Ann. Kinésithér., 1991, t. 18, n° 4, pp. 203-207© Masson, Paris, 1991

Étude d'un goniomètre électronique

Application en kinésithérapie

Joël DESJARDIN

MCMK, École de Kinésithérapie, 57Bis, rue de Nabécor, F 54000 Nancy.

NOTE DE TECHNIQUE

Dans ce travail nous étudions un nouveau

type de goniomètre électronique.Sur l'appareil expérimenté, la flexion d'un

câble métallique se traduit en tension parl'intermédiaire d'un capteur à effet Hall.

Afin de tester la fiabilié de ce goniomètre,nous avons relevé les tensions aux bornes ducapteur en fonction de trois critères :

- la valeur angulaire mesurée;- le mode de mesure effectué (selon que la

mesure s'effectue dans le sens de la flexionou de l'extension). Il faut noter qu'unphénomène d'hystérésis nous oblige alors àpratiquer deux mesures différentes pour laflexion;

- la distance de fixation du câble au centrede rotation de l'appareil témoin.

Un goniomètre potentiométrique donne lesvaleurs angulaires de référence et permetd'assimiler les tensions à des angles.

Le goniomètre testé se montre très fiable ence qui concerne la reproductivité des mesuresde tension. Il reste toutefois à éliminer lephénomène d'hystérésis, mais aussi à étalonnerl'appareil en reliant les tensions à des valeursangulaires.

Tant qu'aucune solution technique n'estapportée à ces deux problèmes, ce goniomètreélectronique à câble reste avant tout un« feed-back » angulaire très intéressant parsa taille réduite et sa facilité d'utilisation.

Tirés à part: BLDOC, Bois-Larris, B.P. 12, 60260 Lamorlaye.

Introduction

La goniométrie consiste à mesurer la situationd'un segment corporel par rapport à un autresegment (1), ou bien par rapport à un élémentde référence constant tel que la ligne verticalepar exemple.

Cette mesure angulaire doit toujours êtretranscrite par rapport à une position de réfé­rence, ceci quel que soit le type de goniomètreutilisé (2).

La technique proposée actuellement peutentraîner des différences d'appréciation induitespar:- la position de référence;- les points de repère segmentaires;- l'axe articulaire qui est en fait le résumé desdifférents centres instantanés de rotation del'articulation;- les erreurs commises par l'expérimentateur aufil des séances ;- les erreurs dues au changement d'expérimen­tateur.

C'est la raison pour laquelle on considèrecommunément une mesure fiable à 5° près (1).

L'élaboration de goniomètres électroniques,qu'ils soient potentiométriques ou à ultra-sons,cherche à éliminer les diverses sources d'erreurset à préciser la lecture des résultats.

Nous nous proposons dans cette étude devalider un nouveau type de goniomètre élec­tronique qui présente deux particularités :- réduction de la taille de sa partie mécanique;- indifférence de la position du centrearticulaire.

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Matériel et méthode

MATÉRIEL

Le goniomètre électronique à câble

Il repose sur l'utilisation des capteurs à effet Hall àsortie linéaire (3).

Principe de l'effet Hall

Des charges mobiles placées dans un champ magnétiquesont soumises à une force appelée force de Lorentz. Sousson action, les électrons changent de trajectoire etmodifient le comportement du conducteur qui lestransporte.

Si un conducteur est soumis à un champ magnétiqueperpendiculaire à sa surface, le flot d'électrons est déviévers un côté. La concentration en électrons crée un champélectrique perpendiculaire à la fois au champ et au sensde déplacement des électrons. Ce champ produit unetension électrique appelée tension Hall. Cette tensionexiste dans tout conducteur soumis à un champ magnéti­que, mais, comme les conducteurs usuels sont petits etque la vitesse de déplacement des électrons est relative­ment faible, cette tension n'est, en général, pas mesurable.

Les premières applications de l'effet Hall viennent dela production de matériaux semi-conducteurs dans les­quels la conduction est due à un nombre réduit d'électronsmais qui ont pour propriété d'être très rapides. Dans cesconducteurs, la tension Hall peut alors atteindre plusieurscentaines de millivolts contre quelques nanovolts dans unmétal.

Deux types de circuits intégrés à effet Hall sontactuellement produits en série: les circuits tout ou rienet les circuits linéaires. Dans le cadre de notre étude, nousutilisons des circuits à sortie linéaire.

Le capteur à effet Hall est donc constitué de deuxéléments :

- la sonde, plaquette semi-conductrice parcourue parun courant, aux bornes de laquelle est mesurée la tensionHall;

- l'aimant, qui produit un champ d'induction dont lavaleur sur la sonde dépend de sa position (il en est doncde même de la tension Hall).

L'un des éléments aimant ou sonde est fixe, l'autre étantlié à l'objet mobile.

C'est en général l'aimant qui est mobile et il doit êtrede masse relativement faible (ceci limite la plage danslaquelle l'induction est mesurable et réduit donc l'étenduede la mesure).

Lorsque l'on fait varier la distance aimant-capteur, onengendre une variation du champ créé par l'aimant, lequelest proportionnel à la tension Hall, mais comme cettetension est elle-même inversement proportionnelle à ladistance, il s'en suit que la tension est égalementinversement proportionnelle à cette distance.

50 cm ..a

:1

FIG. 1. - Goniomètre électronique à câble.

Constitution de l'appareil (fig. 1)

Il s'agit d'une gaine métallique de 50 cm de long (a)à l'intérieur de laquelle coulisse un câble (b), fixé à l'unedes extrémités de la gaine.

L'extrémité libre du câble porte une pastille aiman­tée (c) de 4,7 mm de diamètre et 1,5 mm d'épaisseur,laquelle est placée en regard d'un circuit intégré à effetHall à sortie linéaire type UGN 3501 (Société Spriige).Ce circuit présente comme avantages : un coût très faibleet une taille minime.

Le capteur (d) est collé dans un boîtier de P.V.c. danslequel débouchent la gaine métallique et l'extrémité libredu câble portant l'aimant, ce boîtier protégeant le capteur.

Toute flexion du câble modifie la distance entre lecapteur à effet Hall et la pastille magnétique: plus le câbleest fléchi, plus la pastille s'éloigne du capteur. Ceciengendre des variations de tension aux bornes duvoltmètre auquel il est relié.

L'amplificateur placé à la sortie du circuit permet desituer avec plus de précision les dépassements de seuil.Le point essentiel étant, dans le cas présent, que le signalsoit reproductible et que l'on ait pour de grandes distancesaimant-capteur une tension mesurable.

Le module de rééducation

Il s'agit d'un boîtier électronique qui transcrit numéri­quement les données goniométriques.

L'appareil permet en outre de mémoriser un seuilgoniométrique ainsi que de compter le nombre d'essaiset d'erreurs.

L'appareil est constitué :- d'un bouton de réglage de niveau du seuil angulaire;- d'un témoin lumineux et d'un « bip » sonore indiquantle moment précis du dépassement du seuil;- d'une fenêtre permettant la visualisation par affichageà cristaux liquides de la valeur mesurée;- d'un commutateur donnant la comparaison de la valeurmesurée avec le seuil préréglé, dans un sens croissant(mode Recurvatum) ou dans un sens décroissant (modeFlexion).

Goniométrede HOUDRE

Goniométrepotentiométrique

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MÉTHODE

Le champ articulaire balayé dans cette étude est limitéà un secteur de 100°, compris entre 30° et 130°; cecidécoule du fait que l'amplificateur du module derééducation possède un gain assez élevé et délivre enconséquence une tension qui se sature au-delà de 130°.

De par la structure même de l'amplificateur permettantde faire la comparaison entre la tension du capteur et latension de réglage du circuit, on relève un phénomèned'hystérésis.

Ceci signifie que l'évolution de la tension dans un senscroissant ne se superpose pas à celle de son retour àl'origine.

Ce phénomène d'hystérésis est dû au fait que lecomposant ne compare pas toujours à la même valeur dansun sens et dans l'autre. Les quelques millivolts dedifférence font que l'on n'a pas la même indication dudépassement de seuil selon que l'on évolue dans le sensdu recurvatum ou de la flexion.

Nous sommes amenés à évaluer l'influence de cethystérésis en effectuant trois types de mesures.

12cm 20cm 30cm

Mode recurvatum (rec.)

Le commutateur du module de dépassement de seuilest placé en position « Recurvatum », ceci signifie quele module sonne lorsque l'on dépasse l'angle pour lequelon le règle.

Le mouvement s'effectue depuis une position plusfléchie vers une position d'extension (à 30° par exemple).

Lorsque cette amplitude est atteinte, c'est-à-dire aumoment de la sonnerie du module, on note la valeur dela tension Hall.

~.

FIG. 2. - Montage expérimental.

Le goniomètre potentiométriqueIl est constitué de deux tiges métalliques coaxiales. Au

niveau de l'axe de rotation de l'appareil se trouve unpotentiomètre dont chaque borne est reliée à l'une desbranches. Toute variation de l'angle compris entre lesdeux segments se traduit par une variation de la tensionmesurée sur un voltmètre relié aux bornes dupotentiomètr.e.

Montage expérimental (fig. 2)

Un goniomètre métallique à deux branches de Houdresert de support au goniomètre électronique testé (fig. 2 A).Il est fixé par l'une des branches dans un étau reposantsur un établi.

Au dos du goniomètre métallique, le goniomètrepotentiométrique est fixé, les valeurs angulaires sontdonnées par le module de rééducation (fig. 2 B).

La mobilisation de la branche libre du goniomètresupport entraîne" le goniomètre potentiométrique et legoniomètre électronique à câble dans son sens.

Mode flexion 1 (fie. 1)Dans un second temps, et sans modifier le réglage du

module de rééducation, on répète cette mesure, maisdepuis une position d'extension vers une position deflexion jusqu'au déclenchement du « bip » sonore dumodule.

On relève alors les valeurs des tensions sur le voltmètre,ainsi que la valeur de l'angle pour lequel on obtient ledéclenchement du module.

Mode flexion 2 (fie. 2)On bascule maintenant le commutateur du module en

position « Flexion», c'est-à-dire que celui-ci sonne pourune valeur inférieure à la valeur de l'angle choisi.

Depuis une position angulaire supérieure à 30°, anglepris précédemment pour exemple, on règle le module surcette valeur et on répète l'opération de mesure dans lesens de l'extension vers la flexion.

Protocole

Pour une longueur de câble définie, nous effectuons dixrépétitions de la mesure de la tension correspondant à

ÉTUDE DU PHÉNOMÈNE D'HYSTÉRÉSIS

TABLEAU 1. - Étude des différences entre les 3 modes pour unemême longueur de fixation

Nous avons étudié les effets de l'hystérésis encalculant les différences des moyennes entre lestrois modes, ceci pour chaque longueur defixation. Le tableau 1 résume ces résultats etmontre qu'entre les moyennes obtenues pourchaque mode de mesure, les différences sont trèshautement significatives.

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l'angle étudié. Nous en tirons la valeur moyenne. Cettemesure est répétée de dix degrés en dix degrés, lesamplitudes étant donné par le goniomètre potentiométri­que. Ces valeurs, exprimées en volts, nous permettent detracer une courbe traduisant l'évolution de la tension enfonction de l'angle dans un mode de mesure.

Nous pratiquons de la même manière dans les troismodes de mesure, c'est-à-dire en mode:- recurvatum;- flexion 1 ;- flexion 2.

Ces mesures sont réalisées pour trois points de fixationdu câble par rapport au centre de rotation du goniomètrede référence, à une distance de :- 12 cm;- 20 cm ;- 30 cm (fig. 2 C).

Résultats

ReclFLE l

ReclFLE 2

FLE IIFLE 2

L 12

+++

+++

+++

L20

+++

+++

+++

L30

+++

+++

+++

Nous présentons dans ce chapitre l'analyse detrois éléments.

ÉVOLUTION DE LA TENSION EN FONCTIONDE L'ANGLE

Cette évolution est représentée par troiscourbes, une pour la longueur de fixation à12 cm, une pour la longueur de fixation à 20 cmet la dernière pour la longueur de fixation à30 cm. L'étude de chaque courbe nous permetde définir si la tension évolue de manière logiqueen fonction de l'angle (fig. 3).

LONGUEUR 12 cm

6.00

5.004.00

.--..• - RECI.R

3,00r ~

1 0- FLEI.----=

.•• FLE 22.00

1.00

0.00

30' 40' 50' 60' 70' 80' 90' 100' 110' 120' 130'

FIG. 3. - Évolution de la tension en fonction de l'angle à 12 cm.

Les valeurs satistiques de ces chiffres sont remplacées par laconvention suivante :- différence statistiquement non significative+ différence statistiquement significative+ + différence statistiquement hautement significative+++ différence statistiquement très hautement significative.

ÉTUDE DE LA REPRODUCTIBILITÉ DESMESURES

Pour étudier la reproductibilité des mesures,nous avons étudié les corrélations entre lesmesures effectuées pour chaque mode et pourchaque longueur de fixation du câble. Le

TABLEAU II. - Étude des corrélations entre chaque mode demesure

Longueur 20 cmLongueur 30 cm

Rec

FIe lFIe 2RecFIe lFIe 2

Rec

0,980,9850,9870,9880,9880,985

L 12

FIe l0,9880,9860,9880,9880,9890,986

FIe 2

0,9890,9870,9890,9890,9890,987

Rec

0,999ll

L20

FIe l 0,9990,9990,999

FIe 2

0,9990,9990,999

tableau II résume les valeurs de ces corrélations.Nous notons qu'elles sont très hautementsignificatives.

Discussion

ANALYSE DES RÉSULTATS

Évolution de la tension en fonction de l'angle

L'évolution de la tension en fonction del'angle est parfaitement régulière qu'elle que soitla longueur de fixation.

On note cependant une seule exception pourune longueur de fixation de 12 cm. Il existe unenette cassure du profil de la courbe à la valeurangulaire de 1200•

On peut estimer qu'il s'agit là de la limiteinférieure de longueur de fixation du câble étudiépuisque pour 20 cm et 30 cm, nous retrouvonsune excellente corrélation des résultats.

Effet de l'hystérésis

Nous avions signalé l'importance du phéno­mène d'hystérésis. Notre étude valide statisti­quement ce phénomène puisque les différencessont très hautement significatives. D'autre part,les courbes obtenues (fig. 3) montrent le profilcaractéristique du phénomène d'hystérésis.

Il est intéressant de noter que l'analysedétaillée des chiffres montre que cet effetd'hystérésis est de plus en plus notable à mesureque l'amplitude augmente. Ceci est mathémati­quement logique puisque les tensions suivent uneprogression logarithmique.

Reproductibilité

Les corrélations obtenues quel que soit l'angleou quelle que soit la longueur de fixation sonttrès hautement significatives. Cependant, on

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note qu'entre une longueur de fixation de 20 et30 cm, la corrélation est égale à 1.

Au vu des résultats obtenus, la reproductibi­lité des mesures s'avère excellente, voire parfaitesi la longueur de fixation est supérieure à 20 cm.

Conclusion

Le goniomètre testé se montre très fiable ence qui concerne la reproductivité des mesuresde tension. Il reste toutefois à éliminer lephénomène d'hystérésis, mais aussi à étalonnerl'appareil en reliant les tensions à des valeursangulaires.

Tant qu'aucune solution technique n'est ap­portée à ces deux problèmes, ce goniomètreélectronique à câble reste avant tout un « feed­back » angulaire très intéressant par sa tailleréduite et sa facilité d'utilisation.

Ces divers aspects ayant. trouvé leur solution,il sera nécessaire de tester le goniomètre sur unmodèle mécanique mono-axial, puis sur unmodèle pluri-axial, avant d'opérer sur le sujetvivant (et ce sur diverses articulations).

Références

1. NEIGER H., GENOT C. - Goniométrie articulaire: recherchedes amplitudes articulaires et transcriptions des résultats.Ann. Kinésithér., 1983, JO, 215-219.

2. MULLER M. E., BOITZY A. - La cotation chiffrée de lamobilité articulaire, 2e livre, « Explorations fonctionnelles ",Hommel SA, 1971.

3. ASCH G. et coll. - Les capteurs en instrumentationindustrielle, Dunod, Paris, 1983, 365-370.

4. CHRISTEL P., WITVOET J., JUSSERAND J. - Rééducation desentorses du genou. E. M. C. {Paris}, Kinésithérapie,26240 C 10, 4-1989.