CA2275733A1 - Methode et appareil de mesure d'analyse et de suivi des aptitudes et des performances du comportement moteur pour l'entrainement, la readaptation et la detection des disfonctionnements - Google Patents

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Rejean Plamondon
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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/16Devices for psychotechnics; Testing reaction times ; Devices for evaluating the psychological state
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2505/00Evaluating, monitoring or diagnosing in the context of a particular type of medical care
    • A61B2505/09Rehabilitation or training

Abstract

La méthode et l'appareil de mesure, d'analyse et de suivi des aptitudes et des performances du comportement moteur pour l'entraînement, la réadaptation et la détection des disfonctionnements se base sur un protocole de mesure du temps de réaction pour l'analyse de la cinétique du geste à partir du profil de vitesse de l'effecteur sous des conditions isotoniques ou encore à partir du profil de force de l'effecteur sous des conditions isométriques. L'appareil comprend un générateur de stimuli, un dispositif d'acquisition des données et un contrôleur pour la gestion du protocole de communication, la collecte de données et l'analyse cinématique. L'appareil permet d'analyser des expériences de mesure de temps de réaction et de temps de réponse pour des mouvements 1D, 2D et 3D, et ceci pour différents types d'effecteurs tels que les doigts, les mains, les coudes, les bras, la tête, les yeux, les jambes, etc. ainsi que l'analyse de la pression et de la force dans le cas d'expériences isométriques.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention propose une méthode et un appareil pour la mesure, l'analyse et le suivi des aptitudes et des performances du comportement moteur pour l'entraînement, la réadaptation et la détection des disfonctionnements.
I. CONTEXTE
Les applications de l'étude des temps de réponse, en psychologie et en neurosciences, pour analyser l'activité cérébrale, sont multiples. Dans sa forme la plus simple, cette méthode repose sur le paradiâme suivant: un stimulus généralement visuel ou auditif (S~) est présenté à un sujet qui doit réagir le plus rapidement possible en appuyant par exemple, sur un commutateur. De nombreuses variantes de ce paradigme permettent d'étudier des tâches plus ou moins complexes, d'essayer de comprendre les mécanismes neuromusculaires associés à la tâche à exécuter et même de poser des diagnostiques dans divers domaines de la médecine, de la psychologie ou même de la lcinésiologie.
II. SCHÉMA DU PARADIGME
Dans son cas le plus simple, le paradigme de mesure du temps de réaction peut être schématisé ainsi (voir figure 1). Un ensemble SQ de bips sonores permet d'attirer l'attention du sujet, soit le signal "get ready" d'une course contre la montre. Après une période d'attente Ta d'une durée aléatoire, le stimulus Sl, par exemple un flash lumineux (ou sonore), est activé. Le sujet perçoit ce signal et en guise de v J

réponse R, il appuie sur un commutateur le plus rapidement possible. On mesure à l'aide d'un chronomètre quelcongue le temps TR qui s'est écoulé entre le stimulus S~ et la réponse R, laquelle est mesurée à partir d'un seul arbitrage, par exemple, à partir d'un critère de déplacement minimal. Selon la complexité de la tâche, le type de stimulus, les capacités du sujet, etc, ce temps TR varie et l'étude de ces variations permet de comprendre, ou plutôt d'interpréter, ce qui s'est passé au niveau cérébral et neuromusculaire pendant cette période de temps.
' ' ~ Temps si, S R
'i_ Ta ~~ ~ TR
Figure 1 - Paradigme expérimental d'un schéma de mesure du temps de réaction.
Une expérience typique conduit donc à analyser les variations du temps de réaction en fonction de différentes conditions expérimentales (type de stimulus, effets de médicaments, caractéristiques des sujets, etc.). Le temps de réaction étant supposé réfléter la complexité de la tâche à effectuer, en variant celle-ci à partir de différents modèles fonctionnels, les chercheurs en arrivent à définir des catégories d'opérations cérébrales, de sujets, etc.
-3"

SO1~LVIAIRE DE L'INVENTION
La présente invention expose les fondements d'une méthode et d'un appareil pour la mesure, l'analyse et le suivi des aptitudes et des performances du comportement moteur pour l'entraînement, la réadaptation et la détection des disfonctionnements.
La méthode et l'appareil sont utilisés dans diverses applications.
1) Appareil et méthode pour la mesure de la réaction, et du temps de réaction d'un sujet, à des stimuli visuels, auditif, tactile, olfactif ou gustatif, par un geste rapide en 1D, 2D
ou 3D, mesuré soit dans le domaine des déplacements, de la vitesse, de l'accélération, de la force ou de la pression.
2) Appareil et méthode permettant de décrire l'action d'un mouvement simple, d'une pression ou d'une force, par un ensemble de sept paramètres (Dl, D2, to~t(,~2, 6,2,x22) selon l'équation delta-lognormale (équation 1).
DA(t)=D,A(t;to,fy,o'i )-DzA(t;to,f~z~~i) (1)
3) Appareil et méthode de détection et de distinction entre un mouvement, une réaction ou une pression simple versus complexe, par une analyse du profil de la force ou de la vitesse. Le profil est décomposé en un ensemble unitaire de forces ou de mouvements, selon une superposition vectorielle de fonctions delta-lognormales (équation 2 pour le domaine des vitesses). Le nombre d'unités de mouvements n est un indicateur de la complexité de la réaction.
Vit) _ ~ v (t) ~ _ ~ ~ vco(t _ toco) ~ (2) r-~
4) Appareil et méthode d'analyse des unités de mouvements ou de forces observées dans des profils complexe de vitesse de réaction ou de pression. La décomposition d'un profil complexe de vitesse, de force ou de pression permet de mesurer les propriétés individuelles des unités de mouvement, de leur évolution individuelle et en tant que séquence.
5) Appareil et méthode de mesure de la qualité d'un geste ou d'une pression par rapport à une référence, par l'analyse de son profil de vitesse ou de force.
6) Appareil et méthode de mesure et de description des propriétés neuromusculaires (en terme de temps de délais exprimé par les paramètre~Ili et~112, et en terme de temps de réponse exprimé par les paramètres~~2 etCC22), ainsi que d'estimation de la commande de force ou de mouvement (en terme de temps d'initiation to, et d'amplitude de la commande agoniste et antagoniste Dl et D2).
7) Appareil et méthode de mesure des variations des paramètres de force ou de mouvement selon le type de stimuli, le protocole expérimental et les conditions physiologiques, psychologique et émotives.
8) Appareil et méthode de mesure et de suivi de l'évolution des paramètres de réaction durant une période de temps donnée.
9) Appareil et méthode d'évaluation et de détection de l'influence de facteurs externes (médicaments, drogues, alcool, etc.) sur les paramètres d'un mouvement ou d'une force donnée.
10) Appareil et méthode d'évaluation des capacités d'un sujet à réagir à des stimuli particuliers.
11)Appareil et méthode d'évaluation des performances de réaction d'un sujet face à des stimuli particuliers.
12) Appareil et méthode de caractérisation et de vérification de l'identité
d'un sujet à
partir de son comportement ou de sa signature cinétique (force ou vitesse).
13) Appareil et méthode de caractérisation, de classification et de distinction d'un individu ou d'un groupe d'individus par rapport à une ou plusieurs références, sélectionnées soit selon Page, la situation géographique, le sexe, la culture, l'état de santé, etc.
Champs d'apulication:
- Dystrophie et maladies neuro-dégénératives;
- Détection et effets des drogues;
- Effets des médications;
- Effets de l'alcool;
- Sports: aptitudes, performance et réadaptation;
- Latence et temps de réponse;
- Compromis Vitesse - Précision;
- Temps de reflex et temps de réaction (ex: compagnies d'assurance);
- Mesure de performance (ex: simulateurs de vol, armée, aérospatial);
- Entraînement;
- Mesure de stress;
- Détecteur de mensonge;
- Jeux vidéo (stimuli multiples);
- Étude des réactions chez l'humain et l'animal.
-6~

III. INVENTION ET PROTOTYPE
Nous avons développé au cours des dernières années (Plamondon 1995a,b;
1998) une théorie cinématique qui décrit avec une précision inégalée, la forme des profils de vitesse lors de l'exécution d'un mouvement simple; à l'aide d'une équation appelée delta-lognormale. La figure 2 décrit un exemple typique de la vitesse d'un trait de crayon tel que mesuré à l'aide d'une tablette à numériser. Les points superposés à la courbe continue donnent les prédictions de la loi delta-lognormale pour cet exemple typique.
Figure 2 - Courbe typique de vitesse lors de l'exécution d'un mouvement rapide simple.
Grâce à la théorie cinématique, il est possible de reconstruire quasi-parfaitement chaque mouvement à partir d'une équation qui repose sur 7 paramètres (D,, D2, to, p,i, u2, al, Q2) dans sa forme simple.

' CA 02275733 1999-06-16 Au cours de la même période, nous avons développé (Guerfali et Plamondon 1998;
Plamondon et Guerfali 1998) un logiciel robuste qui extrait l'ensemble des 7 paramètres qui permettent la reconstruction optimale d'un mouvement.
Fort de ces deux percées technologiques, l'une théorique, l'autre pratique, no vs A JO Ns proposé les concepts et les éléments essentiels d'un appareil innovateur et A
~o Ns construit un premier prototype. Ce nouvel appareil permet d'étudier les mouvements simples dans le contexte des protocoles expérimentaux du type "mesure de temps de réaction".
La figure 3 schématise les principales composantes de l'appareil, à la base d'une foule d'applications en neurosciences, en psychologie ou en kinésiologie.
Ordinateur de contrôle iii oo~
0ô0 Générateur de stimuli Tablette à
numériser Figure 3 - Schéma du système d'analyse de mouvements rapides.
Le prototype est composé d'un système électronique de stimulation qui permet de générer les signaux sonores et lumineux (Sp et S~) sous contrôle d'un micro-ordinateur. Lors d'une expérience typique, lorsque le stimulus (Sr) survient, le sujet trace, le plus rapidement possible, un trait de crayon sur la ' CA 02275733 1999-06-16 surfâce de la tablette à numérisert. Un logiciel capte les données de position de la pointe du crayon pendant le mouvement, extrait les 7 paramètres qui permettent la meilleure reconstruction du tracé et affiche les résultats à l'écran tout en les stockant en mémoire pour analyse statistique ultérieure.
Regardons maintenant la figure 4 qui est en fait la superposition des figures 1 et 2 présentées antérieurement et qui résume l'essence du nouvel appareil que nous avons développé.
Temps Figure 4 - Analyse du temps de réaction par modèle delta-lognormal.
Lors d'une expérience typique, pour chaque trait de crayon, le clinicien disposera d'une information beaucoup plus riche et complète puisqu'au lieu de mesurer seulement TR de façon classique, le nouvel appareil fournira un ensemble de 7 paramètres permettant d'étudier avec plus de profondeur et de rigueur les phénomènes perceptivo-moteurs. Par exemple, l'étude des paramètres Dt, D1 et to permettra de comprendre quand et comment la commande du mouvement a été
donnée. Celle'de ~tt, ~2, at, a2 permettra de mieux comprendre les temps de délai et le temps de réponse des différents sujets face à une condition expérimentale donnée et caractériser ainsi leur activité neuromusculaire.
La tablette à numérisa peut éue remplacée par un système bipolaire à jauge de contraintes. Réjean Plamondon (1998) a démontré que les données captées seraient alors équivalentes à une vitesse virtuelle.

Cet ensemble de paramètres permettra aussi des analyses plus détaillées et mettra en évidence une foule de phénomènes jusqu'alors non observables, ce qui ouvre des portes sur de nombreuses applications du nouvel appareil.
L'exemple suivant présente un cas prometteur des analyses qui seront accessibles dans le domaine de la neurologie grâce au nouvel appareil. Ä ce jour, la seule information temporelle disponible dans un tel contexte expérimental est TR, le temps de réaction. Grâce à notre appareil, nous sommes en mesure d'évaluer ~o, le temps où selon la théorie cinématique, la commande neuromusculaire de mouvement a été donnée (voir figure 4). Notre méthode permet donc de dissocier deux grandes fonctions cérébrales jusqu'alors indissociables: la perception du stimulus, qui s'étend de S~ à to et la réponse musculaire proprement dite, représentée par la différence TR - to.
Cette seule voie offre de nouvelles et nombreuses avenues de recherche et d'interprétation, tout particulièrement si on la jumelle aux techniques classiques d'électro-ancéphalographie, d'électromyographie, etc. En effet, la plupart de ces techniques requièrent l'analyse de plusieurs signaux pour calculer des moyennes. Le paramètre to permet entre autres, de définir un repère temporel pour calculer ces moyennes et par le fait même, de mieux analyser et comprendre le processus étudié.
La Figure illustre schématiquement les digbrents composants de l'appareil de mesure, d'analyse et de suivi des aptitudes et des performances du comportement moteur pour l'entraînement, la réadaptation et la détection des disfonctionnements.
L'appareil comprend un générateur de stimuli, un dispositif d'acquisition de données et un contrôleur pour la gestion du protocole de communication, la collecte de données et l'analyse cinématique.
io Nous décrirons en premier le générateur de stimuli, suivi par le dispositif d'acquisition de données, puis en dernier l'ordinateur de contrôle utilisé pour la gestion du protocole de communication, la collecte des données et l'analyse cinématique.
Le générateur de stimuli peut être décomposé en cinq parties conceptuelles, soit le générateur de stimuli visuels, auditifs, olfactifs, tactiles et finalement gustatifs. Le générateur de stimuli visuels peut être composé d'une série de lampes ou de diodes luminescentes (de différentes couleurs et intensités), d'un réflecteur, d'un projeteur, d'un écran ou d'un système de stimulation du cortex. Le générateur de stimuli auditif est un générateur de sons (à fréquence et intensité variable), un klaxon ou un haut-parleur Le générateur de stimuli tactile peut un système vibratoire, un système à
aiguilles un gant électronique, un système d'émission de chaleur ou de froid. Le générateur de stimuli olfactifs ou gustatifs peut être composé d'un tube relié à un système de distribution d'odeurs ou de saveurs.
Le dispositif d'acquisition de données peut être composé d'un réseau de jauges de contraintes (pour la mesure de la force), d'un dispositif optique (infrarouge ou lumière visible), électromagnétique, ou encore mécanique (boutons, pédales, manette, guidon, volent, etc.). En ce qui à trait aux mouvements de la main et du bras, une tablette numérisante est utilisée pour la collecte d'informations sur le déplacement ou la pression des mouvements en 1 D et 2D. Pour ce qui est des mouvements des yeux, un système optique à base de caméras ou encore un processus de réflexion de la lumière non-visible est utilisé pour mesurer les mouvements des yeux. Pour ce qui est des mouvements de la tête, des bras, des coudes, des jambes, des genoux, etc., un système électromagnétique à
six degrés de libertés (3 translations et 3 rotations) ou encore un système totalement optique (caméras) peuvent être utilisés pour enregistrer ces mouvements.
Le contrôleur est quant à lui un mélange de logiciels et de matériel composé
principalement d'un module d'acquisition de données, d'un module de génération de stimuli et un module d'analyse.
Le module d'analyse calcule à partir des données enregistrées les déplacements, les vitesses, l'accélération ou la force, il estime le nombre d'unités de mouvements ou de force, classifie le mouvement comme simple (1 unité) ou complexe, extrait les paramètres de l'équation delta-lognormale vectorielle et effectue une analyse statistique pour l'étude des variations des paramètres.
APPLICATIONS TYPIQUES
Les applications d'un tel produit sont multiples et très prometteuses tant au niveau de lâ
psychophysique de base que dans des applications médicales en réhabilitation, en neurosciences cognitives, etc. sans oublier la kinésiologie, la médecine sportive, l'entraînement...
Grâce à cet appareil, il sera possible d'étudier les phénomènes fondamentaux de perception et de génération des mouvements, d'appliquer ces connaissances à la détection de problèmes d'apprentissage psychomoteur, la détection de maladies dégénératives (Parkinson et autres...), la -f3-caractérisation de population en fonction de certains facteurs (alcool, drogue, etc.), le développement de méthodes d'amélioration des temps de réflexe, la conception d'interfaces homme-machine plus ergonomiques...
Dans plusieurs de ces exemples, des marchés potentiels (voire de plusieurs millions de dollars) sont assez tangibles. Trois marchés peuvent déjà être ciblés par ce type de produit. Premièrement, .la neurologie où on désire observer et étudier les différents phénomènes de perception/réaction.
Deuxièmement, la gériatrie, en général, pour l'analyse, le diagnostic et le suivi de l'évolution de maladies dégénératives du système nerveux chez les personnes agées ou atteintes de maladies telles que l'Alzheimer ou le Parkinson. Troisièmement, la kinésiologie et la kinésiothérapie pour la réadaptation, le réapprentissage du ~ geste ou le développement d'aptitudes particulières ou spécialisées.
RÉFÉRENCES
[1] PLAMONDON, R., «A Kinematic Theory of Rapid Human Movements: Part I:
Movement Representation and Generation», Biological Cybernetics, vol. 72, #4, 1995, p.
295-307.
[2] PLAMONDON, R., «A Kinematic Theory of Rapid Human Movements: Part II:
Movement Time and Control», Biological Cybernetics, vol. 72, #4, 1995, p. 309-320.
r [3] PLAMONDON, R., « A ICinematic Theory of Rapid Human Movements: Part III:
Kinetic Outcomes », Biological Cybernetics, vol. 78, 1998, p. 133-145.
[4] GLTERFALI, W., PLAMONDON, R., « A New Method for the Analysis of Simple and Complex Planar Rapid Movements », Journal of Neuroscience Methods, Elsevier Science Publishers, 82/1, juillet1998, pp. 35-45.
[5] PLAMONDON, R., GUERFALI, W., « The Generation of Handwriting with Delta-Lognormal Synergies », Biological Cybernetics, vol. 78, 1998, p. 119-132.
[6] FIMBEL, E., GILBERT, B., PLAMONDON, R., JOANETTE, Y., LECOURS, A.R., «Étude du mouvement rapide automatique humain», Centre de recherche de (Institut Universitaire de Gériatrie da Montréal, novembre 1998.
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