Détection de la fatigue neuromusculaire de l’épaule au moyen de la Théorie Cinématique des mouvements humains rapides

Les troubles musculo-squelettiques de l’épaule, et plus particulièrement ceux impactant la coiffe des rotateurs sont omniprésents dans notre société. Ils sont handicapants dans la vie de tous les jours et également très coûteux. Les coûts directs et indirects associés sont considérables. Il est alors important de les prévenir. Les causes de blessures à la coiffe des rotateurs sont multifactorielles. Parmi elles se trouve la fatigue musculaire, qui peut être soit centrale (du système nerveux central) ou périphérique (des muscles). Lors de mouvements répétitifs à hauteur d’épaule ou au-dessus de la tête, de la fatigue apparait, qui suite à une réaction en chaine peut entrainer une blessure. Les sportifs, dont les gestes impliquent de nombreuses répétitions de mouvement du bras, sont souvent sujets à des risques de blessures de l’épaule. Une façon de prévenir les blessures est alors d’étudier la fatigue musculaire à la coiffe des rotateurs. Ceci permettrait d’adapter à terme les entrainements pour chaque sportif et d’avoir un traitement personnalisé à chacun par des professionnels de la santé. Pour ce faire, un test clinique de détection de la fatigue doit être mis en place. Il doit être facile d’utilisation, peu coûteux et avec des données fiables, répétables d’un jour à l’autre et d’un évaluateur à l’autre. Cependant, à ce jour, il semble que les outils existants de détection de la fatigue musculaire à l’épaule peuvent difficilement être instaurés en clinique et différencier une fatigue centrale d’une fatigue périphérique. L’objectif de ce projet est d’innover dans les tests cliniques de détection de la fatigue de l’épaule. La Théorie Cinématique des mouvements humains rapides semble être une alternative efficace à l’étude du contrôle moteur. Il s’agit d’une méthode permettant de reconstruire le mouvement humain à partir de fonctions lognormales. Ses paramètres décrivent l’état physiologique du participant. Le dispositif expérimental constitué d’une tablette est ergonomique et peu coûteux. Les gestes à effectuer se rapprochent de l’écriture et sont faciles à exécuter, ce qui fait de cette méthode un bon candidat pour son utilisation en tant que test clinique. Pour ce faire, nous avons donc réalisé une première étude visant à étudier l’efficacité de détection de la fatigue neuromusculaire au moyen de la Théorie Cinématique. Vingt participants sains et sportifs ont réalisé deux séances avec une procédure similaire : exécuter des traits sur une tablette (traits simples, triangles, oscillations horizontales et oscillations verticales), fatiguer un muscle de l’épaule (le sous-scapulaire ou l’infra-épineux en fonction de la séance) et exécuter de nouveaux traits sur tablette. Des différences significatives avec taille d’effet de modérée à très large ont été constatées dans les paramètres de la théorie, suite aux deux séances. D’un point de vue théorique, il a été possible de différencier une fatigue centrale d’une fatigue périphérique. Un profil de réponse général suite à la fatigue a également été dénoté. Par ailleurs, un suivi de fatigue individualisé est également possible dans un souci d’accompagnement personnalisé. Tandis que le test des traits simples permettait de savoir plus facilement si la fatigue était centrale ou périphérique, le test des oscillations était le plus sensible. La différence de réaction suite au muscle fatigué n’a pas encore été établie. La deuxième étude visait à analyser la répétabilité des données d’un jour à l’autre. Pour cela, les mêmes traits que ceux exécutés pendant l’étude de la fatigue ont été réalisés par 40 participants deux fois à un jour d’intervalle minimum entre chaque séance. Une bonne répétabilité des données a été établie pour la plupart des paramètres des tests. Néanmoins, le changement minimal détectable était plus élevé que les différences avant et après fatigue de la première étude. Ceci nous amène à penser qu’il n’est à ce jour pas utilisable dans notre étude de cas. Afin de se conformer aux exigences d’un nouveau test clinique, il faudrait que des études de sensibilité et de spécificité soient entreprises afin de s’assurer de la bonne détection des personnes fatiguées. En dépit des limitations, l’utilisation de la Théorie Cinématique semble être une approche innovante pour détecter la fatigue neuromusculaire, et utilisable en clinique. Ces connaissances sont nécessaires afin de mieux guider les sportifs dans leur entrainement et éviter l’apparition à plus long terme de blessure.----------ABSTRACT Shoulder musculoskeletal disorders, and particularly those affecting the rotator cuff, are omnipresent in our society. They are incapacitating in the daily life and are also expensive. Direct and indirect costs associated with them are huge. Their prevention is therefore important. The causes of rotator cuff injuries are multifactorial. One of them is muscle fatigue, which can be either central (from the central nervous system) or peripheral (from the muscles). Fatigue appears when repetitive movements are made at shoulder height or overhead. As a result, it can lead to injuries. Sportsmen and women, whose movements involve many repetitive arm movements, are often at risk of shoulder injuries. Studying fatigue at the rotator cuff is a good way to prevent injuries. This would help in the long term to adapt training for each athlete and to have a personalized treatment for each one by health professionals. In that way, a clinical test to detect fatigue must be set up. It must be easy to use, inexpensive and with data that are reliable from one day/examiner to the other. However, to date, it appears that the existing tools for detecting shoulder muscle fatigue are difficult to implement in clinics and cannot easily differentiate between central and peripheral fatigue. The objective of this project is to innovate in clinical tests for the detection of shoulder fatigue. The Kinematic Theory of rapid human movement seems to be an effective alternative to study motor control. Human movement is reconstructed through lognormal functions. Their parameters describe the physiological state of the participant. The experimental device consisting of a tablet is ergonomic and inexpensive. The gestures to be performed are similar to writing and are easy to perform, making this method a good choice for clinical uses. We therefore carried out an initial study to investigate the effectiveness of detecting neuromuscular fatigue using the Kinematic Theory. Twenty healthy and active participants carried out two sessions with a similar procedure: performing strokes on a tablet (simple strokes, triangles, horizontal oscillations and vertical oscillations), fatiguing a shoulder muscle (subscapularis or infraspinatus depending on the session) and performing the strokes again on a tablet. Significant differences with moderate to good effect sizes were found in the parameters of the theory, following the two sessions. From a theoretical point of view it was possible to differentiate between central and peripheral fatigue. A general response profile to fatigue was also highlighted. In addition, an individualized fatigue follow-up is also possible. The distinction of the type of fatigue (central vs peripheral) is more easily detectable with the test of the simple strokes. The oscillation test was the most sensitive to fatigue. The difference in reaction to the fatigued muscle has not been established yet. The second study was designed to analyze the data reliability from one day to the other. For this purpose, the same strokes as those performed for the study of fatigue were performed twice with a minimum of one day interval between each session, by 40 participants. Good data reliability was ascertained for most of the parameters. Nevertheless, the minimal detectable change was greater than the pre- and post-fatigue differences in the first study. This leads us to believe that it is not usable yet in our case study. In order to comply with the requirements of a new clinical test, sensitivity and specificity studies would need to be undertaken to ensure the proper detection of fatigued participants. Despite some limitations, the use of the Kinematic Theory appears to be an innovative approach for detecting neuromuscular fatigue, that is clinically applicable. This knowledge is necessary to better guide athletes in their training and, in the long run, to avoid the occurrence of an injury

Recent developments in the study of rapid human movements with the kinematic theory: Applications to handwriting and signature synthesis

International audienceHuman movement modeling can be of great interest for the design of pattern recognition systems relying on the understanding of the fine motor control (such as on-line handwriting recognition or signature verification) as well as for the development of intelligent systems involving in a way or another the processing of human movements. In this paper, we briefly list the different models that have been proposed in order to characterize the handwriting process and focus on a representation involving a vectorial summation of lognormal functions: the Sigma-lognormal model. Then, from a practical perspective, we describe a new stroke extraction algorithm suitable for the reverse engineering of handwriting signals. In the following section it is shown how the resulting representation can be used to study the writer and signer variability. We then report on two joint projects dealing with the automatic generation of synthetic specimens for the creation of large databases. The first application concerns the automatic generation of totally synthetic signature specimens for the training and evaluation of verification performances of automatic signature recognition systems. The second application deals with the synthesis of handwritten gestures for speeding up the learning process in customizable on-line recognition systems to be integrated in electronic pen pads