La marche chez l’homme

Docteur Bruno FERRE

Chirurgien orthopédiste
Chirurgie du pied et de la cheville (*)
Ancien Président de la Société Française de Chirurgie du Pied (AFCP)
Medical Director, Digital Orthopaedics (**)

* : IM2S, 11 Avenue d’ostende , 98000 Monaco, MONACO
** : Rue E francqui 1435 Mont Saint Guibert, BELGIUM
La marche chez l'homme
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1. Introduction – Généralités

C’est l’acquisition de la marche bipodale qui a permis à l’homme de libérer sa main de développer des outils et donc de développer son cerveau. Marcher c’est se déplacer dans un univers gravitationnel d’une manière bipodale, en tout-terrain, dans toutes les directions, à vitesse variable et en dépensant le moins d’énergie possible. Toutes ces conditions doivent être réunies pour que l’on puisse parler de marche. Dès qu’une de ces composantes se dégrade l’homme passe progressivement de la marche à un simple déplacement de plus en plus pénible.

  • Un univers gravitationnel est un univers où toutes les masses s’attirent entres elles, l’homme l’étant vers le centre de la Cette notion de gravité induit la notion de force que nous définirons un peu plus loin dans l’exposé.
  • L’homme est le seul primate bipodal en permanence. La différence avec les oiseaux qui marchent aussi en bipodal est que leurs centres de gravité sont situés sous les articulations des hanches alors que le notre est situé au-dessus ce qui a des conséquences importantes en matière de maintien de l’équilibre.
  • Marché en tout-terrain signifie que le pied est capable de s’adapter à la forme du terrain tout en étant capable de se rigidifier pour supporter les forces propulsives sans se
  • Marcher dans toutes les directions implique qu’il existe une chaîne cinématique qui va être capable de s’orienter dans l’espace et de faire en sorte que les forces soient toujours orientées dans la bonne
  • À vitesse variable implique qu’il existe des systèmes de recrutement des forces.
  • En dépensant le moins d’énergie possible ce qui est indispensable pour que l’homme puisse survivre à la surface de la planète sans être obligé de manger en permanence pour assurer ses déplacements. Ces économies d’énergie s’expliquent par des processus extrêmement complexes y compris au niveau histologique.

2. Comprendre la marche

Il faut pour comprendre la marche avoir une démarche récursive. Il faut d’abord avoir une vue d’ensemble des mécanismes avant d’essayer de comprendre chaque élément constitutif de ce mécanisme. Ce n’est qu’à la fin de ce cycle qu’il est possible d’avoir une vision d’ensemble satisfaisante de ce processus mécanique complexe.

La marche est un phénomène cyclique, ce qui explique que la production des forces propulsives est intermittente.

On oppose classiquement pendant ce cycle une phase aérienne et une phase où le pied est en contact avec le sol. Cette phase est elle-même divisée en trois périodes que nous étudierons plus loin dans l’exposé.

Nous allons devoir expliquer comment les forces sont créés et comment elles orientent pour propulser l’individu puis comment le cycle s’entretient presque automatiquement en consommant peu d’énergie.

3. Marche analytique

Pour comprendre la marche nous devons décrire :

  • La chaîne cinématique permet le mouvement
  • Les forces qui animent cette chaîne cinématique et la manière dont elles sont produites
  • Enfin la manière dont sont contrôlés ces forces

a. Chaine Cinématique

La chaîne cinématique est composée de l’ensemble des articulations qui sont connectées entre elles et qui sont interactives. Il s’agit du complexe pied cheville, du genou, de la hanche, du rachis lombaire et à l’autre membre inférieur de la hanche, du genou et du complexe pied-cheville.

    • Rachis lombaire et hanche permettent pendant le phase aérienne l’antépulsion du bassin par rotation autour d’un axe vertical
    • La hanche est la seule articulation à six degrés de liberté (multi axes) dans la chaine cinématique. Il s’agit d’un véritable gouvernail qui permet les changements de
    • Le genou, lors de la marche simple, fonctionne comme une charnière, à grande amplitude et à axe quasi perpendiculaire à la ligne de Les mouvements dans les autres plans et ses systèmes de verrouillages complexes sont largement utilisés dès que les mouvements sont plus complexes. Il est synchronisé avec les articulations transversales du pied
    • Deux groupes articulaires du pied (Tibio-talienne et métatarso-phalangienes) présentent un axe perpendiculaire à la ligne de déplacement et sont capables de grandes Ces groupes sont synchronisés avec le genou.

Toutes les autres articulations du pied (hormis les interphalangiennes) sont des articles à faibles amplitudes avec des axes plus ou moins proches de la ligne de marche (voir axe de Henke pour la sous talienne). Ces articulations permettent au pied de s’adapter au sol.

b. Géométrie et Cinématique Articulaire

En regardant les choses plus en détail nous constatons que toutes les articulations n’ont pas des axes parallèles entre eux et ne sont pas perpendiculaire à la ligne de déplacement

De plus les axes de rotation des articulations ne sont pas fixes et changent de position au cours de l’excursion des amplitudes articulaires le cheminement de la localisation des axes n’étant d’ailleurs pas les mêmes lors de l’aller et du retour (par exemple flexion dorsale et flexion plantaire de cheville)

Cela s’explique par le fait que les articulations ne sont pas des articulations parfaites au sens mécanique du terme, la tibiotarsienne n’étant pas, par exemple cylindrique mais en tronc de cone.

Les surfaces articulaires proprement dites n’étant pas régulière, ces deux facteurs expliquant la non fixité des axes de rotation. Les cartilages qui sont les tissus assurant le glissement des articulations épouseront ses formes à la géométrie complexe, en assurant un glissement quasi parfait grâce à des caractéristiques très particulières de lubrification à basse vitesse.

Compte tenu de cette mécanique un particulière, un peu floue, les moyens d’assemblage et les moyens de contrôle vont être aussi très éloignés de ceux que l’on trouve dans système mécanique habituel

Les ligaments qui sont les moyens d’assemblage des os entre eux sont externes et sont constitués de nappes dont seule une partie est tendue à un instant T du mouvement. En d’autres termes seule une partie d’un ligament est isométrique à un moment donné, les parties isométriques de chaque ligament changeants d’un instant à l’autre.

Ces articulations ainsi unit ne sont pas ajustées comme pourrait l’être une articulation mécanique mais présente du jeu d’où la nécessité d’autres systèmes pour contrôler le verrouillage des articulations

Le premier élément de contrôle est un élément mixte statique et dynamique. Il s’agit de l’assemblage entre l’aponévrose plantaire et les plaques plantaires qui par un effet d’allongement de la voûte sous l’effet de la charge verrouillent les métatarsophalangiennes et appliquent les orteils au sol

Le deuxième facteur de contrôle est représenté par les tendons des muscles extrinsèques

    • Ils agissent directement sur les os au niveau de leurs insertions
    • Indirectement par un effet de poulie aux endroits où ils se réfléchissent sur les os
    • Indirectement aussi et à distance via leurs réflexions sur des sangles aponévrotiques qui sont attachées aux os (par exemple le rétinaculum antérieur)
    • Les muscles intrinsèques représentent un moyen de contrôle extrêmement important, mal Ils sont fondamentaux pour assurer le verrouillage des articulations lors de la marche en tout-terrain.
    • Enfin il existe des parties molles à la structure histologique très particulière qui assurent la transmission des forces au sol : il s’agit de la coque talonnière en arrière et des coussinets plantaires en avant

Ce modèle articulaire complexe, incomplètement compris, que nous avons décrit pour le pied et la cheville est un modèle universel qui se retrouve dans l’ensemble de la chaîne cinématique impliquée dans la marche

C’est cet ensemble qu’il convient de reproduire dans les clones numériques si nous voulons pouvoir simuler correctement la marche et ses pathologies

c. Les forces

Pour animer la chaîne cinématique il faut qu’il existe des forces qui sont des actions mécaniques capables de déplacer et ou de déformer un corps

Les forces sont représentées par des vecteurs. Le vecteur permet de décrire dans un seul concept, un point d’application, une direction et une intensité. Les valeurs, dérivées de la force, vitesse accélération sont aussi des vecteurs ainsi que la quantité de mouvement.

La manière dont les forces interagissent avec la matière sont régies par des lois dites les lois du mouvement de Newton qui s’applique sans restriction aux très faible vitesse observée lors de la marche.

Ces principes sont :

    • Tout corps persévère dans l’état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite dans lequel il se trouve, à moins que quelque force n’agisse sur lui, et le contraigne à changer d’état.
    • Les changements qui arrivent dans le mouvement sont proportionnels à la force Ils se font dans la ligne droite dans laquelle cette force a été imprimée.
    • L’action est toujours égale à la réaction, c’est-à-dire que les actions de deux corps l’un sur l’autre sont toujours égales et de sens

4. Dynamique de la marche

Connaissant les forces, et sachant comment elles sont régies nous pouvons maintenant examiner quels sont les forces en présence pendant la marche.

La première est la gravité, toujours présente qui attire le corps dont le centre de masse est situé en .L3

D’autres forces s’opposent au mouvement. Il s’agit des différents frottements qu’ils soient externes, le vent ou interne lors des glissements intra tissulaires qu’ils soient macroscopiques ou microscopiques.

Enfin, les forces propulsives de sens inverses aux forces précédentes, provoquent le mouvement. Nous allons les étudier plus en détail.

Ces forces propulsives sont intermittentes et ne sont produites que lors de la dernière phase du pas, au niveau de l’avant-pied qui assure la répartition des forces sur la surface du sol sur une surface suffisamment large pour maintenir la pression intra tissulaire en-deçà du seuil qui les détruirait. Nous entrevoyons ici tout le champ des pathologies de l’avant-pied.

Les muscles produisent ces forces mais ont un double rôle.

Il crée des forces par la contraction de leurs unités musculaires,

Et emmagasinent dans leurs composantes élastiques de l’énergie pendant certaines phases de la marche qu’ils vont restituer ainsi dans les phrases suivantes ce qui est un puissant facteur d’économie d’énergie.

Les muscles peuvent donc être décrit comme un verin hydraulique mis en parallèle avec un ressort l’ensemble de ces deux systèmes étend lui-même en série avec un ressort plus petit

En plus de ce système très élaboré, à l’origine de la faible consommation énergétique de la marche, l’organisation des insertions musculaire en muscles poly-articulaires assurent une synergie entre les articulations génératrices d’encore plus grandes économies d’énergie

Ce système aboutit à la création de force qui sont orientées en haut et en avant lors de la phase propulsive comme le montre les enregistrements d’un sujet marchant sur une plate-forme de force.

Il est à noter que la trajectoire des différents points de la chaîne cinématique cycloïde au niveau de la face plantaire du pied s’aplatit à mesure qu’on se rapproche du centre de gravité

Au total lors de la marche stabilisée chez le sujet en bonne santé il s’instaure une résonance entre le membre qui est au sol et le membre qui est dans la phase aérienne ce qui aboutit à une marche harmonieuse et peu énergivore.

C’est ainsi que nous pouvons au niveau du pied qui est la seule partie du corps en contact avec le sol distinguer trois phases.

  • Une phase de prise de contact du pied avec le sol décrit à tort comme une phase de freinage alors qu’il s’agit d’un choc élastique qui renvoi une grande partie de la quantité de mouvement vers le membre contro-latéral. Lors de ce choc, le système ne doit pas se disloquer comme il le fait par exemple dans les instabilités de cheville.
  • Puis une phase d’adaptation du pied au sol où le pied doit grâce à sa plasticité s’adapter à la forme du terrain avant grâce à ses systèmes de contrôle de se rigidifier pour pouvoir supporter les forces propulsives sans se déformer. Nous sommes ici dans tout le champ pathologique des pieds plats qui sont des pieds qui ne peuvent plus se rigidifier et qui deviennent apropulsifs et des pieds creux qui à l’inverse sont trop rigides et inadaptables
  • Enfin la face propulsive dure entre 100 et 150 millisecondes. Il s’agit du moment où l’avant-pied produit des forces qui sont orientées en haut et en avant assurant la stabilisation du centre de gravité et sa propulsion vers l’avant. Il s’agit d’une phase critique où l’avant pied doit être à la fois solide et mobile et stable, faute de précipiter le pied dans les pahologies complexes de l’avant pied qui peuvent toutes être comprise avec les éléments biomécaniques que nous avons exposés.

5. Le système de contrôle

Un tel système ne peut bien sûr fonctionner longtemps et dans toutes les circonstances qu’avec des systèmes de contrôle extrêmement élaborés.

Ce qui nécessite  l’existence de capteurs qui apprécieront les conditions de l’environnement.

Et des systèmes de traitement de l’information provenant de ces capteurs. Ces contrôles  sont répartis au niveau locorégional, médullaire ou centrale avec des possibilités de commande consciente pour que la marche et la déambulation soit au service de l’individu.

Tous ces systèmes sont bien décrits par les neurologues.

6. Synthèse : La Marche Normale

Au total la marche normale est un système économe en termes d’énergie qui épargne la mécanique en filtrant les vibrations, qui peut se faire presque sans contrôle conscient avec de nombreuses redondances pour que le système puisse à l’occasion continuer à fonctionner en mode dégradé pendant qu’il se répare seul ou avec l’aide de la médecine et/ou de la chirurgie

7. Les troubles de la Marche

Les troubles de la marche sont donc extrêmement complexes. Ils dépassent largement le simple cadre de l’orthopédie faisant plus appel connaissance de la neurologique.

Cependant ils s’observent et se documentent, ils s’expliquent et ils peuvent parfois guérir.

8. Bibliographie

Les références bibliographiques sont multiples. Je ne citerai que 4 références dans 4 domaines essentiels à la compréhension de la marche.

  • Un traité de mécanique : Feyman prix Nobel de physique en 1965 à lire absolument pour comprendre la mécanique
  • Parmi les livres d’anatomie, le Sarrafian qui est le livre de référence pour l’anatomie du
  • Un livre « généraliste » sur la marche, de A Delafontaine pour retrouver les notions admises habituellement en la matière
  • Enfin un article de McKeon sur les intrinsèques qui explique leurs rôles fondamentaux dans la physiologie du pied en faisant appel à un concept