Un environnement virtuel pour l’aide a la rééducation motrice 

LA REALITE VIRTUELLE EN MEDECINE

Le rôle de la RV pour la thérapeutique

A la différence d’autres spécialistes, les psychologues cliniciens et les spécialistes de la rééducation utilisent la RV pour la rééducation dans un objectif très différent [Riva et al., 1999], [Rizzo et al., 1998]. Ils sollicitent en effet la RV pour fournir un nouveau paradigme d’interaction homme-machine dans lequel les utilisateurs ne sont plus simplement des observateurs externes d’images sur un écran d’ordinateur, mais sont des participants actifs au sein d’un monde tridimensionnel virtuel généré par l’ordinateur. Dans l’environnement virtuel, le patient a ainsi la possibilité d’apprendre à gérer une situation problématique liée à sa perturbation. Les principales caractéristiques des environnements virtuels pour ces professionnels se situent à la fois au niveau du contrôle de l’interaction avec l’outil sans les contraintes habituellement trouvés dans le système informatique, et également au niveau de l’enrichissement de l’expérience délivrée au patient [Riva et al., 2001a]. En effet, les environnements virtuels sont très flexibles et programmables. Ils permettent aux thérapeutes de contrôler de nombreux types de stimuli même dans des situations exceptionnelles. Ils leur permettent de mesurer et contrôler des réponses variées apportées par les utilisateurs. Cette souplesse peut être utilisée pour offrir un entraînement systématique qui permet d’optimiser le degré de transfert de l’entraînement ainsi que la généralisation de l’apprentissage dans le monde réel [Rizzo et al., 1997]. En outre, les systèmes de réalité virtuelle sont capables de fonctionner et de s’adapter aux pathologies du patient. Il est par exemple possible de traiter les mouvements ou actions de toute partie du corps ou de nombreuses parties du corps en même temps. Vu du thérapeute, la RV est ainsi considérée comme une métaphore ou une interface de la communication [Schultheis et al., 2001]. Cette vision nous permet de focaliser nos efforts sur le développement d’un système basé sur la visualisation interactive en 3D pour l’aide à la thérapie.

Les applications thérapeutiques de la RV

La RV s’est imposée comme un outil thérapeutique dans de nombreuses et diverses applications médicales, non seulement en médecine et en chirurgie mais également dans le domaine des troubles psychologiques et de la rééducation des personnes handicapées. Dans cet état de l’art, nous proposons de classer les applications de la RV en quatre catégories : éducation médicale, simulation pour la chirurgie, endoscopie virtuelle et psychiatrie, neuropsychologie et rééducation.

EQUIPEMENTS DU SYSTEME DE LA REALITE VIRTUELLE POUR L’AIDE A LA REEDUCATION MOTRICE

Un environnement virtuel (ou de réalité virtuelle) est une simulation d’un environnement du monde réel qui est générée grâce à des équipements informatiques et est exploré par l’utilisateur via une interface homme-machine. Une grande variété de matériels et de logiciels peut être utilisée pour développer des simulations de RV à différents niveaux de complexité.
Alors que dans le monde réel, nous acquérons des connaissances sur notre environnement directement à travers nos sens comme la vision, l’audition, le toucher, la proprioception, dans le monde virtuel, nous utilisons ces mêmes sens pour obtenir des informations grâce à une interface homme-machine utilisant des technologies de RV comme par exemple, le HMD (Head Mounted Display). Certaines interfaces homme-machine peuvent fournir des informations spécifiques à un ou plusieurs sens, selon le type d’équipements sélectionnés. Les informations recueillies sur l’environnement virtuel à travers cette interface sont ensuite utilisées pour guider les interactions du participant au sein du monde virtuel. De plus, l’information apportée par l’environnement virtuel peut être combinée avec des informations de l’environnement réel, afin d’apporter une information hybride réelle/virtuelle au système nerveux central (SNC). Une variété d’équipements possibles peut être utilisée pour développer différents types d’environnements virtuels avec différentes spécifications et objectifs.
Les équipements de base d’un système de RV sont l’ordinateur avec une carte graphique qui permettra de calculer et traiter rapidement les modèles géométriques en 3D, l’équipement d’affichage, à travers lequel l’utilisateur regarde l’environnement virtuel, les périphériques matériels qui peuvent être utilisés pour suivre la cinématique du mouvement, ou fournir un retour de force au sujet, et évidemment une plateforme qui synchronise tous ces composants entre eux. Les environnements virtuels immersifs fournissent aux utilisateurs une perception de l’environnement à la façon du réel. Cette perception est nommée le sens de présence. En revanche, ces environnements virtuels immersifs peuvent générer une cyber-maladie (semblable aux maux de tête induits par des conflits visuo-vestibulaires) pour de nombreux participants [Nichols, 1999], [Staney et al., 1999]. Les cyber-maladies présentent des symptômes consistant à des nausées, des vomissements, des céphalées, la somnolence, la perte d’équilibre etc. Il s’agit évidemment de phénomènes indésirables, en particulier chez les participants ayant un SNC âgé. La plupart des études actuelles ont été effectuées sur des participants normaux, mais il est raisonnable de supposer que les patients ayant des vieillissements neurologiques soient plus sensibles au phénomène de cyber-maladie que les participants normaux. Cette hypothèse est importante à noter, mais aucune des études actuelles dans ce domaine n’a discuté de ces aspects de cyber-maladie. La majorité des études a utilisé des équipements moins immersifs tels que le poste de travail de bureau ou le mur écran. Bien que les équipements actuels, doivent considérablement réduire l’incidence des cyber-maladies [Riva et al., 1998], les effets de différents systèmes immersifs sur des patients restent encore à étudier du point de vue de la cyber-maladie. Lewis et Griffen [Lewis et Griffen, 1997] ont fourni une description détaillée des questions clés devant être prises en compte dans ces études.

JUSTIFICATION SCIENTIFIQUE ET AVANTAGES DE LA REALITE VIRTUELLE POUR LA REEDUCATION MOTRICE

La discussion sur la justification scientifique et les avantages de l’utilisation de la réalité virtuelle en rééducation motrice se concentrera sur un certain nombre de concepts essentiels concernant la rééducation motrice. Les concepts essentiels discutés consistent en la répétition, le retour d’information et la motivation. En effet, il est prouvé que la répétition est importante, pour la rééducation motrice et les changements corticaux qui l’instancient. Mais ce n’est pas seulement la répétition qui favorise la rééducation motrice. La pratique répétée doit être liée au succès croissant d’une tâche ou d’un objectif. Ceci est réalisé par des séries d’essais et erreurs pratiques, avec un retour d’informations sensorielles (vision par exemple) sur la performance du patient. Mais pour l’entraînement aux mouvements, les participants doivent être motivés. Ainsi, pour l’apprentissage de la pratique de la bicyclette, les entraînements ont pu être plus ou moins longs. La motivation nécessaire permettant de tolérer des durées relativement longues d’apprentissage a été fournie par l’anticipation du plaisir de cette pratique et l’appartenance sociale à la classe des cyclistes.
La réalité virtuelle offre un outil puissant pour fournir aux participants l’ensemble de ces aspects composant l’entraînement répétitif, le retour d’informations de la performance et la motivation pour l’entraînement. En particulier, dans un environnement virtuel, les retours d’informations de la performance peuvent être augmentés par l’amélioration des retours d’information qui arrivent du monde réel. Une grande variété de méthodes a été utilisée pour exploiter les aspects de la technologie de RV afin de renforcer la rééducation motrice chez les personnes handicapées grâce au retour d’information en temps réel et «la connaissance des résultats» de ces retours d’information. La connaissance des résultats du retour d’information se produit immédiatement après un essai ou une série d’essais. Le retour d’information a été largement étudié et il est généralement admis que cela améliore le taux de rééducation motrice. Puisque le retour d’information est le cœur de la rééducation motrice dans un environnement virtuel, il est important d’évaluer les processus neurophysiologiques qui sont évoquées par les retours d’information et discuter de leur pertinence pour la rééducation motrice. Il faut noter que les retours d’informations proprioceptives et extéroceptives associés à l’exécution de tâches induisent des changements sur le cortex et sous-cortex au niveau cellulaire et synaptique. [Nudo et al., 1996a] ont montré que la zone corticale M1 se transforme en fonction de son utilisation au long de la vie de l’animal. Les transformations dépendant de l’utilisation de l’organisation corticale ont également été mises en évidence dans les zones auditives, visuelles et somato-sensorielles [Merznich et al., 1984]. Ainsi, le développement de nouveaux modèles d’activités dans les cellules des zones motrices du lobe
frontal lors de l’acquisition d’une nouvelle compétence motrice a été rapportée dans une série d’expériences chez les primates [Li et al., 2001]. Le résultat le plus significatif dans ces expériences était le recrutement graduel des neurones corticaux dans la zone M1 au cours de l’apprentissage ; ces neurones ont affiché des activités liées à la production de forces compensant les perturbations imposées par l’extérieur.
Des résultats similaires ont été rapportés par Wise et ses collègues [Wise et al., 1998]. qui utilisent la même technique d’enregistrement de la cellule individuelle avec un autre modèle du comportement. La plasticité fonctionnelle et structurelle dans les mêmes régions corticales a également été montrée chez les rats [Kleim et al., 2002]. Des études menées par Greenough et ses collègues [Greenough et al., 1985] et Kleim et ses collègues [Kleim et al, 1996] ont présenté certains des mécanismes se basant sur la réorganisation fonctionnelle dans le cortex moteur grâce à l’apprentissage moteur. Il y a également des preuves expérimentales que l’efficacité synaptique dans le cortex moteur peut être transformée par l’induction de potentialisation. Il a également été montré chez le rat [Keller et al., 1990] et le primate [Plautz et al., 2000] que la réorganisation fonctionnelle du cortex moteur (« re-correspondance ») se produit uniquement en réponse à l’évolution des mouvements de jambe entraînée [Nudo et Milliken, 1996]. Ces études fournissent des preuves neurophysiologiques que la répétition motrice ne suffit pas à induire des corrélations corticales de l’apprentissage moteur.

FONCTIONS DE DISTANCE DTW ET LCSS

DTW : comparaison par déformation temporelle dynamique

Un problème important de la comparaison de mouvements est relatif au recalage dans le temps. En effet, il est fréquent que deux mouvements similaires soient légèrement décalés car l’un des mouvements prend souvent un léger retard sur l’autre. La comparaison à chaque pas de temps des valeurs des séries chronologiques n’est alors plus possible. Une des méthodes de comparaison de séries chronologiques est basée sur la technique de gestion de la déformation sur l’axe du temps (DTW). Elle a d’abord été employée pour apparier des signaux pour la reconnaissance de la parole. Berndt et Clifford ont proposé d’employer cette technique pour mesurer la similitude entre des séries temporelles dans le domaine de la fouille de données.
D’autres travaux récents ont également employé cette mesure de similitude dans la fouille de données. La technique de DTW est un algorithme qui permet de trouver un appariement optimal entre deux séquences. Le principe de base consiste à trouver un chemin selon certaines règles pour minimiser l’ensemble des distances entre les vecteurs.
Plus précisément, pour une séquence de test Q et pour chaque séquence de référence Ck, on considère une matrice D de dimension (N * J(k)) (où N et J(k) sont respectivement le nombre de vecteurs dans la séquence de test et de référence). A chaque entrée (n, j) de cette matrice, on associe la distance locale d(qn, cjk). Pour rechercher la meilleure distance D(Q,Ck) entre la séquence de test Q et la séquence de référence Ck, il suffit alors de rechercher le « chemin » dans cette matrice D pour aller du point initial (1, 1), correspondant au début des deux séquences, au point final (N, J(k)), correspondant à la fin des deux séquences en progressant par voisinage de cellule en cellule de façon à minimiser la somme des distances locales rencontrées.

LCSS : la plus longue sous séquence commune

Needleman et Wunsch [Needleman et Wunsch, 1970] ont proposé cette technique à l’origine pour trouver les similitudes entre des séquences de protéine. De nombreux travaux de recherche ont été déjà conduits sur l’emploi d’algorithmes de comparaison de séquences en bio-informatique. Smith et Waterman [Smith et Waterman, 1981] ont ainsi identifié des sous séquences moléculaires communes en recherchant la plus longue sous séquence commune.
L’algorithme de la plus longue sous séquence commune LCSS est un algorithme de programmation dynamique qui recherche la plus longue sous séquence commune entre des préfixes qu’on allonge tant qu’une similarité est reconnue. Sa complexité est d’ordre O(nm) (où n et m sont les longueurs des deux séquences).
Agrawal et ses collègues [Agrawal et al., 1995] exploitent ce modèle de similarité en l’adaptant aux séquences temporelles. D’après Agrawal, deux séquences temporelles seraient semblables si elles ont assez de paires de sous séquences ordonnées non recouvertes semblables. Deux sous séquences sont considérées semblables, à leur tour, si l’une peut être incluse dans une enveloppe d’une largeur donnée autour de l’autre. Le modèle laisse également la possibilité d’ignorer les valeurs parasites dans les sous-séquences comparées. Les sous-séquences appariées ne sont pas nécessairement alignées le long de l’axe de temps.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE 
1 CONTEXTE DE LA THESE: UN ENVIRONNEMENT VIRTUEL POUR L’AIDE A LA
REEDUCATION MOTRICE 
2 PROBLEMATIQUE DE LA THESE 
3 ORGANISATION DE LA THESE 
CHAPITRE 1  :LA REALITE VIRTUELLE EN REEDUCATION MOTRICE 
1 INTRODUCTION 
2 LA REALITE VIRTUELLE EN MEDECINE 
2.1 Le rôle de la RV pour la thérapeutique
2.2 Les applications thérapeutiques de la RV
3 EQUIPEMENTS DU SYSTEME DE LA REALITE VIRTUELLE POUR L’AIDE A LA
REEDUCATION MOTRICE 
3.1 Equipements de visualisation
3.2 Equipements d’interaction
4 JUSTIFICATION SCIENTIFIQUE ET AVANTAGES DE LA REALITE VIRTUELLE POUR LA
REEDUCATION MOTRICE 
4.1 Entraînement réel vs. Entraînement virtuel
4.2 Autres facteurs qui peuvent favoriser la rééducation motrice en RV
4.3 Une nouvelle méthodologie
5 APPLICATIONS DE LA REALITE VIRTUEL EN REEDUCATION MOTRICE POUR LES
PATIENTS POST-TRAUMATIQUE 
5.1. Rééducation d’extrémité supérieure
5.2. Rééducation d’Extrémité Inférieure (REI)
6 CONCLUSION
CHAPITRE 2 :METHODES ET OUTILS POUR L’EVALUATION DE MOUVEMENTS 
1 INTRODUCTION 
2 SIMILARITE DE SERIES CHRONOLOGIQUES 
3 ESPACES DE REPRESENTATION DE MOCAP 
4 ETAT DE L’ART SUR LES FONCTIONS DE DISTANCE POUR MESURER LA SIMILARITE
ENTRE DEUX SERIES CHRONOLOGIQUES 
5 FONCTIONS DE DISTANCE DTW ET LCSS
5.1 DTW : comparaison par déformation temporelle dynamique
5.2 LCSS : La plus longue sous séquence commune
6 EVALUATION DE LA METHODE WRLCSS PROPOSEE
6.1 Architecture du système
6.2 Expérience de comparaison des gestes
6.3 Expérience pour mesurer la capacité à apprendre un geste humain
7 CONCLUSION
CHAPITRE 3 :EVALUATION DE L’UTILISABILITE DE L’ENVIRONNEMENT VIRTUEL POUR LA REEDUCATION MOTRICE 
1 INTRODUCTION 
2 ETAT DE L’ART DE L’EVALUATION DE L’UTILISABILITE DES EVS 
2.1 Environnement physique
2.2 Evaluateur
2.3 Sujet
2.4 Etat de l’art des méthodes pour évaluer l’usabilité des EVs
3 EVALUATION DE L’UTILISABILITE DE L’ENVIRONNEMENT VIRTUEL POUR LA
REEDUCATION MOTRICE 
3.1 Environnement virtuel pour la rééducation motrice du point de vue de la deuxième personne
3.2 L’avatar virtuel
3.3 Evaluation de l’effet de l’avatar virtuel sur l’environnement
4 PROTOCOLE & EXPERIENCE 
4.1 Participants
4.2 Expérience du jeu de balles
4.3 Apprentissage de mouvements du Tai-Chi Chuan
5 RESULTAT ET DISCUSSION 
5.1 Expérience du rattrapage de balle
5.2 Expérience de l’apprentissage du geste humain
6 CONCLUSION
CHAPITRE 4  :FOUILLE DE DONNEES DE MOUVEMENTS HUMAINS 
1 INTRODUCTION 
2 ETAT DE L’ART 
3 FORMULES GEOMETRIQUES POUR FOUILLER DES DONNEES DE MOUVEMENTS MOCAP
SE BASANT SUR LA CORRESPONDANCE DE COURBES 
3.1 Superficie du polygone constitué par deux courbes de séries chronologiques
3.2 Superficie des parties externes générées par une courbe et un polygone non-auto-intersecté
4 FOUILLE DE DONNEES MOCAP BASEE SUR L’APPROCHE DE CORRESPONDANCE DES
COURBES 
5 TECHNIQUE DE REDUCTION DIMENSIONNELLE DE COURBE 
5.1 Technique modifiée de Lowe pour simplifier la courbe candidate
5.2 Technique modifiée de Lowe pour simplifier la courbe de borne de requête
5.3 Accélération du système de fouille de données MoCap
6 EXPERIENCES ET RESULTATS 
6.1 Préparation de données
6.2 Résultat
7 CONCLUSION ET PERSPECTIVE 
CONCLUSION GENERALE 
1 CONTRIBUTIONS 
2 PERSPECTIVE 
BIBLIOGRAPHIE 
PUBLICATION

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