Caractéristiques tridimensionnelles de la raideur articulaire de l’épaule humaine et différences entre les sexes

Contexte de l’étude

L’articulation de l’épaule est l’une des structures les plus complexes du corps humain. La stabilité de l’épaule est cruciale pour un contrôle efficace des mouvements du bras, y compris le contrôle naturel des articulations distales telles que le coude et le poignet, ainsi que la fonction fine des mains dans les activités quotidiennes. La stabilité de l’épaule est assurée par une interaction complexe entre les os, ligaments, tendons et muscles, la raideur étant la capacité à résister aux perturbations externes. Des recherches récentes ont montré que les femmes sont plus susceptibles de se blesser à l’épaule dans leur carrière professionnelle et sportive, suggérant une différence entre les sexes dans la raideur articulaire de l’épaule. Cependant, les recherches sur la raideur de l’épaule et les différences entre les sexes dans un espace multidimensionnel, en particulier tridimensionnel (3D), sont encore limitées.

Origine de l’article

Cette étude a été réalisée conjointement par les chercheurs Seunghoon Hwang, Dongjune Chang, Aditya Saxena, Ellory Oleen, Soe Lin Paing, John Atkins et Hyunglae Lee, et publiée dans la revue IEEE Transactions on Biomedical Engineering en 2023.

Objectif de l’étude

L’objectif principal de cette étude est de caractériser la raideur articulaire de l’épaule dans un espace tridimensionnel, en particulier en état de relaxation musculaire, et de rechercher les différences entre les sexes. Cela contribuera à comprendre le rôle de l’épaule dans la stabilité articulaire et les risques de blessure dépendants du sexe.

Méthodologie de l’étude

Participants

Cette étude a recruté 40 participants sains, dont 20 hommes (âge : 24,8±2,6 ans, taille : 171,1±11,5 cm, poids : 67,5±8,1 kg) et 20 femmes (âge : 23,8±4,1 ans, taille : 163,8±8,5 cm, poids : 58,9±7,3 kg). Tous les participants étaient droitiers, sans troubles neuromusculaires ou antécédents de blessures à l’épaule. Le comité d’éthique de l’université de l’État de l’Arizona a approuvé cette recherche et un consentement éclairé écrit a été obtenu de chaque participant avant la collecte des données.

Configuration expérimentale

Un exosquelette d’épaule personnalisé (4B-SPM) capable de générer une rotation de l’épaule dans un espace tridimensionnel a été utilisé pour l’étude. Les capteurs ont mesuré la posture et le couple de l’épaule dans des postures spécifiques. Pour garantir la précision des mesures, un système de capture de mouvement 3D Vicon Nexus2 et un capteur de force/couple à six axes ont été utilisés. L’activité électromyographique des principaux muscles de l’épaule (deltoïde antérieur, deltoïde moyen et deltoïde postérieur) a également été surveillée pour s’assurer que les participants restaient en état de relaxation musculaire pendant l’expérimentation.

Procédure expérimentale

Avant l’expérience, les contractions volontaires maximales (MVC) des principaux muscles de l’épaule ont été déterminées. L’expérience comprenait 15 postures du bras, impliquant différentes angles de flexion/extension horizontale et d’abduction/adduction horizontale de l’épaule. Dans chaque posture, les participants maintenaient un état de mouvement passif pur non contrôlé par les muscles actifs pendant 45 secondes. Le robot appliquait de petites perturbations de posture avec une erreur quadratique moyenne de 2° et une fréquence de coupure de 3 Hz à l’articulation de l’épaule.

Analyse des données

La fonction de réponse impulsionnelle (IRF) a été utilisée pour quantifier la relation entre la perturbation de la posture d’entrée et la réponse en couple de sortie, et la méthode d’identification du système à partir de courtes séries de données a été employée pour estimer les IRFs. La raideur de l’épaule a été estimée par intégration des IRFs et la qualité de l’estimation de la raideur a été évaluée par le pourcentage de variance expliquée (VAF).

Résultats de l’étude

Effet de la posture sur la raideur de l’épaule

Les résultats de l’analyse de variance à mesures répétées à deux facteurs (ANOVA) ont montré que la posture du bras a un effet significatif sur la raideur de l’épaule (p < 0.001). La raideur de l’épaule augmente avec la diminution de l’angle de flexion de l’épaule et également à proximité des limites de l’amplitude de mouvement de l’épaule. Par exemple, aux angles de flexion de 45°, 67,5° et 90°, les raideurs étaient respectivement de 17,4±3,3, 12,7±1,7 et 10,3±1,9 N·m/rad.

Différences liées au sexe

Les résultats de l’analyse de variance mixte (Mixed ANOVA) ont montré que le sexe a un effet significatif sur la raideur de l’épaule (p < 0.001), avec une raideur articulaire plus élevée chez les hommes que chez les femmes. De plus, les données de raideur normalisées au poids corporel ont également montré des différences significatives entre les sexes (p < 0.001), indiquant que les différences entre les sexes ne sont pas uniquement dues à la différence de poids. Parmi les 15 postures, les différences entre les sexes ont atteint un niveau de signification statistique pour 12 postures.

Analyse et discussion

Cette étude montre que même en état de relaxation musculaire, il existe des différences significatives de raideur de l’épaule selon les différentes postures du bras. Cela est principalement dû aux caractéristiques physiques intrinsèques de l’épaule plutôt qu’à la compensation neurologique ou réflexive des muscles. En outre, cette recherche révèle pour la première fois des différences significatives de raideur de l’épaule entre les hommes et les femmes, ce qui a des implications importantes pour comprendre les caractéristiques mécaniques dépendantes du sexe et les risques associés à l’articulation de l’épaule.

Conclusion de l’étude

Cette étude fournit des données de base sur les variations de raideur de l’épaule en fonction des postures du bras dans un espace tridimensionnel et sur les différences entre les sexes. Ces données jettent les bases de futures recherches visant à caractériser la raideur de l’épaule dans diverses conditions de tâche (telles que les mouvements dynamiques de l’épaule et la co-contraction musculaire). Les résultats de cette étude auront un impact majeur dans les domaines de la physiothérapie, des robots de réhabilitation et des robots d’assistance.

Points forts de l’étude

• Première caractérisation systématique de la raideur articulaire de l’épaule en tridimensionnel et ses différences entre les sexes.
• Utilisation d’un exosquelette d’épaule personnalisé pour une mesure précise des caractéristiques physiques de l’épaule.
• Révélation de la dépendance posturale de la raideur de l’épaule, notamment les variations selon les angles de flexion et d’abduction horizontale.
• Découverte et quantification de différences significatives de raideur de l’épaule entre les hommes et les femmes, ayant des implications importantes pour la compréhension des caractéristiques mécaniques de l’épaule et des risques associés.

Directions futures

Les recherches futures devraient explorer la raideur de l’épaule sous des perturbations multidirectionnelles et dans diverses conditions (telles que différentes tâches de mouvement, postures dynamiques, et maladies neuromusculaires). Une étude complète des caractéristiques de l’épaule dans des conditions statiques et dynamiques permettra de mieux comprendre les fonctions et les caractéristiques mécaniques de l’épaule, fournissant ainsi un soutien théorique plus solide pour la réhabilitation.