Apports de la réalité virtuelle à la prise en charge des troubles cognitifs et comportementaux

La Réalité Virtuelle

Acception de la réalité virtuelle

Depuis son introduction par Jaron Lanier en 1986, la réalité virtuelle a connu de nombreuses définitions focalisées sur sa finalité, ses aspects technologiques, ses applications ou ses fonctions. La définition que nous proposons s’appuie sur les travaux et réflexions menés ces dernières années (Fuchs et al., 2003; Fuchs and Richir, 2003a, b; Grumbach, 2003). La réalité virtuelle est un domaine scientifique et technique permettant à un individu (ou à plusieurs) d’interagir en temps réel avec des entités 3D au moyen d’interfaces comportementales, dans un monde artificiel dans lequel il est plus ou moins immergé. Ce monde artificiel est soit imaginaire, soit symbolique, soit une simulation de certains aspects du monde réel.
L’interaction avec le monde virtuel est cognitive et sensorimotrice. L’immersion peut être décrite comme «l’état d’un participant lorsque l’un ou plusieurs de ses sens … est isolé du monde extérieur et n’enregistre plus que des informations issues de l’ordinateur.» (Pimentel and Teixeira, 1994). Le degré d’immersion est dépendant des interfaces utilisées tandis que le niveau d’immersion nécessaire et bénéfique est variable selon les applications (Stanney et al., 1998). L’interaction de l’utilisateur avec le monde virtuel est assurée par les interfaces comportementales par le biais des canaux sensorimoteurs. Ces interfaces peuvent informer l’utilisateur de l’évolution du monde virtuel (interfaces sensorielles), ou informer l’ordinateur des actions motrices de l’homme sur le monde virtuel (interfaces motrices). L’éventail des interfaces comportementales est vaste, du profil minimal constitué par le couple écran-souris aux moyens les plus sophistiqués et les plus immersifs tel le visiocube, ou CAVE3, et pourra être consulté dans différents ouvrages (Burdea and Coiffet, 1993; Pimentel and Teixeira, 1994; Fuchs, 1996; Fuchs et al., 2003).
L’interaction en temps réel est assurée par les interfaces comportementales dans la mesure où l’individu ne perçoit aucun décalage temporel entre son action sur l’environnement virtuel (EV) et la réponse sensorielle de ce dernier. Lors de cette interaction dans l’EV, les fonctions cognitives et sensorielles de l’individu sont sollicitées de façon pseudo-naturelle, c’est-à-dire différemment de leur sollicitation naturelle dans un environnement réel, des conflits sensoriels pouvant par exemple naître.

Conception d’un environnement virtuel

Les applications de réalité virtuelle sont centrées sur les individus, et développées pour que ceux-ci y soient immergés pour y accomplir une activité déterminée. Afin de permettre l’immersion et l’interaction, le concepteur doit analyser les processus d’interfaçage entre l’utilisateur et le système virtuel ainsi que les dispositifs à concevoir.
Nous mettons en rapport notre démarche de conception d’un système virtuel avec le modèle hiérarchique proposé par Fuchs concernant l’immersion et l’interaction dans un EV (Fuchs, 1999), et comportant trois niveaux :
– le niveau sensorimoteur, puisque l’individu est connecté à l’ordinateur par ses sens et ses réponses motrices. Il est à noter, qu’à ce niveau, les interfaces et l’ordinateur sont incorporés dans la boucle «perception, cognition, action» de l’utilisateur, et viennent la perturber, du fait par exemple des temps de latence ;
– le niveau cognitif, qui correspond aux processus cognitifs mis en œuvre par l’utilisateur lors de l’immersion et de l’interaction. Il s’agit alors de comprendre à partir de quels modèles mentaux il pense et agit. Au travers de schèmes (Piaget and Chomsky, 1979) qu’il a acquis dans les situations réelles, l’individu interagit avec le monde virtuel. Lorsque l’utilisation de schèmes est impossible, des métaphores (image symbolique de l’action ou de la perception souhaitée : par exemple valider un achat en cliquant) ou des substitutions (sensorielles ou motrices : par exemple, un son émis lors de collision avec des objets) lui sont proposées ;
– et le niveau fonctionnel, i.e. celui de l’immersion et l’interaction pour une tâche donnée.
Cette structuration hiérarchique est également fondée sur un découpage transversal entre le sujet et le monde virtuel. Ainsi au niveau sensorimoteur, l’ordinateur gère la réalisation physique du monde virtuel, tandis qu’au niveau cognitif, le logiciel de RV en gère la modélisation comportementale. Pendant ces étapes, le système virtuel fournit à l’utilisateur des aides logicielles comportementales facilitant immersion et interaction sensorimotrices et cognitives. Les aides logicielles sensorimotrices (ALS-M) vont permettre par exemple d’améliorer, grâce à des filtres, la qualité des signaux, ou bien d’améliorer, en cas de tremblements, les réponses motrices de l’utilisateur. Les aides logicielles cognitives (ALCog) vont, elles, lui faciliter la tâche dans l’EV tout en respectant l’objectif de l’immersion et de l’interaction fonctionnelles. Prenons comme exemple l’individu qui doit s’asseoir sur une chaise dans un EV ; il se dirige vers la chaise, et à proximité de celle-ci le logiciel prend en main l’action de s’asseoir, libérant ainsi l’individu des soucis de précision dans la navigation.
Enfin, au niveau fonctionnel, ce modèle est complété par une décomposition en Primitives Comportementales Virtuelles (PCV) telles que l’observation, la manipulation, la navigation, etc.

Exploitation de la réalité virtuelle en psychiatrie

Les études utilisant la RV dans un but psychothérapeutique concernent principalement les troubles anxieux pour lesquels diverses théories tentent d’expliquer les mécanismes de traitement. Ces études fondées sur la RV se sont largement appuyées sur les postulats théoriques et méthodologiques des thérapies cognitives et comportementales (TCC) (Cottraux, 1994), au centre desquelles se trouvent les stratégies d’exposition.

Quelques théories concernant le traitement des troubles anxieux

La théorie du traitement émotionnel de Foa et Kozak (Foa and Kozak, 1986) suggère que les mémoires de la peur peuvent être considérées comme des structures qui contiennent l’information relative aux stimuli (e.g. turbulences), aux réponses (e.g. palpitations cardiaques) et à la signification (e.g. l’avion va s’écraser). Pour vaincre la peur, la structure de la peur doit être activée, et une nouvelle information, incompatible avec celle qui évoquait la peur, doit être fournie afin de créer une nouvelle structure de mémoire. Le succès des thérapies d’exposition réside donc dans le fait qu’elles conduisent à des structures de mémoire nouvelles et plus neutres qui rejettent les anciennes qui étaient anxiogènes. L’intégration émotionnelle nécessite donc l’activation de la structure de la peur et l’habituation par présentation prolongée et répétée de stimuli. La théorie cognitive du traitement de l’information de Beck (Beck and Emery, 1985) est fondée sur la notion de schémas cognitifs. Ces derniers sont définis comme des structures imprimées par l’expérience sur l’organisme. Stockés dans la mémoire à long terme, ils sélectionnent et traitent l’information de manière inconsciente, puis gèrent l’action. Un trouble anxieux serait constitué d’une multitude de schémas non adaptés à la vie courante. Les thérapies cognitives ont ainsi pour objectif de favoriser les processus cognitifs contrôlés (conscients, lents, en rapport avec la pensée logique) par rapport aux processus de traitement automatique de traitement de l’information par les schémas perturbés. Enfin, la théorie de la perception d’efficacité personnelle de Bandura (Bandura, 1977) accorde au sentiment d’impuissance apprise face à des situations phobogènes un rôle central dans la psychopathologie. La diminution de l’anxiété et l’augmentation des habiletés à composer avec les situations a lieu dans la mesure où le sujet se considère capable de présenter un comportement et qu’il pense que ce comportement aboutira.

Thérapies cognitives et comportementales

Les recherches menées depuis les années 1970 en France, mais depuis la fin des années 1950 dans les pays anglo-saxons, ont montré l’efficacité de des thérapies cognitives et comportementales dans le traitement des troubles anxieux, et en particulier des phobies (Canceil et al., 2004). Elles se sont tout d’abord fondées sur les théories de l’apprentissage avec :
– le conditionnement classique (ou pavlovien) (Pavlov, 1963) qui a pour effet de mettre en place les réponses du système nerveux végétatif). Il explique l’ensemble des réponses émotionnelles physiques : un stimulus neutre, comme une image ou un son, induit automatiquement une réaction émotionnelle ;
– le conditionnement opérant (ou skinnerien) (Skinner, 1971) qui décrit le développement et le maintien des réponses motrices et verbales : l’organisme opère sur l’environnement et les conséquences de son action le conduisent à modifier son comportement ;
– et la théorie de l’apprentissage social qui procède par imitation de modèles (Bandura, 1977) : le patient s’inspire du modèle pour donner sa propre version (technique de « modeling »).
Les TCC ont également pris pour référence les théories cognitives du fonctionnement psychologique (Beck et al., 1979), décrites précédemment.
Conditionnement classique et conditionnement opérant contribuent à maintenir le trouble anxieux. Afin de réduire l’anxiété et encourager les comportements d’affrontement, le plusconnu des principes utilisés en TCC est l’exposition aux situations anxiogènes (Wolpe, 1969; Marks, 1987).

Des techniques de distraction de la douleur

L’intensité de la douleur et les souffrances vécues par les patients pendant leurs soins ou leurs exercices est un problème critique rencontré par les brûlés mais aussi par bon nombre d’autres patients. Les calmants, qui sont appropriés en période normale, deviennent inefficaces dans ces moments de crise. La douleur, exacerbée par les réponses émotionnelles, monopolise l’attention des patients et peut les décourager dans le suivi de leurs soins ou de leurs exercices.
Partant de ces constats, des chercheurs se sont demandé si l’immersion dans un environnement virtuel pouvait jouer le rôle d’un analgésique non pharmacologique dans le cas de douleurs sévères. C’est ainsi que Hoffman et al. ont démarré des travaux se fondant sur l’hypothèse que la RV serait un médium capteur d’émotion capable de : détourner au maximum l’attention du patient de sa douleur ; permettre aux patients de tolérer leurs soins ou leurs exercices .
Un environnement typique, développé par cette équipe est le Snow World. Cet EV présente une vallée glacée avec une rivière et des chutes d’eau . Le patient suit un chemin prédéfini dans l’EV et peut regarder autour de lui grâce au visiocasque, ou grâce à la souris dans les expérimentations avec lunettes sans trackeur de tête. Les participants lancent des boules de neige sur des bonhommes de neige et des igloos soit avec leur regard soit avec le clavier. Les boules de neige explosent avec des animations et des effets 3D.
Une étude contrôlée auprès de 12 adultes brûlés a permis de comparer deux conditions de kinésithérapie : sans distraction et avec immersion dans un EV (visiocasque). Dans la condition RV, la douleur ressentie a été moindre dans son intensité et dans sa durée (Hoffman et al., 2000b). Puis considérant le cas de deux adolescents brûlés, l’ERV fut comparée à l’interaction avec une console de jeu Nintendo (joystick ; courses de jet ski ou de voitures) (Hoffman et al., 2000a). Dans la condition RV, le participant portait un visiocasque ; sa main était trackée et ses mouvements transmis à une main virtuelle dans l’EV (tâche : manipulation de meubles et d’objets dans une cuisine virtuelle). Les niveaux de douleur relevés sous ERV étant inférieurs, les auteurs ont conclu au pouvoir distracteur supérieur de l’ERV. Ils se sont interrogés sur le fait que dans la condition ERV les patients ne pouvaient pas voir leurs brûlures, alors que c’était possible dans la condition de jeu.
Continuant leurs travaux sur la douleur, ils se sont intéressés au cas de personnes souffrant de douleurs dentaires (Hoffman et al., 2001a) et ont comparé, auprès de deux patients, trois situations de soins : a) sous ERV (lunettes et souris) ; b) en regardant un film ; c) sans distraction. Les résultats montrent que la réalité virtuelle a le fort potentiel de capter l’attention, de la détourner du monde réel, permettant ainsi aux sujets de mieux supporter des soins douloureux. Le rôle analgésique de la RV peut venir du fait de la réduction des stimuli associés à la douleur (dans le cas présent, le cabinet du dentiste, les outils, les bruits).
Puis cette équipe a exploré l’influence d’une utilisation répétée de l’ERV chez sept patients brûlés (Hoffman et al., 2001b). Les résultats confirment le pouvoir analgésique de la réalité virtuelle et montrent que son usage répété n’en diminue pas l’efficacité.

Exploitation de la réalité virtuelle en neuropsychologie

La neuropsychologie, branche de la spécialité psychologie, est « la discipline qui traite des fonctions mentales supérieures dans leur rapport avec les structures cérébrales » (Hecaen and Lanteri-Laura, 1983). Elle procède en dissociant les comportements complexes en différents domaines cognitifs, qui sont : l’attention, la mémoire, les différentes activités cognitives de niveau supérieur comme le raisonnement inductif et déductif, la capacité d’abstraction, la formation de concept, mais aussi les capacités visuospatiales, le langage. Cantonnée à ses débuts dans le rôle de diagnostic, la neuropsychologie s’est attachée, dans les années 1980, à la description des troubles par rapport à des modèles théoriques (Hecaen and Lanteri-Laura, 1983). Puis dans les années 1990, son objectif a été également d’apprécier le retentissement fonctionnel de ces troubles dans la vie quotidienne, point tout à fait fondamental pour le clinicien.
L’utilisation de la réalité virtuelle dans les applications neuropsychologiques peut servir trois objectifs majeurs : l’étude scientifique des mécanismes cognitifs (mémoire, attention, planification, capacités visuospatiales), l’évaluation neuropsychologique et la réhabilitation cognitive (Schultheis et al., 2002). Les populations cliniques concernées par l’évaluation cognitive (EC) et la réhabilitation cognitive (RC) sont diverses :
• Les patients ayant des lésions cérébrales, suite par exemple à des accidents de la route, des chutes, des blessures par balle, des accidents sportifs, des actes chirurgicaux, etc. En raison des avancées médicales, la survie après ce type d’accidents est désormais possible. La population concernée est jeune et doit par conséquent se préparer à affronter une longue lutte avec des dégradations cognitives et fonctionnelles.
• Les patients présentant des pathologies d’origine dégénérative : maladie d’Alzheimer, maladie de Parkinson, sclérose en plaques (SEP) ou démyélinisante, etc.
• Les patients souffrant de troubles de l’apprentissage et du développement : déficit de l’attention / hyperactivité, retard mental, etc.
Les lésions cérébrales créent des dégradations dans le domaine cognitif, mais aussi dans les domaines physique, émotionnel, professionnel et social (Lezak, 1995).

Exploitation de la réalité virtuelle en psychophysiologie

Les applications de la réalité virtuelle dans le domaine clinique connaissent actuellement un plein essor, du fait de l’évolution technologique et des résultats prometteurs de toutes les études préliminaires. Le souci des chercheurs est toujours de savoir si l’objectif clinique est atteint, si le bien-être du sujet est assuré, et enfin de faire évoluer les environnements virtuels créés. Dans tous les cas, ils s’intéressent à la perception et au jugement du participant : quel niveau de stress a-t-il atteint ? Quel était son niveau de présence (i.e. le sentiment d’être dans l’environnement virtuel) ? Quels stimuli étaient efficaces ? Etc.
Une connaissance des changements des signaux issus du cerveau ou des signaux bioélectriques périphériques peut servir divers objectifs lors du développement ou de l’application d’un système de réalité virtuelle (Pugnetti et al., 2001):
• Tester la sécurité d’un système de réalité virtuelle, par exemple, en faisant précéder l’application clinique par des études psychophysiologiques pour mieux comprendre l’impact sur la physiologie du sujet et pour éviter de manquer des conséquences importantes, favorables ou non, de l’exposition à l’EV ;
• Développer des EVs plus efficaces, par exemple, en réglant l’intensité, la fréquence et le rythme d’une combinaison donnée de stimuli au niveau désiré selon la catégorie d’utilisateurs ou l’objectif ; • Étudier les différents aspects cognitifs des populations cliniques, par exemple le traitement de l’information, la réaction, l’exploration, la mémoire, la prise de décision, le traitement de l’erreur, l’apprentissage, etc ;
• Mesurer l’impact émotionnel de l’EV, des stimuli ;
• Mieux comprendre l’interaction homme-RV pendant les thérapies de désensibilisation, et la comparer avec les conditions réelles ;
• Contrôler dynamiquement les effets de l’EV, par conséquent en implémentant des interfaces cerveau-ordinateur et des systèmes de feedback ;
• Étudier l’effet de paramètres variables sur la réaction physiologique évoquée, par exemple déterminer si la réaction physiologique évoquée par l’EV est sensible à la fréquence d’affichage et à un temps de latence;
• Aborder les importantes questions éthiques liées à certains types d’EVs largement diffusés pour le divertissement.
Une exploration subjective est réalisée grâce à des auto questionnaires mesurant par exemple le stress (Wolpe, 1969; Thyer et al., 1984), le degré de présence et de réalisme (Witmer and Singer, 1998), les malaises (Kennedy et al., 1992). Cette exploration est postérieure au test et dépend de la mémoire de l’événement. En ce qui concerne l’anxiété, Lang a montré que l’évaluation doit inclure des mesures objectives et subjectives (Lang, 1985), et que, si l’on s’intéresse au domaine de l’anxiété, le programme moteur de la peur (mis en évidence par l’excitation physiologique) doit être activé pour changer la structure de la peur chez l’individu et aboutir à des changements comportementaux.

Table des matières

Chapitre 1 Introduction
Chapitre 2 La Réalité Virtuelle en Psychiatrie et Neuropsychologie
2.1 La Réalité Virtuelle
2.1.1 Acception de la réalité virtuelle
2.1.2 Conception d’un environnement virtuel
2.2 La Réalité Virtuelle en Psychiatrie et Neuropsychologie
2.2.1 La conception et la création d’une application
2.2.2 Les interfaces utilisées
2.2.3 Réalisme et pertinence du monde virtuel
2.2.4 Les précautions à prendre
2.3 La Réalité Virtuelle et nos applications
Chapitre 3 État de l’art de l’utilisation de la réalité virtuelle en psychiatrie et neuropsychologie
3.1 Exploitation de la réalité virtuelle en psychiatrie 
3.1.1 Quelques théories concernant le traitement des troubles anxieux
3.1.2 Thérapies cognitives et comportementales
3.1.3 Principes des thérapies d’exposition
3.1.3.1. Les thérapies d’exposition traditionnelles
3.1.3.2. Les thérapies d’exposition par réalité virtuelle
3.1.4 Les applications en psychothérapie
3.1.4.1. Les phobies
3.1.4.2. Les autres troubles anxieux
3.1.4.3. Les troubles des conduites alimentaires
3.1.4.4. Les troubles sexuels masculins
3.1.4.5. L’autisme
3.1.4.6. Les addictions
3.1.5 Bilan des applications en psychiatrie
3.2 Des techniques de distraction de la douleur
3.3 Exploitation de la réalité virtuelle en neuropsychologie
3.3.1 L’évaluation en neuropsychologie
3.3.1.1. Les tests traditionnels
3.3.1.2. L’évaluation fondée sur la réalité virtuelle
3.3.2 Les applications relatives aux fonctions cognitives
3.3.2.1. Les processus attentionnels
3.3.2.2. Les fonctions exécutives
3.3.2.3. La mémoire
3.3.3 Les autres applications en neuropsychologie
3.3.3.1. Les activités de la vie quotidienne
3.3.3.2. La réhabilitation cognitive
3.3.4 Bilan des applications en neuropsychologie
3.4 Exploitation de la réalité virtuelle en psychophysiologie
3.4.1 Exploration objective des réactions
3.4.2 Investigation des performances et des comportements
3.4.3 Bilan des applications en psychophysiologie
3.5 Conclusion 
Chapitre 4 Expérimentation 1 : Le traitement de la phobie sociale 
4.1 Le contexte : Le projet européen VEPSY
4.2 La phobie sociale
4.3 Les traitements traditionnels 
4.3.1 Les traitements médicamenteux
4.3.2 Les thérapies cognitives et comportementales
4.4 Le nouveau traitement fondé sur la réalité virtuelle
4.4.1 Présentation des études relatives à la phobie sociale
4.4.2 Présentation de l’essai « Phobie Sociale et Réalité Virtuelle »
4.5 La conception et la création des environnements virtuels
4.5.1 Cadre du projet VEPSY
4.5.2 Conception des situations virtuelles
4.5.3 Création des environnements virtuels
4.5.3.1. Les outils et les principes
4.5.3.2. Les environnements virtuels
4.5.4 Interfaçage
4.6 Méthodologie de l’essai clinique « Phobie Sociale et Réalité Virtuelle »
4.6.1 Population
4.6.2 Mesures
4.6.2.1. Sélection des participants
4.6.2.2. Mesure d’efficacité principale : la phobie sociale
4.6.2.3. Mesures d’efficacité secondaires : le fonctionnement social
4.6.2.4. Mesures d’efficacité exploratoires : le fonctionnement général
4.6.3 Traitement
4.6.3.1. La thérapie par réalité virtuelle (TRV)
4.6.3.2. La thérapie cognitive et comportementale (TCC)
4.6.3.3. Description des tâches à mener entre les séances de thérapie
4.6.3.4. Vue d’ensemble des analyses statistiques
4.7 Résultats
4.7.1 Mesure d’efficacité principale
4.7.2 Mesures d’efficacité secondaires
4.7.3 Mesure d’efficacité exploratoires
4.8 Discussion et conclusion 
Chapitre 5 Expérimentation 2 : L’évaluation de la planification de l’action 
5.1 Le contexte : Le Projet Hospitalier de Recherche Clinique
5.2 Le processus de planification – Application à la maladie de Parkinson 
5.2.1 Description du processus de planification
5.2.2 Modèles de la planification
5.2.3 La maladie de Parkinson
5.3 L’évaluation traditionnelle de la planification de l’action 
5.3.1 Les tests cognitifs standard
5.3.2 Les tests écologiques
5.3.3 Les tests de scripts
5.3.4 Limites de l’évaluation traditionnelle
5.4 L’évaluation de la planification de l’action fondée sur la réalité virtuelle
5.4.1 Présentations d’études abordant l’évaluation cognitive
5.4.2 Présentation de l’essai « Planification et Réalité Virtuelle »
5.5 La conception et la création de l’application virtuelle
5.5.1 Conception de l’application virtuelle
5.5.2 Conception de la tâche
5.5.3 Création de l’application virtuelle
5.5.3.1. Le Supermarché Virtuel
5.5.3.2. La tâche
5.5.3.3. L’enregistrement des données
5.5.3.4. L’analyse des données
5.5.4 Interfaçage
5.6 Méthodologie de l’essai clinique Planification et Réalité Virtuelle
5.6.1 Population
5.6.2 Évaluation cognitive
5.6.2.1. Évaluation de l’efficience intellectuelle globale
5.6.2.2. Exploration des processus exécutifs
5.6.3 Évaluation par la réalité virtuelle
5.6.4 Analyse des données
5.6.4.1. Connaissance sémantique liée à la tâche
5.6.4.2. Vitesse de traitement de l’information
5.6.4.3. Organisation spatio-temporelle
5.7 Résultats
5.7.1 Connaissance sémantique liée à la tâche
5.7.2 Vitesse de traitement de l’information
5.7.3 Organisation spatio-temporelle
5.7.4 Analyse décisionnelle des résultats
5.8 Discussion et Conclusion
Chapitre 6 Apports de la réalité virtuelle à la prise en charge des troubles cognitifs et comportementaux
6.1 Apports de la réalité virtuelle 
6.1.1 Apports provenant des techniques
6.1.1.1. Apports informatiques
6.1.1.2. Apports propres à la réalité virtuelle
6.1.2 Apports liés aux fonctions intrinsèques de la réalité virtuelle
6.1.3 Apports au contexte humain
6.2 Raisons de l’efficacité et de l’intérêt de la réalité virtuelle
6.3 Limites de la réalité virtuelle
6.3.1 Limites de fond
6.3.2 Limites techniques
6.3.3 Limites éthiques et culturelles
6.4 Discussion
6.4.1 Processus clinique fondé sur la RV
6.4.2 Relation « Patient – Thérapeute – Système virtuel »
Chapitre 7 Conclusion et Perspectives
7.1 Conclusion 
7.2 Perspectives
7.2.1 Expérimentation d’un utilisateur dans un EV : inclusion d’un agent virtuel
7.2.2 Induction d’émotions dans un EV
7.2.3 Réhabilitation cognitive
7.2.4 Monitoring physiologique
7.2.5 Automatisation de traitement
7.2.6 Auto entraînement
7.3 Bilan 

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