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Les effets d'un appareil elliptique standard par rapport à un appareil elliptique modifié sur la cinématique des membres inférieurs et l'activité musculaire



Les appareils elliptiques sont un mode d'exercice cardiovasculaire populaire pour les personnes en bonne santé ou en réadaptation. Par rapport à la marche au sol, les appareils elliptiques présentent des coefficients élevés de corrélations multiples pour la cinématique de la hanche (r = 0,85-0,89) et du genou (r = 0,87-0,89) ; cependant, ils provoquent une plus grande flexion de la hanche et du genou que la marche classique (Lu et al., 2007 ; Burnfield et al., 2010, 2011). En outre, les appareils elliptiques ont des exigences métaboliques similaires à celles du jogging sur tapis roulant pendant un exercice sous-maximal, en fonction de l'absorption maximale d'oxygène (Brown et al., 2010). Ils provoquent une plus grande activité musculaire du grand fessier (GM) et du vaste latéral (VL), et une plus faible activité musculaire des muscles semi-tendineux (ST) et des muscles gastrocnémiens médians par rapport à la marche (Burnfield et al., 2010). 
Actuellement, il existe peu de recherches sur les modifications apportées aux appareils elliptiques pour modifier la biomécanique des membres inférieurs, mais les modifications en cours ont été largement examinées pour réduire le risque de blessure des membres inférieurs (Bennett, Shen et al., 2017 ; Brindle et al., 2014 ; Yocum et al., 2018).

Une modification courante consiste à augmenter la largeur des pas pour réduire la charge sur l'articulation du genou dans le plan frontal pour les personnes à risque ou souffrant d'arthrose du genou dans le compartiment médian (OA). L'augmentation de la largeur des marches a permis de réduire le moment d'adduction externe du genou lors de la montée d'un escalier (Bennett, Zhang, et al., 2017) et de la marche en palier (Bennett, Shen, et al., 2017 ; Yocum et al., 2018). À ce jour, seules deux études ont étudié l'augmentation de la distance entre les pédales lors d'un exercice d'entraînement elliptique (Chester et al., 2016 ; Paquette et al., 2015). Paquette et al. (2015) ont comparé un appareil elliptique qui permet un mouvement latéral et imite un mouvement de patinage, à un elliptique standard avec une largeur de pas normale et une largeur de pas plus grande et ont trouvé que l'elliptique latéral induisait un angle de flexion maximale du genou plus important, un angle de varus maximal du genou plus faible et une activité musculaire du vastus medialis (VM) plus importante (Paquette et al., 2015). Ces résultats peuvent être bénéfiques pour les personnes souffrant d'arthrose du genou du compartiment médian ; toutefois, l'augmentation de la distance inter-pédale pour l'utilisation d'un appareil elliptique chez les personnes souffrant de douleurs antérieures du genou ou du syndrome de douleur fémoro-patellaire (PFPS) suscite des inquiétudes (Chester et al., 2016 ; Myer et al., 2010 ; Petersen et al., 2014). Ces préoccupations ont été soulevées à nouveau lorsque Chester et al. (2016) ont constaté une augmentation des angles de flexion maximale du genou en utilisant le même appareil elliptique latéral par rapport à un elliptique standard. 

Dans cette étude (The effects of a standard elliptical vs. a modified elliptical with a converging footpath on lower limb kinematics and muscle activity), Hummer et al. ont comparé les effets d'un appareil elliptique modifié avec une distance inter-pédale réduite et un déplacement des pédales convergent à un appareil elliptique standard, en analysant les modifications biomécaniques des membres inférieurs ainsi que l'activité musculaire. Cette étude vise à déterminer si les différences entre les deux appareils sont basées sur l'inclinaison de l'appareil et les effets de l'inclinaison sur la cinématique des membres inférieurs et l'activité musculaire.

François DUCOURANT vous propose la traduction de cette publication.

Méthodes :

21 étudiants ont été recrutés sur le campus de l'Université mondiale de l'environnement.
  • Critères d’inclusion : être en bonne santé, être sportif de manière récréative (exercice d’intensité modée au moins 3 jours par semaine pendant au moins 20min).
  • Critères d’exclusion : Les participants ne devaient pas avoir subi de blessure aux membres inférieurs ou au tronc susceptible de modifier leur cinématique, ne pas avoir subi d'opération chirurgicale aux membres inférieurs, ne pas avoir souffert de douleurs aux membres inférieurs au cours des six derniers mois. Les participants ont tous déclaré être droitier. Les participants avaient tous une expérience préalable avec un appareil elliptique à trajectoire linéaire standard. Aucun participant n'avait d'expérience sur l'elliptique modifié qui a été fourni à titre de comparaison. 
  • Un système de sept caméras et des marqueurs anatomiques réfléchissants ont été utilisés pour suivre la cinématique du membre inférieur droit des participants.
  • Un système d'électromyographie sans fil a été utilisé pour mesurer l'activité musculaire des muscles suivants sur le côté droit : GM, VL et VM.
  • Deux vélos elliptiques ont été utilisés : un vélo elliptique classique et un modifié, conçu pour inclure un trajet convergent avec une amplitude de mouvement vers l'intérieur de 2,54 cm à la plus basse inclinaison de la rampe (15°) et de 5,08 cm à la plus haute inclinaison de la rampe (35°) (Figure 1). En outre, l’espacement entre les pédales du vélo elliptique a été modifié de 11,43 cm à 6,35 cm par rapport à l'entraîneur elliptique standard (figure 2).

Procédure expérimentale


Les participants ont pris part à une seule séance de collecte de données. Le protocole de test consistait en 6 conditions comprenant deux types de vélos elliptiques (standard et modifié) et trois inclinaisons (15°, 25° et 35°). Les conditions ont été randomisées en fonction de l'elliptique d'entraînement d'abord, puis des inclinaisons avant l'arrivée des participants. Tous les participants ont suivi l'ensemble du protocole pieds nus afin de supprimer tout effet des chaussures sur la cinématique des articulations des membres inférieurs. Il a été demandé aux participants de maintenir une cadence de 120 foulées par minute donnée par l'affichage sur chaque écran des appareils pendant toute la durée du test (Rogatzki et al., 2012). La résistance a été fixée à 10 sur 20 sur l'affichage visuel.

Résultats :
 
  • Cinématique du plan frontal
Il n'y a pas eu de différences significatives (p = 0,568) ni d'effet de l'inclinaison (p = 0,976) sur les angles max. du valgus du genou. Il y a eu un effet significatif de l'elliptique sur le pic de l'angle de valgus du genou (F [1, 18] = 5,50, p = 0,031, η2p 1⁄4 0:234). Le vélo elliptique modifié présentait un angle de valgus max. du genou inférieur à celui de l'appareil d'entraînement elliptique standard. Il n'y a pas eu d'interactions (p = 0,689) ou d'effets significatifs de l'elliptique (p = 0,817) et de l'inclinaison (p = 0,628) pour l'angle d'adduction maximal de la hanche (tableau 2).
 
  • Cinématique du plan sagittal
Une modification significative de l’angle max. de flexion du genou a été observé (F [2, 17] = 5,86, p = 0,006, η2p 1⁄4 0:246). Une comparaison post-hoc a révélé des angles max. de flexion du genou inférieurs pour l'appareil modifié par rapport à l'appareil standard à 15° (p < 0,001) et 25° (p = 0,005). Le vélo elliptique modifié à 15° a également montré une diminution de la flexion du genou par rapport aux appareils modifiés et standard à 25° (p = 0,021 et p < 0,001, respectivement) et 35° (tous deux p < 0,001). Le vélo elliptique modifié à 25° présentait un pic de flexion du genou significativement plus faible que les vélos modifié et standard à 35° (p < 0,001 dans les deux cas). L’appareil modifié à 35° présentait également des angles de flexion maximale du genou significativement plus élevés que l'elliptique standard à 15° (p = 0,009). Enfin, Le vélo elliptique standard réglé à 35° a présenté un pic de flexion du genou plus important qu'à 15° (p < 0,001) et à 25° (p = 0,009).
 
  • Activité musculaire
Aucune interaction (p = 0,771) ou effet significatif de l'elliptique (p = 0,29) sur l'activité musculaire n'a été observé. Il y avait cependant un effet significatif de l'inclinaison (F [2, 21] = 11,50, p = 0,002, η2p 1⁄4 0:35) sur l'activité du GM, l'inclinaison de 35° étant significativement supérieure à 15° (p = 0,007) et 25° (p = 0,003). Aucune interaction significative (p = 0,25) et aucun effet de l'elliptique (p = 0,49) et de l'inclinaison (p = 0,112) n'ont été observés pour l'activité des VM. Une comparaison post-hoc a montré que le vélo elliptique modifié à 15° induisait une activité musculaire du VL significativement plus faible que l’appareil modifié à 35° (p < 0,001) et le standard à 35° (p 0,016). De plus, le vélo elliptique modifié à 25° présentait une activité musculaire VL significativement plus faible que l'entraîneur elliptique modifié à 35° (p = 0,030). Enfin, l'elliptique modifié à 35° présentait une activité musculaire VL supérieure à celle de l'elliptique standard à 15° (p = 0,025) et 25° (p = 0,039). En outre, il y avait un effet significatif de l'inclinaison (F[2, 22] = 33,76, p < 0,001, η2p 1⁄4 0:59) mais aucun effet de l'elliptique (F[1, 23] = 0,117, p = 0,736, η2p 1⁄4 0:005) pour l'activité de VL.



L'objectif de cette étude était de comparer les effets d'un appareil elliptique modifié à un appareil elliptique standard sur la cinématique des membres inférieurs et l'activité musculaire. La principale hypothèse était que des pics de valgus et de flexion du genou plus bas, ainsi que des pics d'angle d'adduction de la hanche plus élevés seraient observés lors de l'utilisation de l'appareil modifié. Cette hypothèse a été partiellement confirmée, car il a été  observé une diminution moyenne du pic de valgus du genou (-9,39%) et des angles de flexion du genou (-7,76%) en utilisant l'elliptique modifié sur trois inclinaisons. La réduction de la largeur inter-pédale et de la trajectoire de conversion sur le vélo elliptique modifié sont des changements qui se produisent dans le plan frontal, ce qui pourrait expliquer les changements des angles de pointe de valgus du genou. Si la diminution des angles de pointe du varus du genou peut être bénéfique pour la charge articulaire du genou, en particulier pour les patients souffrant d'arthrose du genou, elle peut ne pas être bénéfique pour les pathologies de douleur antérieure du genou (Boden et al., 2010 ; Hewett et al., 2005 ; Myer et al., 2010 ; Petersen et al., 2014). La conception de l'appareil elliptique modifié dans l'étude actuelle peut être bénéfique pour réduire les facteurs de risque cinématique pour le PFPS en raison des angles de valgus max. du genou plus faibles par rapport à l’apareil standard (tableau 2).

Paquette et ses collaborateurs (2015) ont signalé une augmentation des angles de flexion max. du genou lors de l'utilisation de l'exerciseur elliptique latéral (-69,6°) par rapport à l'exerciseur elliptique standard (-38,5°). Ces résultats sont plus similaires à ceux de l'elliptique latéral, avec des angles de flexion du genou allant de -61,9° à -74,6°. Les angles de flexion maximum du genou ont été utilisés comme facteur de risque potentiel de blessures au genou dues à une surutilisation. Plus précisément, l'augmentation de la flexion maximale du genou a été associée à une charge articulaire maximale du genou pendant le cyclisme, et pendant la marche (Creaby et al., 2013 ; Holmes et al., 1994). Le vélo elliptique modifié pourrait être plus bénéfique pour réduire le risque de blessures de surutilisation et de pathologies de douleur antérieure du genou par rapport à l'entraîneur elliptique standard dans les trois paramètres d’inclinaison.

Malgré cela, l’hypothèse principale a été partiellement rejetée dans la mesure où le pic d'adduction de la hanche n'a pas changé de manière significative en fonction de l'appareil elliptique. Des résultats non-significatifs similaires pour les angles d'adduction maximale de la hanche ont été trouvés en comparant un elliptique latéral (3,0°) à un elliptique standard (2,2°) (Paquette et al., 2015). Cependant, la modification de la position du pied pour une position plus large sur un vélo elliptique standard a permis de réduire de manière significative le pic d'adduction de la hanche de 2,4° par rapport à l’appareil standard (Paquette et al., 2015). L'adduction maximale de la hanche est une composante du valgus dynamique du genou, au même titre que la rotation interne de la hanche et l'abduction du genou. Bien qu’aucune différence au niveau de la hanche dans le plan frontal n’a été trouvé, il existe toujours une différence dans les angles de valgus maximum du genou (tableau 2). Par conséquent, la diminution de l'angle max. du valgus du genou qui en résulte peut être le produit d'une diminution de l'abduction tibiale, sans qu'aucun impact ne soit observé sur la cinématique du plan frontal de l'articulation de la hanche.
L’hypothèse secondaire a été rejetée : aucune différence significative n'a été observée pour l'activité du muscle VM (tableau 3) entre les 2 appareils avec les différentes variantes d’inclinaison. La comparaison post hoc a permis de constater que si les deux appareils elliptiques augmentaient l'activité musculaire VL avec l'inclinaison, l'appareil modifié semblait augmenter plus fortement que l'appareil elliptique standard (tableau 3). Mais il est impossible de tirer des conclusions quant à la variabilité de l’activation musculaire entre les 2 appareils. 
L’hypothèse tertiaire était que l'augmentation de l'angle d'inclinaison entraînerait une augmentation des angles de flexion max. du genou et de l'activité musculaire des GM, VM et VL. Cette hypothèse a été partiellement vérifiée : l'augmentation de l'angle d'inclinaison a augmenté les angles de flexion maximum du genou ainsi que l'activité musculaire des GM et VL, mais pas l'activité musculaire des VM. Les angles de flexion maximum du genou étaient supérieurs de 5,74% et 13,95% à 25° et 35° par rapport à 15°. Ces résultats cinématiques sont comparables à ceux trouvés dans les études de marche en monté, constatant une augmentation des angles de flexion des articulations des membres inférieurs (Lay et al., 2006). L'une des préoccupations des populations souffrant de pathologies articulaires du genou est l'incidence de l'augmentation de la flexion du genou, qui est un facteur de risque pour les blessures liées à la surutilisation (Holmes et al., 1994). Cependant, si les individus font de l'exercice pour augmenter la force des quadriceps, l'augmentation de l'inclinaison peut être justifiée par les résultats d'une activité accrue de la VL. En outre, les personnes atteintes de SPFV présentent généralement une faiblesse musculaire de l'articulation de la hanche qui a un impact supplémentaire sur la biomécanique de leurs membres inférieurs (Prins & van der Wurff, 2009). Or, les résultats de cette étude indiquent que l'exercice à une inclinaison de 35° augmente significativement l'activité musculaire GM par rapport à une inclinaison plus faible. Ce paramètre est donc à prendre en compte lorsque l’on cherche à augmenter la force du GM. 

L'étude actuelle présente certaines limites. Tout d'abord, l'artefact de mouvement de la peau provenant des marqueurs réfléchissants ainsi que la précision du placement des marqueurs est une limitation possible de cette étude. Deuxièmement, les effets de la diaphonie lors de l'utilisation de l'EMG de surface limitent les conclusions aux compartiments musculaires, plutôt qu'aux muscles individuels. Troisièmement, pour certains des essais d'ECVM, il n’a pas été possible de réaliser des contractions musculaires max., ce qui a entraîné des contractions isotoniques. Quatrièmement, comme les participants avaient l'expérience de l'appareil elliptique standard mais pas de celui modifié, cela constitue également une limitation potentielle dans cette étude. Enfin, étant donné que l'elliptique modifié avait à la fois un parcours convergent et une largeur inter-pédale réduite, il est impossible de conclure quelle modification a directement entraîné les changements de la cinématique des membres inférieurs et de l'activité musculaire.

Conclusion :

La modification d'un appareil elliptique avec un parcours convergent et une distance inter-pédale réduite a entraîné une diminution du pic de valgus du genou et des angles de flexion du genou par rapport à un vélo elliptique standard. Les réductions observées des angles de pointe du valgus du genou pourraient être bénéfiques pour réduire le risque de blessure chronique due à la sur-utilisation, comme dans le cas de surcharge pondérale ou pour les personnes qui se remettent de pathologies antérieures du genou douloureuses en utilisant  l'elliptique modifié pendant de longues périodes. La diminution de la flexion maximale du genou pourrait contribuer à prévenir d'autres blessures dues à la sur-utilisation, car les angles de flexion maximale du genou ont été liés à la charge sur l'articulation du genou (Creaby et al., 2013). Cependant, l'elliptique modifié pourrait ne pas être bénéfique pour certaines pathologies, comme l'arthrose du genou du compartiment médian, où une réduction du valgus pourrait exacerber les symptômes. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour étudier la charge articulaire des membres inférieurs résultant de ces modifications, afin d'explorer pleinement les avantages ou les inconvénients biomécaniques de l’appareil modifié. Des recherches supplémentaires sont nécessaires sur les impacts à long terme de l'entraîneur elliptique modifié sur la biomécanique des membres inférieurs.

L'article  : 
Hummer, E., Murphy, E., Suprak, D., Brilla, L. and San Juan, J., 2020. The effects of a standard elliptical vs. a modified elliptical with a converging footpath on lower limb kinematics and muscle activity. Journal of Sports Sciences, pp.1-8. Doi : 10.1080/02640414.2020.1786241 
 




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