FR3118695A1 - Procede et systeme de mesure et d’analyse de la stabilite posturale d’un sujet humain en position statique debout - Google Patents

Abstract

PROCEDE ET SYSTEME DE MESURE ET D’ANALYSE DE LA STABILITE POSTURALE D’UN SUJET HUMAIN EN POSITION STATIQUE DEBOUT L’invention concerne un procédé d’analyse de la stabilité posturale d’un sujet humain (10) en position statique debout, le procédé comprenant des étapes consistant à : acquérir par un dispositif d’acquisition (11), des positions respectives d’un ensemble de points dans un plan horizontal, résultant de l’échantillonnage à une fréquence d’échantillonnage de la position d’un point de référence représentatif de la posture du sujet en position statique debout, sélectionner une durée de fenêtre temporelle correspondant à un nombre fixé de points consécutifs de l’ensemble de points, la durée de fenêtre temporelle définissant des sous-ensembles de points consécutifs ayant le nombre fixé de points, pour chaque sous-ensemble de points consécutifs de l’ensemble de points, déterminer par un processeur (12) un cercle de taille minimum englobant tous les points du sous-ensemble de points consécutifs, et déterminer par le processeur un score de stabilité posturale à partir des tailles respectives des cercles de taille minimum. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

PROCEDE ET SYSTEME DE MESURE ET D’ANALYSE DE LA STABILITE POSTURALE D’UN SUJET HUMAIN EN POSITION STATIQUE DEBOUT

La présente invention concerne l’évaluation de la stabilité posturale d’un sujet humain en position statique debout. La présente invention vise à faciliter la détection de troubles de l’équilibre et à prévenir les chutes.

L'équilibre d'un sujet humain en posture statique debout peut être caractérisé par l'amplitude du mouvement des divers segments corporels ou bien par les variations d’amplitude des forces exercées par le sujet humain, via ses appuis plantaires.

L’instabilité posturale d’un sujet humain peut être due à de multiples pathologies, et peut être réduite par divers moyens pouvant dépendre de la pathologie en cause, par exemple un traitement médicamenteux, des manipulations kinésithérapeutiques ou ostéopathiques, le port de semelles adaptées, le traitement de l'occlusion dentaire, etc.

Il s’avère que les personnes âgées sont fréquemment sujettes à des chutes accidentelles pouvant résulter d’une mauvaise stabilité posturale en position debout. La mortalité associée à ces chutes augmente rapidement avec l’âge. Lorsque la chute est responsable d’une fracture, il s’agit dans la majorité des cas d’une fracture de l’extrémité supérieure du fémur qui nécessite souvent la pose d’une prothèse de hanche. Il peut alors être constaté une mortalité élevée dans les mois qui suivent la chute.

Actuellement, l'équilibre humain en posture statique debout est évalué en utilisant deux catégories d'appareils, à savoir les plates-formes de stabilométrie et les systèmes optiques d'analyse de mouvement. Une plate-forme de stabilométrie est un dispositif de mesure de la position et d’enregistrement du mouvement d’un point appelé "centre de pression" sur un plateau muni de capteurs adaptés, pendant un laps de temps donné. Le centre de pression correspond au point d’application de la force résultante des forces exercées par un sujet humain, généralement en position statique debout, via ses appuis plantaires sur le plateau. Un système optique d'analyse mesure la position et enregistre le mouvement d’un point de référence, généralement choisi par un opérateur, et qui est fixe par rapport à la tête du sujet, dans un référentiel extérieur défini. Ces deux systèmes fournissent une série temporelle de coordonnées dans un plan horizontal, permettant de déterminer un statokinésigramme (SKG). Un SKG est constitué par une courbe obtenue en joignant les positions successives du centre de pression, ou une courbe obtenue en joignant les positions successives des projections verticales dans un plan horizontal du point de référence dans la tête du sujet.

Un SKG obtenu à l'aide d'un système optique d'analyse du mouvement de la tête fournit le résultat final des corrections posturales, tandis qu’un SKG obtenu à l'aide d'une plate-forme de stabilométrie fournit une information sur l'amplitude des corrections posturales, et donc implicitement sur l'effort musculaire déployé par le sujet.

Il existe différentes méthodes d’analyse d’un SKG. Certaines méthodes dites "unidirectionnelles" utilisent l'enregistrement des mouvements du centre de pression ou du point de référence dans une seule direction (sagittale ou bien médio-latérale). Les méthodes dites "bidirectionnelles" utilisent l'enregistrement du mouvement du centre de pression ou du point de référence dans ces deux directions. Les méthodes unidirectionnelles peuvent être classifiées comme suit :

- méthodes dérivées de l'analyse statistique : moyenne, variance, histogramme, amplitude maximale (crête-à-crête), etc,

- méthodes d'analyse fréquentielle : transformée de Fourier, décomposition en ondelettes, analyse en composantes principales, etc.

Les méthodes bidirectionnelles les plus largement utilisées se basent sur la détermination d’une ellipse de confiance contenant 95% des points du SKG, et considèrent soit la surface de l’ellipse de confiance [1], soit la longueur totale du SKG [2], soit la vitesse moyenne de déplacement du centre de pression [6], ou réalisent une analyse de diffusion [3]. Certaines méthodes bidirectionnelles considèrent des combinaisons de ces grandeurs, comme par exemple le rapport entre les aires de l’ellipse de confiance en condition yeux ouverts et en condition yeux fermés (coefficient de Romberg).

Il est utile de comparer les performances posturales de divers sujets ou bien, pour un même sujet, de comparer ses performances dans des conditions différentes. Pour pouvoir comparer des résultats, des cales sont souvent utilisées avec une plate-forme de stabilométrie pour imposer une position particulière des pieds du sujet sur la plate-forme [4], sachant que la position des pieds influe sur les mesures. Cependant, cette position particulière imposée n’est pas nécessairement la position naturelle habituelle adoptée par le sujet, et donc peut induire des modifications de la régulation posturale.

Suivant les méthodes d'analyse de l'équilibre utilisées, on constate une capacité variable, parfois insuffisante, de discrimination entre les sujets. Par exemple, il n'est pas rare de trouver des aires d’ellipse de confiance très voisines pour un sujet sain et un sujet atteint d'une pathologie grave. Ceci est la conséquence de la nature même de la majorité des méthodes utilisées qui effectuent une évaluation globale de l'équilibre du sujet durant la période d'enregistrement. Si le SKG est obtenu par le biais d'une plate-forme de stabilométrie, la position imposée des pieds peut aussi influer sur les résultats, notamment si la position imposée n’est pas la position habituelle des pieds du sujet.

La stabilité posturale d’un sujet peut également varier en fonction de son état de fatigue, son acuité visuelle, ou de l’ingestion ou non de substances comme l’alcool, le café ou certains médicaments. Par ailleurs, deux sujets sains d’âges différents peuvent produire des SKGs très différents.

Il s’avère également que la stabilité de la posture d’un sujet peut être dégradée par une perturbation extérieure ou modifiée par la réaction du sujet à un événement imprévu. Un SKG peut donc comporter des artefacts importants qui peuvent affecter son analyse.

Il est donc souhaitable de proposer un procédé d'analyse bidirectionnelle de l'équilibre d'un sujet humain en posture statique debout, qui ne soit pas affecté par des artefacts susceptibles d’être présents dans un SKG, qui n’impose pas une position particulière des pieds, et qui permette une bonne discrimination entre les sujets. Il peut également être souhaitable que ce procédé d’analyse puisse permettre d’évaluer l’efficacité d’un traitement.

Des modes de réalisation concernent un procédé d’analyse de la stabilité posturale d’un sujet humain en position statique debout, le procédé comprenant des étapes consistant à : acquérir par un dispositif d’acquisition, des positions respectives d’un ensemble de points dans un plan horizontal, résultant de l’échantillonnage à une fréquence d’échantillonnage de la position d’un point de référence représentatif de la posture du sujet en position statique debout, sélectionner une durée de fenêtre temporelle correspondant à un nombre fixé de points consécutifs de l’ensemble de points, la durée de fenêtre temporelle définissant des sous-ensembles de points consécutifs de l’ensemble de points ayant le nombre fixé de points, pour chaque sous-ensemble de points consécutifs de l’ensemble de points, déterminer par un processeur un cercle de taille minimum englobant tous les points du sous-ensemble de points consécutifs, et déterminer par le processeur un score de stabilité posturale à partir des tailles respectives des cercles de taille minimum déterminés pour les sous-ensembles de points consécutifs.

Selon un mode de réalisation, le point de référence représentatif de la posture du sujet est : un point d’application d’une résultante de forces d’appui plantaire sur une plate-forme, déterminé à l’aide d’une plate-forme de stabilométrie, ou bien la projection verticale dans un plan horizontal d’un point choisi, fixe par rapport à la tête du sujet.

Selon un mode de réalisation, le point choisi est déterminé à partir de marqueurs placés sur la tête du sujet et repérés dans des images du sujet.

Selon un mode de réalisation, le score de stabilité posturale est déterminé à partir du diamètre, du rayon ou de l’aire du plus petit cercle parmi tous les cercles de taille minimum déterminés pour l’ensemble de points et la durée de fenêtre temporelle.

Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de comparaison du score de stabilité posturale avec un score de stabilité posturale déterminé pour un même sujet à des instants différents ou dans des conditions différentes, ou déterminé pour un autre sujet, pour une même durée de fenêtre temporelle.

Selon un mode de réalisation, le procédé comprend des étapes de détermination de scores de stabilité posturale pour toutes les durées de fenêtres temporelles correspondant à des nombres différents de points consécutifs de l’ensemble de points, compris entre deux et le nombre de points de l’ensemble de points, les scores de stabilité posturale formant une courbe de variation du score de stabilité posturale en fonction de la durée de fenêtre temporelle.

Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de comparaison de deux courbes de variation du score de stabilité posturale établies pour un même sujet à des instants différentes ou dans des conditions différentes, ou établies pour deux sujets différents.

Selon un mode de réalisation, le procédé comprend des étapes de localisation du centre du centre du cercle de taille minimum par rapport à des traces d’appuis plantaires pour mettre en évidence un déséquilibre postural latéral ou sagittal.

Des modes de réalisation peuvent également concerner un système d’analyse de la stabilité posturale d’un sujet humain en position statique debout, comprenant un dispositif d’acquisition de positions respectives d’un ensemble de points dans un plan horizontal, résultant de l’échantillonnage à une fréquence d’échantillonnage de la position d’un point de référence représentatif de la posture du sujet en position statique debout, et un processeur connecté au dispositif d’acquisition. Selon un mode de réalisation, le processeur est configuré pour mettre en œuvre le procédé défini précédemment.

Selon un mode de réalisation, le dispositif d’acquisition comprend l’un des dispositifs suivants : une plate-forme de stabilométrie équipée d'un dispositif optique pour générer des images montrant des zones d’appuis plantaires superposés à l’ensemble de points et à une image des pieds du sujet, une plate-forme de stabilométrie équipée d'une matrice de capteurs de pression superficielle permettant l'enregistrement de la position et de la forme de zones d’appuis plantaires, et une ou plusieurs unités optiques d'acquisition, le processeur étant connecté aux unités optiques, les unités optiques étant configurées pour permettre la détection de positions de marqueurs placés sur le sujet humain en position statique debout dans un volume utile des unités optiques.

Des exemples de réalisation de l’invention seront décrits dans ce qui suit, à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :

la f igure 1 représente un système d'enregistrement de SKG à plate-forme stabilométrique,

la f igure 2 représente schématiquement un système d'enregistrement stabilométrique équipé d'un dispositif optique, selon un mode de réalisation,

la f igure 3 représente schématiquement un système d'enregistrement stabilométrique équipé d'une matrice de capteurs de pression superficielle, selon un mode de réalisation,

la f igure 4 représente schématiquement un système optique d'analyse du mouvement humain, selon un mode de réalisation,

la f igure 5 représente schématiquement la tête d’un sujet humain dans laquelle a été placé un point de référence pour la détermination du SKG, selon un exemple de réalisation,

les f igures 6A, 6B représentent un exemple de statokinésigramme,

les f igures 7 et 8 représentent des étapes d’algorithmes d’analyse d’un SKG,

la f igure 9 représente des exemples de courbes issues des algorithmes d’analyse de SKG,

la f igure 10 représente des appuis plantaires d’un sujet humain,

la f igure 11 est une courbe de probabilité d’égalité de moyennes de deux groupes d’échantillons, obtenue par le test de Student.

La f igure 1 représente un système 1 d'enregistrement de SKG. Le système 1 comprend une plate-forme de stabilométrie 11 connectée à un ordinateur 12. L’ordinateur 12 exécute un programme dédié pour enregistrer des données fournies par la plate-forme 11. Par ailleurs, l’ordinateur 12 peut être connecté à une interface de pointage 13 telle qu’une souris ou une tablette tactile, une interface alphanumérique (clavier) 14, une interface visualisation (écran) 15, et une interface d’impression (imprimante) 16. La plate-forme 11 est configurée pour recevoir un sujet humain en position statique debout.

Lorsqu’un sujet humain 10 est placé en position statique debout sur la plate-forme 11, cette dernière 11 fournit à l'ordinateur 12 des mesures permettant de déterminer des coordonnées du centre de pression. A cet effet, la plate-forme 11 comprend des capteurs de force, ou bien une matrice de capteurs de pression superficielle. La position du centre de pression peut aussi être déterminée par la plate-forme 11 avant l'envoi des mesures à l'ordinateur 12. A cet effet, la plate-forme peut être équipée d'un ou plusieurs microcontrôleurs/micro-ordinateurs embarqués. Les mesures sont réalisées suivant une fréquence d'échantillonnage prédéterminée et adaptée aux caractéristiques du mouvement humain. Ainsi, la fréquence d'échantillonnage choisie est égale à au moins le double de la fréquence du phénomène étudié (conformément au théorème de Shannon). La limite supérieure du tremblement physiologique humain étant estimée à 10 Hz, la fréquence d’échantillonnage est choisie supérieure à 20 Hz. En pratique, les fabricants de systèmes de stabilométrie ont généralement fixé la valeur minimum de la fréquence d’échantillonnage à 40 Hz, pour tenir compte d’éventuels sujets hors normes. La durée de l'enregistrement peut être prédéterminée, ou configurable, le début de l'enregistrement étant commandé par un opérateur (non représenté sur la ), la durée de l’enregistrement étant programmable et contrôlée par l’ordinateur.

L'ordinateur 12 peut aussi être intégré à la plate-forme. Les diverses interfaces : tactile 13, alphanumérique 14, de visualisation 15, d'impression 16, ainsi que tout autre périphérique associé, peuvent être connectées à l'ordinateur 12 par une connexion filaire ou bien à distance (WiFi, Bluetooth, etc.). L'ordinateur 12 peut aussi disposer d'une connexion filaire ou à distance avec un autre ordinateur ou dispositif (par exemple un téléphone portable) permettant l'affichage et le stockage des résultats, ainsi que les réglages de l'enregistrement (fréquence d'échantillonnage, durée, données relatives au sujet, etc.)

La f igure 2 représente un système 20 d’acquisition stabilométrique équipé d'un dispositif optique pour générer des images montrant la position des appuis plantaires. La f igure 2 ne montre pas la structure constituant le support de la plate-forme pour plus de clarté. Le système 20 comprend un plateau transparent 21, des sources de lumière 22a, 22b latérales, des capteurs de force 24a, 24b, 24c, un dispositif optique générant des images des empreintes plantaires 27, un processeur 28, par exemple un micro-ordinateur, et un microcontrôleur 29. Le plateau transparent 21 est illuminé par la tranche suivant les directions opposées 25a, 25b à l'aide des sources de lumière 22a, 22b. Par un phénomène de réflexion totale, les appuis plantaires 26 du sujet sont mis en évidence. Le dispositif 27 qui peut être un dispositif imageur, est disposé sous le plateau 21, avec une lentille d’objectif centrée sur un axe z vertical traversant le centre O du plateau 21.

Le sujet se place sur le plateau 21 en position statique debout, avec les pieds dans une position habituelle, c’est-à-dire sans contraindre ses pieds dans une position imposée. La durée de l'enregistrement est choisie. Dans des zones de contact 26 entre les pieds du sujet et le plateau 21, la réflexion totale ne se produit plus. Ces zones apparaissent donc illuminées, ce qui permet à l'imageur 27 d'enregistrer leur position sur le plateau 21 et envoyer ces données à l'ordinateur 28. Les images obtenues par l’imageur 27 sont transférées à travers une connexion filaire ou bien à distance (Wi-Fi, Bluetooth, etc.) à l'ordinateur 28. Les données des capteurs de force 24a, 24b, 24c, sont aussi transférées vers l'ordinateur 28, éventuellement déjà prétraitées par le microcontrôleur 29, pour déterminer et enregistrer différentes positions instantanées successives du centre de pression, et donc enregistrer un SKG. Les coordonnées (CPx, CPy) du centre de pression sont déterminées à un instant donné par les équations suivantes :
CPx = (x1·F1 + x2·F2 + x3·F3)/(F1+F2+F3)
CPy = (y1·F1 + y2·F2 + y3·F3)/(F1+F2+F3)
où F1, F2, F3 sont les forces mesurées respectivement par les capteurs de force 24a, 24b, 24c à l’instant donné, et (x1,y1), (x2,y2), (x3,y3) sont les coordonnées dans le plan xy des capteurs de force 24a, 24b, 24c.

L’enregistrement du SKG est réalisé avec une fréquence d’échantillonnage adaptée aux mouvements du centre de pression.

Le système de stabilométrie 20 peut comporter trois capteurs de force 24a, 24b, 24c ou davantage. L'ordinateur 28 peut être externe ou intégré à la structure de la plate-forme 21 et être connecté à un dispositif de visualisation et/ou enregistrement des empreintes plantaires.

Le système de stabilométrie 20 présente l’avantage de pouvoir obtenir directement des images des appuis plantaires 26 superposés avec l’image des pieds vus au travers du plateau 21. Les SKGs obtenus peuvent ensuite être facilement superposés à de telles images puisqu’ils sont repérés dans le plan Oxy de la plate-forme.

La f igure 3 représente un système 30 d'enregistrement stabilométrique équipé d'une matrice de capteurs de pression superficielle permettant l'enregistrement de la position des appuis plantaires. Le système 30 comprend une plate-forme 31, des capteurs de forces 34a, 34b, 34c, une matrice 35 de capteurs de pression superficielle, un ordinateur 38 et un microcontrôleur ou micro-ordinateur 39.

Les capteurs de force 34a, 34b, 34c sont connectés au microcontrôleur 39 pour lui transmettre les valeurs des forces mesurées. Le microcontrôleur 39 peut être configuré pour prétraiter les valeurs de forces mesurées pour déterminer des valeurs de position instantanée du centre de pression, ces valeurs de position du centre de pression étant transmises à l’ordinateur 38. En effet, la transmission de la position instantanée du centre de pression est plus rapide que la transmission des valeurs des forces mesurées et le calcul post-enregistrement utilisant ces valeurs. La matrice de capteurs de pression superficielle 35 peut être suffisamment étendue, pour ne pas avoir à contraindre la position des pieds du sujet dans une certaine position. La matrice de capteurs de pression superficielle 35 transmet à l'ordinateur 38 les valeurs des pressions enregistrées dans des zones de contact 36 des pieds du sujet sur la plate-forme 31. Dans le cas où la précision et la fréquence d'échantillonnage sont satisfaisantes, la matrice de capteurs de pression superficielle 35 peut remplacer les capteurs de force 34a, 34b, 34c pour la détermination de la position instantanée du centre de pression, et donc la détermination du SKG.

L'ordinateur 38 et le microcontrôleur 39 peuvent être intégrés à la plate-forme 31.

Un SKG peut également être obtenu à l’aide d'un système optique d'analyse du mouvement humain. La f igure 4 représente un tel système 40 comprenant une ou plusieurs unités optiques d'acquisition 41 et un ordinateur 43 connecté aux unités optiques 41. Pour la clarté de la f igure, les unités périphériques de l'ordinateur, et les éventuelles unités optiques d'acquisition supplémentaires ne sont pas représentées. Le sujet humain 10 est placé en posture statique debout dans un volume utile du système 40. Pour déterminer le SKG de la tête du sujet, l'opérateur choisit un point de référence fixe par rapport à la tête du sujet 10. Des marqueurs 44 permettant de repérer la position du point de référence sont fixés sur la tête du sujet humain 10.

Les marqueurs 44 de type actif ou passif, ou encore virtuel (suivant les caractéristiques du système), sont positionnés sur la tête du sujet 10 de manière à pouvoir déduire la position relative du point de référence par rapport aux marqueurs 44. L'unité d'acquisition optique 41 détermine les positions des marqueurs 44 à une fréquence d'échantillonnage adaptée au mouvement humain. Ces positions sont transmises à l'ordinateur 43 qui effectue un calcul de position du point de référence de la tête du sujet 10 et fournit ensuite les coordonnées successives dans le temps de la projection verticale sur un plan horizontal du point de référence, cet ensemble de coordonnées formant un SKG.

Si les marqueurs sont de type actif ou passif, ceux-ci sont positionnés sur la tête du sujet humain dans des positions déterminées par rapport au point de référence choisi. Si le système utilise des marqueurs virtuels, ceux-ci sont positionnés de manière à pouvoir déterminer la position du point de référence choisi à partir des coordonnées de ces marqueurs. Le SKG obtenu à l’aide du système 40 peut être traité par le même procédé que le SKG obtenu à l'aide des plates-formes de stabilométrie 11, 20, 30.

La f igure 5 représente la tête 50 d’un sujet humain et un exemple de point de référence 55 choisi pour la détermination du SKG à partir des mouvements de la tête du sujet. Le point de référence 55 est par exemple choisi dans le plan de Francfort 54. Ce plan est défini comme le plan déterminé par les pôles supérieurs du méat acoustique externe définis par le porion gauche 51 et le porion droit 52 et le bord infra orbitaire gauche 53. La position du point de référence 55 choisi est située au milieu du segment contenu dans le plan de Francfort 54 qui relie le porion gauche 51 au porion droit 52. Étant donné que les trois repères anatomiques qui définissent le plan de Francfort 54 sont facilement identifiables, le positionnement des marqueurs 44 (f igure 4) est facilité, et la position du point de référence 55 par rapport aux marqueurs 44 peut être facilement déterminée. Toutefois, un point de référence arbitraire, autre que celui présenté, peut être choisi.

Les f igures 6A, 6B représentent un exemple de SKG 60. Le SKG 60 est obtenu par l'enregistrement des positions instantanées successives des coordonnées du centre de pression dans un plan horizontal ou des positions instantanées successives du point de référence 55 de la tête du sujet, projeté verticalement sur un plan horizontal. Le SKG 60 peut être représenté par une ligne reliant les positions instantanées successives 61, 62 de ces points.

Le SKG 60 est traité par l'ordinateur 12, 28, 38, 43, par exemple en suivant l’algorithme illustré par la f igure 7 comprenant des étapes S01 à S09. L’ordinateur exécute successivement les étapes S01 à S07.

A l’étape S01, une fenêtre temporelle de durée tf, inférieure ou égale à la durée tx de l'enregistrement du SKG est sélectionnée. Le SKG comprend un nombre m de points acquis suivant une période d’échantillonnage sp. A l’étape S02, le nombre n de points du SKG correspondant à la durée tf de la fenêtre temporelle est déterminé à partir de la période d'échantillonnage sp : n peut être calculé en prenant la partie entière du rapport tf / sp.

A l’étape S03, un indice i est initialisé à un indice attribué au premier point du SKG, par exemple 0. A l’étape S04, l’ordinateur détermine un cercle minimum CM (64 sur la f igure 6A), c’est-à-dire de diamètre minimum, englobant les points i, i+1, i+2, ... i+n-1. A l’étape S05, l’ordinateur mémorise en référence à l’indice i, les coordonnées (xCM, yCM) du centre du cercle CM, ainsi que son diamètre DM (ou son rayon).

A l’étape S06, l’indice i est incrémenté de 1. A l’étape S07, la nouvelle valeur de l’indice i est comparée au nombre de points m du SKG diminué de n. Si l’indice i est inférieur à m-n, les étapes S04 à S07 sont à nouveau exécutées, sinon les étapes S08 et S09 sont exécutées.

A l’étape S08, l’ensemble des diamètres DM[i] enregistré à l’étape S05 est analysé pour rechercher l’indice j correspondant au plus petit des diamètres DM[i]. Ainsi, DM[j] représente le plus petit des cercles minimums CM référencés dans les tables xCM[i], yCM[i], DM[i]. A l’étape S09, les coordonnées xCM, yCM du centre et le diamètre DM de ce plus petit cercle sont mémorisés. Le diamètre DM, associé à la durée tf est utilisé comme score de performance posturale. En effet, plus le cercle minimum est petit, plus l'effort musculaire fourni par le sujet humain pour maintenir son équilibre en posture statique debout est faible. Ceci conduit à une évaluation de la qualité de l'équilibre en considérant la quantité d'effort musculaire fourni pour le maintenir.

De manière analogue, le score de performance posturale peut être déterminé en utilisant un autre paramètre représentatif de la taille du cercle minimum obtenu aux étapes S08, S09, comme l'aire ou le rayon de ce cercle de diamètre minimum. Ainsi, le score de performance posturale du sujet peut être comparé avec celui d'un autre sujet à condition de choisir la même durée tf de fenêtre temporelle, sachant que plus ce score est petit, meilleure est la stabilité posturale du sujet.

Les cercles minimums CM peuvent être déterminés à l’étape S04 en utilisant par exemple l'algorithme de Welzl [1], ou bien un autre algorithme tel que l’algorithme de Megiddo ou de Shamos et Hoey. Dans l’exemple présenté sur les f igures 6A, 6B, la durée tf de la fenêtre temporelle correspond à 11 points successifs en prenant en compte la fréquence d'échantillonnage. Sur la f igure 6A, les points considérés pour le calcul du cercle 64 de diamètre minimum sont les points noirs numérotés de i à i+10. Après ce calcul, la fenêtre temporelle est déplacée d’un point (étape S06) pour contenir les points i+1 à i+11, permettant l'obtention du cercle 65 sur la f igure 6B. Le procédé est répété pour couvrir l'intégralité du SKG. Finalement, le cercle de diamètre minimum choisi comme étant représentatif pour déterminer le score de performance posturale est le plus petit des cercles obtenus pour la fenêtre temporelle de largeur tf contenant 11 points du SKG.

Selon un mode de réalisation, l’algorithme présenté en f igure 7 est répété en choisissant d'autres durées tf de fenêtre temporelle. Chaque durée tf de fenêtre temporelle peut ainsi être associée à un score de performance posturale, ce qui permet de tracer un graphe de variation de ce score en fonction de la durée tf. Un tel graphe peut permettre de comparer les performances posturales d'un sujet pour des différentes durées tf avec les performances d'un autre sujet. La comparaison de tels graphes obtenus pour différents sujets permet également de déterminer la durée tf la plus discriminante pour comparer la stabilité posturale de différents sujets.

Ainsi, la f igure 8 illustre un algorithme dérivé de l’algorithme de la f igure 7 comprenant des étapes S11 à S20. A l’étape S11, le nombre n de points du SKG pour la fenêtre temporelle considérée est initialisé à 1. Les étapes S12 à S17 sont identiques aux étapes S03 à S08. L’étape S18 diffère de l’étape S09 en ce que les valeurs xCM[j], yCM[j] et DM[j] sont mémorisées dans des tables xCMG, yCMG et DMG à un indice égal au nombre n. A l’étape S19, le nombre n est incrémenté de un. A l’étape S20, le nombre n est comparé au nombre m de points dans le SKG. Si le nombre n est inférieur au nombre m de points du SKG, les étapes S12 à S18 sont à nouveau exécutées pour une fenêtre temporelle correspondant à la nouvelle valeur du nombre de points n.

La f igure 9 représente un graphe de courbes C1, C2 de variation du diamètre du cercle minimum CM en fonction de la durée tf de la fenêtre temporelle pour deux sujets humains en position statique debout (graphe des valeurs du tableau DMG). On peut observer que, pour les deux sujets, le diamètre DM du cercle minimum CM augmente avec la durée tf de la fenêtre temporelle, mettant ainsi en évidence les divers déplacements du centre de pression ou du point de référence. Il peut être observé que le sujet correspondant à la courbe C1 possède un équilibre de moins bonne qualité que le sujet correspondant à la courbe C2. En effet, l’ensemble de la courbe C1 du sujet 1 se trouve au-dessus de la courbe C2 pour toutes les valeurs considérées de la durée tf de la fenêtre temporelle.

Il peut ainsi être défini une courbe de seuils correspondant à une courbe moyenne de variation du diamètre du cercle minimum CM en fonction de la durée tf de la fenêtre temporelle, établie pour des sujets "sains".

Pour un SKG obtenu à partir du centre de pression, si la plate-forme est dotée d'un système d'enregistrement de la position des appuis plantaires, la position (xCM, yCM) du centre du cercle minimum CM sélectionné pour établir le score de performance posturale du sujet à la durée tf de fenêtre temporelle, peut être utilisée pour déterminer la proximité de ce centre d’un plan de symétrie du corps humain et des distances par rapport au polygone de sustentation délimité par l’ensemble des tangentes au contour des appuis plantaires.

La f igure 10 représente dans le référentiel Oxyz de la plate-forme 21, 31, des appuis 71, 72 des pieds gauche et droit sur la plate-forme, ainsi que le polygone de sustentation 74 correspondant aux appuis 71,72. La f igure 10 représente également le cercle minimum 73 obtenu pour une certaine durée tf de fenêtre temporelle. Le centre du cercle minimum 73 est repéré par les coordonnées xCM et yCM dans le plan Oxy de la plate-forme.

La position (xCM, yCM) du centre du cercle 73 considéré fournit une information sur la symétrie des appuis plantaires au moment de la meilleure équilibration pour la durée tf de la fenêtre temporelle. Dans l’exemple de la f igure 10, la position (xCM, yCM) se trouve plus proche de l’appui du pied droit 72, ce qui peut révéler un déséquilibre postural latéral. Un tel déséquilibre peut être par exemple corrigé à l’aide d’une semelle compensatrice. De même, lorsque la position (xCM, yCM) se trouve éloignée de la projection dans le plan Oxy d’une certaine ligne, par exemple la ligne reliant les malléoles, le sujet peut se trouver en déséquilibre postural sagittal, susceptible de révéler un risque de chute important notamment si la position (xCM, yCM) se trouve plus proche des talons.

La f igure 11 est une courbe C3 de variation, en fonction de la durée tf de fenêtre temporelle, de la probabilité d’égalité d’une valeur moyenne calculée sur un groupe de 18 sujets jeunes avec une valeur moyenne calculée sur un groupe de 18 sujets âgés. La probabilité d’égalité des valeurs moyennes est obtenue par le test de Student, pour chaque valeur de la durée tf de fenêtre temporelle. Les valeurs moyennes sont calculées sur les diamètres minimums obtenus conformément au procédé d’analyse décrit en référence à la f igure 8. La courbe C3 fait apparaître que la probabilité d’égalité des moyennes entre les deux groupes de sujets est minimum lorsque la durée tf de fenêtre temporelle est comprise entre 3 et 5 s, cette probabilité étant inférieure à 10^-4entre tf=3 et 10,5 s, et inférieure à 10^-7entre tf=3,5 et 3,8 s. A titre de comparaison, les procédés d’analyse basés sur l’exploitation de l’ellipse de confiance appliquées aux mêmes SKGs atteignent une probabilité d’égalité de moyennes supérieure à 0,26. Il en résulte que le procédé d’analyse précédemment décrit est bien plus discriminant pour évaluer la stabilité posturale de sujets humains que les procédés d’analyse basés sur l’exploitation de l’ellipse de confiance, sachant en outre que les sujets testés conformément au procédé d’analyse de la f igure 8 n’ont pas été contraints à adopter une position particulière des pieds.

En choisissant le cercle de diamètre minimum pour établir un score de stabilité posturale, on évalue le sujet lorsqu’il atteint le maximum de ses performances, ce qui permet d’éliminer automatiquement tous les artefacts susceptibles d’apparaître dans les SKGs.

Il apparaîtra clairement à l'homme de l'art que la présente invention est susceptible de diverses variantes de réalisation et diverses applications. En particulier, l’invention n’est pas limitée à l’usage d’une plate-forme de stabilométrie équipée d'un dispositif optique pour générer des images montrant la position des appuis plantaires ou comportant une matrice de capteurs de pression. En effet, la génération d’un SKG peut être réalisée seulement à l’aide de trois capteurs de pression 24a, 24b, 24c ou 34a, 34b, 34c.

Par ailleurs, le score de stabilité posturale n’est pas nécessairement déterminé à partir de la taille du plus petit des cercles minimums obtenus pour un SKG à la durée de fenêtre temporelle. En effet, ce score peut être déterminé par exemple à partir d’une taille moyenne des cercles minimums ou d’autres paramètres statistiques déterminés à partir des cercles minimums.

Références

[1] Dhouha Maatar, "Analyse des signaux stabilométriques et de la stabilité chez l’Homme : application à la biométrie", Traitement des images [eess. IV]. Université Paris-Est, 2013. Français. ffNNT, 2013PEST1161ff. fftel-01329424f

[2] Viguier Marion, "Influence du changement de l’angle d’incidence entre le vecteur gravitationnel terrestre et l’axe sagittal du rachis sur les performances posturales statiques et dynamiques d’un individu", Thèse de Doctorat de l'Université de Toulouse, 26.11.2009, http://thesesups.ups-tlse.fr/2747/1/ 2009TOU30250.pdf

[3] Collins J.J., De Luca C.J. (1993) “Open-loop and closed-loop control of posture: a random-walk analysis of center-of-pressure trajectories”, Exp. Brain Res., 95: 308-318

[4] T.S. Kapteyn, W. Bles, Çh. J. Njiokiktjien, L. Kodde, C.H. Massen & J.M.F, “Mol Standardization in Platform Stabilometry being a Part of Posturography Agressologie”, 1983, 24, 7: 321-326 © Copyright SPEI éditeur, Paris

[5] Emo Welzl (dir.), "Smallest enclosing disks (balls and ellipsoids)”, New Results and New Trends in Computer Science, Springer-Verlag, coll. "Lecture Notes in Computer Science" no 555, 1991, p. 359–370

[6] Jacques Vaillant, "Kinésithérapie et amélioration du contrôle de l’équilibre du sujet âgé : effets de traitements cognitifs, manuels et instrumentaux", Thèse de Doctorat de l’université Grenoble 1 – Joseph Fourier, Discipline : Sciences et Techniques des Activités Physiques et Sportives, présentée et soutenue publiquement le 6 décembre 2004

Claims (10)

1. Procédé d’analyse de la stabilité posturale d’un sujet humain (10) en position statique debout, le procédé comprenant des étapes consistant à :
   acquérir par un dispositif d’acquisition (11, 21, 31, 41), des positions respectives d’un ensemble de points (61, 62) dans un plan horizontal, résultant de l’échantillonnage à une fréquence d’échantillonnage de la position d’un point de référence représentatif de la posture du sujet en position statique debout,
   sélectionner une durée de fenêtre temporelle correspondant à un nombre fixé de points consécutifs (61) de l’ensemble de points, la durée de fenêtre temporelle définissant des sous-ensembles de points consécutifs de l’ensemble de points ayant le nombre fixé de points,
   pour chaque sous-ensemble de points consécutifs de l’ensemble de points, déterminer par un processeur (12, 28, 38, 43) un cercle (64, 65) de taille minimum englobant tous les points du sous-ensemble de points consécutifs, et
   déterminer par le processeur un score de stabilité posturale à partir des tailles respectives des cercles de taille minimum déterminés pour les sous-ensembles de points consécutifs.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le point de référence représentatif de la posture du sujet est :
   un point d’application d’une résultante de forces d’appui plantaire sur une plate-forme, déterminé à l’aide d’une plate-forme de stabilométrie (21, 31), ou bien
   la projection verticale dans un plan horizontal d’un point (55) choisi, fixe par rapport à la tête (50) du sujet (10).
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le point choisi (55) est déterminé à partir de marqueurs (44) placés sur la tête du sujet et repérés dans des images du sujet.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le score de stabilité posturale est déterminé à partir du diamètre, du rayon ou de l’aire du plus petit cercle parmi tous les cercles (64, 65) de taille minimum déterminés pour l’ensemble de points et la durée de fenêtre temporelle.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant une étape de comparaison du score de stabilité posturale avec un score de stabilité posturale déterminé pour un même sujet à des instants différents ou dans des conditions différentes, ou déterminé pour un autre sujet, pour une même durée de fenêtre temporelle.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant des étapes de détermination de scores de stabilité posturale pour toutes les durées de fenêtres temporelles correspondant à des nombres différents de points consécutifs de l’ensemble de points (61, 62), compris entre deux et le nombre de points de l’ensemble de points, les scores de stabilité posturale formant une courbe de variation du score de stabilité posturale en fonction de la durée de fenêtre temporelle.
7. Procédé selon la revendication 6, comprenant une étape de comparaison de deux courbes de variation du score de stabilité posturale établies pour un même sujet à des instants différentes ou dans des conditions différentes, ou établies pour deux sujets différents.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant des étapes de localisation du centre (xCM, yCM) du centre du cercle (64, 65) de taille minimum par rapport à des traces (71, 72) d’appuis plantaires.
9. Système d’analyse de la stabilité posturale d’un sujet humain en position statique debout, comprenant un dispositif d’acquisition (11, 21, 31, 41) de positions respectives d’un ensemble de points (64, 65) dans un plan horizontal, résultant de l’échantillonnage à une fréquence d’échantillonnage de la position d’un point de référence représentatif de la posture du sujet en position statique debout, et un processeur (12, 28, 38, 43) connecté au dispositif d’acquisition,
   caractérisé en ce que le processeur est configuré pour mettre en œuvre le procédé selon l’une des revendications 1 à 8.
10. Système selon la revendication 9, dans lequel le dispositif d’acquisition (11, 21, 31, 41) comprend l’un des dispositifs suivants :
    une plate-forme de stabilométrie (21) équipée d'un dispositif optique (27) pour générer des images montrant des zones d’appuis plantaires (26) superposés à l’ensemble de points (61, 62) et à une image des pieds du sujet (10),
    une plate-forme de stabilométrie (31) équipée d'une matrice (35) de capteurs de pression superficielle permettant l'enregistrement de la position et de la forme de zones d’appuis plantaires (36), et
    une ou plusieurs unités optiques d'acquisition (41), le processeur (43) étant connecté aux unités optiques, les unités optiques étant configurées pour permettre la détection de positions de marqueurs (44) placés sur le sujet humain en position statique debout dans un volume utile des unités optiques.