Quantification des efforts intervertébraux et articulaires en temps-réel au cours de la marche des enfants atteints de scoliose idiopathique

La marche est une activité quotidienne et est le moyen de déplacement le plus simple pour l'être humain. Une pathologie musculosquelettique telle que la scoliose idiopathique (SI) peut avoir des répercussions importantes sur la qualité de vie des personnes affectées. Plusieurs études ont montré que le patron de marche chez les patients scoliotiques peut différer d'un patron de marche normal. Plus spécifiquement, l'asymétrie au niveau du rachis peut causer une réduction de l'amplitude de mouvement du bassin et des membres inférieurs et une dépense énergétique plus élevée. La correction du patron de marche chez ces patients est donc cruciale et peut avoir des répercussions positives sur leur qualité de vie. L'objectif de ce projet est de développer un outil qui calcule les efforts internes au niveau des articulations des membres inférieurs et tout au long de la colonne vertébrale en temps-réel. Cet outil permettra de faciliter les traitements de réadaptation de la marche des patients scoliotiques en quantifiant l'asymétrie au niveau du tronc grâce aux efforts articulaires. Pour ce faire, le corps humain a été modélisé comme un système dynamique multicorps tridimensionnel. Des capteurs de position ont été placés sur chaque vertèbre et sur des marqueurs anatomiques des membres inférieurs. Les efforts intervertébraux et articulaires ont été obtenus grâce à des processus de cinématique inverse et de dynamique inverse à l'aide du logiciel de modélisation dynamique Robotran. L'outil développé a été testé par le biais d'une analyse de cas comparant les données d'un sujet scoliotique et d'un sujet sain. Les résultats présentés dans ce mémoire montrent que les efforts intervertébraux médio-latéraux et antéro-postérieurs peuvent être des indicateurs d'asymétrie de la colonne vertébrale puisqu'ils sont plus élevés chez le sujet scoliotique. Le couple et la force médio-latéraux moyens de la colonne vertébrale sont respectivement 200% et 114% plus élevés chez le sujet scoliotique. Les mêmes efforts antéro-postérieurs sont 100% et 50% plus élevés. De plus, les résultats montrent que les efforts sont distribués de manière uniforme tout au long de la colonne vertébrale et que l'on n'observe pas des efforts plus élevés autour de l'apex ou au niveau d'un autre point critique de la colonne vertébrale.

Abstract

Walking is a daily activity and the natural way to move for a human. Musculoskeletal pathologies, such as the idiopathic scoliosis (IS), can have a significant impact on the life quality of affected people. Several studies have shown that gait in IS patients may differ from a normal walking pattern. More specifically, asymmetry in the spine can cause reduction in the range of motion of the pelvis and the lower limbs and increase the energy expenditure. The correction of the walking pattern in these patients is crucial and may have positive repercussions on their life quality. The objective of this project is to develop a tool that assesses joint internal efforts of the lower limbs and all along the spine in real time. This tool will facilitate rehabilitation treatments for scoliotic patients by quantifying asymmetry in the trunk through joint efforts. To do so, the human body is modeled as a 3D dynamic multibody system. It is personalised to each patient from the position of the sensors placed on each vertebra and anatomical markers on the lower limbs. The intervertebral and articular efforts are obtained from a solver of symbolic equations and an inverse cinematic method generated by Robotran software. The developed tool was tested by a proof of the concept example which compared the data of a healthy subject with those of a scoliotic subject. The results presented in this thesis show that media laterals and antero-posterior's intervertebral efforts may be indicators of asymmetry since they are higher for the scoliosis subject. The media-lateral torque and force are respectively 200% and 114% higher for the scoliotic subject. The same antero-posterior efforts are 100% and 50% higher. In addition, the results show that the efforts were uniformly distributed throughout the spine. The efforts around the apex or another critical point were not higher than the others. The developed tool developed enables the quantification of articular and intervertebral efforts of scoliotic subject which allows the identification of the most pertinent asymmetry indicators and therefore supporting the to development of adequate corrective movements. These movements have the potential to facilitate rehabilitation of the walking pattern of scoliotic subjects.