Nouveau cadre pour mesurer la stabilité pendant la marche

Les chutes sont un grave problème de santé publique, entraînant des dizaines de milliers de décès chaque année et accumulant des milliards de dollars en coûts de soins de santé. Bien qu’il y ait eu des recherches approfondies sur la biomécanique des chutes, la plupart des approches actuelles étudient comment les jambes, les articulations et les muscles agissent séparément pour réagir, plutôt que comme un système. La capacité de mesurer comment ces différents niveaux sont liés les uns aux autres pourrait brosser un tableau beaucoup plus clair de la raison pour laquelle quelqu’un tombe et précisément de la façon dont son corps compense. Jusqu’à récemment, cependant, une approche de mesure intégrée était insaisissable.

Dans une recherche récemment publiée, Pawel Golyski et son doctorat. Le conseiller Gregory Sawicki, professeur agrégé de génie mécanique et de sciences biologiques à Georgia Tech, étudie si l’énergie mécanique peut être utilisée comme une « monnaie commune » pour mesurer comment les humains utilisent les membres inférieurs pour se stabiliser pendant la marche. Leurs recherches, publiées dans le Journal de l’interface de la société royale, jette les bases de l’utilisation de l’énergétique mécanique pour comprendre les rôles des articulations et des muscles lors d’une locomotion instable. L’article a également contribué à la sélection de Golyski en tant que récipiendaire cette année du prix de réalisation prédoctorale de l’American Society of Biomechanics (ASB), un honneur prestigieux qui prend en compte l’ensemble du portefeuille de publications d’un candidat.

Golyski, membre diplômé du laboratoire de physiologie de la robotique portable (PoWeR) de Sawicki, a précédemment travaillé comme chercheur scientifique auprès de personnes amputées des membres inférieurs au Walter Reed National Military Medical Center. Pour ses études supérieures à Georgia Tech, son objectif était de développer une compréhension de la façon dont les appareils et le corps humain fonctionnent ensemble, en particulier à l’intersection de trois éléments : la mécanique musculaire, les exosquelettes portables et la stabilité pendant la marche.

Chacun des trois éléments est lié aux autres. Les exosquelettes affectent la stabilité d’une personne tout en affectant le fonctionnement de ses muscles, et vice versa. Mais examiner comment les muscles interagissent avec les exosquelettes et affectent la stabilité constitue un défi intéressant, dit Golyski. Parce que, bien que l’on puisse observer comment la dynamique musculaire change avec l’utilisation d’un exosquelette, la relation entre ces changements et la stabilité n’est pas comprise. Pour comprendre comment les trois piliers fonctionnent ensemble pour aider les humains à compenser lors d’une chute, Golyski et Sawicki devaient proposer un nouveau cadre pour mesurer la stabilité.

Comptables de l’énergie

Les chercheurs savaient que pour une personne marchant à une vitesse constante sur un sol plat, l’énergie mécanique nette de la personne et de chaque jambe sur une foulée – de la frappe du talon d’une jambe à la prochaine frappe du talon de cette même jambe – est nulle. Ils savaient également que l’énergie devait être égale à l’énergie mécanique à tous les niveaux de description de la jambe, en particulier les articulations et les muscles.

« L’idée est que si nous pouvons relier la stabilité à une demande d’énergie, alors nous pouvons devenir des comptables et suivre comment l’énergie – notre monnaie – change au niveau de la personne, du muscle et de l’exosquelette », a déclaré Golyski. « Cela fournit un cadre vraiment puissant pour relier ces trois domaines. »

Golyski et Sawicki ont conçu une expérience avec une personne marchant sur un tapis roulant. À l’aide d’un tapis roulant à courroie divisée, ils ont appliqué des perturbations courtes et rapides, appelées perturbations, sous la forme d’augmentations de la vitesse de la courroie sur une jambe pendant la marche. Le but était d’injecter ou d’extraire de l’énergie lors d’une foulée, afin de pouvoir ensuite mesurer l’évolution des énergies des jambes et des articulations de la personne.

Pour l’expérience, ils ont utilisé CAREN (Computer Assisted Rehabilitation Environment) de Georgia Tech, un système intégré utilisé pour étudier la stabilité pendant le mouvement. Il comporte des caméras montées au-dessus d’un tapis roulant pour suivre le mouvement d’une personne à l’aide de marqueurs de capture de mouvement attachés à la personne. En utilisant un algorithme conçu par Golyski, Sawicki, PoWeR lab Ph.D. Jennifer Leestma, et une mentorée du secondaire, Esmeralda Vazquez, le CAREN peut exécuter des perturbations en fonction des mouvements d’une personne, ce qui permet aux chercheurs d’initier des perturbations à des moments précis du cycle de la marche. En combinant la force du tapis roulant avec les données de position recueillies par le CAREN, Golyski et Sawicki peuvent calculer les changements d’énergie dans les articulations individuelles d’une personne.

Leur nouveau cadre pourrait aider à déterminer quelle partie du corps d’une personne gère les réponses à l’énergie déstabilisante, en indiquant des muscles ou des articulations spécifiques à cibler avec une thérapie de réadaptation. Cela pourrait également ouvrir la porte à des exosquelettes et des prothèses avancés qui ciblent des articulations spécifiques pour restaurer des réponses stabilisatrices chez les personnes souffrant de troubles de l’équilibre.

« L’ensemble des recherches que Pawel a effectuées au cours de ses études de doctorat est tout simplement impressionnant. Il a innové en développant de nouvelles techniques expérimentales et un nouveau dispositif d’assistance à l’exosquelette de la hanche, en effectuant des mesures d’imagerie musculaire inédites et en répondant finalement la question de savoir comment les exosquelettes modifient la dynamique des articulations et des muscles pour influencer la stabilité de la marche humaine », a déclaré Sawicki. « J’ai été ravi que les contributions exceptionnelles de Pawel en tant que scientifique-ingénieur aient été reconnues par l’ASB, et je suis encore plus ravi qu’il revienne chez Walter Reed – son travail de rêve – pour appliquer ses nouvelles compétences pour aider les gens à passer d’ici à là-bas. . »