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Une méthode simple pour mesurer la raideur des membres inférieurs durant la course



Une méthode simple pour mesurer la raideur des membres inférieurs durant la course
Introduction
 
Nous courrons depuis la nuit des temps. C’est une activité pratiquée par des millions de personnes, de façon hebdomadaire, si ce n’est quotidienne. Autrefois utilisée pour chasser sa proie et fuir les prédateurs, la course est aujourd’hui une activité de loisirs, de compétition, de plaisir. Aussi naturelle soit elle, la majorité des coureurs ne se rend pas compte de l’immense complexité des mécanismes qui leur permettent de pratiquer la course à pied.
 
La course peut être définie comme la propulsion d’une masse corporelle sur le sol d’une jambe à une autre. C’est un mouvement de bond vers l’avant sur une jambe, et qui implique des ajustements complexes entre l’équilibre, l’activité musculaire, la coordination des membres, la production de force par les muscles, la transmission de force au système squelettique par les tendons, ainsi qu’une flexion et extension harmonieuse des trois principales articulations du membre inférieur (hanche, genou, cheville) dans le plan sagittal.
 
Les caractéristiques neuro musculaires, tendineuses et ostéo articulaires du mouvement de courses sont en fait si complexes, que les meilleurs ingénieurs au monde ne sont capables de construires des robots bipèdes et quadrupèdes que depuis quelques années seulement. En comparaison, l’homme a réussi la prouesse de faire atterrir un homme sur la lune en 1969.
 
Dans une optique d’approcher la course de façon macroscopique, les biomécaniciens et les physiologistes utilisent des modèles d’intégrations simples pour décrire et analyser la locomotion bipède. Le modèle utilisé pour décrire et étudier la course est le modèle poids / ressort (MPR). Dans cet article, il s’agira tout d’abord de définir ce modèle, puis les principales mesures impliquées, et enfin une méthode simple pour évaluer les caractéristiques mécaniques de ce modèle.
 
Le Modèle Poids / Ressort (MPR)
 
  • Le MPR modélise le coureur comme étant une masse (égal au poids du corps), mettant en charge un ressort linéaire (voir figure ci-dessous), qui représente le membre inférieur (cuisse, jambe, et pied, et articulation de la hanche, du genou et de la cheville). À chaque pas, lorsque le coureur atterri sur le sol, la masse compresse le ressort durant la phase d’amortissement, et ensuite le ressort s’étend lors de la deuxième partie de la phase d’appui, avant la phase oscillante. Contrairement au rebond vertical et au saut, le MPR pour la course implique une oscillation vers l’avant lors du cycle de compression/extension.

Une méthode simple pour mesurer la raideur des membres inférieurs durant la course
 
  • La raideur d’un ressort : mécaniquement, la raideur d’un système déformable se traduit par le ratio entre la force appliquée (F en Newton) pour déformer ce système et la déformation résultante (ΔL changement de longueur en mètre). La raideur « k » s’exprime donc en N/m.
  • Étant donné que le changement de compression et de longueur du membre inférieur suit un comportement globalement déphasé durant la phase d’appui, une méthode simple pour évaluer la raideur du membre inférieur (kleg) est de diviser la force de compression maximale par le changement maximal de longueur de jambe correspondant.  On peut rajouter, dans le but de décrire le mouvement vertical du centre de gravité et pour se concentrer sur les mécanismes de rebond vertical, la raideur vertical (kvert)

Une méthode simple pour mesurer la raideur des membres inférieurs durant la course
 
  • En plus des simples données anthropométriques (poids de corps, longueurs de jambe) et de la vitesse de course, évaluer la raideur en utilisant le MPR nécessite des mesures de la force de réaction au sol (FRS) et la position du centre de gravité au cours du temps.
  • Les différentes données influençant la raideur kleg sont : la fréquence de pas et le temps de contact, la surface de course, la charge et décharge et enfin la fatigue.
Limite de la méthode de référence
La méthode de référence nécessite des instruments spécifiques et couteux pour mesurer la force de réaction au sol. Bien que l’on trouve des tapis de courses instrumentalisés dans les laboratoires, ce n’est pas le cas dans la plupart des cabinets de kiné et chez les coachs de course à pied ou les athlètes.
Par ailleurs, le traitement des données nécessite d’évaluer kvert , kleg et leur différentes composantes Fmax , delta Y et delta L, ce qui retient nombre d’athlètes et de praticiens d’utiliser le MPR.
Dans le but de se défaire de ces limitations, les auteurs proposent une méthode simple de terrain pour évaluer la mécanique poids / ressort, d’après quelques variables du schéma de course qui sont plus faciles à obtenir lors d’un entrainement.

Une méthode simple pour mesurer la raideur durant la course
La méthode se base sur l’hypothèse que la force verticale de réaction au sol à travers le temps a un comportement sinusoïdal durant la course. Sur la base d’une équation d’onde sinusoïdale, et en accord avec les lois du mouvement, les équations finales de la méthode sont les suivantes :
Les 5 variables nécessaires pour évaluer ces caractéristiques du MPR sont le poids du coureur (m en kg), la longueur L de jambe (en m), la vitesse de course v (en m/s), le temps de contact (tc) et le temps aérien (ta) en seconde.

Validation de la méthode 
Deux protocoles ont été réalisés pour valider cette méthode.
  • 1er protocole : 8 coureurs ont réalisé des courses de 30 secondes à 7 différentes vitesses (3,33 à 6,67 m/s) sur un tapis instrumentalisé. Les données mécaniques de la FRS ont été échantillonnées sur 10 pas consécutifs, et des comparaisons statistiques ont été faites entre la référence et la méthode proposée pour chaque pas à différente vitesse de course.
  • 2e protocole : 10 coureurs ont couru à 5 vitesses différentes (4, 5, 6, 7 m/s) sur un plateau de force installé sur la piste de course. À nouveau les données d’un pas à chaque vitesse ont été échantillonnées et comparées à la méthode proposée.
Globalement, la méthode a montré une validité d’acceptable à très bonne


Conclusion
L’objectif principal d’avoir développé, validé et publié une méthode simple pour le calcul de la raideur de membre inférieur était de pouvoir l’utiliser dans la pratique de l’entrainement sportif, notamment dans le domaine du sprint et de la course longue distance. Les auteurs ont ainsi pu voir au cours de la dernière décennie, d’autres académies ou des coachs utiliser cette méthode dans leur boîte à outils d’analyse de la course à pied.
 
Article original : Jean-Benoit Morin, A Simple Method for Measuring Lower Limb Stiffness During Running. Biomechanics of Training and Testing, https://doi.org/10.1007/978-3-319-05633-3_8
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