Un exemple d’outil pour tester l’interface homme-matériel : le contrôle de l’équilibre

1. Un exemple d’outil pour tester l’interface homme-matériel : le contrôle de l’équilibre Pr Patrice ROUGIER Laboratoire de Physiologie de l’Exercice Université de Savoie 73 376 Le Bourget du lac Mel : patrice.rougier@univ-savoie.fr Site perso : p-i.rougier.perso.sfr.fr

2. Le cadre réglementaire - Les études scientifiques portant sur l’homme normal ou pathologique sont régies par la loi du 20-12-1988 dite loi Huriet qui a été révisée le 9 Aout 2004. - Cette loi garantit la protection des personnes se prêtant à des recherches biomédicales - La loi impose l’obtention de l’avis d’un comité de protection des personnes - Elle impose de fournir au patient une information détaillée sur le traitement reçu http://www.recherche-biomedicale.sante.gouv.fr

3. Contexte - La loi Huriet constitue le premier dispositif légal français en matière de recherche biomédicale. Elle trouvait sa nécessité d’adapter la législation nationale aux besoins de la recherche. - Les textes antérieurs sont la conséquence directe d’une réflexion sur l’atrocité des expérimentations nazies lors de la seconde guerre. - En 1947, l’Association Médicale Mondiale édicte le Code de Nuremberg qui vise à interdire toute expérimentation sur la personne humaine, sans avoir au préalable recueilli un consentement libre et éclairé. - En 1966, le Pacte des Nations-Unies relatif aux droits civils et politiques énonce que « nul ne sera soumis à la torture, ni à des actes ou de peines inhumains et dégradants ». Il était donc interdit de soumettre une personne sans son libre consentement à une expérience médicale ou scientifique.

4. Quelques définitions - La balance risques/bénéfices consiste en une évaluation, pour chaque projet de recherche, des risques et inconvénients prévisibles, d'une part, et du bénéfice attendu pour la personne ou l'intérêt pour la santé publique, d'autre part - La personne physique ou morale qui prend l’initiative d’une recherche biomédicale est dénommé promoteur - La ou les personnes physiques qui dirigent et surveillent la réalisation de la recherche sont dénommées investigateurs - Lorsque le promoteur d’une recherche confie sa réalisation à plusieurs investigateurs, il désigne parmi eux un investigateur principal

5. Dispositions générales (1) Aucune recherche sur l’être humain ne peut être effectuée: - Si elle ne se fonde pas sur le dernier état des connaissances scientifiques et sur une expérimentation pré-clinique suffisante - Si le risque prévisible encouru par les personnes qui se prêtent à la recherche est hors de proportion avec le bénéfice escompté pour ces personnes ou l’intérêt de la recherche - Si elle ne vise pas à étendre la connaissance scientifique et les moyens susceptibles d’améliorer sa condition - Si elle n’a pas été conçue de telle façon que soient réduits au minimum la douleur, les désagréments, la peur et tout autre inconvénient prévisible lié à la maladie ou à la recherche, en tenant compte particulièrement du degré de maturité pour les mineurs et de la capacité de compréhension pour les majeurs hors d’état d’exprimer leur consentement.

6. Dispositions générales (2) Les recherches biomédicales ne peuvent être effectuées que : - sous la direction et sous la surveillance d’un médecin justifiant d’une expérience appropriée - dans des conditions matérielles et techniques adaptées à l’essai et compatibles avec les impératifs de rigueur scientifique et de sécurité des personnes qui se prêtent à ces recherches.

7. Dispositions générales (3) La recherche biomédicale exige la souscription préalable, par le promoteur, d’une assurance garantissant sa responsabilité civile Elle peut donner lieu à une indemnité pour contraintes subies Il est normalement interdit de participer simultanément à plusieurs recherches La responsabilité du promoteur est relative à une faute présumée. Afin de s'exonérer de sa responsabilité, il appartient à ce dernier de prouver l'absence de sa faute ou de celle de tout intervenant ; il ne peut toutefois soulever le fait d'un tiers ou le retrait volontaire de la personne qui a initialement consenti à la recherche

8. Dispositions générales (4) Préalablement à la réalisation d'une recherche biomédicale sur une personne, l'investigateur doit lui fait connaître notamment : - L'objectif, la méthodologie et la durée de la recherche - Les bénéfices attendus, les contraintes et les risques prévisibles, y compris en cas d'arrêt de la recherche avant son terme - L'avis du comité de protection des personnes et l'autorisation de l'autorité compétente - Le cas échéant, l'interdiction de participer simultanément à une autre recherche ou la période d'exclusion prévues par le protocole et son inscription dans le fichier national

9. Principes - une limitation de la mise en oeuvre de la recherche : elle n'est possible qu'à la condition que des recherches d'une efficacité comparable ne puissent être effectuées sur une autre catégorie de la population - une balance risques / bénéfices spécifique : l'importance du bénéfice escompté doit en effet être de nature à justifier le risque prévisible encouru - le caractère minimal des risques et des contraintes de la recherche mise en oeuvre

10. Toutefois, les dispositions du présent titre ne s’appliquent pas: - Aux recherches dans lesquelles tous les actes sont pratiqués et les produits utilisés de manière habituelle, sans aucune procédure supplémentaire ou inhabituelle de diagnostic ou de surveillance - Aux recherches visant à évaluer les soins courants, autres que celles portant sur les médicaments, lorsque tous les actes sont pratiqués et les produits utilisés de manière habituelle mais que des modalités particulières de surveillance sont prévues par un protocole, obligatoirement soumis à l’avis du comité de protection des personnes

11. Les orthèses de cheville - Elles servent à rigidifier l’articulation des chevilles - Elles permettent de limiter l’amplitude articulaire et l’activité musculaire - Elles sont prescrites dans un cadre prophylactique ou lors de la rééducation - Plusieurs modèles sont commercialisés présentant divers degrés de rigidité

12. Comparaison de différents modèles d’orthèses de cheville - L’objectif est ici de caractériser les effets de ces orthèses sur l’homme en bonne santé - Justification du choix de la tâche: le maintien de la station debout non perturbée est une tâche sensori-motrice mettant à contribution l’articulation des chevilles - Des sujets jeunes en bonne santé, dépourvus de tout antécédent traumatique récent permettent de mettre en évidence les effets des caractéristiques physiques du produit - L’inclusion de sujets déficients augmente la variabilité comportementale et met en jeu des interactions avec d’autres facteurs comme la douleur, la peur de la récidive

13. 1° étude: Rougier et al., Clin Biomech (2004) - Les sujets sont debout sans contrainte de répartition de poids - Les mesures sont effectuées par une plate-forme de force unique - Les orthèses sont portées bilatéralement de façon à induire des effets a priori identiques des 2 côtés

14. Ortel – Dynastab Ligacast - Ligaflex

15. Ortel est une chaussette contendante n’entraînant pas de contraintes particulières au niveau de la cheville. De ce fait, ce modèle, d’habitude prescrit pour des entorses bénignes,a été choisi comme référence. Dynastab est un modèle constitué d’un chausson-talon non rigide doté d’un serrage par laçage permettant de limiter les mouvements dans l’articulation sous-astragalienne et tibio-tarsienne. En supplément, deux sangles entourant la cheville permettent de renforcer le maintien. C’est un modèle prescrit pour le « sevrage » faisant suite à une première attelle ou à visée protectrice pendant la phase de récupération de la vigilance musculaire. Ligacast est un modèle constitué de coques latérales rigides en plastique, l’ensemble étant fixé par des sangles s’enroulant autour de la jambe. Ce type d’orthèse est en général recommandé pour les entorses bénignes des ligaments latéraux externe et interne ainsi que pour l’immobilisation des premiers jours. Il est également utilisé pour la reprise de la marche dans les entorses moyennes et graves et les fractures malléolaires. Ligaflex est constitué d’une chaussette contendante sur laquelle se fixent deux sangles élastiques de rappel externe en valgus,s’enroulant autour des chevilles. Ce modèle est recommandé pour les entorses accompagnées de sensations d’instabilité chronique après la reprise des appuis.

17. Histograms showing group means and standard deviations for parameters issued from the fBm modelling: spatio-temporal co-ordinates of the transition point (hDx2i and Dt) on the upper part and scaling exponents Hsl and Hll on the lower part. As in Fig. 3, statistical differences are expressed above the histograms (** P < 0:01; * P < 0:05). Note the significant decreases of the spatial co-ordinates of the transition points for both Dynastab and Ligacast on CoP–CoGv and CoGh motions which are accompanied by opposite increases in Hll for CoGh motions in the MLdirection. This feature expresses a tendency to obtain an improved corrective control when the distance covered until the onset of this process is reduced.

18. Discussion - Les effets posturaux de chacune des orthèses sont spécifiques - Les effets agissent préférentiellement sur les mouvements de CP-CGv, signifiant une diminution de l’activité neuro-musculaire - Les effets sont sensiblement de mêmes amplitudes selon les axes ML et AP

19. 2° étude: Rougier et al., Res Quart Exer Sport (2009) - Les sujets sont testés en situation de bipédie (avec une contrainte de répartition de poids 2/3 – 1/3) et d’unipédie - Les mesures sont effectuées par une double et une simple plate-forme de force - Les orthèses sont portées unilatéralement de façon similaire à ce qui est observé chez les patients souffrant d’entorse de la cheville - Le modèle d’orthèse choisi pour cette étude est l’orthèse Ligacast Immo, qui est une évolution, économiquement plus intéressante, du modèle Ligacast

21. Protocole • 4 conditions X 2 protocoles • pieds nus • bas de contention élastique • orthèse rigide • orthèse rigide + bandage - 14 sujets en bonne santé - 10 essais de 32’’ avec 32’’ et 10’ de repos entre essais et conditions

24. Discussion - Le protocole de bipédie apparaît le mieux à même de mettre en évidence des effets statistiquement significatifs - Ces effets agissent exclusivement sous l’appui déchargé portant l’orthèse - Les effets sont sensiblement de mêmes amplitudes selon les axes ML et AP - Par rapport au bas de contention, l’orthèse rigide dans un premier temps et le bandage dans un second permettent une diminution des déplacements du CP sous l’appui déchargé - Biomécaniquement, ces effets sous l’appui déchargé déterminent des effets de même nature sous l’appui chargé

25. 3° étude: Genthon et al., Scand J Med Sci Sports (2009) • Deux groupes de sujets sont inclus: • des sujets normaux devant répartir leur poids de corps selon un ratio 1/3 – 2/3 • des patients souffrant d’une entorse de cheville de niveau faible ou moyen - Les mesures posturographiques sont effectuées par une double plate-forme de force à J0, J10 et J30 - Des mesures cliniques (taille de l’oedeme, douleur, degré de gravité) sont également effectuées - Les orthèses sont portées pour tous les sujets (sains et pathologiques) unilatéralement - L’orthèse choisie pour cette étude est Ligacast Immo

26. Caractérisation du patient avec entorse

27. Les effets de l’orthèse

28. Discussion - La douleur apparaît être le facteur principal responsable de l’asymétrie - A J10, l’asymétrie est encore présente; elle a disparu à J30 - Les effets de l’orthèse consistent en une réduction des déplacements du CP déchargé et du CPRes - Le bas de contention seul conduit à des effets de même nature mais intermédiaires - Les effets de l’orthèse sont identiques tout au long du mois de test

29. Les orthèses releveurs de pied Une des caractéristiques des patients hémiplégiques est le syndrome du pied tombant L’orthèse est à ce jour la seule aide mécanique susceptible de réduire les mouvements parasites de l’appui parétique Le rôle de l’orthèse est de maintenir le pied dans une position anatomique compatible avec la marche Pour cette raison, la plupart des études ont été réalisées sur cette tâche Les stratégies d’équilibration permettent néanmoins de différencier les effets induits par les modèles et/ou les réglages

30. Du point de vue postural, les stratégies d’équilibration du patient hémiparétique se caractérisent par : - une asymétrie de répartition du poids de corps - une asymétrie et une modification du patron des trajectoires des CP plantaires - une antériorisation de l’appui sous la jambe parétique - dans certains cas une désynchronisation des deux trajectoires des CP plantaires

31. Accident vasculaire cérébral D’après Genthon et al., Stroke (2008) 39:1793-9

32. Première étude (Guillebastre et Rougier, ARMP, 2007) 16 sujets en bonne santé Mesures par double plate-forme de force • Quatre conditions: • en chaussette (REF) • avec une orthèse stabilisatrice de cheville (Ligacast Immo, Thuasne) • avec une orthèse releveur de pieds rigide (Ormihl-Danet) • avec une orthèse releveur de pieds souple (Ormihl-Danet) 6 essais de 32’’ par condition, repos : 15’’ et 6’ Posture asymétrique

33. souple rigide

34. Résultats 1 : positions moyennes Postions moyennes des trajectoires du CPRes (à droite) du CPDéc et du CPCha (à gauche) en fonction des deux axes (ML et AP) pour les quatre conditions expérimentales. Noter le recul sur l’axe AP de ces positions lors du port d’orthèses, ainsi que l’absence d’effet selon l’axe ML qui traduit la même asymétrie pour toutes les conditions.

35. Résultats 2 : spectres CP plantaires Spectres fréquentiels moyens des déplacements des CPCha et CPDéc (du pied muni d’une OSC, d’une ORP-R ou d’une ORP-S) ainsi que les paramètres RMS et FM planaires (moyenne ± écart-type), sous forme de diagramme à bandes, permettant leur caractérisation. Noter la diminution de l’amplitude de 0 à 1 Hz sur le spectre OSC, la diminution d’amplitude (mesurées d’après les RMS) des mouvements du CP de la jambe déchargée et l’augmentation de la fréquence médiane (FM) des mouvements du CP de la jambe chargée.

36. Résultats 3 : spectres CP résultant Spectres fréquentiels moyens des déplacements du CPRes selon les axes ML et AP, ainsi que les paramètres RMS et FM selon les mêmes axes (moyenne ± écart-type), sous forme de diagrammes à bandes, permettant leur caractérisation. Noter l’allure générale des diagrammes montrant une diminution d’amplitude (RMS) accompagnée d’une augmentation de la fréquence médiane (FM), cette dernière étant statistiquement significative selon l’axe AP.

37. Discussion Des résultats propres à chaque modèle sont observés Avec une ORP l’appui est reculé et recentré Cet effet de recul est d’autant plus prononcé que l’orthèse est rigide Cet effet de recul est plus facilement observable sur le CP plantaire de l’appui déchargé que sur celui du signal résultant Une diminution des amplitude est observable sous l’appui déchargé portant l’orthèse

38. Seconde étude (Guillebastre et al., JRM, 2007) 11 sujets en bonne santé Mesures par double plate-forme de force • Trois conditions: • pieds nus (REF) • - avec une orthèse releveur de pieds articulée peu tendue (Ormihl-Danet) • avec une orthèse releveur de pieds articulée tendue (Ormihl-Danet) 4 essais de 64’’ par condition, repos : 30’’ et 10’ Posture asymétrique reproduisant les caractéristiques de l’hémiplégique (avancée du pied déchargé)

40. Illustration des positions moyennes des trajectoires du CPRes, du CPDéc et du CPCha pour les 3 conditions expérimentales selon les axes ML et AP. Noter le recul de ces positions lors du port d’orthèse (couleur noire) vis-à-vis de la condition de référence (couleur grise), ainsi que les valeurs moyennes du CPDéc (en moyenne 139 mm) largement supérieures à celles du CPCha (en moyenne 81 mm) qui traduit l’antériorisation du CP de la jambe déchargée par rapport au CP de la jambe chargée. * : p < 0,05.

41. Variance des trajectoires du CPRes (en haut) du CPDéc (au milieu) et du CPCha (en bas) pour les 3 conditions expérimentales selon l’axe AP. Concernant le CPDéc, noter la différence des valeurs de variance statistiquement significative entre les deux conditions appareillées (ORPD– et ORPD +) qui traduit une difficulté de contrôle des mouvements du CPDéc, dont la position moyenne ne varie pasmalgré l’augmentation de la contrainte imposée par le système de rappel. * : p < 0,05.

42. Discussion Le port d’ORPD entraîne un recul vers les talons du CPDéc L’augmentation de la tension du système de rappel de l’ORPD se traduit par une augmentation des déplacements du CPDéc Même si on observe un effet statistiquement significatif de la variance au niveau de la jambe déchargée, c’est l’absence d’effet significatif de la jambe chargée qui prend le pas sur la valeur résultante.

43. Les ceintures lombaires Le positionnement de la colonne vertébrale est susceptible d’interagir avec le contrôle des mouvements du tronc (scoliose) La plupart des ceintures lombaires visent à éliminer la lordose au niveau lombaire Un nouveau concept: la ceinture lordosante (Lordactiv)

44. Objectif: étudier les répercussions liées à son port sur les stratégies de contrôle de l’équilibre de sujets sains et de patients lombalgiques Un premier travail mené sur les sujets en bonne santé n’a pu montré d’effets particuliers sur les stratégies de contrôle, ceci en comparaison de conditions sans ceinture ou avec une ceinture classique délordosante. Un second travail (Munoz et al., 2010), mené sur des patients souffrant de discopathies, montre un meilleur contrôle des mouvements du tronc selon l’axe AP.

45. Afin de mobiliser davantage le bas de la colonne vertébrale, les ceintures ont ensuite été testées en station assise, chez le sujet sain (Munoz et al., 2012) comme chez les patients lombalgiques La mobilité de l’articulation sacro-lombaire a été facilitée par l’adjonction d’une balancelle.

46. Le même paradigme a été utilisé chez des patients lombalgiques en phase sub-aigue.

47. Les chaussures de sport (Rougier et al., J Biomech,2009) Une chaussure conduisant à une dorsiflexion peut-elle conduire à une amélioration du bien être en général et du contrôle de l’équilibre en particulier? La dorsiflexion place le pied dans une position où le talon est plus bas que l'avant du pied. Ce principe biomécanique est utilisé depuis des années par des physiothérapeutes ou par des fabricants de chaussures s'attachant à reproduire la sensation naturelle de la marche pieds nus dans le sable. La dorsiflexion garantit un gain en termes d'efficacité de l'entraînement, de performance et de santé par rapport aux chaussures de sport standards.

48. La position de dorsiflexion modifie l'orientation de la chaîne musculaire postérieure, plaçant les muscles dans une position favorable afin de développer davantage de force. La position de dorsiflexion permet également d'étirer les muscles, ce qui augmente la réactivité et la puissance explosive. Elle améliore aussi naturellement la posture en plaçant l'os pelvien en position neutre et en alignant correctement les articulations des chevilles, des genoux, des hanches et des épaules.

49. Protocole Parce que des mécanismes d’adaptation sont ici envisageables, il apparaît utile de procéder à des mesures non seulement lors de la réception des chaussures mais aussi ultérieurement. Les effets posturaux susceptibles d’être induits passent a priori par une amélioration des capacités proprioceptives au niveau des chevilles. Il s’avère donc nécessaire de coupler aux mesures posturales par plate-forme de force des tests visant à apprécier la sensibilité proprioceptive tant statique que dynamique. Dans la mesure où les effets peuvent se répercuter également au niveau du positionnement de la colonne vertébrale et du bassin, une mesure du placement du bassin et/ou des courbures vertébrale s’avère complémentaire.

50. Etat des connaissances Mezzarane et Kohn (2007) ont montré que, par rapport à une position des pieds horizontale l’inclinaison des orteils vers le haut de 14° (dorsiflexion) conduit à une augmentation de l’activité EMG au niveau du jambier antérieur sans modifier celle du soléaire. A l’inverse, une inclinaison des orteils vers le bas de 14° (plantarflexion) conduit à une augmentation de l’activité EMG du soléaire sans modifier celle du jambier antérieur. Les déplacements du CPRes selon l’axe AP sont augmentés en condition de dorsiflexion et légèrement diminués en plantarflexion L’étirement prolongé du muscle triceps sural semble conduire à une proprioception accrue (Rougier et al., MC, 2006) Incliner le corps vers l’avant a pour effet de solliciter davantage le muscle soléaire et par suite d’augmenter les différences CP-CG sans que la stabilisation du CG ne soit affectée (Rougier et al., NSR, 2001).