Plate-forme technologique de la Faculté des Sciences du Sport
Pour les besoins des projets pédagogiques et les formations en Licence et Master STAPS, une plate-forme technologique regroupe des équipements permettant de mesurer, d’analyser, de modéliser et de simuler les données biomécaniques et physiologiques. En partenariat avec des institutions de l'Université de Lorraine, nous développons également des équipements expérimentaux qui sont mis en oeuvre dans les protocoles de recherche.
Ces équipements permettent de mener des études dans principalement trois domaines - le sport, le handicap et le travail - en vue de qualifier et quantifier la motricité humaine. Ces outils technologiques, qu’ils soient logiciels ou matériels, permettent une meilleure intégration et compréhension des interactions complexes entre neurosciences, biomécanique, psychologie et physiologie.
Depuis 2013, la Faculté des Sciences du Sport a développé une salle d'analyse du mouvement qui est munie de nombreux équipements scientifiques (motion capture, plate-forme de force, emg...) interopérables et ouverts, ce qui facilite l'exploitation des données. Le pilotage de ces mesures, mené par le chercheur lors des protocoles, est réalisé depuis un serveur informatique dédié à la supervision et à l'archivage des données. Un écran d'affichage de grande dimension facilite le suivi en temps réel des grandeurs physiques.
La plate-forme technologique est dotée de plusieurs équipements et logiciels scientifiques :
- pour les mesures biomécaniques
- pour les mesures physiologiques
- pour le traitement du signal et des données
- pour les études statistiques
1. Pour les mesures biomécaniques
Analyse cinématique :
- QUALYSIS ®: c'est un système de capture du mouvement infra-rouge constitué de 8 caméras Miqus M5 4 Mpx à 180 Hz et d'un PC pour les calculs de reconstruction du mouvement en 3D, ainsi que l'analyse des données (filtrage, intégral, dérivé, lois mathématiques personnalisables, etc.). Un éditeur de rapports automatisés fait également partie de la suite logicielle. L'analyse du mouvement est très utilisée pour les différents sports et en médecine (analyse de la marche et de la posture) afin de qualifier et quantifier l'agencement des segments corporels.
- 5 centrales inertielles CAPTIV Motion ®: ce sont des modules sans-fil qui mesurent l'orientation et les rotations des membres d'un sujet dans l'espace. En combinant plusieurs capteurs Motion fixés sur le sportif, un avatar en trois dimensions peut alors être animé sur le logiciel CAPTIV. Cette technologie permet de s'affranchir des contraintes imposées (occlusion et swapping) par les systèmes optiques comme Simi Motion. En effet, ces capteurs continuent à fonctionner même cachés par des éléments de l'environnement. L'inconvénient majeur de ces systèmes est qu'ils n'enregistrent pas leurs positions. Ces capteurs enregistrent 4 Quaternions qui après traitement des données sur un logiciel tiers (Matlab) permettent de mesurer des angles articulaires par exemple.
Analyse cinétique :
- 1 plate-forme de force BERTEC ®: cet équipement mécanique d'une dimension de 60 cm x 120 cm est instrumenté de plusieurs capteurs permettant de mesurer les efforts qui s'exercent sur sa surface supérieure. On enregistre ainsi les forces et les moments de force dans les 3 composantes (x, y et z). Ces données après traitement dans un logiciel tiers comme Matlab permettent de localiser le centre de pression au cours du temps et d'évaluer les efforts musculaires générés par les sujets durant l'exécution du mouvement. Par exemple, une étude portant sur le transfert de masse durant un swing a permis d'évaluer les différentes phases du geste du golfeur. Cette plate-forme, encastrée dans le plancher technique de la Salle d'Analyse du Mouvement, peut-être positionnée selon 4 emplacements.
- Un ergomètre SRM permettant la réalisation d’un test d’effort. Ce matériel est utilisé dans différents contextes pédagogiques afin de s'intéresser à l'ergonomie et à la performance. Il s’agit d’un appareil réglable au millimètre sur tous les axes possibles (adaptation aux réglages individuel de chaque coureur), et comprenant un capteur de puissance permettant une analyse complète du travail fourni, avec la possibilité d’étudier la puissance développée individuellement par chaque jambe.
- 3 modules T-Sens accéléromètres®: ces capteurs fixés sur le sportif transmettent via un média sans-fil les informations d'accélérations linéaires selon 3 axes orthogonaux (x, y et z) à un PC. Par exemple, lors d'une étude sur le saut en longueur nous nous sommes interessés à mesurer la phase d'impulsion qui précède l'envol du sauteur.
- 3 modules T-Sens FSR®: les capteurs FSR réagissent à la pression donc au contact ou au poids. Ils peuvent être positionnés aussi bien aux extrémités des doigts que sur la plante des pieds. Les mesures effectuées quantifient l'interaction du sportif avec son environnement (ballon, raquette, pédales de vélo, etc.).
2. Pour les mesures physiologiques
- 16 capteurs sans-fil EMG et 1 centrale d'acquisition Trigno de Delsys®: ces capteurs EMG de surface non-invasifs permettent de mener des études élecromyographiques en enregistrant les courants électriques qui accompagnent l'activité musculaire. Dans le cadre d'une analyse quantifiée de la marche, nous avons mis en oeuvre ces capteurs pour étudier les phases temporelles de cocontraction des muscles. Ce système EMG est également couplé et synchronisé avec le système Simi Motion et les divers capteurs Captiv.
- 1 module T-Sens ECG®: ce capeur sans-fil constitué de 2 électrodes enregistre les variations de potentiels électriques ; ce qui permet de mesurer l'activité électrique du coeur. La fréquence d'échantillonnage du signal ECG brut est de 256 Hz.
- mesure de la ventilation : nous disposons de 2 dispositifs permettant de "mesurer" la ventilation. Le premier est un spiromètre qui mesure un volume d'air inspiré et expiré par le sporif tandis que le second mesure les mouvements thoraciques ou abdominaux. Ce module sans-fil fournit ainsi des informations permettant d'analyser le rythme respiratoire et l'amplitude des respirations. En couplant ces 2 dispositifs, il est possible d'établir un modèle mathématique afin de préciser les mesures effectuées sur le sportif en condition écologique.
- mesure de la conductance cutanée : Ces mesures réalisées à la surface de la peau, généralement aux extrémités des doigts, enregistrent l'activité électrodermale qui reflète l'activité des glandes de sudation et du système nerveux autonome. Ces 3 capteurs sont utilisés dans le cadre de protocoles visant à étudier l'interaction entre la posture et les émotions. L'unité de mesure de la grandeur physique est le Siemens.
3. Pour le traitement du signal et des données
Pour faciliter l'interprétation de nos études, les signaux issus des outils présentés ci-dessus nécessitent d'être traités à la fois individuellement et ensemble, en appliquant différentes opérations comme par exemple le filtrage ou encore l'analyse temps-fréquence. La modélisation mathématique permet également de mieux comprendre les processus complexes en interaction dans les différents sports.
Pour la réalisation de ces travaux, nous nous appuyons sur plusieurs outils trés utilisés par la communauté scientifique :
- Matlab de l'édieur Mathworks
- Labview de l'éditeur National Instruments
- Captiv de l'éditeur TEA
- EMGWorks Analysis de l'éditeur Delsys
4. Pour les études statistiques
- Logiciel R-Studio
- Matlab