Le port de charges par l’utilisation d’un sac : Une revue des aspects physiologiques, biomécaniques et médicaux

1. Le port de charges par l’utilisation d’un sac :Une revue des aspects physiologiques, biomécaniques et médicaux Thomas RAPHALEN et Gianni BERNARD

2. Sommaire : Introduction : Thème et définition du port de charges • Aspects physiologiques du port de charges • Aspects biomécaniques du portage • Problèmes médicaux associés au port de charges • Influence du port de charges dans les tâches spécifiques • Conclusion

3. Thème Étude physiologique, biomécanique et médicale pour des suggestions pratiques de facilitation pour le port de charges

4. Définition du port de charges Il est définit comme un type de locomotion. On transporte une masse externe par la partie supérieure du torse (lanières aux épaules et/ou ceinture à la taille).

5. Sommaire : Introduction : Thème et définition du port de charges • Aspects physiologiques du port de charges • Aspects biomécaniques du portage • Problèmes médicaux associés au port de charges • Influence du port de charges dans les tâches spécifiques • Conclusion

6. I) Aspects physiologiques du port de charges • Modèle mathématique pour une estimation du coût énergétique • Effets physiologiques de la vitesse lors du port de charges • Effets physiologiques des programmes d’entraînement

7. I-1) Coût énergétique et port de charges I-1-1) La répartition des charges Distinction: sac à dos / double-sac Plus on place la charge proche du centre de gravité moins le port sera coûteux en énergie. Même si le double sac est encore moins coûteux, il reste moins polyvalent et peut gêner la mobilité du porteur. Possibilité de régler le problème du double sac par une modification de son design (en ce qui concerne l’étude chez les militaires).

8. Trois méthodes de port de cartable: • Un sac porté par une lanière • Un sac avec une lanière plus une ceinture de hanche • Un double cartable avec une lanière et une ceinture de hanche Pas de différence entre les trois au niveau du coût énergétique. Dans tous les cas, il y a adaptation de la marche. Enfin, il y a une différence entre le cartable et le sac à dos (avec deux lanières) pour le coût énergétique.

9. I-1-2) Prédire le coût énergétique du port de charges • Mise au point de trois équations: • 1ère(Giovani et Goldman, 1971) : Prédire le coût énergétique de la locomotion avec sac à dos, • 2ème(Pandolf & al, 1977) : même prédiction plus le coût énergétique de la position statique (vitesse fixée à 8km/h), • 3ème(Epstein & al, 1987) : 2ème équation mais en course (>11,5km/h).

10. Limites de la 2ème équation: • Pas de prédiction de la marche en descente, • Pas de prise en compte du coût énergétique sur le long terme. Plusieurs études supplémentaires, développent cette équation: Epstein & al (1988) et Patton & al (1991) traitent de la marche sur plus de 2 heures Saving & al (1994) prennent en compte le coût énergétique pendant 4 heures de marche à vitesse constante. Son augmentation dure dans le temps à haute charge et/ou à haute vitesse.

11. Remarques:Nuancer les résultats.Des différences sont observées dans la méthode d’investigation: • Condition physique et apparition de la fatigue. • Type de sac utilisé et groupes musculaires sollicités. Conclusion: L’entraînement physique réduit le coût énergétique, ainsi que le type de sac avec lanière et ceinture (la fatigue physique advient plus rapidement avec une sollicitation des muscles supérieurs seuls).

12. I-1-3) L’allure individuelle L’allure individuelle est l’allure naturelle, elle est moins coûteuse énergétiquement que l’allure forcée. La vélocité diminue linéairement avec une augmentation de charge. • L’allure individuelle dépend de: • la masse de charge • la VO2max du sujet • la distance à parcourir Exemple d’étude…

13. I-2) Facteurs physiologiques associés à la vitesse de port de charges Dans une étude, des sujets effectuent des tests physiologiques: • Mesure de la force musculaire • Capacités aérobie et anaérobie • Composition corporelle Les sujets doivent effectuer un parcours le plus vite possible en portant une charge donnée. Cela afin de comparer le temps de trajet (achevé) et les variables physiologiques.

14. Résultats: Corrélation obtenue Temps de trajet Force musculaire (membres inf. et sup.) Capacité aérobie N.B. : la relation diminue lorsqu’on fait entrer en jeu la masse grasse

15. I-3) Entraînement physique et port de charge • On sait que: • Le coût énergétique diminue à la suite d’un entraînement avec une même charge sur plusieurs semaines. • Cette adaptation physiologique existe pour les sujets entraînés comme pour les sujet sédentaires. Concernant le type d’entraînement: la combinaison d’un entraînement aérobie et d’un second avec résistance améliorerait la vitesse. Alors qu’indépendamment, cet effet n’est pas observé. Quand à la fréquence d’entraînement au port de charge, un étude a montré qu’un minimum de 2 séances par mois serait nécessaire.

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17. II) Aspects biomécaniques du port de charges Afin d’établir la dynamique de marche avec charge et calculer les moments de force sur les groupes musculaires, leurs caractéristiques sont observées par électromyogramme(EMG)pour: • Différentes méthodes de port de charge • Différentes charges

18. II-1) Activité musculaire et port de charges • Celle des extenseurs du tronc est plus faible avec une charge légère, plutôt que sans. La bascule arrière due au poids du sac réduit l’activité de ces muscles. • L’EMG des extenseurs est significativement plus fort avec une charge de 30 à 40 Kg, plutôt que sans. Dans ce cas, une armature et une ceinture trouvent leur utilité pour harmoniser la répartition de la masse. Activité musculaire:

19. Pour l’élévation de la vitesse de marche, les résultats de l’EMG augmentent significativement, pour les muscles locomoteurs (quadriceps, tibia antérieur, les gastrocnémiens et les ischio-jambiers) mais pas pour ceux servant au support et à l’équilibration de la charge (extenseurs et trapèzes). L’EMG des extenseurs et trapèzes est élevé: • si le centre de masse du sac est haut • et si le sac ne possède pas d’armature.

20. II-2) Effet mécanique du port de charges Voici ce que l’augmentation de charge provoque sur le cycle de marche: Diminution Augmentation • oscillations du cycle • balancements posturaux • rotations du bassin • longueurs des pas • phases d’appui des pieds au sol • pourcentage de « double-appui » • flexions des genoux • inclinaisons du tronc • « ouverture » de la cheville • fréquences des pas

21. II-3) Effet mécanique de la vitesse sur le port de charges L’augmentation de la vitesse de déplacement entraîne: • L’élévation de la longueur et de la fréquence de marche. • L’augmentation du pourcentage de « double appui » par pas • Croissance des forces d’impulsion, de propulsion et de freinage • Accélère l’ensemble des mouvements • Retarde l’action des forces de propulsion et de freinage.

22. II-4) Effet mécanique du type de sac Il est constaté qu’avec un sac, les balancements posturaux, caractéristiques de la marche naturelle, s’effacent et qu’il y a déplacement du centre de masse [corps+sac] vers l’avant. Un sac à dos sans renfort d’une armature, ni ceinture, exerce trop de pressions par les lanières sur les épaules. Pour le placement du centre de masse, mieux vaut qu’il soit réparti uniformément sur tout le dos pour : • plus de stabilité en mouvement et en statique, • moins de traumatismes dus à l’inclinaison du corps, si la masse du sac est placée trop bas, • un confort de marche pour tout genre de terrain.

23. Les stratégies de positionnement de charges nous amène à une proposition: Un double-sac, qui offre une meilleure stabilité en statique ou en dynamique, moins d’inclinaison du centre de masse et moins d’influence sur la longueur et la fréquence de pas. Seulement, il limite la mobilité des bras et la visibilité (champs de vision).

24. II-5) Effet de la fatigue Elle est la même quelque soit le type de sac. Mais le corps reste plus droit avec un double sac. Causes de fatigue: • Fréquence plus élevée • Longueur de pas réduite • Réduction de l’angle jambe/hanche • Inclinaison plus importante du tronc vers l’avant (sauf pour le double sac)

25. II-6) Différences Hommes/Femmes Femmes Hommes • Petite longueur de pas • et diminue avec la charge • Fréquence élevée • Augmentation linéaire • du temps de double appui • avec charge • Grande longueur de pas • et pas de changement • avec une charge • Fréquence de pas moyenne • Augmentation du temps de • double appui moins prononcé N.B. : les différences intersexes persistent quelques soit la taille ou la composition corporelle

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27. III) Problèmes médicaux associés au port de charges Certains problèmes médicaux aigus liés au port de charges existent et peuvent endommager la mobilité d’un individu En situation militaire ils peuvent réduire l’efficacité d’une unité tout entière • Deux études sont à citer: • la 1ère rapporte l’incidence des dommages résultant d’excursions militaires simples (incidence du port de charges de 24% à 90%) • la 2ème est une investigation détaillée de dommages liés au port de charges (ampoules, fractures de fatigue, paralysies,…)

28. III-1) Ampoules aux pieds Dommages les plus fréquents liés au port de charges Elles sont dues aux frottements des chaussettes sur la peau Il s’agit d’une lésion bénigne mais qui peut devenir chronique et occasionner une limitation de l’activité Elles peuvent s’aggraver sous forme de sepsis (réponse inflammatoire) ou de cellulitis (infection cutanée)

29. Les charges lourdes ont une influence sur la survenue d’ampoules Cela est due à l’augmentation des pressions sur la peau et aux frottements Le double sac permet de réduire ces dommages Certains types de chaussettes (en acrylique notamment) et des semelles Spenco permettent également de limiter la survenue d’ampoules Un entraînement physique régulier avec port de charges apporte une adaptation de la peau et réduit la probabilité d’ampoules

30. III-2) Métatarsalgie Terme spécifique de dommages occasionnés par une « sur-utilisation » des pieds La marche avec charges lourdes est un facteur prédisposant aux métatarsalgies : rotation du pied antéropostérieure autour des métatarses qui amène à un effet mécanique d’usure.

31. III-3) Fractures de fatigues Elles sont définies comme des ruptures d’effort des membres inférieurs Le risque de fractures de fatigue est augmenté par le port de charges sur longue distance et le style de marche; et cela quelque soit le sujet Fracture du genoux : l’extrémité supérieure du tibia est complètement détachée du reste du tibia, et les surfaces articulaires sont en plusieurs fragments.

32. III-4) Douleurs de genoux Symptômes associés au port de charges lourdes Incidence visible lors de longues marches fatigantes et débouchant sur plusieurs jours d’incapacité

33. III-5) Dommages lombo-sacrés Lors de dommages lombo-sacrés on constate des problèmes significatifs pour les marches avec port de charges. • Dommages difficiles à définir car dépendants de plusieurs traumatismes: • disques intervertébraux • ligaments liés aux nerfs vertébraux • racines des nerfs • supports des muscles

34. Peuvent être dus à: • contraintes sur les muscles dues aux changements d’angle du tronc • problème de synchronisation entre le tronc et les charges portées, causant des contraintes cycliques sur les muscles du dos, les os et les ligaments Le double sac peut aider à réduire les conséquences des problèmes de dos car il permet une posture plus droite et élimine le recourbement prolongé.

35. III-6) Paralysie suite au port de sac à dos Hypothèse: peut être due aux tractions occasionnées par les lanières sur les nerfs en C5 et C6 du plexus brachial supérieur. Sûrement due au port de charges sur longues distances et à la mauvaise répartition de celles-ci. • Symptômes généraux: • Engourdissements • Crampes • Douleurs (épaules, fléchisseurs du coude, extenseurs du poignets) • « Décrochement scapulaire » L’utilisation d’une ceinture prouve son utilité en diminuant les pressions sur les épaules

36. III-7) Gènes locales et fatigues locales durant le portage • Les douleurs locales et gènes portent le plus souvent sur : • les pieds : ampoules, abrasions et pressions • les épaules à cause des lanières qui appliquent des pressions • le dos, par la modification des forces de traction. • La fatigue locale après port de charges se ressent principalement sur: • les extenseurs du tronc • les extenseurs du genou • les extenseurs de la hanche Le double sac ou le sac avec ceinture ont été démontré comme induisant moins de fatigue et de gène que le sac conventionnel

37. Sommaire : Introduction : Thème et définition du port de charges • Aspects physiologiques du port de charges • Aspects biomécaniques du portage • Problèmes médicaux associés au port de charges • Influence du port de charges dans les tâches spécifiques • Conclusion

38. IV) Influence du port de charges dans des tâches spécifiques (étude chez les militaires) Quelque soit la tâche prescrite le volume, la répartition et le poids de la charge semblent importants Avec une augmentation de charges il y a systématiquement une diminution des performances dans des tâches telles que : • les courses courtes • les parcours d’obstacles • les montées d’échelles • les parcours d’agilité Exemples des tireurs d’élite et des lanceurs de grenades

39. V) Conclusion Facilitation du port de charges La revue présentée critique l’état actuel des recherches physiologiques, biomécaniques et médicales dans le domaine du portage. • La littérature indique plusieurs méthodes de facilitation du port de charges : • réduction du poids total de charges • modification de l’équipement • techniques spécifiques dirigées vers une diminution des dommages

40. Modification de l’équipement Réduction du coût énergétique Démarche ≈ sans charge (amelioration performances) Diminution de la gène locale (dommages) Le double sac permet toutes ces améliorations

42. Limites du double sac : • Problèmes de ventilation • Problèmes d’échange de chaleur • Petite gène pour le porteur lors de tâches spécifiques Un sac avec une armature de rembourrage et une ceinture permet : Moins d’impression d’effort Réduction du poids Diminution de l’incidence de certains dommages • Le terrain influence le positionnement de la charge: • Sur terrain nivelé : placement en hauteur des charges lourdes • sur terrain accidenté : placement uniforme

43. Analyse biomécanique simple des forces appliquées au sac conventionnel et au double sac (en statique et en dynamique) Légende : Masses des corps (P) Forces de Réaction (R) Moments de forces (M../..) Vitesses (V)

44. Analyse des moments de force statique

45. Analyse des moments de force dynamique

46. Analyse des forces avec port d’un gilet (double-sac) en statique Ici, les résultantes des poids avant et arrière se compensent presque totalement et donne une meilleure posture du tronc