application à l’analyse de l’équilibre et à la rééducation Modélisation dynamique d’un sujet debout en équilibre sur une plateforme omnidirectionnelle, application à l’analyse de l’équilibre et à la rééducation Bonjour, je vous présente mon travail de thèse. Le sujet______ Présenté par Jianting MA Directeur de thèse: Faïz BEN AMAR Co-directeur: Mourad BOUZIT

Contexte de la recherche Les troubles d’équilibre chez le sujet âgé est une pathologie et un motif de plainte fréquents, souvent non traités, et souvent responsables de chute. 36% des personnes de 75 ans présentent une instabilité posturale. 50 % des personnes âgées de plus de 80 ans font au moins une chute dans l'année et la moitié d'entre eux en font plusieurs. Les perturbations d’équilibre du aux accélérations/décélérations dans le transport en commun causent les incidents peu sévères mais fréquents. Les chiffres des blessures varie entre 22% et 75%. AssistMov en partenariat en l’ISIR développe une plateforme robotique mobile omnidirectionnelle capable de perturber l’équilibre du sujet et ainsi solliciter son système postural. Les troubles d’équilibre sont causés principalement par les atteintes des structures nerveuses et de l’appareil musculo-squelettique. Ils ne constituent pas une maladie déterminée mais un groupe hétéroclite de divers états spécifiques. La chute de la personne qui soufre de trouble d’équilibre même la personne saine causé par les accélération/ les décélérations dans le transport commun est fréquent. Quelque chercheur a fait une enquête, les chiffres des blessures cause de la chute varie entre______ Dans le cadre général de l’étude de l’équilibre et du système postural humain… Ces perturbations sont appliquées au niveau des appuis des pieds, le sujet se tient debout sur la plateforme mobile dans le plan horizontal.

Objectif Concevoir et réaliser une plateforme mobile omnidirectionnelle. Elaborer un modèle musculo-squelettique capable de reproduire fidèlement les gestes d’un sujet en équilibre soumis aux perturbations d’une plateforme mobile omnidirectionnelle. Analyser la capacité de l’équilibre d’un sujet a partir des paramètres biomécaniques internes (angle, muscle, couple articulaires …) révéler des nouveaux indices de stabilité. Le premier objectif est donc de _____ La perturbation crée par la plateforme peut simuler ceux présent dans transport commun particulièrement ceux lors de la phase de démarrage et de freinage. Nous nous intéresserons particulièrement à la capacité de l’équilibre d’un point vue…. 3ème objectif est d’analyser les résultats pour révéler des nouveaux indices de stabilité basés par exemple sur les couples articulaires sur lesquels les thérapeutes pourront s’appuyer pour un diagnostic plus efficace des troubles d’équilibre et un meilleur suivi et évaluation des protocoles de rééducation. Perturbation d’équilibre par plateforme mobile Modélisation musculo-squelettique Indices de stabilité ‘interne’

Conception & réalisation de la plateforme Sommaire État de l’art Conception & réalisation de la plateforme Modélisation musculo-squelettique Expérimentations et analyses des résultats Conclusion & Perspective La démarche de notre travail est donc_____d’abord_______en suite____à la fin_____

État de l’art Critères de stabilité Modélisation biomécanique Plateformes de perturbation d’équilibre

Critère de stabilité Centre de masse (CdM) Zéro moment point (ZMP) deux indices sont souvent mentionnée____ La projection du CdM est un concept important pour vérifier la stabilité statique du corps. Avec le cdm, le cdp___Le centre de pression (CdP) est souvent un terme mentionné pour un exercice de rééducation avec une plateforme de perturbation. Le CdP est un indice d’une oscillation du corps et reflète la réponse neuromusculaire pour régler le déplacement du CdM . L’écart entre la projection du CdM du corps et le CdP définit souvent le contrôle de la posture. le zéro moment point est le point de la jonction entre l’axe inertiel et le sol. Stabilité statique: la projection du CdM est situé à l’intérieur du polygone de sustentation. Stabilité dynamique : ZMP reste contenu dans le plan du polygone de sustentation.

Modélisation de l’équilibre Modèle en pendule inverse: simple Double pendule inverse Double pendule inverse + genou La littérature est très riche en étude d’ équilibre base sur les modèles en pendules inverses Modèle musculo-squelettique: AnyBody, SIMM, BodyMech, HuMANS, LifeModeler Pour modéliser la stabilité de la personne en posture orthostatique, le modèle qui est utilisé universellement dans la littérature est_____2D Afin de modéliser et simuler le modèle cinématique et dynamique personnalisé en 3D du système musculo-squelettique, plusieurs logiciels ont été développés dans la littérature : AnyBody, SIMM, BodyMech, HuMANS, LifeModeler, etc. parmi ces logiciels, lifemodeler est actuellement la solution la plus avancée de la simulation biomécanique___plugin___Disposant de nombreuses fonctions puissantes, ce logiciel est utilisé amplement dans le domaine sportif, médical et de l’ergonomie. A notre connaissance, il n’existe pas (ou rare) d’étude de l’équilibre basé sur une modélisation musculo-squelettique.

Plateforme de perturbation de l’équilibre Imoove (1ddl, R) Framiral (2 ddl, 2R) Concernant l’analyse et perturbation de l’équilibre, l’appareil que nous utilisons souvent est la plateforme dynamique. Pour ces plateforme existantes, la rééducation est effectuée en majorité au niveau d’inclinaison____Translation n’a pas beaucoup été utilisée pour____ Perry dynamics (2 ddl, 2R) EQUITEST (2 ddl, R+T) IsiMove (4 ddl, 3R+T) A notre connaissance, il n’existe pas de plateforme mobile omnidirectionnelle pour la perturbation de l’équilibre.

Conception de la plateforme omnidirectionnelle Roue omnidirectionnelle Capteurs de force bipodale est compact afin de réaliser une meilleur perception de confort et de sécurité. ____ Grâce aux 8 capteurs de force fixant judicieusement au-dessous des plaque de force, il est possible de mesurer la force de pression et la position de centre de pression afin d’effectuer une rééducation plus efficace______ Plateforme à 4 routes motrices et directrice.

Réalisation de la plateforme omnidirectionnelle vidéo Prototype 1 (2011) Prototype 2 (2012) Roue omnidirectionnelle Quelques photos vous montrent la réalisation_____plaque ronde et plaque hexagonale Dimension 60x60x20cm Charge max 120Kg Vitesse max: 1.2 m/s

Modélisation musculo-squelettique

Données expérimentales cinématiques Système de perturbation dynamique Système de capture de mvt. Codamotion ordinateur Transmission des données à l’ordinateur du système de la plateforme Trajectoires des marqueurs Capture du geste Caméra Pour modéliser le système dynamique de l’interaction entre le sujet et la plateforme, nous acquissions d’abord____ Coïncider les deux repères____ Modélisation de la plateforme___ Nombre de marqueur: 13 (11 sur le corps du sujet et 2 sur la plateforme) Fréquence d’échantillonnage des données (Codamation et IsiMove) : 50Hz Le sujet a les yeux fermés

Paramètres personnalisées Segments: 19 segments observant les données anthropométriques. Certains segments sont constitué de plusieurs os. Articulations: Le nombre de ddl de chaque articulation ainsi que les coefficient d’élasticité et d’amortissement sont proches des valeurs réels. Muscles: 178 muscles sont modélisés dont 17 muscles pour chaqu ’un des membres inférieurs. Nous nous intéressé particulièrement aux articulations de la cheville, le genou, la hanche et le cou. Et aux 17 muscles des membres inférieur.

Intégration du corps humain avec la plateforme Création des motions agents pilotant le mouvement du modèle Création du contact entre pieds/sol couplant le sujet et la plateforme Simulation des conditions initiales statiques Lorsque l’acquisition des données expérimentales et la modélisation de la plateforme et du sujet est réalisée, ____ Ce système est composé de deux sphères sans masse____liées par une liaison bushing qui permet 6 degrés de liberté avec les paramètres de rigidité et les paramètres d’amortissement_____ Le système de “motions agents” attache sur le modèle et est conduit par les trajectoires des marqueurs. En fait, c’est la sphère jaune qui suit absolument la trajectoire du marqueur. La sphère rouge attache rigidement sur le modèle. Les sphères jaunes guident les mouvements des sphères rouges en passant par les liaisons brushing. Les positions des sphères rouges soient celles des marqueurs ____différences géométriques entre le modèle virtuel et le modèle réel_____A cause de ces conditions, il existe toujours un décalage entre la sphère rouge (marqueur virtuel) et la sphère jaune (marqueur réel). La liaison bushing entre les deux sphères peut composer ce décalage. Un bon choix des paramètres de liaison bushing peut réduire les erreurs des résultats. l’algorithme de solid-solid qui est utilisé très généralement___ opération de synchronisation des deux types de sphère pour qu’elles se superposent (superposition) sans déplacer les membres du sujet_____

Simulation dynamique Dynamique inverse: Les motions agents pilotent le mouvement du modèle. Enregistrer l’historique des angles articulaires et contractions musculaires. Dynamique directe: Couple articulaire et force musculaire activent le mouvement du modèle. Afin d’atteindre des simulations précises au niveau de les articulations et des muscles, une simulation dynamique inverse est exécutée en premier pour enregistrer l’historique des angles articulaires et des contractions musculaires pendant le mouvement du modèle. le logiciel transcrit ces informations en éléments moteurs: création des couples dans les articulations et des forces dans les muscles. Déplacement de la plateforme___, nous pouvons transférer la trajectoire d’un marqueur sur le moteur de la translation.

Validation du modèle vidéo Comparaison des gestes du sujet entre la simulation dynamique directe et inverse. Trajectoire du centre de pression mesuré avec celle du centre de masse simulé. Comparaison de certaines forces musculaires mesurées par EMG et forces simulées. Comparaison de distribution des forces de contact mesurées par un tapis avec ceux simulées. vidéo

Expérimentations et Analyses des résultats objectif

Démarche expérimentale Perturbation dynamique: Profile: triangulaire à vitesse constante Vitesse: 25, 50 et 70 mm/s Déplacement: 290mm Durée: 20s 1 seul sujet et 3 essais par chaque vitesse 13 marqueurs (11 sur le corps du sujet et 2 sur la plateforme)

Angles articulaires Déplacement de la plateforme Corrélation entre les angles articulaires et les vitesses Coefficient d’interpolation linéaire du premier ordre Angle de la cheville (deg) Angle (deg) Angle du cou Angle de la hanche Evaluation de la stratégie d’équilibre: cheville vs hanche

Couples articulaires Déplacement de la plateforme Proportion de l’énergie fournis par la cheville et la hanche Répartition de l’énergie interne Analyse de la densité spectrale: le sujet utilise principalement la hanche à régler sa posture pour maintenir son équilibre Fréquence de contrôle du couple de la hanche plus élevé que celui de la cheville

Forces musculaires Quelques indices préliminaires: Soleus TibAnt RecFem SemTen Muscle SemTen droit gauche Soleus RecFem TibAnt Force maximum (N) 284  192  0.4  21.8  22.7 Quelques indices préliminaires: Proportion antérieur/postérieur et gauche/droite Distribution de l’énergie fournis par les forces musculaires Distribution d’un groupe de force musculaire en fonction des perturbations LifeModeler peut modéliser jusqu’à 178 muscles. Nous nous intéressons principalement aux muscles Rectus Femoris, Semitendinosus, Tibialis Anterior et soleus (Figure 42) qui développent la plus grande la partie des forces musculaires dans le cas de perturbation latérale à différentes vitesses. Les muscles Rectus Femoris et Semitendinosus se situent respectivement à l’avant et l’arrière de la cuisse; elles connectent le corps bas et la jambe. Les muscles Tibialis Anterior et soleus se situent respectivement à l’avant et l’arrière de la jambe; elles connectent la jambe et le pied.

Forces de contacte Répartition du poids entre le pieds droit et gauche Pieds droit support la majorité du poids Pieds gauche support la majorité du poids Distribution des forces de contact sur chaque pieds

Centre de masse et temps de reaction Projection du centre de masse Centre de pression La projection du CdM du corps est toujours à l’intérieur du CdP pour que le sujet maintient son équilibre Pendant la phase posturale, la projection du centre de masse (CdM) du corps ne correspond pas parfaitement au centre de pression (CdP). L’écart entre la projection du CdM et le CdP crée un couple articulaire et définit souvent le contrôle de la posture. Pour maintenir la stabilité statique du corps, la projection du CdM ne doit pas se situer à l’extérieur du CdP Sous la perturbation de la plateforme, le CdP se déplace continuellement de part et d’autre de la projection du CdM pour la stabiliser. Le CdP présente donc des oscillations rapides autour des oscillations plus lentes du CdM. Le CdP oscille donc beaucoup plus vite que le CdM. Cela cause une grande fréquence de l’oscillation du corps et une grande amplitude de l’oscillation qui cause moins stabilité. Vitesse de perturbation Temps de réponse Max (s) Vitesse rapide (70mm/s) 0.2 Vitesse moyenne (50mm/s) 0.3 Vitesse lente (25mm/s) 0.4 Un grand temps de réponse signifie un danger potentiel de la chute pour un passager

Conclusion & Perspective Une plateforme omnidirectionnelle a été conçu et prototypé. Un modèle musculo-squelettique a été créé dans LifeModeler. Les premiers essais expérimentaux pour valider la modélisation et les mesures ont été réalisé. Quelques résultats préliminaires sur l’analyse de l’équilibre a partir des paramètres biomécaniques internes ont été élaboré. De nouveaux testes seront réalisé avec plusieurs sujets de différent âges et sexes, voir avec des pathologies et avec différents intensités de perturbation. Des nouveaux indices d’équilibre ‘interne’ seront étudiés, comparés et classés pour qu’ils puissent être exploiter par les thérapeutes. Ces premiers résultats préliminaires nous donnent un aperçu de ce qui est réalisable avec une modélisation musculo-squelettiques. Dans une seconde étape nous réaliseront d’autres testes avec plusieurs sujet de différent âges et sexes et avec différent protocoles de perturbation pour valider le modèle et ses paramètres. Nous ferons aussi des mesures des forces musculaires avec des EMG pour valider certains résultats de la simulation.

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