Cinématique et biomécanique articulaire

La cinématique décrit le mouvement des segments corporels et des articulations – leur position, leur déplacement, leur vitesse et leurs axes de rotation – tandis que la biomécanique articulaire analyse les forces et les moments qui produisent et résistent à ce mouvement. Ensemble, elles quantifient la manière dont le système musculo-squelettique convertit l'effort musculaire en un mouvement contrôlé et porteur de charge.

Definition

La cinématique est la description du mouvement – déplacement, vitesse et accélération des segments et des articulations – sans référence aux forces impliquées ; la biomécanique articulaire étend cela à la cinétique, l'analyse des forces, des moments et des actions musculaires qui produisent et résistent au mouvement articulaire.

Scope

Ce sujet couvre la description du mouvement articulaire (degrés de liberté, plans et axes, amplitude de mouvement), l'analyse des forces et moments articulaires (cinétique), et la manière dont les muscles, les tendons et la géométrie articulaire se combinent pour générer le mouvement, y compris la modélisation computationnelle utilisée pour estimer des quantités qui ne peuvent pas être mesurées directement. Il s'agit d'une référence méthodologique et analytique, et non d'une directive clinique.

Core questions

• Comment le mouvement articulaire et segmentaire est-il décrit en termes de degrés de liberté, de plans et d'axes ?
• Comment les forces et moments articulaires sont-ils inférés à partir du mouvement et des charges externes ?
• Comment la force musculaire, le bras de levier et la géométrie articulaire se combinent-ils pour produire le mouvement ?
• Comment les modèles musculo-squelettiques computationnels sont-ils utilisés pour estimer la mécanique interne ?

Key concepts

• Degrés de liberté et axes articulaires
• Plans de mouvement et amplitude de mouvement
• Bras de levier et couple articulaire
• Cinématique versus cinétique
• Dynamique inverse et directe
• Modélisation et simulation musculo-squelettique

Key theories

Modélisation musculotendineuse de type Hill

La production de force musculaire dans l'analyse biomécanique est généralement représentée par des modèles de type Hill, dans lesquels un élément contractile avec des propriétés force-longueur et force-vitesse agit en série avec un tendon élastique, permettant la simulation de la manière dont les muscles entraînent le mouvement articulaire.

Dynamique inverse et directe

La cinétique articulaire est analysée soit par dynamique inverse, calculant les moments articulaires nets requis pour produire le mouvement observé, soit par dynamique directe, prédisant le mouvement à partir de forces musculaires supposées, offrant des voies complémentaires entre le mouvement et les forces qui le provoquent.

Mechanisms

Le mouvement articulaire est décrit par le nombre de façons indépendantes dont une articulation peut se déplacer (degrés de liberté) et par les plans et axes autour desquels elle tourne, l'amplitude de mouvement étant limitée par la géométrie articulaire et les contraintes des tissus mous. Les forces motrices du mouvement proviennent des muscles, dont l'effet sur une articulation dépend de la force qu'ils produisent et de leur bras de levier – la distance perpendiculaire entre la ligne d'action et l'axe articulaire – de sorte que le couple articulaire est le produit de la force musculaire et du bras de levier, sommé sur l'ensemble des muscles. Étant donné que les forces musculaires internes et les forces de contact articulaire ne peuvent pas être mesurées directement chez les sujets vivants, les biomécaniciens utilisent la dynamique inverse pour calculer les moments articulaires nets à partir du mouvement mesuré et des forces externes, et des modèles musculo-squelettiques avec des actionneurs de type Hill pour estimer les contributions musculaires individuelles par simulation.

Clinical relevance

L'analyse cinématique et cinétique sous-tend la compréhension orthopédique de la fonction articulaire normale et altérée, la justification des procédures reconstructives et l'évaluation du mouvement après une blessure ou une chirurgie. Ce sujet décrit comment le mouvement et la charge articulaire sont mesurés et modélisés, et ne constitue pas une base pour prescrire un traitement ou une rééducation à un individu donné.

Evidence & guidelines

La cinématique articulaire et l'analyse biomécanique sont fondées sur la mécanique et validées par des études expérimentales et computationnelles ; les méthodes standard sont consolidées dans les ouvrages de biomécanique et dans les cadres de modélisation open-source largement utilisés, plutôt que dans les directives cliniques.

History

L'étude quantitative du mouvement humain a émergé de la photographie de mouvement précoce et de l'application de la mécanique des corps rigides au squelette. Tout au long de la fin du XXe siècle, l'analyse instrumentée de la marche et les méthodes de dynamique inverse ont mûri, et au XXIe siècle, les plateformes open-source de modélisation et de simulation musculo-squelettique ont rendu l'estimation détaillée de la mécanique interne des articulations et des muscles largement accessible.

Key figures

• Scott Delp
• Marcus Pandy

Seminal works

• delp-2007
• pandy-2001

Frequently asked questions

Quelle est la différence entre la cinématique et la cinétique ?

La cinématique décrit le mouvement lui-même – positions, angles, vitesses – sans référence à ses causes, tandis que la cinétique analyse les forces et les moments qui produisent et résistent à ce mouvement.

Pourquoi les modèles computationnels sont-ils utilisés en biomécanique articulaire ?

Étant donné que les forces musculaires internes et les forces de contact articulaire ne peuvent pas être mesurées directement chez les personnes vivantes, les modèles et simulations musculo-squelettiques estiment ces quantités à partir du mouvement mesurable et des charges externes.