CA2275733A1

CA2275733A1 - Method and device for measuring, analysing and monitoring motor aptitudes and performances for training, rehabilitation and detection of improper functioning

Info

Publication number: CA2275733A1
Application number: CA002275733A
Authority: CA
Inventors: Wacef Guerfali; Rejean Plamondon
Original assignee: Polyvalor SC
Current assignee: Polyvalor SC
Priority date: 1999-06-16
Filing date: 1999-06-16
Publication date: 2000-12-16
Also published as: AU5383500A; WO2000078215A1

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.The method and apparatus for measuring, analyzing and monitoring the skills and performance of motor behavior for training, rehabilitation and the detection of malfunctions is based on a reaction time measurement protocol for analysis. kinetics of the gesture from the velocity profile of the effector under isotonic conditions or from the force profile of the effector under isometric conditions. The apparatus includes a stimuli generator, a data acquisition device and a controller for managing the communication protocol, data collection and kinematic analysis. The device makes it possible to analyze reaction time and response time measurement experiments for 1D, 2D and 3D movements, and this for different types of effectors such as fingers, hands, elbows, arms , head, eyes, legs, etc. as well as the analysis of pressure and force in the case of isometric experiments.

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.
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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. FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a method and an apparatus for measuring, analysis and monitoring of behavioral skills and performance for training, rehabilitation and detection of malfunctions.
I. BACKGROUND
Applications of the study of response times, in psychology and neuroscience, to analyze brain activity, are multiple. In its simplest form, this method is based on the following paradigm: a generally visual or auditory stimulus (S ~) is presented to a subject who must react as quickly as possible, for example by pressing a switch. Many variants of this paradigm allow to study tasks more or less complex, trying to understand the neuromuscular mechanisms associated with the task at hand and even ask diagnoses in various fields of medicine, psychology or even of kinesiology.
II. PARADIGM DIAGRAM
In its simplest case, the reaction time measurement paradigm can be schematized as well (see figure 1). SQ set of beeps to draw attention of the subject, ie the signal "get ready "of a race against the clock. After a waiting period Ta of a random duration, the stimulus Sl, for example a light (or sound) flash, is activated. The subject perceives this signal and as a v J

answer R, he presses a switch as quickly as possible. We measure with the aid of stopwatch for a long time TR which has elapsed between the stimulus S ~ and the answer R, which is measured from a single arbitration, for example, from a minimal displacement. According to the complexity of the task, the type of stimulus, the subject's abilities, etc.
this time TR varies and the study of these variations makes it possible to understand, or rather to interpret, what passed to the brain and neuromuscular during this period of time.
~ Time if, SR
'i_ Ta ~~ ~ TR
Figure 1 - Experimental paradigm of a reaction time measurement scheme.
A typical experiment therefore leads to analyze the variations in the time of reaction based on different experimental conditions (type of stimulus, effects of drugs, characteristics of subjects, etc.). The reaction time being supposed to reflect the complexity of the task to be performed, in varying it from different functional models, researchers come to define categories of brain operations, subjects, etc.
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SO1 ~ LVIAIRE OF THE INVENTION
The present invention sets out the foundations of a method and an apparatus for the measurement, analysis and monitoring of the skills and performance of the motor behavior for training, rehabilitation and detection of malfunctions.
The method and the device are used in various applications.
1) Apparatus and method for measuring reaction, and reaction time of a subject, to visual, auditory, tactile, olfactory or gustatory stimuli, by a gesture fast in 1D, 2D
or 3D, measured either in the field of displacements, speed, acceleration, force or pressure.

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) 2) Apparatus and method for describing the action of a simple movement, of a pressure or force, by a set of seven parameters (Dl, D2, to ~ t (, ~ 2, 6.2, x22) according to the delta-lognormal equation (equation 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-~ 3) Apparatus and method for detecting and distinguishing between a movement, a reaction or simple versus complex pressure, by an analysis of the force profile or from speed. The profile is broken down into a unitary set of forces or movements, according to a vector superposition of delta-lognormal functions (equation 2 for the velocity domain). The number of movement units n East an indicator of the complexity of the reaction.
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. 4) Apparatus and method for analyzing units of movement or force observed in complex profiles of reaction speed or pressure. The decomposition of a complex profile of speed, force or pressure makes it possible to measure the properties individual movement units, their individual evolution and as long as sequence.

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. 5) Apparatus and method for measuring the quality of a gesture or pressure compared to a reference, by analyzing its speed or force profile.

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). 6) Apparatus and method for measuring and describing properties neuromuscular (in term of delay time expressed by the parameters ~ Ili and ~ 112, and in terms of time to response expressed by the parameters ~~ 2 and CC22), as well as estimation of the ordered force or movement (in terms of initiation time to, and amplitude of the agonist and antagonist control Dl and 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. 7) Apparatus and method for measuring variations in force or movement according to the type of stimuli, the experimental protocol and the conditions physiological, psychological and emotional.

8) Appareil et méthode de mesure et de suivi de l'évolution des paramètres de réaction durant une période de temps donnée. 8) Apparatus and method for measuring and monitoring the evolution of the parameters of reaction during a given period of time.

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. 9) Apparatus and method for evaluating and detecting the influence of factors external (drugs, drugs, alcohol, etc.) on the parameters of a movement or of a given force.

10) Appareil et méthode d'évaluation des capacités d'un sujet à réagir à des stimuli particuliers. 10) Apparatus and method for assessing a subject's ability to respond to stimuli individuals.

11)Appareil et méthode d'évaluation des performances de réaction d'un sujet face à des stimuli particuliers. 11) Apparatus and method for evaluating a subject's reaction performance facing particular stimuli.

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). 12) Apparatus and method for characterization and verification of identity from subject to from its behavior or its kinetic signature (force or speed).

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.
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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. 13) Apparatus and method for characterization, classification and distinction of a individual or group of individuals in relation to one or more references, selected either by Page, geographic location, gender, culture, the state of health, etc.
Fields of application:
- Dystrophy and neurodegenerative diseases;
- Detection and effects of drugs;
- Effects of medications;
- Effects of alcohol;
- Sports: skills, performance and rehabilitation;
- Latency and response time;
- Speed - Precision compromise;
- Reflex time and reaction time (eg insurance companies);
- Performance measurement (ex: flight simulators, army, aerospace);
- Training;
- Stress measurement;
- Lie detector;
- Video games (multiple stimuli);
- Study of reactions in humans and animals.
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III. INVENTION AND PROTOTYPE
We have developed in recent years (Plamondon 1995a, b;
1998) a kinematic theory which describes with unequaled precision, the form speed profiles when performing a simple movement; using an equation called delta-lognormal. The figure 2 describes a typical example of the speed of a pencil line such as measured using a digitizing tablet. The points superimposed on the continuous curve give the law predictions delta-lognormal for this typical example.
Figure 2 - Typical velocity curve when performing a fast movement simple.
Thanks to kinematic theory, it is possible to reconstruct almost perfectly every move from an equation based on 7 parameters (D ,, D2, to, p, i, u2, al, Q2) in its simple form.

'CA 02275733 1999-06-16 During the same period, we developed (Guerfali and Plamondon 1998;
Plamondon and Guerfali 1998) robust software which extracts all 7 parameters which allow the optimal reconstruction of a movement.
With these two technological breakthroughs, one theoretical, the other practical, no vs A JO Ns proposed the concepts and essential elements of an innovative device and A
~ o Ns built a first prototype. This new device makes it possible to study the simple movements in the context of experimental protocols of the "reaction time measurement" type.
Figure 3 schematizes the main components of the device, at the base of a crowd of applications in neuroscience, psychology or kinesiology.
Computer control iii oo ~
0ô0 Generator stimuli tablet digitize Figure 3 - Diagram of the rapid movement analysis system.
The prototype is composed of an electronic stimulation system which allows to generate the signals sound and light (Sp and S ~) under the control of a microcomputer. During a typical experience, when the stimulus (Sr) occurs, the subject traces, most quickly possible, a pencil line on the 'CA 02275733 1999-06-16 thanks to the digitizing tablet. Software captures position data the tip of the pencil during the movement, extract the 7 parameters which allow the best reconstruction of the route and displays the results on the screen while storing them in memory for analysis subsequent statistics.
Now let's look at Figure 4 which is actually the superposition of the figures 1 and 2 presented previously and that sums up the essence of the new device that we have developed.
Time Figure 4 - Analysis of the reaction time by delta-lognormal model.
In a typical experiment, for each pencil stroke, the clinician will have information much richer and more complete since instead of measuring only TR of classic way, the new device will provide a set of 7 parameters to study with more deep and rigor the perceptual-motor phenomena. For example, studying the parameters Dt, D1 and to will understand when and how the movement control was given. That of ~ tt, ~ 2, at, a2 will provide a better understanding of the delay times and the different response subjects facing a given experimental condition and thus characterize their neuromuscular activity.
The digitizing tablet can be replaced by a bipolar gauge system.
constraints. Réjean Plamondon (1998) demonstrated that the data captured would then be equivalent to a speed Virtual.

This set of parameters will also allow more detailed analyzes and will highlight a a host of previously unobservable phenomena, which opens doors to many new device applications.
The following example presents a promising case of the analyzes which will be accessible in the area of neurology with the new device. To date, the only information available in a such an experimental context is TR, the reaction time. Thanks to our device we are in able to assess ~ o, the time when according to kinematic theory, the command neuromuscular movement was given (see figure 4). Our method therefore makes it possible to dissociate two big previously inseparable brain functions: perception of the stimulus, which extends from S ~ to to and the muscle response proper, represented by the difference TR - to.
This one way offers new and numerous avenues of research and interpretation, all especially if we combined with classic electro-ancephalography techniques, electromyography, etc. Indeed, the most of these techniques require the analysis of multiple signals to calculate averages. The parameter to allows among other things, to define a time frame to calculate these averages and by the in fact, to better analyze and understand the process studied.
The Figure schematically illustrates the digbrent components of the measured, analysis and monitoring of motor behavior skills and performance for training, rehabilitation and detection of malfunctions.
The device includes a stimuli generator, a data acquisition device and a controller for the management of the communication protocol, the collection of data and kinematic analysis.
io We will first describe the stimuli generator, followed by the device acquisition of data, then last the control computer used to manage the protocol of communication, data collection and kinematic analysis.
The stimuli generator can be broken down into five conceptual parts, be the generator of visual, auditory, olfactory, tactile stimuli and finally taste. The visual stimuli generator can be composed of a series of lamps or diodes luminescent (different colors and intensities), a reflector, a designer, of a screen or cortex stimulation system. The stimuli generator auditory is a sound generator (frequency and variable intensity), a horn or a loudspeaker speaker Le tactile stimuli generator can a vibrating system, a system to needles a glove electronic, a heat or cold emission system. The generator stimuli olfactory or taste can be composed of a tube connected to a system of distribution smells or flavors.
The data acquisition device can be composed of a network of gauges of constraints (for force measurement), of an optical device (infrared or light visible), electromagnetic, or mechanical (buttons, pedals, joystick, handlebar, fly, etc.). With respect to hand and arm movements, a Tablet is used to collect information on displacement or pressure movements in 1 D and 2D. In terms of eye movements, a system camera-based optics or a light reflection process non visible is used to measure eye movement. In terms of movements of the head, arms, elbows, legs, knees, etc., a system electromagnetic to six degrees of freedom (3 translations and 3 rotations) or a system totally optics (cameras) can be used to record these movements.
The controller is a mixture of software and hardware mainly a data acquisition module, a generation module of stimuli and an analysis module.
The analysis module calculates from the recorded data the displacements, the speeds, acceleration or force it estimates the number of units of movements or force, classifies the movement as simple (1 unit) or complex, extracts settings of the vector delta-lognormal equation and performs a statistical analysis for study variations in parameters.
TYPICAL APPLICATIONS
The applications of such a product are multiple and very promising both in level of basic psychophysics than in medical applications in rehabilitation, in neuroscience cognitive, etc. without forgetting kinesiology, sports medicine, training ...
Thanks to this device, it will be possible to study the fundamental phenomena of perception and generation of movements, to apply this knowledge to the detection of problems psychomotor learning, detection of degenerative diseases (Parkinson and others ...), the -f3-characterization of the population according to certain factors (alcohol, drug, etc.), development methods to improve reflex times, interface design man-machine more ergonomic ...
In several of these examples, potential markets (or even several millions of dollars) are pretty tangible. Three markets can already be targeted by this type of product. First, .la neurology where one wishes to observe and study the different phenomena of perception / reaction.
Second, geriatrics, in general, for analysis, diagnosis and monitoring the evolution of degenerative diseases of the nervous system in the elderly or suffering from diseases such than Alzheimer's or Parkinson's. Third, kinesiology and kinesiotherapy for rehabilitation, relearning the gesture or developing skills particular or specialized.
REFERENCES
[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.
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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:
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