Analyse de l’architecture musculaire en marche descendante avec charge

Cet article fait référence à l’introduction du mémoire de Master 1 STAPS-IEAP – Voie Ingénierie et Sciences du Mouvement Humain par Éloïse CHAMALET réalisé à l’Université Paris-Saclay (2018/2019) sous la direction de Sebastian GARCIA VICENCIO.

Définition de la fatigue et des dommages musculaires

Fatigue

La pratique d’exercices intenses et prolongés peut entrainer l’apparition de douleurs musculaires au cours de l’exercice. Cela peut être accompagné d’une augmentation du rythme cardiaque et d’une altération des performances caractérisée par la diminution de la force produite par les muscles. Cependant, ces signes ne perdurent pas et sont rétablis peu de temps après la fin de l’exercice. 

Ce  phénomène  physiologique  est  classiquement  décrit  comme  une  fatigue neuromusculaire. En effet, la fatigue neuromusculaire peut être définie par une incapacité à maintenir un niveau maximal ou sous-maximal de puissance ou de force donné tout au long d’un exercice.

Cette fatigue est généralement accompagnée d’une augmentation de la perception de l’effort physique. Nous pouvons classiquement distinguer deux types de fatigue : la fatigue centrale ou nerveuse qui est liée aux altérations des structures nerveuses situées en amont de la jonction neuromusculaire et la fatigue dite musculaire ou périphérique à laquelle on s’intéresse dans ce mémoire (Millet 2010).

Cette fatigue musculaire trouve une explication au niveau microscopique. Elle se traduit par une altération des fonctions permettant la conversion de potentiels d’action en force mécanique (couplage excitation-contraction). Deux des causes principales de la fatigue à l’échelle cellulaire sont la baisse de libération du Ca²⁺ et/ou la baisse de la sensibilité des protéines contractiles au Ca²⁺.

De plus, la diminution de la force intrinsèque produite par chaque pont actine myosine formé pourrait constituer l’un des facteurs responsables de cette baisse réversible de la performance (<24h) (Place 2010).

Dommages musculaires

Lorsque la baisse de la force est prolongée au-delà de 24 h, il ne s’agit alors plus de fatigue mais de dommages musculaires. L’apparition de dommages musculaires est principalement favorisée par l’exercice excentrique (contraction du muscle en étirement).

Cette perte de force peut s’accompagner de courbatures (forte douleur), d’une diminution de l’amplitude de mouvement (raideur musculaire), d’une augmentation de la concentration de certaines protéines et enzymes dans le sang (e.g. myoglobine et créatine kinase) et d’inflammation (Warren, Lowe et Armstrong 1999) (Brancaccio et al 2010).

Tout comme la fatigue, les dommages musculaires peuvent être définis d’un point de vue microscopique. Ils se caractérisent par des altérations aux niveaux des structures myofibrillaires, de la matrice extracellulaire et des sarcolemmes (Féasson et al 2002)(figure 1).

Les dommages musculaires sont donc des microdéchirures du tissu musculaire. C’est cette modification des structures contractiles qui va directement impacter la production de force.

Techniques d’évaluation de la fatigue et des dommages musculaires

Afin de quantifier les pertes de performances musculaires et de mieux comprendre leur étiologie (fatigue et dommages musculaires), l’évaluation de la fonction neuromusculaire a été classiquement utilisée (Enoka et Stuart 1992) (Gandevia 2001).

Cette évaluation se caractérise par la mesure de la force maximale ou sous-maximale produite par le membre concerné. Ces types de contractions peuvent être de type isométriques (contraction statique du muscle) ou isocinétiques (contraction à vitesse constante) (Lepers, et al. 2002).

De plus, pour distinguer quels mécanismes (centraux ou périphériques) interviennent dans la production de force, il est recommandé d’utiliser la stimulation évoquée par des impulsions magnétiques ou électriques directement sur le nerf ou le cortex moteur au repos et lors de contractions maximales volontaires (Polkey, et al. 1996).

Au niveau musculaire, l’étude des propriétés mécaniques et électromyographiques de ces réponses (temps et vitesse de contraction, amplitude et latence) permet d’avoir une indication sur l’altération des composants responsables de la transmission de la force. En effet, il a été démontré qu’en condition de fatigue la latence (temps entre le stimulus et la production de force) et le temps de contraction augmentent.

Ceci peut s’expliquer en partie par une altération des propriétés élastiques des muscles et des structures non-contractiles (tissu conjonctif/aponévrose) générant une baisse de la tension du muscle ou de la raideur musculaire (compliance musculo-tendineuse).

En revanche, après la réalisation d’un exercice induisant des dommages musculaires, le muscle et les structures non-contractiles deviennent plus raides limitant également la bonne transmission de la force.

Etude in-vivo de l’architecture musculaire

Une autre méthode classiquement utilisée permettant d’explorer de manière indirecte les structures responsables de la transmission de la force est l’étude in-vivo de l’architecture musculaire lors de l’exercice physique (Kannas, et al. 2010).

L’architecture musculaire correspond à l’agencement des fibres musculaires par rapport à la ligne d’action du muscle (Kawakami etcoll.2006; Lieber et Friden, 2000). Il existe cinq grands types d’architecture musculaire : parallèle, penné (unipenné, bipenné et multipenné), convergent, fusiforme et circulaire (figure 2).

Les muscles des membres inférieurs en particulier ceux de la cuisse sont des muscles pennés. Au repos, la capacité à produire de la force va en partie dépendre de la configuration anatomique des muscles. En effet, un muscle plus penné va être capable de produire plus de force qu’un muscle fusiforme ou d’orientation parallèle.

En vue d’étudier les paramètres architecturaux, les techniques d’imagerie sont de premier ordre. L’IRM est la technique de référence mais elle est coûteuse et contraignante et ne permet pas l’étude de muscles en mouvement. C’est pourquoi il lui est préféré l’échographie qui est une technique peu coûteuse et facile d’accès.

Echographie musculaires pour les paramètres architecturaux

L’échographie produit une image en 2D de l’architecture du muscle, qui permet l’identification de plusieurs structures contractiles et non-contractiles. Parmi ces structures, il est possible d’identifier les aponévroses, les fibres musculaires et les tendons.

De plus, différents paramètres permettent de caractériser l’architecture musculaire (figure 3) tels que la longueur de la fibre étudiée (longueur des faisceaux), l’angle de pennation 𝐴𝑃 (angle formé entre la fibre et l’aponévrose profonde) et l’épaisseur musculaire (distance entre les deux aponévroses) (Narici 1999).

• Figure 3 – Les paramètres de l’architecture musculaire. AP = angle de pennation, LF = longueur de fibre, EM = épaisseur musculaire (adapté de la Thèse de S. Garcia Vivencio)

Il existe une relation géométrique simple entre ces trois variables : sin(𝐴𝑃) = 𝐸𝑀⁄𝐿𝑓 avec EM l’épaisseur du muscle et L_f la longueur de la fibre. Cette relation va varier en fonction de la condition de l’état du muscle (relâché ou en contraction).

Par exemple, lorsque le muscle se contracte, l’angle de pennation augmente, la longueur de la fibre diminue et lorsqu’il s’étire, l’angle de pennation diminue et la longueur de fibre augmente (figure 4). Or, l’enregistrement échographique permet l’étude des variations de ces paramètres sur un muscle en mouvement. 

De plus, l’altération des propriétés élastiques des muscles et des structures non-contractiles (tissu conjonctif/aponévrose) avec la fatigue ou en cas de dommages musculaires va modifier l’amplitude de variation de ces différents paramètres (EM, LF, AP) au cours du cycle relâchement-contraction.

Cependant, l’étude de la variation des paramètres architecturaux au cours de phases successives de contraction–relâchement lors de l’exercice physique en utilisant l’ultrasonographie présente des limites.

Limites méthodologiques des techniques actuelles

Dans la pratique, pour évaluer la fatigue et les dommages musculaires, les techniques de contraction maximale et d’imagerie sont souvent utilisées conjointement.

Cependant, ces techniques font face à certaines limites. Le plus souvent, les études sont réalisées en laboratoire avec des appareils tels qu’un dynamomètre ou un échographe difficilement utilisables sur le terrain pour le suivi des sportifs ou des militaires. De plus, les exercices mis en place sont des modèles expérimentaux très standardisés.

Par exemple, le sujet est assis et exerce une contraction maximale volontaire à un angle fixé de l’articulation du genou ou de la cheville ou bien pédale sur un ergocycle (Lepers et al 2004). Mais un exercice d’extension du genou ou de pédalage ne sollicite pas tout à fait les mêmes groupes musculaires que ceux sollicités lors de la marche ou de la course à pied.

De plus, la marche et la course à pied font appel à un plus grand nombre de degrés de liberté (les articulations sus et sous-jacentes n’étant pas fixées) et la vitesse de contraction musculaire y est plus importante (Peñailillo, Blazevich et Nosaka 2015 ).

Ce sont les limites technologiques (faible fréquence d’acquisition des images) qui ont imposé l’utilisation de ces modèles, les échographes alors utilisés ne pouvant pas suivre la vitesse imposée lors de la marche.

Avec le développement des échographes (augmentation de la qualité et de la fréquence d’enregistrement), d’autres études se sont intéressées à la variation de l’architecture musculaire au cours d’exercices tels que la marche ou la course à pied (Ishikawa et al 2007) (Cronin, et al. 2011).

Il a été démontré que la longueur des fibres musculaires va évoluer différemment selon le muscle étudié et la phase d’appui du cycle de marche ainsi qu’en fonction de la vitesse et/ou du mode de contraction (marche en descente ou montée). En effet, la longueur des fibres du muscle vastus lateralis augmente d’environ 40% entre le moment de premier contact du pied (pose du talon) et le soulèvement des orteils (Cronin, et al. 2011).

Cependant, la plupart des études sont faites sous des conditions standard (marche à plat et sans charge) et aucune ne s’est intéressée, à ce jour, à étudier la variation de la mécanique de la contraction musculaire évaluée par échographie lors de la locomotion avec des contraintes spécifiques telles que la charge ou la variation de la pente. Une seule étude s’est intéressée à évaluer cette architecture à l’issue d’un protocole de marche de 60 minutes à 5,4 km/h en portant 55% de la masse corporelle (Lidstone, et al. 2017).

Ces résultats montrent une augmentation significative de l’angle de pennation de la longueur des faisceaux comparée à la situation pré-exercice. Cependant, ces mesures ont été réalisées au repos avant et après l’exercice, ne permettant pas de traduire l’évolution des paramètres de l’architecture musculaire au cours de la marche. 

Limite du traitement des images

Longtemps, le suivi des paramètres architecturaux s’est fait manuellement (image par image) mais cela demande énormément de temps et ne peut être fait que par une seule personne. La technique manuelle entraîne une incertitude importante de type opérateur et méthode.

De plus, les fibres ne sont pas toujours entièrement visibles sur l’image et il faut donc, à l’aide de formule géométrique (figure 5), calculer la longueur totale de la fibre ce qui rajoute une source d’incertitude. 

Pour pallier ces défauts, des techniques et algorithmes ont été mis en place pour automatiser le suivi des fibres et des paramètres caractérisant l’architecture musculaire (Cronin, Carty, et al. 2011) (Caresio, et al. 2017).

Le plus souvent dans le cas d’exercices isométriques les techniques sont semi-automatisées. Il faut d’abord identifier le point P d’insertion de la fibre sur l’aponévrose profonde puis l’algorithme suit son déplacement sur les images suivantes mais cela n’est possible que pour une vitesse faible (Fukunaga, et al. 1997).

De plus, suivre une fibre unique ne permet pas une bonne représentation du muscle dans sa globalité puisque le muscle n’est pas homogène, c’est-à dire que l’architecture n’est pas similaire dans la totalité du muscle en raison de sa distribution tridimensionnelle. Une stratégie permettant de prendre en compte ce comportement global est de suivre un ensemble de fibres et de faire une moyenne pour pouvoir estimer de manière plus juste la variation des paramètres architecturaux.

D’autres algorithmes (e.g. Musculoskeletal ultrasound images (MUSA) (Caresio, et al. 2017)) ont permis une détection entièrement automatisée de l’aponévrose et des fibres musculaires ainsi que le calcul des paramètres de l’architecture musculaire tout en tenant compte de l’inhomogénéité du muscle. Mais ils n’ont pas été testés lors de mouvements tels que la marche avec des contraintes variées telles que la vitesse de déplacement, la pente ou la charge (Caresio, et al. 2017).

Certains algorithmes automatisés ont néanmoins été utilisés pour le suivi et le calcul des paramètres architecturaux lors de la marche mais la vitesse engendrée peut rendre le suivi d’une même fibre difficile et l’image peut être déformée rendant l’utilisation des formules géométriques impossibles (Cronin, Carty, et al. 2011). 

Problématique et hypothèses

Nous savons d’une part que les paramètres architecturaux varient au cours de la contraction musculaire et d’autre part que les propriétés élastiques des structures déterminent ces paramètres architecturaux.

Enfin l’exercice physique et notamment la marche en descente avec charge peut générer fatigue et dommages musculaires qui sont susceptibles de retentir sur les qualités élastiques du muscle. Ainsi, le suivi des modifications des paramètres architecturaux au cours de la contraction et au fur et à mesure de l’exercice de marche constituent une manière indirecte d’étudier les modifications des propriétés élastiques responsables de la production de force musculaire pouvant témoigner d’une fatigue et/ou de dommages musculaires.

Il sera intéressant dans un second temps, d’évaluer la valeur de ces modifications biomécaniques pour prédire l’ampleur des dommages musculaires (perte de force dans les jours qui suivent l’exercice) qui reste un enjeu majeur pour les médecins et la disponibilité opérationnelle des militaires. 

Malgré les limites existantes, l’acquisition d’images par échographie couplée à un traitement par un algorithme automatisé ou semi-automatisé permet dans une certaine mesure le suivi et le calcul de ces paramètres architecturaux au cours de l’exercice.

Cependant, ces méthodes ne sont pas valables pour tous les patterns de locomotion et nécessitent d’être adaptées à la situation de marche avec charge en pente négative qui nous intéresse.. De plus, ces méthodes ne permettent pas d’avoir une indication du comportement global du muscle car elles se basent sur l’étude ou le suivi d’une fibre musculaire.

C’est pourquoi l’objectif de cette recherche est de développer un algorithme permettant le suivi des paramètres architecturaux moyens reflétant la globalité du muscle (plusieurs fibres identifiées à différentes régions) lors d’exercice de la marche en descente avec port de charge (exercice favorisant à la fois la génération de fatigue et de dommages musculaires).

Nous formulons l’hypothèse que cet algorithme serait capable de prendre en compte l’hétérogénéité du muscle squelettique (faire une moyenne des fibres les plus représentatives du muscle) et permettrait la mesure automatisée des paramètres architecturaux au cours d’un cycle de marche et le suivi de leur évolution entre le début et la fin de la marche et ce quel que soit le pattern de marche (marche à différentes vitesses, pentes et différents niveaux de charges).