Etude de la locomotion du cheval par accéléromètrie, électromyographie de surface et cinématique

Abstract

L’étude de la locomotion du cheval fait appel à plusieurs techniques complémentaires. Seule leur utilisation conjointe et raisonnée permet une approche globale et objective du mouvement.
Ce travail propose tout d’abord une revue des différentes méthodes d'étude de la locomotion employées chez le cheval : cinétique, cinématique et électromyographie. Il présente les apports de chacune et leurs conditions de mise en œuvre.
L’association de l’accélérométrie, de la cinématique articulaire et de l’électromyographie de surface est ensuite détaillée. Cette démarche nécessite d’évaluer et de corriger les éventuelles erreurs de synchronisation. Il faut également considérer la physiologie de la contraction musculaire et le délai électromécanique avant de conclure quant à l’intervention exacte d’un muscle dans la locomotion.
Enfin, les applications potentielles de telles méthodes en terme d’étude du geste sportif sont illustrées à partir d’un exemple : l’étude de l’effet des allongements d'allure sur le membre pelvien. Elle montre que des changements de vitesse de l'ordre de 0,5 m.s-1 induisent des variations significatives des périodes et de l'intensité de l'activité musculaire. Une augmentation de la vitesse, même de faible amplitude, entraîne des modifications de l'ensemble de la mécanique des membres. Cette approche permet de comprendre comment le membre pelvien génère l’accroissement de la vitesse
et s’y adapte.

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MÉMOIRES
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Bull. Acad. Vét. France — 2003 - Tome 156 - N°1 www.academie-veterinaire-france.fr
Etude de la locomotion du cheval par
accéléromètrie, électromyographie de surface
et cinématique.
Use of accelerometry,kinematics and surface
electromyography for equine locomotion analysis.
Par Céline ROBERT(1)
(mémoire présenté le 20 février 2003 )
Notes
(1) UMR INRA-ENVA « Biomécanique et Pathologie Locomotrice du Cheval », Ecole Nationale Vétérinaire d’Alfort,7, avenue du Général de Gaulle,94704 MAISONS-
ALFORT cedex. Email :crobert@vet-alfort.fr
L’étude de la locomotion du cheval fait appel à plusieurs techniques complémentaires. Seule leur
utilisation conjointe et raisonnée permet une approche globale et objective du mouvement.
Ce travail propose tout d’abord une revue des différentes méthodes d'étude de la locomotion
employées chez le cheval : cinétique, cinématique et électromyographie. Il présente les apports de
chacune et leurs conditions de mise en œuvre.
L’association de l’accélérométrie, de la cinématique articulaire et de l’électromyographie de surface
est ensuite détaillée. Cette démarche nécessite d’évaluer et de corriger les éventuelles erreurs de
synchronisation. Il faut également considérer la physiologie de la contraction musculaire et le délai
électromécanique avant de conclure quant à l’intervention exacte d’un muscle dans la locomotion.
Enfin, les applications potentielles de telles méthodes en terme d’étude du geste sportif sont illus-
trées à partir d’un exemple : l’étude de l’effet des allongements d'allure sur le membre pelvien. Elle
montre que des changements de vitesse de l'ordre de 0,5 m.s-1 induisent des variations significati-
ves des périodes et de l'intensité de l'activité musculaire. Une augmentation de la vitesse, même de
faible amplitude, entraîne des modifications de l'ensemble de la mécanique des membres. Cette
approche permet de comprendre comment le membre pelvien génère l’accroissement de la vitesse
et s’y adapte.
Mots-clés : locomotion, cheval, trot, électromyographie, cinématique, accélérométrie, vitesse.
RÉSUMÉ

Bull. Acad. Vét. France — 2003 - Tome 156 - N°1 www.academie-veterinaire-france.fr
• INTRODUCTION
L’issue d’épreuves équestres dans des disciplines aussi
variées que le dressage, l’équitation américaine, le hunter ou
l’endurance est déterminée à partir de l’examen visuel. La
sélection des chevaux en vue de leur admission dans les
registres d’élevage et de leur approbation comme reproduc-
teurs repose, au moins en partie, sur l’opinion d’un ensem-
ble de juges. Une certaine subjectivité est bien sûr inhérente
à ce type d’évaluation.
L’analyse qualitative est également employée avec suc-
cès pour le diagnostic des boiteries chez le cheval. Les cli-
niciens utilisent une approche semi-quantitative lorsqu’ils
établissent le grade de la boiterie. Bien que la répétabilité
d’un clinicien expérimenté puisse être bonne (BACK et al.
1993), il existe des différences considérables entre clini-
ciens (KEEGAN et al. 1998).
Dans certaines circonstances, l’évaluation qualitative
de la locomotion du cheval est insuffisante. L’utilisation
d’une méthode d’analyse quantitative apporte une
meilleure précision sans les biais inhérents à l’analyse sub-
jective.
L’essor des recherches dans le domaine et l’évolution
de l’informatique ont permis le développement rapide de
nouvelles techniques d’analyse de la locomotion ou l’amé-
lioration de méthodes plus anciennes. L’objectif de ce tra-
vail est de présenter les principales méthodes d’étude de la
locomotion utilisées chez le cheval, de montrer comment
elles peuvent être associées et quelles sont leurs limites. Ce
travail sera illustré par une application pratique : l’étude
des effets de la vitesse sur la mécanique du membre pel-
vien du cheval.
• MÉTHODES D’ANALYSE DU
MOUVEMENT CHEZ LE CHEVAL
Les méthodes d’étude de la locomotion utilisées chez
le cheval sont de trois types :
- la cinétique représente l’étude des forces à l’origine
du mouvement ;
- la cinématique aborde l’analyse descriptive et quanti-
fiée du mouvement ;
- l’électromyographie s’intéresse à l’activité des mus-
cles, agents actifs du mouvement.
Ces techniques sont donc complémentaires pour une
approche globale de la locomotion. Chacune présente des
particularités et des limites qui vont être détaillées ci-des-
sous.
Cinétique
Une multitude de transducteurs, jauges de contrainte,
capteurs piézoélectriques ou piézorésistants et accéléromè-
tres sont utilisés dans les études cinétiques. Plusieurs cap-
teurs peuvent être associés pour fabriquer des plates-for-
mes de force ou des fers dynamométriques afin de mesu-
rer les forces de réaction du sol.
Les accéléromètres mesurent l’accélération de la sur-
face sur laquelle ils sont attachés. Dans les études de la
locomotion du cheval, ils sont le plus souvent fixés à la
paroi des sabots et sont utilisés pour déterminer le poser du
pied au sol et les accélérations associées. Un accéléromè-
tre fixé au pied permet ainsi de mesurer les caractéristiques
de la foulée et d’évaluer les propriétés d’absorption des
ondes de choc consécutives au poser du pied (BENOIT et
al. 1993, WILLEMEN et al. 1994).
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Several complementary techniques are used to study the horse’s locomotion. Only a rational com-
bination of these techniques can provide a global and objective approach to the analysis of move-
ment.
This paper describes the different methods used in equine locomotion studies : kinetics, kinematics
and electromyography. Their advantages and their conditions of use are presented in detail.
The combined use of accelerometry, joint kinematics and surface electromyography is then descri-
bed .This approach requires an evaluation of potential synchronisation errors and their correction.
Any conclusion on the exact role of a muscle in the locomotion must take into account the physio-
logy of muscle contraction and the electromechanic delay.
Finally, the effects of extending the stride on the hind limbs is described as an example of the
potential applications of such methods in the investigation of athletic locomotion. This example
shows that velocity changes as small as 0.5 m/s result in significant variations in the period and
intensity of muscle activity. Even a small increase in velocity alters the limb mechanics. This study
shows how the hind limb generates the velocity increase and adapts to it.
Key words :locomotion, horse, trot, electromyography, kinematics, accelerometry, speed.
SUMMARY

Des accéléromètres peuvent également être fixés sur le
garrot, le sternum ou la croupe pour mesurer les accéléra-
tions longitudinales et dorso-ventrales du tronc (BARREY
et al. 1994). Cette technique a été utilisée pour détecter les
asymétries d’accélération du tronc chez les chevaux boi-
teux (BARREY et DESBROSSE, 1996) ou pour obtenir
une évaluation objective de la locomotion de jeunes che-
vaux dans le cadre de programmes de sélection.
Dans cette étude, nous avons employé des accéléromè-
tres pour repérer les différentes phases de la foulée.
L’accéléromètre est en effet le meilleur indicateur pour
détecter le premier contact avec le sol (RATZLAFF et al.
1995). Cependant, la précision de détermination du poser
est limitée par celle de l'équipement utilisé et il est difficile
de déterminer la fin de la phase d'appui à partir du signal
accélérométrique (SCHAMHARDT et MERKENS, 1994).
En effet, le décollement des talons est difficile à distinguer
très précisément, mais il est suivi par une inversion du sens
du signal accélérométrique bien visible et systématique,
souvent interprétée comme le décollement de la pince
(LANYON,1971 ; HEILES, 1995). Ce dernier événement
peut être retenu comme date du lever. La phase d'appui
calculée s'étend alors du poser du pied au lever de la
pince ; elle représente ainsi la majeure partie de la durée de
contact, même partiel, du pied avec le sol.
Cinématique
L’analyse cinématique mesure la géométrie du mouve-
ment sans considérer les forces qui en sont à l’origine. Elle
permet de quantifier les paramètres de la locomotion qui
sont évalués qualitativement lors d’un examen visuel. Les
résultats sont exprimés sous forme de données temporelles
(durée), linéaires (distance) et d’angles qui décrivent les
mouvements des segments du corps et les angles articulai-
res. Une analyse plus poussée des données permet ensuite
la représentation graphique du mouvement ou la détection
d’asymétries entre le membre sain et le membre boiteux
(AUDIGIE, 1999).
Actuellement, la majorité des études cinématiques sont
réalisées à l’aide de systèmes vidéo ou de systèmes optoé-
lectroniques basés sur l’émission et la détection d’infra-
rouge ou d’une lumière dans le spectre visible. La vidéo est
la méthode cinématique la plus utilisée dans le monde. Il
existe plusieurs systèmes disponibles sur le marché ou
développés localement au sein de différents laboratoires
d’analyse du mouvement, mais les étapes d’enregistrement
sont identiques.
Positionnement de marqueurs cutanés - Des mar-
queurs cutanés sont positionnés en regard de repères ana-
tomiques précis sur chaque côté du cheval et sur la ligne du
dessus. La taille des marqueurs varie selon la taille du
champ d’enregistrement et la précision des résultats sou-
haitée ; elle est de 3 cm de diamètre lorsque le cheval est
filmé en entier (fig.1).
Calibration – Les études en deux dimensions (2-D)
n’utilisent qu’une caméra par côté du cheval ; elles sont les
plus faciles à réaliser, mais les résultats sont altérés par les
distorsions d’images liées aux mouvements du corps hors
du plan. Les analyses tridimensionnelles (3-D) évitent ces
problèmes, mais sont plus compliquées à réaliser. Pour
chaque côté du cheval, elles nécessitent l’utilisation de 2
caméras placées symétriquement par rapport au centre du
champ d’enregistrement et faisant un angle entre leurs axes
d’environ 60° (fig.2). Au début de chaque séance, l’espace
doit être calibré en filmant une structure géométrique de la
taille du champ d’enregistrement pourvue de marqueurs de
coordonnées 3-D connues. Le calcul des coordonnées 3-D
des marqueurs placés sur le cheval est ensuite basé sur les
algorithmes de la Transformation Linéaire Directe (DLT)
couramment utilisée en stéréophotogrammétrie. Cette
technique permet de calculer les coordonnées tridimen-
sionnelles d'un point à partir d'au moins 2 vues bidimen-
sionnelles de ce point
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Figure 1 : Cheval équipé de capteurs EMG et de marqueurs
cinématiques au trot sur tapis roulant.
Figure 2 : Vue générale de l’aire d’enregistrement.
Le cheval est équipé de marqueurs réfléchissants placés en
regard des articulations et sur la ligne du dos. Deux caméras
entourées de projecteurs sont disposées à 4 m du tapis roulant,
leurs axes de convergence faisant un angle de 60°.

Enregistrement vidéo - Les caméras sont mises en
route avant que le protocole expérimental ne commence.
Au cours de l'enregistrement, une ampoule de 75W placée
au-dessus du cheval dans le champ des caméras est allu-
mée. Les enregistrements des différentes caméras seront
ensuite approximativement synchronisés en identifiant sur
chacun d'eux l'image où la première lueur de l'ampoule
apparaît.
Analyse des données - Le traitement des enregistre-
ments vidéo s'effectue en différé au laboratoire. Il comp-
rend plusieurs étapes. Tout d’abord, les films de chaque
caméra sont numérisés. La position des marqueurs est
ensuite relevée sur les fichiers de la structure de calibration
et sur chaque séquence d’enregistrement. Les coordonnées
réelles 3-D des marqueurs sont obtenues par la méthode de
la DLT. La dernière étape consiste à calculer les distances
et les angles à partir des coordonnées des points. La figure
3 présente les décours angulaires de l’épaule et du coude
calculés sur 10 foulées de trot et moyennés sur une foulée
normalisée.
Pertinence des données - La qualité technique de la
méthode dépend essentiellement des résolutions spatiale et
temporelle liées respectivement à la résolution du capteur
et à la fréquence d’acquisition. La reconstruction 3-D des
coordonnées des marqueurs est affectée par des erreurs
systématiques liées aux erreurs de calibration, aux défor-
mations de lentilles, au détramage de l'image et une syn-
chronisation imparfaite des caméras, et par des erreurs
aléatoires dues au processus de numérisation. Dans nos
conditions expérimentales - longueur du champ de 3,50 m
et vitesse de déplacement des marqueurs variant de 0 à 12
m.s-1 - la résolution des données cinématiques selon les
axes x, y et z a été estimée respectivement inférieure ou
égale à 1,8 mm, 7,4 mm et 1,9 mm (POURCELOT, 1999).
Il est indispensable d’en tenir compte pour déterminer si
les valeurs obtenues sont significatives ou non par rapport
à cette imprécision.
Électromyographie de surface
La contraction musculaire est à l’origine des forces qui
déplacent et stabilisent les membres. Elle est précédée
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Figure 3 : Tracés EMG bruts des 2 chefs du muscle triceps brachial explorables par EMG de surface, les chefs long (TBo) et latéral
(TBa), et décours angulaires de l'épaule et du coude, sur une foulée normalisée au trot à 4 m/s (0 % de la foulée = poser du mem-
bre antérieur correspondant, 100% = poser suivant du même membre). La phase d'appui dure environ 30 % de la durée de la fou-
lée. Elle est matérialisée par la barre horizontale.
Les périodes d'activité musculaire apparaissent sous forme de bouffées. TBo et TBa présentent une seule période d'activité par fou-
lée. L'activité du TBo peut être divisée en trois parties : à la fin de la phase de soutien apparaît une activité de faible intensité ; elle
augmente ensuite progressivement pour atteindre un pic avant le poser ; l'intensité se stabilise ensuite à un très faible niveau jus-
qu'au milieu de la phase d’appui avant de cesser. Le TBa ne présente pas d'activité pendant la phase de soutien, mais son activité
est maximale pendant la première moitié de la phase d’appui.
Le TBo agit sur les articulations de l'épaule et du coude, alors que le TBa n'intéresse que le coude. Le TBo est actif dès la fin de la
phase de soutien lorsque l'épaule commence à fléchir et que le coude s'étend. Sa contraction concentrique entraîne donc la flexion
de l'épaule et provoque l'extension du coude. Pendant la première moitié de la phase d’appui, le TBa vient renforcer le TBo, alors
que le coude a tendance à fléchir. Leur contraction excentrique empêche le collapsus du coude lors de l'appui.

par une activation électrique qui peut être détectée
et enregistrée sous forme d’électromyogrammes.
L’électromyographie (EMG) est une technique relative-
ment peu invasive qui peut être utilisée pendant la locomo-
tion (TOKURIKI et al. 1989, JANSEN et al. 1992).
L’activité électrique est recueillie à l’aide d’électrodes col-
lées sur la peau (EMG de surface) ou insérées à travers la
peau directement dans le muscle (EMG à l’aiguille).
• L’EMG à l’aiguille est plus invasive. Elle ne permet
pas de visualiser la position exacte des électrodes, mais
fournit un enregistrement plus spécifique d’un muscle.
Différentes configurations d’électrodes sont décrites : uni-
polaires, bipolaires ou concentriques.
• Les électrodes de surface présentent l’avantage d’être
non invasives, mais ne fournissent qu’une estimation glo-
bale de l’activité d’un muscle de grande taille ou d’un
groupe musculaire. Elles ne permettent pas d’enregistrer
les muscles profonds. Les électrodes autocollantes sont
placées pour réaliser une dérivation tripolaire équivalente à
ce qui est utilisé en électrocardiographie. Deux électrodes
de mesure sont disposées à proximité du point moteur du
muscle, alignées avec les fibres musculaires et distantes de
4 à 6 cm selon la taille du muscle étudié. Une électrode «
de référence » est placée sur un point neutre, de préférence
un relief osseux (en général le tuber sacrale). Les capteurs
sont reliés à un amplificateur qui augmente le faible signal
électrique et à un filtre qui atténue le bruit (mouvements de
fils, interférences électriques…). Le signal est enregistré
sur une carte mémoire et transféré par télémétrie ou à la fin
de la phase d’enregistrement.
La figure 3 présente un exemple du signal brut obtenu.
La détermination visuelle du début et de la fin de chaque
bouffée d’activité électrique renseigne sur les périodes
d’activité musculaire au cours de la foulée. L’EMG a ainsi
permis d’établir le plan d’activation des muscles pendant la
locomotion et de démontrer que certains muscles présen-
taient des périodes d’activités différentes de celles qui
étaient supposées d’après leur anatomie. Chez le cheval, la
plupart des muscles sont impliqués dans la stabilisation
des articulations plutôt que dans leur mobilisation initiale
(ROBERT, 2000), en particulier les muscles du dos
(ROBERT et al. 2001).
L’amplitude du signal EMG dépend du type d’électro-
des, de leur position sur le muscle et de la qualité du
contact entre les électrodes et le muscle sous-jacent.
Néanmoins, la principale variation de l’amplitude du
signal reste le degré d’activation du muscle. L’amplitude
du signal EMG peut donc être utilisée comme un indica-
teur de l’activation. L’intégration du signal redressé (EMG
intégré ou IEMG) sur la durée d’une foulée fournit égale-
ment une quantification du travail musculaire.
• ASSOCIATION DES DIFFÉRENTES MÉTHODES POUR
UNE ÉTUDE GLOBALE DE LA LOCOMOTION
Associer l'EMG de surface à d'autres techniques d'é-
tude de la locomotion permet une approche plus globale de
la locomotion (VAN WESSUM et al. 1999). En effet, la
connaissance isolée d'un plan de coopération musculaire
pose des problèmes d'interprétation des muscles actifs. Si
une activité électromyographique est le signe d'une excita-
tion du muscle, sa présence seule ne suffit pas pour déter-
miner l'action que le muscle exerce, en particulier si celui-
ci est pluri-fonctionnel. L'utilisation conjointe de l'EMG et
de la cinématique permet de corréler l'activité musculaire
et les mouvements des articulations mobilisées. Cette
approche complémentaire, couplée à la connaissance ana-
tomique des muscles, apporte des données objectives sur la
fonction de ces muscles. Néanmoins, il faut observer un
certain nombre de précautions pour que l’interprétation
soit juste. L’association de l’EMG et de la cinématique
nécessite de répondre aux questions suivantes :
1 – les données obtenues par chaque technique sont-
elles superposables ?
2 – quelle est la relation entre l’activité musculaire et le
mouvement de l’articulation mobilisée ?
Synchronisation de l’EMG et de la cinématique
La synchronisation des enregistrements accéléromé-
triques, EMG et cinématiques est indispensable pour
superposer les périodes d’activité musculaire et les décours
angulaires des articulations. Pour chaque technique, les
résultats sont exprimés en pourcentage de la durée de la
foulée, 2 posers consécutifs représentant les valeurs 0 et
100 % de la durée de la foulée. L’enregistrement des
signaux EMG et accélérométriques est couplé : le plan
d’activation des muscles est donc défini par rapport aux
posers des membres déterminés à partir des tracés accélé-
rométriques. Les décours angulaires et verticaux des arti-
culations sont calculés sur les mêmes foulées, mais c’est le
poser du pied déterminé par cinématique qui sert de réfé-
rence
La corrélation des données EMG et cinématique néces-
site de déterminer si les posers détectés par accélérométrie
et par cinématique sont exactement synchrones. Deux phé-
nomènes peuvent être à l’origine d’un défaut de synchro-
nisation des données EMG et cinématiques :
- un décalage dans les enregistrements EMG et ciné-
matique ;
- une erreur liée à la détection du poser par accéléro-
métrie et par cinématique.
L’éventuel décalage a été envisagé de façon globale.
Nous avons simplement calculé l'écart entre le poser déter-
miné par accélérométrie et le même poser déterminé par
cinématique, puisque c'est le paramètre directement utilisé.
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Cette étude a révélé que le poser est détecté en moyenne
17ms plus tard par l'accélérométrie (à 128Hz) que par la
cinématique (à 50 Hz). Le décalage moyen est identique
sur les posers des antérieurs et des postérieurs et ne varie
pas significativement avec la vitesse. Il s'explique essen-
tiellement par la fréquence d'échantillonnage qui lisse le
tracé accélérométrique. En pratique, le 0 % de la foulée
utilisé en cinématique précède le 0 % calculé par accéléro-
métrie de 17 ms. Cela correspond en moyenne à 2,5 % de
la durée de la foulée.
Interprétation des résultats obtenus :
notion de délai électromécanique
Dans l'hypothèse où la synchronisation de la cinéma-
tique et de l'EMG serait parfaite et où le décalage éventuel
est corrigé, il reste encore une incertitude pour déterminer
sans ambiguïté la (ou les) fonction(s) d'un muscle à partir
de son activité électrique et des décours de la (voire des)
articulation(s) qu'il mobilise : le temps séparant le début de
l'activité électromyographique de l'apparition des phéno-
mènes mécaniques - appelé délai électromécanique - n'est
pas connu chez le cheval.
Dans d'autres espèces, et en particulier chez l'homme,
il a été montré que le délai électromécanique n'est pas
constant (BOUISSET et MATON, 1995) : il dépend de fac-
teurs physiologiques (type de muscle, modalités de la
contraction) et techniques (instant choisi pour déterminer
le début des phénomènes mécaniques). Il augmente avec
l'intensité de la résistance extérieure. Chez le chat, le délai
entre le début de l'activité musculaire et la production de la
force diminue lorsque la vitesse augmente (SHERIF,
1983). Les valeurs du délai électromécanique proposées
dans la littérature sont variables et dépendent des condi-
tions expérimentales. Chez l'homme, il est évalué à 50 ms
environ par JÖNHAGEN et al. (1996), il varie de 30 à 90
ms (WINTER et YACK, 1987), voire de 20 à 100 ms
(MERO et KOMI, 1987). Dans le cas de mouvements
monoarticulaires, il serait compris entre 25 et 60 ms
(BOUISSET et MATON, 1995). Chez le chat, il a été
mesuré entre 35 et 80 ms (SHERIF, 1983). Enfin, le délai
entre la fin de l'activité électrique et la disparition de la
force produite serait encore plus long (SHERIF, 1983).
Dans le cadre de notre travail, chez le cheval, la valeur
du délai électromécanique et ses variations restent
inconnues. Il importe néanmoins de considérer que,
comme dans les autres espèces, l’activation musculaire
précède la contraction. Si l’on retient une valeur moyenne
de 50 ms, cela correspond à 6 à 10 % de la durée de la fou-
lée au trot.
Ces résultats montrent que l’utilisation simultanée de
plusieurs techniques nécessite de prendre quelques précau-
tions méthodologiques. Il est indispensable d’évaluer tou-
tes les erreurs liées à chaque technique et éventuellement
de les corriger avant d’utiliser les données obtenues. La
figure 3 montre un exemple de ce que l’on peut conclure
de ce type d’expériences qui apporte des données ana-
tomo-fonctionnelles sur l’origine du mouvement. Il est
alors possible d’aborder de façon objective l’étude de cer-
tains gestes sportifs afin de mieux les comprendre et d’en
conseiller l’utilisation de façon raisonnée dans les pro-
grammes d’entraînement ou de rééducation des chevaux de
sport.
• APPLICATION :INFLUENCE DE LA VITESSE SUR LA
MÉCANIQUE DU MEMBRE PELVIEN CHEZ LE CHEVAL
Les variations d’allure font partie du travail de base du
cheval de sport (CLAYTON, 1991 ; MARCELLA et
LEIMBACH, 1998). Elles sont sensées favoriser la mise en
condition et accroître la musculature. HENRY (1996)
explique par exemple que les allongements favorisent la
poussée des postérieurs. L'objectif de ce travail est donc de
montrer comment les techniques présentées ci-dessus per-
mettent de vérifier cette théorie.
Matériels et méthodes
Les expérimentations ont été menées sur 4 chevaux de
selle (âge moyen 8,2 ± 1,0 ans, hauteur au garrot 1,62 ±
0,02 m et poids moyen 505,5 ± 21 kg). L'activité des mus-
cles fessier moyen (FM) et tenseur du fascia lata (TFL) du
côté gauche, a été recueillie par EMG de surface. Un accé-
léromètre était fixé sur le sabot postérieur gauche afin de
détecter les posers et les levers du membre. L'acquisition
des signaux accélérométriques et EMG a été réalisée
comme précédemment décrit. Les enregistrements cinéma-
tiques ont été conduits parallèlement à l'électromyogra-
phie. Les marqueurs cutanés étaient placés du côté gauche
du cheval. Les caméras étaient situées à 4 m du tapis rou-
lant, leurs axes de convergence faisant un angle de 60°
environ.
Les chevaux ont été échauffés au pas, puis au trot sur le
tapis roulant avant d'être équipés. Pour chaque cheval, 5
séquences de 10 foulées successives correspondant chacune
à un palier de vitesse : 3,5 - 4 - 4,5 - 5 et 6 m.s-1 ont été enre-
gistrées. Cette gamme de vitesse a été choisie en fonction
des limites du trot pour un cheval de selle sur tapis roulant ;
au-dessous de 3,5 m.s-1, le cheval est dans une allure inter-
médiaire entre le pas et le trot ; au-delà de 6 m.s-1, la plupart
des chevaux prennent le galop.
Pour chaque palier de vitesse, les dates de poser et lever
du postérieur gauche ont été relevées sur 10 foulées suc-
cessives. Afin de faciliter les comparaisons des plans d'ac-
tivation musculaire au cours de différentes foulées, les
début et fin d'activité ont été déterminés et exprimés rela-
tivement à une foulée normalisée qui commence avec le
poser.
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L'intensité de l'activité musculaire a été calculée par
l'intermédiaire de l'EMG intégré (IEMG) sur les 10 mêmes
foulées pour chaque muscle. L'analyse cinématique a été
effectuée grâce au système EKAS sur les 10 foulées choi-
sies à chaque palier. Elle a permis de calculer les altitudes
maximales et minimales et les trajectoires moyennes de
chaque marqueur, et de relever de la même façon les angles
de flexion et d'extension maximales à partir des décours
angulaires des articulations (AUDIGIE, 1999).
L'évolution de chaque paramètre EMG ou cinématique
a ensuite été étudiée par une analyse de variance afin de
mettre en évidence un éventuel effet vitesse. La corrélation
entre les périodes d'activité EMG, l'IEMG, les décours et
la vitesse a également été effectuée par régression linéaire
et analyse de corrélation.
Résultats
Influence de la vitesse sur les paramètres de la foulée
Les tracés accélérométriques (figure 4) montrent une
diminution linéaire de la durée de la foulée avec l'augmen-
tation de la vitesse (R2= 0,94). La durée de la phase d'ap-
pui diminue linéairement lorsque la vitesse augmente (R2
= 0,95). L'augmentation de la vitesse conduit à une dimi-
nution de la durée relative de la phase d'appui liée à une
diminution de la phase d'amortissement du membre pel-
vien. La durée relative de la phase de soutien augmente
essentiellement par augmentation de la phase de ramener.
Influence de la vitesse sur l'activité musculaire
Les périodes d'activité musculaire observées sont glo-
balement les mêmes que celles déjà rapportées chez le che-
val (TOKURIKI et al. 1995). L’activité du FM commence
dans le dernier tiers de la phase de soutien et se poursuit
après le poser pendant la majeure partie de la phase d’ap-
pui alors que l’angle de la hanche augmente : le FM est un
extenseur pur de la hanche. Le TFL est faiblement actif
pendant la première moitié de la phase d’appui : il parti-
cipe alors à la stabilisation du grasset qui a tendance à se
fléchir sous l’influence du poids du corps. Il présente son
activité maximale pendant la seconde moitié de la phase
d’appui et la première moitié de la phase de soutien : il
contribue alors à la flexion de la hanche, initiant la pro-
traction du membre pelvien (ROBERT et al. 1999). La
figure 4 représente les tracés EMG bruts obtenus à 3,5 et à
6 m.s-1 chez un des chevaux.
La vitesse ne modifie pas le plan général d'activation
musculaire. Néanmoins, elle induit des changements
significatifs dans les début et fin d'activité et le niveau
d'activation des muscles. L'activité du FM commence plus
tôt dans le cycle de la foulée lorsque la vitesse augmente
(p<0,05) ; le décalage moyen est cependant relativement
faible (1,8±0,9 % de la durée de la foulée). La fin de la
période principale d'activité survient également plus tôt
lorsque la vitesse augmente (p<0,05) ; le décalage moyen
est de 2,5±1,8 % de la durée de la foulée. La durée de la
bouffée n'est pas significativement affectée par la vitesse
(figure 5).
Le début et la fin d'activité du TFL surviennent plus
précocement dans le cycle de la foulée aux vitesses les plus
rapides (p<0,01) ; les décalages moyens sont de 7,8±3,3 et
6,9±4,6 % de la durée de la foulée respectivement. La rela-
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Bull. Acad. Vét. France — 2003 - Tome 156 - N°1 www.academie-veterinaire-france.fr
Figure 4 : Tracés accélérométriques et EMG bruts des muscles
fessier moyen (FM) et tenseur du fascia lata (TFL) pendant 3
foulées successives à 3,5 et 6 m.s-1. Les périodes d'activité mus-
culaire apparaissent sous forme de bouffées. Les phases d'appui
sont matérialisées par les barres horizontales et le poser par le
trait vertical.

tion entre chaque changement d'intensité de l'activité et la
vitesse est linéaire (R2 0,9). La durée de la bouffée n'est
pas significativement affectée par la vitesse (figure 5).
Les valeurs de l'IEMG montrent d'importantes varia-
tions en fonction de la vitesse. Pour les 2 muscles étudiés,
l'IEMG moyen augmente linéairement avec la vitesse
(R2 0,88).
Influence de la vitesse sur la cinématique articulaire
Lorsque la vitesse augmente, la trajectoire du marqueur
de la hanche s'abaisse (p<0,01) pendant tout le cycle de la
foulée (en moyenne –2 à –3,7 cm entre 3,5 et 6 m.s-1). Les
valeurs extrêmes du décours vertical pendant la phase d'ap-
pui surviennent plus tôt dans le cycle de la foulée (en rela-
tion avec la diminution de la phase de la foulée correspon-
dante). L'amplitude de mouvement de la hanche augmente
avec la vitesse (figure 5), avec une augmentation de l'ex-
tension lors du lever (p<0,05) et une augmentation de la
flexion (p<0,05) pendant la phase de protraction (jusqu'à
+4,2°) et au poser (jusqu'à +4,5° entre 3,5 et 6 m.s-1).
L'ensemble de la trajectoire du grasset s'abaisse elle
aussi avec la vitesse (p<0,01), avec des valeurs extrêmes
pendant la phase d'appui plus précoces (p<0,05).
L'articulation du grasset est plus fléchie lors du poser (jus-
qu'à +4,8° entre 3,5 et 6 m.s-1) et pendant la phase d'amor-
tissement. En revanche, l'articulation est plus ouverte
(p<0,001, +2,5° d'extension entre 3,5 et 6 m.s-1) lors du
lever et plus fléchie (jusqu'à 3,6° de flexion en plus) à mi-
soutien (figure 5). L'extension pendant la phase d'embras-
sée diminue lorsque la vitesse augmente.
Discussion
Le but de ce travail était d'évaluer les effets de l'allon-
gement du trot sur l'activité musculaire et les mouvements
ostéo-articulaires. La corrélation de données EMG et ciné-
matiques a permis de montrer que des variations de vitesse
faibles (de l'ordre de 0,5 à 1 m.s-1) modifient significative-
ment la mécanique locomotrice du cheval.
Protocole
Cette étude a été menée sur tapis roulant afin de maî-
triser au maximum la vitesse du cheval. Les résultats doi-
vent donc être considérés avec précaution dans le cadre
d’une transposition au travail du cheval sur piste.
Les techniques employées font appel à des électrodes et
des marqueurs collés sur la peau. Les déplacements cuta-
nés peuvent donc conduire à des erreurs de position des
capteurs et des marqueurs. Ainsi, les décours de la hanche
et du grasset sont considérablement influencés par les
mouvements cutanés (BACK et al. 1995a, 1995b). Les
décours du jarret et du boulet donnent une description plus
précise du mouvement du membre pelvien (BACK et al.
1995b). C'est pourquoi ils sont également étudiés même si
seules les articulations les plus proximales sont mobilisées
par les muscles étudiés.
Aucune étude ne s'est intéressée à l'évolution des
déplacements cutanés avec la vitesse. Cependant, VAN
WEEREN et al. (1990) ont montré que les déplacements
cutanés au pas et au trot étaient peu différents dans les
régions proximales des membres. Nous supposerons donc
que c'est également le cas au trot pour la gamme de vitesse
considérée ici.
Comparaison des résultats avec d'autres études
La diminution de la durée de la foulée liée à l'augmen-
tation de la vitesse a été rapportée à de nombreuses occa-
sions chez le cheval. Ainsi, quand la vitesse est modifiée,
la fréquence de foulée change avant la longueur de la fou-
lée (ROONEY, 1984). La longueur de la foulée augmente
linéairement et la fréquence de foulées non linéairement
avec la vitesse chez le cheval au trot sur tapis roulant
(LEACH et DREVEMO, 1991) comme chez le cheval
monté (ROONEY et al. 1991, GALISTEO et al. 1998). De
nombreux travaux présentent ainsi une corrélation négative
entre la vitesse et la durée de la phase d'appui (CLAYTON,
1994 ; HOLMSTRÖM et al. 1995 ; McLAUGHLIN et al.
1996).
Les caractéristiques de l'activité électromyographique se
trouvent modifiées avec la vitesse, de façon plus ou moins
importante selon les muscles. Le plan d'activation des mus-
cles n'est pas altéré dans sa structure lorsque la vitesse
change. Ce phénomène bien établi chez l'homme (BOUIS-
SET et MATON, 1995) ou le chat (ENGLISH, 1978a,
1978b) est déjà rapporté chez le cheval pour les muscles du
membre pelvien (WENTINK, 1978). L'intensité globale de
l'activité musculaire augmente avec la vitesse. Ces données
confirment les résultats obtenus chez le cheval (HYYPPÄ et
HÄNNINEN,1998), le chat (ENGBERG et LUNDBERG,
1969 ; SMITH et al. 1993) ou l'homme (BOUISSET et
MATON, 1995).
L’augmentation de l'amplitude de mouvement articulaire
(VAN WEEREN et al. 1993, HOLMSTRÖM et al. 1995) et
des angles de protraction et de rétraction avec la vitesse
(CLAYTON, 1994 ; GALISTEO et al. 1998) sont plusieurs
fois décrites chez le cheval.
Explication mécano-fonctionnelle des résultats obtenus
Jusqu'à présent, nous avons présenté séparément les
effets de la vitesse sur les paramètres de la foulée, l'activité
musculaire et la cinématique articulaire. En fait, ces 3 élé-
ments sont intimement liés et forment un système cohérent
caractéristique du mouvement global des membres.
Lorsque la vitesse du tapis roulant augmente, le cheval
accroît la fréquence de ses foulées. Il diminue la durée de
la phase d'appui afin de réduire les frottements et d'emma-
gasiner plus d'énergie. Dans le même temps, la longueur
des foulées et l'amplitude du mouvement augmentent. Les
muscles doivent donc générer un travail plus important en
un temps plus limité. Lorsque le cheval se déplace plus
rapidement, plus de puissance est requise pour propulser
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32 Bull. Acad. Vét. France — 2003 - Tome 156 - N°1 www.academie-veterinaire-france.fr

l'animal et effectuer plus rapidement un mouvement plus
ample (WENTINK, 1978).
La contraction anticipée du FM et du TFL répond à la
demande croissante d'extension respectivement de la han-
che et du grasset et révèle un changement dans la stratégie
de recrutement des unités motrices.
L’amplitude de la bouffée et de l'IEMG du FM et du
TFL, c’est à dire de l'intensité de la contraction musculaire,
augmente afin de fournir la puissance nécessaire à la réali-
sation du mouvement plus ample de la hanche et du gras-
set. L'augmentation de la flexion du jarret et de la hanche
avec la vitesse va de pair avec une propulsion plus forte
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33
Bull. Acad. Vét. France — 2003 - Tome 156 - N°1 www.academie-veterinaire-france.fr
Figure 5 : Effets de la vitesse sur la mécanique du membre pelvien.
Périodes moyennes d'activité des muscles fesseir moyen et tenseur du fascia lata et décours angulaires de la hanche et du grasset sur
une foulée normalisée.
Les phases d'appui sont matérialisées par les barres horizontales

(VAN WEEREN et al. 1993) à l'origine de l'augmentation
de vitesse (GALISTEO et al. 1998).
L'appareil musculo-squelettique génère donc l'augmen-
tation de la vitesse du mouvement, mais il doit aussi s'y
adapter, voire la subir. A vitesse élevée, les forces qui
s'exercent sur les membres sont augmentées. Pendant la
phase d'amortissement, le corps s'affaisse plus car le choc
lors du poser est plus fort, mais aussi pour emmagasiner
plus d'énergie. Cela se traduit par une plus grande ferme-
ture des articulations et un abaissement de la trajectoire des
membres (ROBERT et al. 2002). Pendant la phase d'appui,
le cheval est amené à verrouiller ou simplement stabiliser
certaines articulations comme le carpe, le coude ou le gras-
set (TOKURIKI et AOKI, 1995) pour éviter l'effondrement
des membres sous l'effet combiné de la vitesse et du poids
du corps. Pour cela, il sollicite plus fortement certains mus-
cles. La coactivation du FM et du TFL (activité plus pré-
coce de ce muscle) maintient l'ouverture de la hanche, et
l'activité du TFL empêche la flexion excessive du grasset.
Une étude réalisée à l'aide de plates-formes de force a
montré que les forces verticales et de freinage lors du poser
et le choc à absorber augmentaient avec la vitesse
(McLAUGHIN et al. 1996). L'augmentation de la vitesse
du mouvement impose donc des phases de décélération ou
de freinage plus intenses avant le poser. La contraction
musculaire active aide alors à absorber le choc. Pendant la
phase d'embrassée, la décélération des membres est induite
par contraction excentrique et précoce des extenseurs (FM
pour le membre pelvien) qui limite les effets de l'inertie.
Lorsque le membre se pose, le FM, muscle rétracteur du
membre pelvien, s’oppose aux forces de freinage.
L'amplitude de son activité augmente avec la vitesse du
trot afin de contrebalancer le moment d'inertie qui agit
comme fléchisseur de la hanche (et extenseur du genou).
En résumé, une augmentation de la vitesse, même de
faible amplitude, génère des modifications de l'ensemble
de la mécanique des membres. Les éléments les plus évi-
dents sont l'augmentation de l'intensité de l'activité muscu-
laire et de l’amplitude de mouvement articulaire.
L'entraînement du cheval à vitesse élevée permet donc
d'augmenter la charge de travail musculaire et d'assouplir
les formations péri- articulaires et tendineuses. Mais il sol-
licite fortement l'ensemble du système myo-arthro-squelet-
tique. Ces résultats expliquent l'apparition souvent précoce
de tendinites, de myopathies ou d'affections ostéo-articu-
laires chez les chevaux travaillant à vitesse élevée, comme
les chevaux de course.
• CONCLUSION
L’évolution technique et informatique met à la disposi-
tion des laboratoires des outils performants pour l’étude
globale de la locomotion chez le cheval. Leur utilisation
nécessite d’avoir une rigueur méthodologique relevant de
la « démarche qualité » et la prise en considération des
limites de chaque technique dans l’interprétation des résul-
tats. En revanche, elle apporte des données objectives dans
un domaine où l’empirisme régnait depuis des siècles.
MÉMOIRES
34 Bull. Acad. Vét. France — 2003 - Tome 156 - N°1 www.academie-veterinaire-france.fr
Nous tenons à remercier le Professeur Jean-Marie DENOIX, Directeur de l’UMR de « Biomécanique et Pathologie Locomotrice du
Cheval » qui a dirigé cette étude, ainsi que Jean-Paul VALETTE, Fabrice AUDIGIE et Philippe POURCELOT pour leur aide.
Ce travail a été soutenu financièrement par l’INRA, la DGER et le COST des Haras Nationaux.
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