Giuseppe Rabita Laboratoire de Biomécanique et Physiologie Propriétés mécaniques actives et passives: Aspects théoriques et évaluation

Giuseppe Rabita

Laboratoire de Biomécanique et Physiologie

Propriétés mécaniques actives et passives:

Aspects théoriques et évaluation

Références utilisées

- Biomécanique Goubel-Lensel (Masson)

- Posture et mouvements Bouisset-Maton

- Entrez Pubmed

PLAN

1 - Élasticité – raideur : généralités

1.1 - Définitions1.2 - Loi de Hooke1.3 - Normalisation : module de Young

2 - Structures élastiques (ou viscoélastiques)2.1 - Le tendon 2.2 - Le muscle2.3 - Le système musculo-tendineux2.4 - Le système musculo-articulaire2.5 - système musculo-squelettique

3.1 – Raideur tendineuse

3 - Méthodes de mesures

3.2 – Raideur de la C.E.P.3.3 – Raideur musculo-tendineuse (CES)3.4 – Raideur musculo-articulaire3.5 – Raideur du système musculo-squelettique

PLAN

4 - Facteurs d’influence4.1 – Effet de la typologie musculaire4.2 – Effet de l’âge4.3 – Effet de la pratique sportive de haut niveau4.4 – Effet de l’entraînement


fait référence à la souplesse

Raideur : limitation plus ou moins grande de la mobilité d’une articulation

1ère définition

1.1 - Définitions

2ème définition (mécanique) : La tension (F, en N) d’un ressort est proportionnelle à sa déformation élastique (L, en m).La constante de proportionnalité est la raideur k (en N.m-1)

F = k . L

Elasticité n. f. 1. Propriété des corps qui tendent à reprendre leur forme première après avoir été déformés (syn. réversible)


L

1.1 - Définitions

1.2 - Loi de Hooke


A: La relation F-L est linéaire- la raideur correspond à la pente de la relation :

K = F / L- son inverse est la compliance :

C = L/ F

Une structure répond à la loi de Hooke lorsque la variation de la force (ou de la tension) est directement proportionnelle à l’allongement de la structure (comportement hookien)


B: Structure présentant un comportement non-linéaire (structure élastique ne répondant pas à la loi de Hooke) :

1.2 - Loi de Hooke

- pour un même incrément de la longueur(L1 = L2)

la variation de force est de plus en plus importante (F2 > F1)

k1

k2

Dans ce cas, la raideur s’obtient en calculant la dérivée (dF/dL) pour chaque valeur de F

1.3 - Normalisation : module de Young


La technique de normalisation la plus utilisée consiste à exprimer- la force par unité de section : CONTRAINTE ou stress (, en Mpa= le mégapascal (MPa) : (1 MPa = 106

Pa= 1 000 000 N m⋅ -2) avec une pression d’un pascal est une contrainte uniforme qui, agissant sur une surface plane de 1 mètre carré, exerce perpendiculairement à

cette surface une force totale de 1 newton.

Cette unité s’exprime en unités de base comme étant le N.m-2 = N/ m2 = kg / ms2 .

- la longueur en fonction de la longueur initiale : DEFORMATION ou strain ( = L-L0/L0)

Le module de Young (E) est déterminé par le rapport contrainte / déformation (E = / , en Mpa)

http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A8tre_carr%C3%A9

http://fr.wikipedia.org/wiki/Newton_(unit%C3%A9)

2 - Structures élastiques (ou viscoélastiques)

Niveau organiqueLe tendonLe muscleLe système musculo-tendineux

Niveau poly-articulaireLe système musculo-articulaireLe système musculo-squelettique

Niveau cellulaireFibres collagènesFibres musculaires

2.1 - Le tendon : constitution

constitué principalement de fibres collagènes


organe de transmission

jonctions musculo-tendineuse

continuité en superficie avec le périmysiumen profondeur avec l’endomysium

ostéo-tendineusecontinuité du collagène tendineux, du fibro-cartilage puis de l’os cortical (changement tissulaire qui induit un changement graduel des propriétés mécaniques)

2.1 - Le tendon : considérations mécaniques

2 - zone ascendante presque linéaire déformation élastique, réversible (le tendon transmet une grande tension à l’os en subissant une petite

déformation)3 - zone plastique à partir du point de limite élastique

- grande déformation pour une petite variation de charge- rupture irréversible des liaisons moléculaires et dissociation des fibrilles


1

2

3Soumis à une charge axiale, sa déformation n’est pas linéaire.

1 - zone initiale incurvée

réorientation des fibres étirées

2.2 - Le muscle: constitution

Le comportement du muscle (en dehors de toute considération nerveuse) dépend des propriétés mécaniques liées à sa structure

2 - Structures élastiques (ou viscoélast.)

2.2 - Le muscle: modèle mécanique

La composante contractile (CC) rend compte de la production de force générée par lescycles attachement-détachement entre actine et myosine


Modèle du muscle à trois composantes (d’après Shorten 1987)


La composante élastique série (CES)- la fraction passive rend compte principalement des propriétés

élastiques des structures tendineuses.- la fraction active représente la résultante des raideurs élémentaires qui

existent au niveau des ponts




La composante élastique parallèle (CEP)- représente les effets des tissus conjonctifs et du sarcolemme- rend également compte :

• de l'interaction résiduelle entre les protéines contractiles• de la titine




La composante élastique parallèle (CEP)- représente les effets des tissus conjonctifs et du sarcolemme- rend également compte :

• de l'interaction résiduelle entre les protéines contractiles• de la titine


2.3 - Le système musculo-tendineux

N.B.

Si le modèle du muscle à 3 composantes rend également compte du comportement mécanique des parties tendineuses, il est parfois utile de distinguer le muscle du système musculo-tendineux

Par exemple- chez l’animal, le comportement mécanique de la fibre musculaire

isolée peut être caractérisée en dehors des structures tendineuses

- chez l’homme (in vivo), des méthodes permettent de caractériser spécifiquement soit

- la raideur du tendonsoit

- la raideur du complexe musculo-tendineux (~CES)


2.4 - Le système musculo-articulaire

Niveau hiérarchique supérieur au système musculo-tendineux

Caractérise également les autres éléments de l’articulation (ligaments, différents liquides, peau)

Les propriétés d’un tel système peuvent être caractérisées- in vivo- sur une articulation pseudo isolée


2.4 - Le système musculo-articulaire

Utilisation d’un modèle qui comporte

- une composante élastique (K)- une composante visqueuse (B)- une composante inertielle (M)


A la différence du modèle à 3 composantes- pas de correspondance entre les élément mécaniques (M, K, B) et les

différentes structures musculaires (tendons, tissus conjonctif, matériel contractile…)

- il complète le modèle classique en décrivant le comportement du muscle soumis à des perturbations spécifiques (sinusoïdales)

(Shorten et al., 1987)

2.5 - Le corps en tant que système masse-ressort

Système musculo-squelettique pris dans sa globalité

modèle masse-ressort.

Chez l’homme, ce modèle permet de rendre compte du comportement du corps ou des membres inférieurs lors

- de la locomotion (marche et course)

- de sauts verticaux


(Farley et Morgenroth., 1999)


Le sujet doit être fixe et doit pouvoir réaliser des contractions isométriques sans mouvements de l’articulation considérée

Principe: Une sonde envoie un faisceau

d’ultrasons. Selon la nature des tissus, les ondes sont réfléchies avec plus ou moins de puissance.

Chez l’homme (in vivo) :- imagerie par ultrasons


(Rosager et al., 2002)


Un point caractéristique (P) est repéré sur le tendon.

Le déplacement de P correspond à l’allongement (L) des structures du tendon

L est mesuré pour différents

niveaux de contraction isométrique.



La force exercée sur le tendon (F) peut être obtenue à partir du couple (C) développé par le sujet.

(Kubo et al., 2002)


La relation force / déplacement est tracée pour chaque niveau de contraction maintenue

La raideur tendineuse est calculée à partir du rapport ∆F/∆L



Module de Young Afin de normaliser les données de force en fonction de la section du tendon, une

méthode d’imagerie par résonance magnétique (IRM) est associée.


3 – Méthodes de mesures

Sur muscle isolé

La relation force-longueur passive : s'obtient en plaçant le muscle inactivé à différentes longueurs et en mesurant pour chacune d'elles la force développée.

Chez l’animal (in vitro)

3.2 – Raideur de la C.E.P.

La courbe obtenue montre que la contribution de la CEP est nulle aux alentours de la longueur de repos (L0)

Au-delà de cette longueur, la tension augmente de manière exponentielle (Jewell et Wilkie, 1958)

(Woittiez et al., 1993)


Relation couple-angle passif

S'assurer de l'absence d'activité musculaire (EMG)

l'interprétation en termes d'évaluation de la CEP doit être réalisée avec précaution (in situ, expression mécanique de la CEP peu importante (Goubel, 1992).

Chez l’homme (in vivo)

3.2 – Raideur de la C.E.P.

Sur muscle–pseudo isolé

(Gadjosik et al., 1999)


Le muscle (ou la fibre) isolé(e) est maintenu(e) dans un état de contraction à une longueur proche de L0 (afin d’éviter l’intervention de la CEP).

1 - la CES est étirée lors de la contraction musculaire.2 - on impose très rapidement :

une diminution de tension (∆P, technique du quick-release),on mesure alors la variation de longueur (∆L) une variation de longueur (∆L, technique du controlled-release) on

mesure la variation de tension correspondante(∆P).

Chez l’animal (in vitro)- Quick-release- Controled release

3.3 – Raideur musculo-tendineuse (CES)


La mesure des paramètres est effectuée immédiatement à la fin de la perturbation mécanique

afin que seules les propriétés de la CES soient prises en compte(avant que la composante contractile, toujours activée, n’ait pu ré-étirer la CES).




Les courbes sont de nature exponentielles croissance de la raideur avec la force



Les paramètres retenus sont:- la raideur à P0 (tension lorsque le muscle est à sa longueur de repos L0)- l’extension négative maximale (Lmax) nécessaire pour annuler la

tension- L’aire comprise sous la courbe : qui correspond à l’énergie potentielle

élastique que peut emmagasiner la CES


Les méthodes in vitro sont adaptées à l'étude in vivo

- le sujet exerce une contraction isométrique sur un bras de levier immobile- l'expérimentateur provoque la variation rapide de tension en débloquant le bras de levier


Chez l’homme



Chez l’homme

Les premières millisecondes du déplacement de l'ensemble "membre-bras de levier" dépendent principalement de la restitution d'énergie potentielle emmagasinée par la CES lors de son étirement pendant la contraction isométrique initiale



Chez l’homme

Traitement des données: Dans une fenêtre de 20ms après la libération du moteur

- "/- Ciso

KMT = " / IEn vertu de RFD

M = I '' on obtient la relation classique permettant de caractériser une raideur angulaire

KMT = M /


La méthode utilise le modèle K B I et permet de caractériser les propriétés viscoélastiques du système musculo-articulaire considéré

3.4 – Raideur musculo-articulaire

Perturbations sinusoïdales


Principe :


L’ergomètre impose des perturbations de position de l’articulation dans

- des conditions actives,(ex : 20, 40, 60 ou 80% du CMV- ou passives (sujet relaché)

Les perturbations sont imposées à différentes fréquencesex chez l’homme : de 4 à 16Hz


Traitement des données :


0

C

Sont calculés pour chaque fréquence:- le rapport d’amplitude entre la

variation de couple et la variation de position

- le déphasage de ces deux signaux



Les ajustements montrent que le système musculo-articulaire (ici de la cheville) peut être représenté par un modèle de second ordre d’où sont extraites les constantes K, B et I qui représentent la contribution de la raideur , de la viscosité et de l’inertie au couple (C) en réponse à la perturbation ()

A

-25

-20

-15

-10

-5

0

1 10 100Fréquence (Hz)

Gai

n de

Com

plia

nce

(dB

)20

log1

0 (

/ C

) C (t) = I·’’(t) + B·’(t) + K·(t)

Com

plia

nce

(dB

)


3.5 – Raideur du système musculo-squelettique

Lors de la course ou d’une suite de sauts

les actions des éléments du corps dans son ensemble(muscles, tendons, ligaments)

sont intégrées par le SNC de manière à ce que le système musculo-squelettique global

se comporte tel un simple système masse - ressort



Une plateforme de force recueille les forces de réaction au sol (reflet des forces exercées par le corps)

La synchronisation des données cinétiques et cinématiques

permet de quantifier la raideur spécifique de chaque articulation

permet de quantifier

la raideur des membres inférieurs

Une analyse vidéo à haute fréquence (100 à 500 images par secondes) peut être associée.Elle permet à l’aide de réflecteurs disposé sur les axes articulaires (cheville, genou hanche, épaule) de connaître les positions articulaires instantanées.



La raideur des membres inférieurs Kleg est calculée par le rapport entre

- la force maximale de réaction au sol (Fmax)

- le déplacement maximal du CG pendant le contact au sol (L)

(L est obtenue par double intégration du signal d’accélération déduit du signal de force d’après F = ma)

Ceci est possible du fait que F et L sont maximaux au même moment (Farley et al., 1999)



La raideur articulaire KJ est calculée par le rapport entre

- le Moment articulaire (MJ) - le déplacement angulaire de

l’articulation (J)

Les Moments articulaires sont obtenus par l’utilisation

- d’un chaînon rigide- de modèles anthropométriques- de l’utilisation de la dynamique

inverse (J’’= M)

Farley et Morgenroth., 1999

Kuitunen et al..2002

4 - Facteurs d’influence

Chez l’animal

La variabilité des relations F-L passives peuvent être attribuées à la quantité du tissu conjonctif :

plus le muscle est fourni en tissus conjonctif- plus la longueur à partir de laquelle la tension passive

commence à se développer est petite- plus la pente de la relation est grande

un muscle riche en fibres lentes contient davantage de collagène qu’un muscle riche en fibres rapides

Exemple: chez le rat, la raideur de la CEP du muscle soléaire est 2 fois plus importante que la CEP du muscle droit antérieur (Kovanen et al., 1984)

4.1 – Effet de la typologie musculaire

Relation F-L Passive (CEP)


Chez l’animal

Un telle différence pourrait également provenir de différents isoformes de titine

La partie extensible de cette protéine varierait d’un type de fibre à l’autre




Chez l’homme



Difficulté à tester l’effet de la typologie musculaire sur la relation F-L passive

Les expérimentations in vivo imposent de tester des articulations croisées par des muscles de typologie différente

L’expression mécanique de la CEP est peu importante in situ chez l’homme (Goubel, 1992).


Chez l’animal


Relation tension - extension (CES)

Wells (1965) : étude comparative des relations T-E du tibial antérieur et du soléaire du rat

A contrainte équivalente, la CES d’un muscle riche en fibres lentes (soléaire) présente une raideur plus importante qu’un muscle riche en fibres rapides (tibial antérieur)

cependant , il ne faut pas exclure une explication des différences observées en terme de longueur de tendon

Mais l’effet de la myotypologie sur la relation T-E a pu être envisagé de manière moins contestable :

- sur un même muscle, l’effet d’une modification de la typologie musculaire (due à une hyper ou une hypoactivité)


Chez l’animal


Relation tension - extension (CES)

Canon et Goubel (1995) : étude comparative des relations T-E du soléaire du rat avant et après une période d’hypoactivité (réduction de l’activité de ce muscle imposé par 3 semaines de suspension)

Les tests post-expérimentation montrent une diminution significative de la raideur du complexe musculo-tendineuxOrigine des adaptations :

- diminution de la raideur des tendons

- enrichissement relatif du muscle soléaire en fibres rapides

(Canon et Goubel (1995)


Chez l’homme


Actuellement, il est difficile de tester de manière directe l’influence de la typologie sur la raideur musculo-tendineuse chez l’homme

les études sur l’hyper ou l’hypoactivité qui sont supposées induire des adaptations myotypologiques dans un sens ou dans l’autre sont en contradiction avec les études menées chez l’animal

Cf . Lambertz et al. (2001)

Relation Raideur-couple (CES)


Chez l’homme


Relation Raideur-couple (CES)

Lambertz et al. (2001) ont évalué des astronautes après une réduction d’activité musculaire des fléchisseurs plantaires provoquée par un séjour sur la station orbitale MIRAprès le séjour en apesanteur, la raideur musculo-tendineuse des fléchisseurs plantaires (test Quick-release) est augmentée.

Lambertz et al. (2001)

Les auteurs attribuent ces modifications à une possible diminution de la longueur des fléchisseurs plantaires


4.2 – Effet de l’âge

Augmentation de la raideur de la CEP avec l’âge (Kovanen et al., 1989)

Chez l’animal

Raideur CEP

Chez l’homme

Augmentation de la raideur de la relation force longueur passive avec l’âge (Gajdosik et al., 1999)



Augmentation de la raideur tendineuse avec l’âge chez le rat (Nielsen et al., 1998)

Chez l’animal

Raideur tendineuse

Chez l’homme

Diminution de la raideur tendineuse avec l’âge (Narici et al. 2003) .Ils attribuent cette diminution à une réduction des fibres de collagène, qui constituent de manière principale la structure tendineuse.

Les résultats sont différents entre ce qui est décrit chez l’animal et chez l’homme



Raideur CES

Peu de données dans la littérature

Les hypothèses d’une augmentation de la raideur de la CES avec l’âge s’appuient sur les modifications de la demande fonctionnelle qui entraîne notamment une augmentation de la proportion de fibres lentes

Chez l’animal



Raideur musculo-tendineuse (CES)

Ochala et al. (2004) ont utilisé la technique du quick release pour quantifier l’effet de l’âge sur la raideur musculo-tendineuse

Chez l’homme

Ochala et al. (2004)

Leurs résultats montrent une augmentation de l’index de raideur MT de 55% chez les personnes agées

Pour la partie active de la CES, ils attribuent cette augmentation à l’augmentation de la proportion de fibres lentes




Chez l’homme


Cette augmentation de raideur est contradictoire avec la diminution observée sur la partie passive de la CES

Les auteurs concluent que l’augmentation de la raideur MT avec l’age est principalement due aux modifications des fibres musculaires



Raideur musculo-articulaire (CES)

Chez l’homme


A

-25

-20

-15

-10

-5

0


Gai

n de

Com

plia

nce

(dB

)20

log1

0 (

/ C

)

La même équipe (Ochala et al. 2004) a utilisé la technique des perturbations sinusoïdales pour quantifier l’effet de l’âge sur la raideur musculo-articulaire



Raideur musculo-articulaire (CES)

Chez l’homme


Ils ne trouvent pas de différences entre le groupe jeune et le groupe plus âgés

Ils concluent que l’absence de modification de la raideur MA pourrait être induit par un mécanisme de régulation de la structure articulaire, qui compenserait l’augmentation de la raideur MT afin de maintenir une raideur globale stable

A

-25

-20

-15

-10

-5

0


Gai

n de

Com

plia

nce

(dB

)20

log1

0 (

/ C

)


4.3 – Effet de la pratique sportive de haut niveau

Raideur tendineuse

(Kubo et al., 2000)

Plusieurs études ont comparés la raideur tendineuse (imagerie par ultrasons) entre des sportifs de haut niveau issus de différentes activités et des sujets sédentaires

Par exemple, Kubo et al., (2000) ont observé une raideur tendineuse du vaste externe augmentée chez des coureurs de fond de haut niveau


Raideur tendineuse

Rosager et al., (2000) n’observent pas de modification de la raideur du tendon d’achille chez des coureurs de fond de très haut niveau, après normalisation par l’unité de section

Lorsque l’on considère la relation F-L (ou F est la force isométrique et L la déformation du tendon) les deux groupes ne présentent pas de différence de pente entre 90 et 100% de Fmax.

(Rosager et al., 2000) 4.3 – Effet de la pratique sportive de haut niveau



Raideur tendineuse

Les auteurs aboutissent aux mêmes conclusions quand la relation contrainte déformation est analysée

( - contrainte ou stress (, en MPa) : force par unité de section - déformation ou strain ( = L-L0/L0,

en %) : longueur en fraction de la longueur initiale)




Raideur tendineuse

Les auteurs expliquent les différences avec l’étude de Kubo et al. 2000 par le fait que ce ne soit pas le même groupe musculaire testé

Par ailleurs, la grande variabilité inter-individuelle dans un groupe (dont les caractéristiques sont identiques) semble montrer qu’il existe un facteur génétique qui influence les propriétés du tendon d’Achille




Raideur tendineuse

(Kubo et al., 2000)

Kubo et al., (2000) n’observent pas de différences entre des sprinters de haut niveau et le groupe témoin.




A l’aide de la méthode du quick release, on a pu montrer que des sauteurs et triple sauteurs internationaux avaient une raideur musculo-tendineuse supérieure à celle de sujets sédentaires

L’optimisation du processus stockage restitution de l’énergie élastique lors du cycle étirement-raccourcissement pourrait provenir d’une meilleure transmission de la force aux structures squelettiques.

(Rabita et al., 2003)

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

Sauteurs Témoins

IRm

t (r

ad-1

)



Raideur musculo-squelettique globale

Cette raideur plus élevée se retrouve également lorsque l’on analyse les sauteurs pendant des sauts verticaux

Il semble donc cohérent que l’on observe à la fois une augmentation de KMT et de KMI

(Rabita et al., 2003)

(Farley et al., 1999)

0

10

20

30

40

50

sauteurs témoinsR

aid

eurs

mem

bre

s in

f.(K

N.m

-1)


4.4 – Effet de l’entraînement

Raideur de la CEP

Peu étudiée

A part Kovanen et al. (1984) ont pu montré qu’un entraînement en endurance pratiqué chez le rat augmente la raideur des muscles testés

(Kovanen et al., 1984)

Chez l’animal



Raideur de la CEP

Cependant cette évolution est nettement plus élevée pour le soléaire que pour le droit antérieur

Cette évolution, qui se retrouve tout au long de la vie de l’animal (effet de l’âge) est vraisemblablement liée à une accélération du métabolisme du collagène musculaire

(Kovanen et al., 1984)

Chez l’animal

Peu d’études ont été réalisées sur le sujet

Chez l’homme



Raideur de la CES

L’étude de l’influence de l’entraînement sur la relation T-E à permis de montrer l’importante adaptation de la CES

Goubel et Marini (1987) ont montré qu’un entraînement en endurance chez le rat aboutit à une diminution de l’extension maximale de la CES

ce qui traduit une augmentation de la raideur de cette structure

Chez l’animal



Raideur de la CES

Sur la même préparation (soléaire de rat), Pousson et al.(1991) ont montré que l’application d’un programme d’entraînement à base de sauts pliométriques menait à une diminution de la raideur de la CES

(Pousson et al.1991)

Chez l’animal



Raideur de la CES

Par ailleurs, Almeida-Silveira et al.(1994) ont montré que l’application d’un programme de renforcement musculaire à base de contrations isométriques menait également à une diminution de la raideur de la CES

Chez l’animal

Il ressort clairement de ces études que l’adaptation de la CES dépend du type d’entraînement auquel cette structure est soumise



Raideur de musculo-tendineuse (CES)

Pousson et al. (1990) ont montré qu’un entraînement de type pliométrique conduit à augmenter la raideur musculo-tendineuse (résultat inverse de ce qui est trouvé chez l’animal)

Ces contradictions peuvent s’exprimer en terme de différences entre les adaptations des fractions active et passive de la CES

Les auteurs attribuent ces modifications à la fraction passive de la composante élastique série, qui réside principalement dans les structures tendineuses

Chez l’homme



Raideur de musculo-tendineuse (CES)

L’entraînement excentrique conduit à une augmentation de la raideur (Pousson et al.1990)

A l’inverseL’entraînement concentrique induit une augmentation de compliance Poulain et Pertuzon (1988)

(Pousson et al.1990)

Chez l’homme



Raideur de musculo-articulaire

L’entraînement pliométrique conduit à une diminution de l’index de raideur musculo-articulaire évalué à l’aide de la méthode des perturbations sinusoïdales (Cornu et al.1997)

(Cornu et al.1997)

Chez l’homme

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Giuseppe Rabita Laboratoire de Biomécanique et Physiologie Propriétés mécaniques actives et passives: Aspects théoriques et évaluation