fig. 3).

Le problème de la détermination optimale du nombre et de la positiondes points de mesure est délicat à résoudre car il suppose uneconnaissance parfaite du système étudié, Comme il a été sign aléprécédemment, quatre points de mesure sont supposés suffisants pourdécrire les principales courbures du rachis dans le plan sagittal comptetenu de l'objectif de notre travail. Un point a été fixé au niveau du rachislombaire où la souplesse est maximum et les autres régulièrement répartisle long de la tige. Selon la taille, la morphologie et la posture du sujet, les

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'""0" ~~~. L

Tlg. oyant une courbur. 'IR(onltcnte lur la longueur l

FIG. 3. - Analogie entre la courbure de la tige 1IR (m - 1) et la déformation angulaire 0 dans lecas d'une courbure constante.

jauges sont approximativement aux positions anatomiques indiquées surle tableau ci-dessous.

Les petites variations de positions de ces jauges par rapport auxvertèbres des sujets ont une faible influence pour de petites déformations,ce qui est le cas dans nos expériences, En outre, la localisation et lenombre de points de mesure se sont révélés satisfaisants lors dutraitement des données en vue d'une visualisation de la forme desdifférentes courbures.

Soulignons que ces positions ont été définies afin d'obtenir unesensibilité pouvant compenser en partie l'inconvénient d'u ne perte deprécision. En conséquence, on remarque qu'il n'y a pas de jauges auniveau des vertèbres D 12, L 1, entre les voies 3 et 4 (région où se produitde nombreuses fractures). En effet, dans la région de la charnière dorso­lombaire, les variations de courbure sont réduites et l'information mesuréeaurait été très peu précise.

Chaque paire de jauge est montée dans les branches d'un pont deWheatstone dont la tension de sortie délivre une information fonction durayon de courbure de la tige au niveau de la jauge. Après réglage, la sortiedu capteur peut être estimée, dans notre domaine d'utilisation, à V = kiR,

Voie de sortie Vertèbres considéréesdu capteur1

7e Cervicale1re DorsaleC7,D1

2

5e Dorsale6e Dorsale05,06

3

ge Dorsale1oe Dorsale09,010

4

2e Dorsale3e Lombaire02, L3

476

R rayon de courbure de la tige en mètre, k cœfficient qui dépend desjauges, de leur tension d'alimentation, du gain des amplificateurs et descaractéristiques de la tige. Ce coefficient est déterminé par étalonnage surchaque voie. Cette tension V est donc proportionnelle à une courbu re 1IRdont l'unité de mesure est m - 1.

Afin de faciliter la compréhension des phénomènes exposés dans leschapitres suivants, cette unité peut être remplacée par une unité angulaire(fig. 3) en supposant que la courbure est constante sur un intervalle situéde chaque côté de la jauge.

Par convention, une courbure positive correspond à une concavitétournée vers l'avant du sujet (fig. 4).

Etalonnage du capteur

L'étalonnage statique consiste à déterminer le coefficient k pourchacun des 4 ponts de jauges. Il est donc nécessaire pour cela deconnaître V, tension de sortie du dispositif amplificateur, et R rayon decourbure de la tige. Ce paramètre a été mesuré en imposant une courbureconstante à la tige par un dispositif mécanique (fig. 5). Le rayon decourbure R est la distance entre le dispositif de serrage sur la tige et lepoint d'intersection des barres de maintien.

Les courbes d'étalonnage (fig. 6) représentent des caractéristiques V =kiR pour chacune des 4 voies du capteur. Les courbures des voies 2 et 4sont pratiquement superposées. La gamme des valeurs obtenues lorsquele sujet effectue une flexion maximum à partir d'une extension maximum

C< 0 )

voie 1

c>o~»oc

:0:2

c«o)

3

(c> a

c

c=0

'1>. C > 0

1>.C < 0

FIG. 4. - Convention de signe pour les courbures Il C ii et variation de courbure « C ii du rachis.

477

1.. -- --~

Dispositif de s.erro9_de la liSe

8arre. metalllque~ disposéesen (ompol dont lei brand-HIsont une longueurvodable

Jauges de (ontrainte

Courbure constante l/R

FIG. 5. - Dispositif d'étalonnage statique du capteur.

est représentée pour les voies par les traits horizontaux. Remarquons pource sujet que les courbures au niveau des voies 1 et 2 sont toujours àconcavité dirigée vers "avant.

Les caractéristiques peuvent en première approximation, être sup­posées linéraires mais les pentes sont légèrement différentes pour lesvoies de mesure nO1 et nO3. Ceci provient du fait que la tige, directementachetée dans le commerce, n'est pas parfaitement homogène en épaisseuret en raideur, en particulier à cause des difficultés d'usinage de ce maté­riau. Pour les différentes voies, on relève les coefficients: k 11,1 V.m k 2 = 1,3 V.m k 3 = 1,5 V.m k 4 = 1,3 V.m.

Cet inconvénient a été facilement résolu en adaptant le gain desamplificateurs de chaque voie afin d'éviter de faire appel à desmodifications sur le matériau lui-même. Le réglage des gains est en effetune amélioration plus souple et facile à réaliser.

Compte tenu des erreurs commises sur V (inférieurs à 1 %) et sur R(inférieur au mm) on obtient une erreur sur les voies du capteur inférieureou égale à 0,5 % en supposant une courbure régulière de la tige. Dans lecas contraire et compte tenu des variations des valeurs de k, on peutcalculer que l'erreur de mesure peut atteindre 10 %. Compte tenu desautres avantages du capteur (sensibilité, gêne minimum ...) et des pro­priétés observées dans l'étude bibliographique, ce capteur a été utilisé caril répond aux principaux critères définis dans notre domaine d'utilisation.Signalons enfin que le seuil de sensibilité du capteur est voisi n de 0,05 m ­1 soit 24 minutes d'arc dans l'hypothèse exposée concernant unecourbure constante sur l'intervalle de 6,5 cm situé de chaque côté desJauges.

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Volt

8

7

6

5

4

3

2

Extension

Voiel"\1Dl

Voie 2 fil D 6

Voie3",Dl0'

2

lm·) 2.

7'30' 15'3 4 Sm"

22'30' 29" 36')0

+ Voie 1234

Flexion

Voie 4 IV' L 3

FIG. 6. - Caractéristiques V = f (1IR) des 4 voies du capteur.Echelle approximative en degrés pour une courbure constante sur 13 cm, valeurs extrêmes

obtenues pour un sujet en flexion, extension.

Quant à la précision des mesures en dynamique, il s'agit d'apprécier lacaractéristique fréquentielle des déformations de la tige maintenue enplusieurs points et appliquée au mieux sur un corps déformable, le dos dusujet. Compte tenu de ce support complexe, nous avons préféré limiter leproblème de la bande passante du capteur à l'appréciation du « contact»de celui-ci sur le dos du sujet plutôt qu'effectuer un dispositif expérim entaicomplexe pouvant rendre compte de la forme du rachis,

Cette vérification a été réalisée grâce à un film à 50 images/seconde àpartir duquel on peut observer un bon contact entre le capteur et le dos dusujet lorsque celui-ci est soumis à un choc.

Cette observation peut être complétée en outre à l'aide d'uneexpérience simple qui consiste à placer, pendant le film, des témoins entre

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le dos du sujet et la tige. Au cours d'une séquence de perturbations denotre protocole expérimental, nous n'avons pas observé des modificationsde disposition de ces témoins; ceci indique que la tige est solidaire du dosdu sujet dans les limites de nos conditions expérimentales.

L'usage du capteur est limité à la mesure des courbures du rachisdorso-Iombaire, et ne permet pas facilement la détection des courburescervicales ainsi que la présentation de la position du rachis dans l'espace,ceci peut constituer un développement de notre travail. Les résultatsobtenus lors de nombreuses expériences depuis plus de trois ans ontmontré les qualités et la fiabilité de ce capteur.

Population

Nous avons pris 6 sujets roulant sur home trainer reliés au courbo­graphe et à un appareil d'enregistrement magnétique de haute fiabilité(CN RS). Les mesures effectuées sur les 6 sujets sont de 2 ordres:

- statiques;- dynamiques.

A. Statiques:1. - sujet debout:

- avant l'effort (1 mn avant),- après l'effort (1 mn après);

2. - sujet sur le vélo en train de rouler.

B. Dynamiques:1. - après une période d'échauffement de 2 mn,2. - puis pendant 8 mn x 45 km/h,3. - et après un sprint de 2 mn.

Le courbographe donnait 4 sorties localisées en D 1, D 6, D 10, L 3.- Un ECG enregistrait de façon simultanée: il n'a pu donner

d'interprétation valable à cause du parasitage.- les vitesses indiquées sont calculées par la formule suivante:

V km/h = x 0,7 m X· 52 x _1_ x 3600

/ 16 0,7 ~ 1000diamètre de la roue dém ultiplication période de pédalage

RÉSULTATS

Le tableau ci-après montre les résultats des mesures statiques, sujetdebout, avant et après le test sur bi~yclette.

Un chiffre négatif correspond à une lordose. Un chiffre positif corres­pond à une cyphose.

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Une lordose de - 5 est plus forte qu'une lordose de - 1. Une cyphosede 5 est plus forte qu'une cyphose de 1..

Analvse par sujet et par voie de capteur

Sujet debout

AvantAprès

m - 1m - 1Evolution

Dl

0,411Jackie SE.

0655 =010

00 =L3

- 4,5-5 1

Dl

1,51'\

Patrick VA.

0644,51010

1,52 /L3

- 1,5-3 1

Dl

1,50,5'"

Hervé MA.

0655·010

12 1L3

- 6,5- 7,51

Dl

41,5\Jean-Luc SE.

0654,5'\010

0,51,51L~

-6-4,51Dl

11 =Pascal BO.

0654,5'\010

01,51L3

- 5,5- 5,5-

Dl

011Gérard LA.

0644,5<0101,50,5

L3-4,5-4,5-

Dl

1,21,81

Eric RA.

0635 1010

00L3

-6- 6,51

Récapitulatif de l'évolution des courbures avant et après le test àbicyclette. voie 1

D13 13 \1voie 2

D63 12 \2voie 3

D104 11'\ 2voie 4

L34/1'\ 2

Les résultats ne sont pas significatifs pour les voies 1 et 2. Par contrepour les voies 3 et 4, D10 et L3, l'augmentation de courbure est la plus

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fréquente. Cette augmentation est en moyenne de 1 m - 1, ce qui donne,en exagérant les courbures, le dessin suivant (fig. 7)..

Ces mesures mettent aussi en évidence les différences morpho­logiques entre les sujets. Par exemple la courbure lombaire, voie 4 L3 variede 1,5 m - 1 pour Patrick VA. à - 6,5 m - 1 pour Hervé MA. ce quicorrespond à une lordose très faible pour le premier et très forte pour lesecond. Les mêmes remarques peuvent être faites pour les autres voies.

D10

l3

o

D10

L3

o1

1

1

1

FIG. 7. - Représentation graphique analogique de l'attitude du cycliste avant et après l'épreuvesur bicyclette.' noter l'accentuation de la lordose.

a) Avant le test à bicyclette.b) Ap rès le test à bicyclette.

SujetJ.S.P.V.H.M.J.L.S.G.L.E.R.

Voie 1

01 21111,52,5

Voie 2

06 332,52,53,53,5

Voie 3

010122.51.52,52,5

Voie 4

L32,5521,51,50,5

FIG. 8. - Représentation analogique de l'attitude des cyclistes sur leur machine.' courbure en (m ­1).

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Mesures des courbures moyennes sur bicycletteIl s'agit des courbures moyennes correspondant à la forme du dos des

sujets sur leur bicyclette. Ces mesures ont été faites à l'aide dugalvanomètre. Elles se situent au milieu de l'exercice pour 6 sujets. Unemesure supplémentaire a été effectuée au moment du « sprint final»(grand braquet) pour 5 sujets (fig. 8).

On remarque d'abord que la courbure lombaire est inversée. Ensuiteles différences morphologiques entre les sujets sont très atténuées saufpour la courbure lombaire qui varie de 0,5 m - 1 pour E.R. à 5 m - 1 pourp.v.

Variation des courbures du dos des cycfistes en fonction de l'intensité de l'effort

SujetMilieu du test(( Sprint final ))Evolution

P.V.

01 11,5./06

32'\010

21,5'\L3

55=

H.M.

01 11=06

2,52,5=010

2,52,5=L3

22=

J.L.S.

01 11106

2,531010

1,531L3

1,531

G.L.

01 1,52106

3,541010

2,531L3

1,521

E.R.

01 2,52,5=06

3,53,5=010

2,52,5=L3

0,511

Il semble, mais cela nécessiterait plus de mesures, que les courburesaugmentent avec l'intensité de l'effort. Cela est plus ou moins vrai selonles sujets.

CONCLUSION

Le capteur conçu pour cette étude permet de mesurer les courburesexternes, statiques et dynamiques du dos d'un sujet dans le plan sagittalen quatre points significatifs. Il est d'un usage très simple et ne gêne pas le

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If

sujet. L'influence des boucles de régulation réflexe, visuelle, vestibulairen'est pas envisagée dans ce travail.

Sur le plan de cette activité sportive, l'étude du courbographe nouspermet de conclure lors des mesures statiques et dynamiques prises avantet après effort que la courbure lombaire qui s'est accentuée pendantl'effort et en particulier lors du sprint chez le jeune coureur RA. resteaccentuée, ce qui doit nous orienter:

- vers la thérapeutique après la course pour lutter contre ce défaut demaintien par une kinésithérapie adaptée (massages, gymnastique, myo­relaxants, chaleur);

- à long terme pour la surveillance médico-sportive.Cet appareil nous paraît avoir une certaine valeur dans l'étude

courbographique dynamique du rachis et sa surveillance en particulierchez les jeunes coureurs par sa facilité d'emploi et l'absence de gênependant le test.

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