PhD Student Marlène Giandolini presented her work at the Faculty of Sport Science of Nice, Field measurement of impact and foot strike pattern : case study on Kilian Jornet, and specific downhill study

1. GESTION DE L'IMPACT LORS DE LA POSE DU PIED :
RELATION AVEC LA FATIGUE ET LE RISQUE DE BLESSURES
Marlene Giandolini · Doctorante CIFRE
Séminaire LAMHESS, Université de Nice Sofia-Antipolis | Nice, 23 avril 2015

2. CHARGE, CHOC ET VIBRATIONS EN COURSE À PIED | CARACTÉRISTIQUES
0
1
2
3
Forceverticalederéaction
(enBodyWeight)
Phase passive Phase active
Force active
Pic passif
Choc
Vibrations
Taux de
charge
Au cours d’un marathon, un coureur subit
environ 8 000 contacts pied/sol.
Au cours d’un ultra-trail de 160 km, un coureur
subit environ 320 000 contacts pied/sol.
Force de
compression

3. CHARGE, CHOC ET VIBRATIONS EN COURSE À PIED | CONSÉQUENCES
-4
-2
0
2
4
6
8
Accélération(g)
Tibia
Sacrum
Il existe une atténuation naturelle du
choc et des vibrations par le système
musculo-squelettiques afin de
préserver les fonctions centrales
(vision, fonction vestibulaire, etc.).
Mécanismes naturels
Disques
intervertébraux
Os sous-chondral
Os (déformation)
Heel pad
Pronation
Activation et pré-
activation musculaire
(Paul et al. 1978, Valiant 1989, Nigg 2001, Horisberger et al. 2013, Dickinson et al. 1985, Radin et al. 1973, Qin et al. 2014, Fischenich et al. 2014)
… Mais pas assez pour se préserver de blessures dégénératives.
Les chocs répétés peuvent induire des dégénérescences
osseuses et articulaires (cartilage et ménisques) et conduire à
certaines blessures osseuses (fractures de fatigue, arthrose).
(Radin et al. 1973)
Les vibrations pourraient accélérer la progression de
lésions cartilagineuses.
(Qin et al. 2014)

4. Pose de pied
CHARGE, CHOC ET VIBRATIONS EN COURSE À PIED | CONSÉQUENCES
-4
-2
0
2
4
6
8
Accélération(g)
Tibia
Sacrum
Il existe une atténuation naturelle du
choc et des vibrations par le système
musculo-squelettiques afin de
préserver les fonctions centrales
(vision, fonction vestibulaire, etc.).
(Paul et al. 1978, Valiant 1989, Nigg 2001, Horisberger et al. 2013, Dickinson et al. 1985, Radin et al. 1973, Qin et al. 2014, Fischenich et al. 2014)
… Mais pas assez pour se préserver de blessures dégénératives.
Amorti de la
chaussure
Interventions
Flexion du
genou
Les chocs répétés peuvent induire des dégénérescences
osseuses et articulaires (cartilage et ménisques) et conduire à
certaines blessures osseuses (fractures de fatigue, arthrose).
(Radin et al. 1973)
Les vibrations pourraient accélérer la progression de
lésions cartilagineuses.
(Qin et al. 2014)
Fréquence
de foulée

5. TECHNIQUES DE POSE DE PIED | QUELLES TECHNIQUES ?
5
Effet de l’activité
(i.e. distance et vitesse)…
• 800-1500m
RF : 27%, MF : 42%, FF : 31%
(Hayes et Caplan 2012)
• Semi-marathon
RF : 75-89%, MF : 4-24%, FF : 1-2%
(Hasegawa et al. 2007, Larson et al. 2011)
• Marathon
RF : 88-94%, MF : 3-5%, FF : 1%
(Larson et al. 2011, Kasmer et al. 2013)
RearFoot
MidFoot ForeFoot

6. TECHNIQUES DE POSE DE PIED | DIFFÉRENCES CINÉMATIQUES
Attaque talon (RF) vs. Attaque plat-avant pied (MFF)
Fréquence de foulée RF < MFF
Cheville au contact initial Dorsiflexion Flexion plantaire
Genou au contact initial Extension Flexion
Adduction de hanche RF > MFF
Activation musculaire
Extenseurs du genou : RF > MFF
Fléchisseurs plantaires : RF < MFF
Fléchisseurs dorsaux: RF > MFF
(Davis 2005)
(e.g. Davis et al. 2005, Shih et al. 2013, Giandolini et al. 2013, Kulmala et al. 2013, Yong et al. 2014)

7. TECHNIQUES DE POSE DE PIED | STRESS OSTEO-ARTICULAIRE
• Taux de charge : RF > MFF
(Lieberman et al. 2010, Altman et Davis 2010, Giandolini
et al. 2013, Shih et al. 2013, Kulmala et al. 2013)
0
1
2
3
0 0.05 0.1 0.15 0.2
Forcesverticales(xPoidsdecorps)
Temps (s)
MFF
RF
• Force de contact et pression à l’articulation femoro-patellaire : RF > MFF
(Kulmala et al. 2013)
Plus l’adduction de la hanche est importante pendant la phase de contact,
plus la contrainte à l’articulation du genou est élevée.
(Barton et al. 2012, McCarthy et al. 2014, Morgenroth et al. 2014)
Plus l’activation des extenseurs du genou est importante,
plus la force de compression appliquée à l’articulation est élevée.
(Radin et al. 1973 , Sasaki et Neptune 2010, Leumann et al. 2013, Horisberger et al. 2013)
• Charge appliquée aux
métatarses : RF < MFF
(Giuliani et al. 2011)
• Pic d’accélération et contenu
vibratoire axiaux au tibia : RF > MFF
(Gruber et al. 2014)

8. TECHNIQUES DE POSE DE PIED | CONTRAINTES MUSCULO-TENDINEUSES
• Force appliquée au tendon d’Achille : MFF > RF
(Kulmala et al. 2013, Almonroeder et al. 2013)
 Plus l’activation des fléchisseurs plantaires augmente,
plus la force de traction exercée au tendon d’Achille est élevée.
• Contrainte appliquée au périoste tibial : MFF > RF
(Cibulka et al. 1994, Moen et al. 2009)
 Plus l’activation des muscles postérieurs du tibia (soléaire, long fléchisseurs
des orteils) augmente, plus la force de traction exercée au périoste est élevée.

9. 0
5
10
15
20
25
30
UTMB CCC TDS
ENPOURCENTAGE(%)
Causes principales d'abandon en 2008-2009
Causes musculaires Causes ostéo-articulaires Causes tendineuses Nausées
Source :
http://www.ultratrailmb.com/page/65/Coeur.html
168 km
9600m D+
101 km
6100m D+
119 km
7250m D+
L’ULTRA-TRAIL | DOMMAGES ET BLESSURES
(Millet et al. 2012)

10. L’ULTRA-TRAIL | DOMMAGES ET BLESSURES
(Hoffman et Krishnan 2014)

11. L’ULTRA-TRAIL | FATIGUE ET IMPACT
Ajustements cinématiques compensatoires
Hausse de la fréquence de foulée
(Millet et al. 2009, Morin et al. 2011, Degache et al. 2013,
Giandolini et al. 2013, Vernillo et al. 2015)
Diminution du temps de vol
(Morin et al. 2011, Vernillo et al. 2015)
Tendance à s’orienter vers une pose de pied à plat
(Giandolini et al. unpublished data)
Fatigue musculaire
Baisse des capacités d’atténuation du choc
(Mizrahi et al. 1997, Verbitsky et al. 1998, Voloshin et al. 1998,
Derrick et al. 2002, Clansey et al. 2012)
Chocs répétitifs et intenses
Hausse de la sensibilité face aux contraintes
ostéo-articulaires et musculaires
(Nicol et al. 1991, Millet et al. 2009, Morin et al. 2011,
Degache et al. 2013, Giandolini et al. 2013)
 Compenser la baisse de performance des propriétés
contractiles musculaires induite par l’exercice ?
 Maintenir un niveau de stress acceptable ?

12. L’ULTRA-TRAIL | LA DESCENTE
0
5
10
15
20
25
-30 -20 -10 0 10 20 30 40
Impact (g)
Pente (%)
Vertical
Antéro-postérieur
Résultant
(Giandolini et al. 2015) (Gottshall et Kram 2005)
En montée,
important stress
métabolique.
En descente,
important stress
mécanique.

13. L’ULTRA-TRAIL | LA DESCENTE
En montée,
important stress
métabolique.
En descente, les contractions excentriques vont induire d’importants
dommages à la fibre musculaire,
Rupture des disques Z et bandes A
(Féasson et al. 2002)
…Détériorant ainsi la performance sur les sections de plat (ou montée ?) suivantes.
Hausse du coût énergétique en course les 3 jours suivants une
session de course en descente
(Chen et al. 2007)
… Des processus inflammatoires et altérations neuromusculaires sévères,
Hausse de la décharge des afférences III/IV métabosensitives et méchanosensitives
induisant une inhibition des afférences Ia et du pool de motoneurones
(Gandevia 2001, Marqueste et al. 2004, Martin et al. 2009)
Perte de force
(Martin et al. 2005)
Baisse de l’activation volontaire
(Martin et al. 2005)
Baisse de l’excitabilité sarcolemmale
(Piitulainen et al. 2008, Piitulainen et al. 2010)
Altération du couplage excitation-contraction
(Martin et al. 2005)
(Enoka 2002)
En descente,
important stress
mécanique.

14. L’ULTRA-TRAIL | CRITÈRES DE PERFORMANCE
Impact
Fatigue neuromusculaire
PERFORMANCE
Stress musculo-tendineux
II. Quelleinfluencedelatechniquedeposede
piedsurlafatigueetl’impact?
DESCENTE
I.Importancedeladescentedansle
développementdela fatigueneuromusculaire?

15. DESCENTE, POSE DE PIED, IMPACT ET FATIGUE | PROTOCOLE
23 hommes
39.8 ± 11.7 ans 4.8 ± 2.4 heures de course/semaine
1.76 ± 0.63 m 71.5 ± 9.63 kg

16. DESCENTE, POSE DE PIED, IMPACT ET FATIGUE | PROTOCOLE
Pre-DTR*
Evaluation des fonctions
neuromusculaires
centrale et périphériques
Extenseurs du genou (KE)….
Fléchisseurs plantaires (PF)…
*DTR : Downhill Trail Run
DTR
Descente
(6.5 km, 1 264 m de dénivelé
négatif, pente -16.8 ± 5.6%)
Post-DTR
Evaluation des fonctions
neuromusculaires
centrale et périphériques
Post2d
Evaluation des fonctions
neuromusculaires
centrale et périphériques
Mesures en continu de…
Activité électromyographique – 1000 Hz
Vaste latéral (VL)
Biceps femoris (BF)
Gastrocnémien latéral (GL)
Tibialis antérieur (TA)
Accélérations 3D – 1344 Hz
Tibia
Sacrum
Talon
Métatarses

17. DESCENTE, POSE DE PIED, IMPACT ET FATIGUE | EVALUATION DE LA FATIGUE
Stimulations électriques
Force
EMG agoniste
100Hz 100Hz 10Hz Tw
Doublet surimposé
Stimulations sur muscle relâché
Db100
Tw
Fatigue périphérique
%AV
Fatigue centrale
Fatigue globale
MVC
(Gandevia 2001, Place 2010, Millet et al. 2011)
Influx nerveux
Transmission du
potentiel d’action
Amplitude de
l’onde M
Couplage excitation-
contraction
Performance des
ponts actine-myosine

18. DESCENTE, POSE DE PIED, IMPACT ET FATIGUE | ACTIVITÉ EMG,DOMS ET FATIGUE
RMS de l’activité EMG (VL, BF, GL, TA)
RMSglobal – RMSburst
En %RMSmax sur une tâche de contraction maximale
Perception de douleurs musculaires et articulaires Pre, Post et Post2d
Quadriceps – Ischios – Mollets – Releveurs
Hanche – Genou – Cheville
Indice de fatigue globale du membre inférieur Post et Post2d
∑Δ𝑀𝑉𝐶𝑠

19. DESCENTE, POSE DE PIED, IMPACT ET FATIGUE | QUANTIFICATION DE L’IMPACT
Accélérations tibia
Accélérations sacrum
Composantes axiale, transversale et résultante
Analyse temporelle Analyse fréquentielle
Tibia
Sacrum
PSD(g²/Hz)
Fréquence (Hz)
Fréquence médiane 2-100 Hz (MDF)
Pics d’accélération
Atténuation 12-20 Hz

20. DESCENTE, POSE DE PIED, IMPACT ET FATIGUE | IDENTIFICATION DE LA POSE DE PIED
Accélérations talon et métatarses THM (Δt1-t0)
t0
t1
t1
t0
THMsd
%RFS
%MFS
%FFS
Talon
Métatarses

21. DESCENTE, POSE DE PIED, IMPACT ET FATIGUE | DESCENTE ET FATIGUE
Post
-18.6 ± 9.51% (P < 0.0001)
Post2d
-8.52 ± 10.6% (P < 0.0001)
Post
-25.4 ± 13.4% (P < 0.0001)
Post2d
-10.0 ± 9.65% (P < 0.0001)

22. Post
-16.1 ± 12.2%
(P < 0.0001)
DESCENTE, POSE DE PIED, IMPACT ET FATIGUE | DESCENTE ET FATIGUE
Post
-35.1 ± 14.5%
(P < 0.0001)
Baisse de l’excitabilité sarcolemmale
Dommages au sarcolemme du en partie au
travail excentrique  Hausse de la perméabilité
sarcolemmale  Gradient de concentration
Na+/K+ anormale  Perturbation de la
propagation du potentiel d’action
(Gandevia 2001, Place 2010, Piitulainen et al. 2008, Piitulainen et al. 2010, Millet et al. 2011)
Altération du couplage excitation-contraction
 Faiblesse des récepteurs de la ryanodine ?
 Baisse de la libération de Ca2+ par le réticulum sarcoplasmique ?
 Baisse de la sensibilité des myofibrilles au Ca2+ ?

23. Post
-16.1 ± 12.2%
(P < 0.0001)
DESCENTE, POSE DE PIED, IMPACT ET FATIGUE | DESCENTE ET FATIGUE
Post
-35.1 ± 14.5%
(P < 0.0001)
Les extenseurs du genou sont plus enclins aux altérations de propagation du
potentiel d’action et contractiles.
 Contenu en fibres lentes inférieur pour les KE
que les PF
Les contractions excentriques endommageraient davantage
les fibres rapides que les fibres lentes.
(Tirrell et al. 2012, Brockett et al. 2009)
 Longueur musculaire au contact initial
supérieure pour les KE que pour les PF du fait
d’une flexion du genou marquée
Une importante longueur musculaire pre-contraction
excentrique induit une hausse des contraintes à la fibre
musculaire.
(Butterfield et Herzog 2006)
 Travail excentrique supérieur
pour les KE que pour les PF
(Buzcek et Cavanagh 1990)

24. Post
-26.9 ± 12.7%
(P < 0.0001)
Post
-21.6 ± 8.45%
(P < 0.0001)
DESCENTE, POSE DE PIED, IMPACT ET FATIGUE | DESCENTE ET FATIGUE
Post
-42.9 ± 11.0%
(P < 0.0001)
Post
-28.5 ± 8.67%
(P < 0.0001)
Baisse de la force produite par les
ponts actine-myosine
(Gandevia 2001, Place 2010, Millet et al. 2011)

25. DESCENTE, POSE DE PIED, IMPACT ET FATIGUE | DESCENTE ET FATIGUE
Post
-6.95 ± 7.43%
(P < 0.001)
Post
-7.88 ± 6.51%
(P < 0.0001)
Post2d
-3.80 ± 6.16%
(P < 0.05)
Déficit d’activation volontaire
 Inhibition du pool de motoneurones
Hausse de la fréquence de décharge des afférences
métabo- et mécano-sensibles (afférences III/IV) en réponse
aux augmentations des déchets métaboliques et produits
inflammatoires.
(Gandevia 2001, Marqueste et al. 2004, Martin et al. 2009)
 Baisse de la décharge des fibres afférentes Ia
Réduction de la raideur des fibres intrafusales due à la répétition de
cycles étirement-détente.
(Nicol et al. 1996, Avela et al. 1999a, Avela et al. 1999b)

26. DESCENTE, POSE DE PIED, IMPACT ET FATIGUE | DESCENTE ET FATIGUE
-19
-24
-34 -35
-24-25 -29
-39
-26
-60
-40
-20
0
DTR Trail UTMB 2012 UTMB 2009 Tor des Géants
Δ MVC Pre-Post (%)
-16
-10
-5
-19
-17
-9
-3
-20 -20
-30
-20
-10
0
DTR Trail UTMB 2012 UTMB 2009 Tor des Géants
Δ Amplitude Onde-M Pre-Post (%)
NS NS
-43
-8 -10
-22
-34
-29
-16
-20 -19
-60
-40
-20
0
DTR Trail UTMB 2012 UTMB 2009 Tor des Géants
Δ Tw Pre-Post (%)
-27
-9 -9
-12
-18
-22
-15
-20 -20
-30
-20
-10
0
DTR Trail UTMB 2012 UTMB 2009 Tor des Géants
Δ Db100 Pre-Post (%)
-7 -8
-22
-19
-22
-8
-14
-6
-29
-40
-20
0
DTR Trail UTMB 2012 UTMB 2009 Tor des Géants
Δ VA Pre-Post (%)
Millet et al. 2003 Temesi et al. 2014 Millet et al. 2011 Saugy et al. 2013
DTR Trail UTMB 2012 UTMB 2009 Tor des Géants
Distance 6.5 km 30 km 110 km 166 km 330 km
D+ 0 m 800 m 5 862 m 9 500 m 24 000 m
D- 1 264 m 800 m 5 862 m 9 500 m 24 000 m
-35
-3 -5
-10
-7 -5 -8
-40
-20
0
DTR Trail UTMB 2012 UTMB 2009 Tor des Géants
Δ 10:100 Pre-Post (%)
NS NS NS NS
KE
PF

27. DESCENTE, POSE DE PIED, IMPACT ET FATIGUE | FATIGUE ET POSE DE PIED
-50
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
-20 -10 0 10 20 30
Δ(%)
THM moyen (ms)
Variation Pre-Post Tw PF Variation Pre-Post Db100 PF
R = 0.395
R = 0.414
Les profils MFF démontrent une fatigue périphérique aux
fléchisseurs plantaires à Post davantage marquée.
Corrélation positive THM/ΔPre-PostTw (P = 0.039)
Corrélation positive THM/ΔPre-PostDb100 (P = 0.029)
 Hausse de l’activité du GL en adoptant des poses de pied MFF
Corrélation négative THM/RMSburst-globalGL (P = 0.017)
Les profils RF expriment des douleurs aux releveurs plus
importantes.
Corrélation positive THM/Douleurs releveurs Post (P < 0.05)
Corrélation positive THM/Douleurs releveurs Post (P < 0.05)
 Hausse de l’activité du TA en adoptant des poses de pied RF
Corrélation positive THM/RMSburst-globalTA (P < 0.000)

28. DESCENTE, POSE DE PIED, IMPACT ET FATIGUE | FATIGUE ET POSE DE PIED
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
-20 -10 0 10 20 30
Δ(%)
THM moyen (ms)
Variation Pre-Post Db100 KE Variation Pre-Post2d Db100 KE
R = 0.371
R = 0.459
Les profils MFF démontrent une fatigue périphérique aux
extenseurs du genou à Post et Post2d davantage marquée.
Corrélation positive THM/ΔPre-PostDb100 (P = 0.038)
Corrélation positive THM/ΔPre-Post2dDb100 (P = 0.044)
Corrélation positive THM/ΔPre-Post2dTw (P = 0.044)
Or, baisse de l’activité du VL en adoptant des poses de pied MFF…
Corrélation négative THM/RMSburst-globalVL (P < 0.000)
 Augmentation des bras de levier du poids et de la force de réaction du sol
Hausse du moment de force nécessaire pour contrôler la descente du centre de masse au moment du contact.
Hausse de la flexion du genou au contact avec une pose de pied MFF
(Shih et al. 2013)
 Augmentation de la longueur initiale musculaire
Une importante longueur musculaire pre-contraction excentrique induit une hausse des
contraintes à la fibre musculaire.
(Butterfield et Herzog 2006)
𝑃
𝑃
𝑅
𝑅

29. DESCENTE, POSE DE PIED, IMPACT ET FATIGUE | FATIGUE ET POSE DE PIED
Le profil de pose de pied (RF ou MFF) n’est pas une variable
corrélée à la fatigue globale.
Corrélation positive THM/∑ΔMVCs Post (P = 0.066)
Mais une haute variabilité de la pose de pied pendant la
descente permet de réduire la fatigue musculaire globale au
membre inférieur à Post et Post2d.
Corrélation positive THM/∑ΔMVCs Post (P = 0.011)
Corrélation positive THM/∑ΔMVCs Post2d (P = 0.008)
-100
-80
-60
-40
-20
0
0 5 10 15 20
∑ΔMVCsPost(%)
THMSD (ms)
R = 0.506
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
0 5 10 15 20
∑ΔMVCsPost2d(%)
THMSD (ms)
R = 0.494
RFS < 33%
33% < RFS < 66%
RFS > 66%

30. DESCENTE, POSE DE PIED, IMPACT ET FATIGUE | IMPACT ET POSE DE PIED
-10
-5
0
5
10
15
20
Accélération axiale - Tibia
Corrélation négative THM/PTAx (P = 0.003)
-4
-2
0
2
4
6
8
Accélération transversale - Sacrum
Corrélation positive THM/PSAy (P = 0.002)
*RF
MFF
Corrélation positive THM/yMDFsacrum (P < 0.001)
Corrélation négative THM/xMDFtibia (P < 0.001)
Corrélation positive THM/yMDFtibia (P < 0.001)
Adopter une pose de pied MFF augmente la sévérité
du choc dans la direction axiale,
Mais la réduit dans la direction transversale.

31. DESCENTE, POSE DE PIED, IMPACT ET FATIGUE | IMPACT ET POSE DE PIED
-20
-15
-10
-5
0
5
-30 -20 -10 0 10 20 30 40
Atténuation(dB)
THM (ms)
Atténuation axiale Atténuation résultante
R = 0.448
R = 0.386
Corrélation positive THM/Atténuation axiale (P < 0.001)
Corrélation positive THM/Atténuation résultante (P < 0.001)
Adopter une pose de pied MFF améliore
l’atténuation des fréquences d’impact dans les
directions axiale et résultante.

32. Impact
Fatigue neuromusculaire
Stress musculo-tendineux
DESCENTE
Pose de pied
 L’attaque talon permet de réduire la
fatigue périphérique aux extenseurs
du genou et fléchisseurs plantaires.
 Alterner de poses de pied permet de
minimiser la fatigue globale du
membre inférieur.
 La pose de pied influence la répartition du
choc entre les composantes axiale et
transversale.
 Un profil MFF permet d’améliorer
l’atténuation du choc en descente.
 Les phases de descente
seraient considérablement
impliquées dans le
développement de la fatigue
périphérique et centrale.
DESCENTE, POSE DE PIED, IMPACT ET FATIGUE | CONCLUSIONS

35. ‟Although we acknowledge that improving running economy may
help minimize damage through reduction in oxidative stress,
mechanical damage likely plays a major role.”
Millet G.Y. and collaborators (2012)
Merci de votre attention.
Marlene Giandolini · PhD student
Laboratoire de Physiologie de l’Exercice
Université Savoie Mont Blanc
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