Développement d’une méthode de calibrage pour l’analyse du mouvement tridimensionnel du genou à la marche en utilisant le KneeKG et des capteurs inertiels

Résumé

La genougraphie est une technologie développée au Laboratoire d’Innovation Ouverte en technologie de la santé (LIO) permettant d’identifier et de quantifier des marqueurs biomécaniques dynamiques liés au mouvement tridimensionnel du genou à la marche. Elle repose sur l’utilisation du KneeKG (Emovi Inc., Canada), un dispositif réduisant jusqu’à six fois les artéfacts de mouvement cutané par rapport à des marqueurs sur la peau, couplé à un système de capture de mouvement optoélectronique et à une méthode de calibrage fonctionnelle. Bien que la capture de mouvement optique soit la référence pour l’analyse cinématique des membres inférieurs, elle présente des contraintes importantes en termes de coût, d’infrastructure et de portabilité qui limitent son déploiement clinique à grande échelle. Les capteurs inertiels et magnétiques (MIMUs) constituent une alternative prometteuse, offrant un coût abordable, une grande portabilité et un champ d’acquisition plus large. Toutefois, leur utilisation clinique reste limitée, notamment en raison de la variabilité des méthodes de calibrage et de la précision insuffisante de l’estimation de la cinématique articulaire dans les plans frontal et transversal. L’objectif général de cette thèse est de développer et valider une méthode de calibrage pour l’analyse tridimensionnelle de la cinématique du genou à la marche à l’aide du KneeKG et de MIMUs. La première étude utilisant les capteurs MIMU a constitué le point de départ analytique de la démarche. Avant de développer une nouvelle méthode de calibrage, il est apparu pertinent d’examiner en profondeur une méthode à double posture existante afin d’en identifier les limites. Cette étude a évalué la sensibilité de la cinématique tridimensionnelle du genou à la variation de la position du membre inférieur lors de la seconde posture de calibrage chez dix participants sains. Les résultats ont montré qu’une déviation de la jambe hors du plan sagittal lors du calibrage influence la cinématique estimée du genou, principalement dans les plans frontal et transversal, l’angle d’adduction/abduction étant le plus affecté. De plus, une déviation croissante lors du positionnement de la jambe hors du plan sagittal ne conduit pas nécessairement à une erreur cinématique croissante, en raison de la variabilité de l’orientation relative tibia-fémur entre participants et entre conditions. Ces résultats ont permis d’identifier le phénomène d’interférence induit par une définition imprécise du plan sagittal comme source partielle des erreurs dans les plans frontal et transverse rapportées dans la littérature, et ont orienté les études subséquentes vers une approche de calibrage fonctionnel. Plutôt que de s’appuyer sur des postures statiques pour définir le plan sagittal, l’approche retenue consiste à construire les axes longitudinaux fémoral et tibial à partir de l’estimation de la position des centres articulaires de la hanche, du genou et de la cheville, obtenue à partir de mouvements fonctionnels. La construction de ces axes longitudinaux requiert en premier lieu une estimation précise des centres articulaires. La deuxième étude s’est donc portée sur l’identification de la configuration optimale de MIMU(s) et de mouvement fonctionnel pour l’estimation du centre articulaire de la hanche (HJC), première étape vers la définition des systèmes de coordonnées anatomiques fémoral et tibial. Vingt participants sains ont réalisé cinq mouvements fonctionnels issus de la littérature, en faisant varier le nombre de MIMUs par segment (un ou deux) ainsi que la prise en compte du mouvement pelvien en complément du mouvement fémoral. La configuration optimale, reposant sur un seul MIMU fémoral lors d’un mouvement de circumduction, a permis d’obtenir la meilleure estimation du HJC, démontrant qu’une instrumentation minimale peut suffire pour une estimation de ce centre articulaire. Une étape méthodologique intermédiaire a mis en évidence un désalignement des repères de référence propres à chaque MIMU, dans lesquels leur orientation respective est exprimée. Une solution basée sur la réestimation de l’orientation des MIMUs à l’aide d’un filtre Attitude and Heading Reference System (AHRS), paramétré sur un essai de référence et appliqué uniformément à l’ensemble des capteurs et des essais, a permis de corriger ce désalignement et d’assurer la cohérence des repères de référence entre MIMUs. La troisième étude a proposé et validé une méthode de calibrage inertiel pour l’estimation de la cinématique tridimensionnelle du genou à la marche à l’aide de MIMUs. S’appuyant sur les résultats des études précédentes, cette méthode repose sur l’estimation des centres articulaires de la hanche, du genou et de la cheville pour construire les axes longitudinaux fémoral et tibial, et sur l’identification d’une posture neutre du genou à partir de mouvements fonctionnels. Vingt participants sains ont été instrumentés avec le KneeKG équipé de cinq MIMUs, et le mouvement fonctionnel optimal ainsi que la configuration minimale de MIMUs ont été identifiés pour l’estimation de chacun des trois centres articulaires. La configuration optimale retenue, reposant sur un seul MIMU fémoral et un seul MIMU tibial, a été utilisée pour calculer la cinématique du genou à la marche sur tapis roulant et la comparer au système optoélectronique de référence. Les erreurs quadratiques moyennes (RMSE) obtenues étaient inférieures au seuil clinique de 5° dans les trois plans anatomiques, et inférieures à 2.5° après suppression du décalage inter-systèmes moyen, un niveau de précision jugé cliniquement acceptable, démontrant le potentiel clinique de la méthode proposée. L’ensemble de ces travaux contribue au développement d’une méthode de calibrage inertiel cliniquement applicable pour l’analyse du mouvement du genou. À long terme, une telle approche permettra une analyse ambulatoire de la marche en conditions écologiques, facilitant la détection précoce des pathologies du genou et l’optimisation de leur prise en charge en réadaptation. Elle contribuera également à réduire les coûts du système de genougraphie et à favoriser son adoption à plus grande échelle par la communauté clinique, améliorant ainsi la qualité de vie des patients atteints de pathologies du genou telles que la gonarthrose.

Date	1 août 2026
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Nicola Hagemeister (Directeur(-trice)) & Rachid Aissaoui (Codirecteur(-trice))