Rapport de Recherche Scientifique

Introduction

Avec le vieillissement de la population et l’augmentation des maladies du système nerveux et musculaire comme les accidents vasculaires cérébraux, le risque de trébuchements et de chutes causé par des troubles de la marche devient un problème sérieux. Des études ont montré que la flexion dorsale de la cheville pendant la phase oscillatoire de la marche est cruciale pour garantir une hauteur suffisante du pied par rapport au sol. Cependant, il y a actuellement peu de recherches sur la dynamique et les échanges d’énergie mécanique de l’articulation de la cheville durant cette phase. Les recherches existantes se concentrent principalement sur la flexion dorsale de la cheville lors d’une marche normale, et avec le développement de divers dispositifs d’assistance pour la flexion dorsale, il est nécessaire de comprendre les exigences minimales en termes d’énergie de ces dispositifs.

Ces dernières années, la technologie d’assistance pour la flexion dorsale de la cheville a évolué rapidement, en particulier en utilisant des actionneurs avancés et des dispositifs de récupération d’énergie pour améliorer la sécurité de la marche et prévenir les chutes. Cependant, ces dispositifs doivent fournir une puissance mécanique suffisante pour assurer l’assistance à la flexion dorsale de la cheville pendant la phase oscillatoire. Comprendre les besoins dynamiques de la flexion dorsale de la cheville est particulièrement important pour concevoir des dispositifs d’assistance légers et à faible consommation d’énergie.

Origine de l’article

Cet article a été rédigé par Soheil Bajelan, W. A. (Tony) Sparrow et Rezaul Begg de l’Université Victoria et publié en 2024 dans le Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. L’auteur correspondant est Soheil Bajelan (soheil.bajelan@vu.edu.au).

Introduction de la Recherche

Processus de Recherche

Cette étude utilise une technologie de rétroaction en temps réel sur tapis roulant pour contrôler la flexion dorsale de la cheville pendant la phase oscillatoire, augmentant ainsi de 4 centimètres la hauteur de dégagement du pied par rapport au sol. Lors des expériences, le système de modélisation Anybody est utilisé pour estimer le couple de la cheville et la force des muscles fléchisseurs dorsaux pendant la phase oscillatoire. L’hypothèse de l’étude est que l’augmentation de 4 centimètres de la hauteur de dégagement du pied par rapport au sol uniquement par l’articulation de la cheville nécessitera une force et un couple des muscles fléchisseurs dorsaux significativement plus élevés que lors d’une marche normale.

Étapes de l’Expérience:

1. Recrutement des participants: Recruter 8 hommes en bonne santé et physiquement actifs (âge 35±4 ans, hauteur 175±5.6 cm, poids 78±8.9 kg). Tous les participants ont signé un formulaire de consentement éclairé et ont été sélectionnés par un questionnaire de santé confirmant l’absence de problèmes de santé affectant leur participation à l’expérience.
2. Équipement et instruments: Utiliser un système de capture de mouvement Vicon et un tapis roulant à double plaque de force AMTI pour enregistrer la posture corporelle et les forces de contact sol-pied. Les signaux électromyographiques des muscles tibial antérieur (Tibialis Anterior, TA) et des muscles fléchisseurs plantaires sont collectés simultanément.
3. Conception de l’expérience: Définir une marche de base où les participants marchent à une vitesse naturelle pour mesurer la hauteur minimale de dégagement de l’orteil (Minimum Toe Clearance, MTC). Ensuite, ajouter 4 centimètres à la MTC de chaque participant et leur demander d’utiliser uniquement la flexion dorsale de la cheville pour atteindre la hauteur cible pendant la phase oscillatoire.
4. Modélisation musculo-squelettique et simulation: Développer un modèle musculo-squelettique individualisé à l’aide du système de modélisation Anybody pour effectuer une analyse inverse de la dynamique et calculer les angles articulaires et les données dynamiques.

Principales Découvertes

Les résultats montrent que l’augmentation de la flexion dorsale de la cheville n’a pas significativement augmenté le couple de la cheville. Cependant, la force du muscle tibial antérieur a considérablement augmenté, passant de 2 N/kg à 4 N/kg après le démarrage. Cela est dû à la coactivation du muscle tibial antérieur et du gastrocnémien. Pour assurer un dégagement supplémentaire de 4 centimètres du pied par rapport au sol, environ 0,003 joule/kg d’énergie doivent être libérés immédiatement après le démarrage.

Conclusions et Signification de l’Étude

Cette étude révèle les interactions entre le couple de la cheville, la force musculaire et les besoins énergétiques pendant la phase oscillatoire, indiquant que les dispositifs d’assistance externes n’ont pas besoin d’augmenter significativement le couple de la cheville, mais doivent fournir une puissance mécanique élevée pour réaliser rapidement la transition vers la flexion dorsale avant l’événement de dégagement minimal du pied (Minimum Foot Clearance, MFC). Cela a une importance significative pour la conception de technologies d’assistance inspirées par la biologie, telles que les muscles artificiels et les robots humanoïdes. Comprendre les besoins dynamiques de la flexion dorsale de la cheville aide à développer des orthèses et des exosquelettes de cheville plus efficaces.

Points Forts de l’Étude

• Innovation de l’étude: Technologie de rétroaction en temps réel pour contrôler la flexion dorsale de la cheville.
• Méthode systématique: Modélisation musculo-squelettique détaillée et analyse de simulation.
• Application pratique: Fournir des données dynamiques importantes pour la conception de dispositifs d’assistance à la cheville.

Conclusion

Cette étude montre, grâce aux données expérimentales, qu’une augmentation de la flexion dorsale de la cheville pendant la phase oscillatoire n’exige pas une augmentation significative du couple de la cheville, mais nécessite une énergie mécanique suffisante. Les dispositifs externes devraient se concentrer sur la fourniture d’une poussée d’énergie rapide avant l’événement critique de dégagement minimal du pied. Cela a une importance cruciale pour le développement de technologies d’assistance à la cheville légères et à faible consommation d’énergie. Les résultats de cette recherche contribueront à améliorer les technologies d’assistance à la marche, renforçant la sécurité de la marche et les capacités de marche.

Les analyses et conclusions ci-dessus offrent une forte orientation pour de futures recherches et développements, en particulier dans le domaine de la conception de technologies d’assistance à la marche personnalisées pour répondre à des besoins spécifiques.