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DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention propose une méthode et un appareil pour la mesure,
l'analyse et le
suivi des aptitudes et des performances du comportement moteur pour
l'entraînement, la
réadaptation et la détection des disfonctionnements.
I. CONTEXTE
Les applications de l'étude des temps de réponse, en psychologie et en
neurosciences, pour analyser
l'activité cérébrale, sont multiples. Dans sa forme la plus simple, cette
méthode repose sur le
paradiâme suivant: un stimulus généralement visuel ou auditif (S~) est
présenté à un sujet qui doit
réagir le plus rapidement possible en appuyant par exemple, sur un
commutateur. De nombreuses
variantes de ce paradigme permettent d'étudier des tâches plus ou moins
complexes, d'essayer de
comprendre les mécanismes neuromusculaires associés à la tâche à exécuter et
même de poser des
diagnostiques dans divers domaines de la médecine, de la psychologie ou même
de la lcinésiologie.
II. SCHÉMA DU PARADIGME
Dans son cas le plus simple, le paradigme de mesure du temps de réaction peut
être schématisé ainsi
(voir figure 1). Un ensemble SQ de bips sonores permet d'attirer l'attention
du sujet, soit le signal "get
ready" d'une course contre la montre. Après une période d'attente Ta d'une
durée aléatoire, le stimulus
Sl, par exemple un flash lumineux (ou sonore), est activé. Le sujet perçoit ce
signal et en guise de
v J
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réponse R, il appuie sur un commutateur le plus rapidement possible. On mesure
à l'aide d'un
chronomètre quelcongue le temps TR qui s'est écoulé entre le stimulus S~ et la
réponse R, laquelle est
mesurée à partir d'un seul arbitrage, par exemple, à partir d'un critère de
déplacement minimal. Selon
la complexité de la tâche, le type de stimulus, les capacités du sujet, etc,
ce temps TR varie et l'étude
de ces variations permet de comprendre, ou plutôt d'interpréter, ce qui s'est
passé au niveau cérébral
et neuromusculaire pendant cette période de temps.
' ' ~ Temps
si, S R
'i_ Ta ~~ ~ TR
Figure 1 - Paradigme expérimental d'un schéma de mesure du temps de réaction.
Une expérience typique conduit donc à analyser les variations du temps de
réaction en fonction de
différentes conditions expérimentales (type de stimulus, effets de
médicaments, caractéristiques des
sujets, etc.). Le temps de réaction étant supposé réfléter la complexité de la
tâche à effectuer, en
variant celle-ci à partir de différents modèles fonctionnels, les chercheurs
en arrivent à définir des
catégories d'opérations cérébrales, de sujets, etc.
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SO1~LVIAIRE DE L'INVENTION
La présente invention expose les fondements d'une méthode et d'un appareil
pour la
mesure, l'analyse et le suivi des aptitudes et des performances du
comportement moteur
pour l'entraînement, la réadaptation et la détection des disfonctionnements.
La méthode
et l'appareil sont utilisés dans diverses applications.
1) Appareil et méthode pour la mesure de la réaction, et du temps de réaction
d'un sujet,
à des stimuli visuels, auditif, tactile, olfactif ou gustatif, par un geste
rapide en 1D, 2D
ou 3D, mesuré soit dans le domaine des déplacements, de la vitesse, de
l'accélération,
de la force ou de la pression.
2) Appareil et méthode permettant de décrire l'action d'un mouvement simple,
d'une
pression ou d'une force, par un ensemble de sept paramètres (Dl, D2, to~t(,~2,
6,2,x22)
selon l'équation delta-lognormale (équation 1).
DA(t)=D,A(t;to,fy,o'i )-DzA(t;to,f~z~~i) (1)
3) Appareil et méthode de détection et de distinction entre un mouvement, une
réaction
ou une pression simple versus complexe, par une analyse du profil de la force
ou de la
vitesse. Le profil est décomposé en un ensemble unitaire de forces ou de
mouvements, selon une superposition vectorielle de fonctions delta-lognormales
(équation 2 pour le domaine des vitesses). Le nombre d'unités de mouvements n
est
un indicateur de la complexité de la réaction.
Vit) _ ~ v (t) ~ _ ~ ~ vco(t _ toco) ~ (2)
r-~
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4) Appareil et méthode d'analyse des unités de mouvements ou de forces
observées dans
des profils complexe de vitesse de réaction ou de pression. La décomposition
d'un
profil complexe de vitesse, de force ou de pression permet de mesurer les
propriétés
individuelles des unités de mouvement, de leur évolution individuelle et en
tant que
séquence.
5) Appareil et méthode de mesure de la qualité d'un geste ou d'une pression
par rapport
à une référence, par l'analyse de son profil de vitesse ou de force.
6) Appareil et méthode de mesure et de description des propriétés
neuromusculaires (en
terme de temps de délais exprimé par les paramètre~Ili et~112, et en terme de
temps de
réponse exprimé par les paramètres~~2 etCC22), ainsi que d'estimation de la
commande
de force ou de mouvement (en terme de temps d'initiation to, et d'amplitude de
la
commande agoniste et antagoniste Dl et D2).
7) Appareil et méthode de mesure des variations des paramètres de force ou de
mouvement selon le type de stimuli, le protocole expérimental et les
conditions
physiologiques, psychologique et émotives.
8) Appareil et méthode de mesure et de suivi de l'évolution des paramètres de
réaction
durant une période de temps donnée.
9) Appareil et méthode d'évaluation et de détection de l'influence de facteurs
externes
(médicaments, drogues, alcool, etc.) sur les paramètres d'un mouvement ou
d'une
force donnée.
10) Appareil et méthode d'évaluation des capacités d'un sujet à réagir à des
stimuli
particuliers.
11)Appareil et méthode d'évaluation des performances de réaction d'un sujet
face à des
stimuli particuliers.
12) Appareil et méthode de caractérisation et de vérification de l'identité
d'un sujet à
partir de son comportement ou de sa signature cinétique (force ou vitesse).
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13) Appareil et méthode de caractérisation, de classification et de
distinction d'un
individu ou d'un groupe d'individus par rapport à une ou plusieurs références,
sélectionnées soit selon Page, la situation géographique, le sexe, la culture,
l'état de
santé, etc.
Champs d'apulication:
- Dystrophie et maladies neuro-dégénératives;
- Détection et effets des drogues;
- Effets des médications;
- Effets de l'alcool;
- Sports: aptitudes, performance et réadaptation;
- Latence et temps de réponse;
- Compromis Vitesse - Précision;
- Temps de reflex et temps de réaction (ex: compagnies d'assurance);
- Mesure de performance (ex: simulateurs de vol, armée, aérospatial);
- Entraînement;
- Mesure de stress;
- Détecteur de mensonge;
- Jeux vidéo (stimuli multiples);
- Étude des réactions chez l'humain et l'animal.
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III. INVENTION ET PROTOTYPE
Nous avons développé au cours des dernières années (Plamondon 1995a,b;
1998) une théorie cinématique qui décrit avec une précision inégalée, la forme
des profils de vitesse
lors de l'exécution d'un mouvement simple; à l'aide d'une équation appelée
delta-lognormale. La
figure 2 décrit un exemple typique de la vitesse d'un trait de crayon tel que
mesuré à l'aide d'une
tablette à numériser. Les points superposés à la courbe continue donnent les
prédictions de la loi
delta-lognormale pour cet exemple typique.
Figure 2 - Courbe typique de vitesse lors de l'exécution d'un mouvement rapide
simple.
Grâce à la théorie cinématique, il est possible de reconstruire quasi-
parfaitement chaque mouvement
à partir d'une équation qui repose sur 7 paramètres (D,, D2, to, p,i, u2, al,
Q2) dans sa forme simple.
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Au cours de la même période, nous avons développé (Guerfali et Plamondon 1998;
Plamondon et
Guerfali 1998) un logiciel robuste qui extrait l'ensemble des 7 paramètres qui
permettent la
reconstruction optimale d'un mouvement.
Fort de ces deux percées technologiques, l'une théorique, l'autre pratique, no
vs A JO Ns
proposé les concepts et les éléments essentiels d'un appareil innovateur et A
~o Ns
construit un premier prototype. Ce nouvel appareil permet d'étudier les
mouvements simples dans le
contexte des protocoles expérimentaux du type "mesure de temps de réaction".
La figure 3
schématise les principales composantes de l'appareil, à la base d'une foule
d'applications en
neurosciences, en psychologie ou en kinésiologie.
Ordinateur
de contrôle
iii
oo~
0ô0
Générateur de
stimuli Tablette à
numériser
Figure 3 - Schéma du système d'analyse de mouvements rapides.
Le prototype est composé d'un système électronique de stimulation qui permet
de générer les signaux
sonores et lumineux (Sp et S~) sous contrôle d'un micro-ordinateur. Lors d'une
expérience typique,
lorsque le stimulus (Sr) survient, le sujet trace, le plus rapidement
possible, un trait de crayon sur la
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surfâce de la tablette à numérisert. Un logiciel capte les données de position
de la pointe du crayon
pendant le mouvement, extrait les 7 paramètres qui permettent la meilleure
reconstruction du tracé et
affiche les résultats à l'écran tout en les stockant en mémoire pour analyse
statistique ultérieure.
Regardons maintenant la figure 4 qui est en fait la superposition des figures
1 et 2 présentées
antérieurement et qui résume l'essence du nouvel appareil que nous avons
développé.
Temps
Figure 4 - Analyse du temps de réaction par modèle delta-lognormal.
Lors d'une expérience typique, pour chaque trait de crayon, le clinicien
disposera d'une information
beaucoup plus riche et complète puisqu'au lieu de mesurer seulement TR de
façon classique, le nouvel
appareil fournira un ensemble de 7 paramètres permettant d'étudier avec plus
de profondeur et de
rigueur les phénomènes perceptivo-moteurs. Par exemple, l'étude des paramètres
Dt, D1 et to
permettra de comprendre quand et comment la commande du mouvement a été
donnée. Celle'de ~tt,
~2, at, a2 permettra de mieux comprendre les temps de délai et le temps de
réponse des différents
sujets face à une condition expérimentale donnée et caractériser ainsi leur
activité neuromusculaire.
La tablette à numérisa peut éue remplacée par un système bipolaire à jauge de
contraintes. Réjean Plamondon (1998)
a démontré que les données captées seraient alors équivalentes à une vitesse
virtuelle.
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Cet ensemble de paramètres permettra aussi des analyses plus détaillées et
mettra en évidence une
foule de phénomènes jusqu'alors non observables, ce qui ouvre des portes sur
de nombreuses
applications du nouvel appareil.
L'exemple suivant présente un cas prometteur des analyses qui seront
accessibles dans le domaine de
la neurologie grâce au nouvel appareil. Ä ce jour, la seule information
temporelle disponible dans un
tel contexte expérimental est TR, le temps de réaction. Grâce à notre
appareil, nous sommes en
mesure d'évaluer ~o, le temps où selon la théorie cinématique, la commande
neuromusculaire de
mouvement a été donnée (voir figure 4). Notre méthode permet donc de dissocier
deux grandes
fonctions cérébrales jusqu'alors indissociables: la perception du stimulus,
qui s'étend de S~ à to et la
réponse musculaire proprement dite, représentée par la différence TR - to.
Cette seule voie offre de
nouvelles et nombreuses avenues de recherche et d'interprétation, tout
particulièrement si on la
jumelle aux techniques classiques d'électro-ancéphalographie,
d'électromyographie, etc. En effet, la
plupart de ces techniques requièrent l'analyse de plusieurs signaux pour
calculer des moyennes. Le
paramètre to permet entre autres, de définir un repère temporel pour calculer
ces moyennes et par le
fait même, de mieux analyser et comprendre le processus étudié.
La Figure illustre schématiquement les digbrents composants de l'appareil de
mesure,
d'analyse et de suivi des aptitudes et des performances du comportement moteur
pour
l'entraînement, la réadaptation et la détection des disfonctionnements.
L'appareil
comprend un générateur de stimuli, un dispositif d'acquisition de données et
un
contrôleur pour la gestion du protocole de communication, la collecte de
données et
l'analyse cinématique.
io
<IMG>
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Nous décrirons en premier le générateur de stimuli, suivi par le dispositif
d'acquisition de
données, puis en dernier l'ordinateur de contrôle utilisé pour la gestion du
protocole de
communication, la collecte des données et l'analyse cinématique.
Le générateur de stimuli peut être décomposé en cinq parties conceptuelles,
soit le
générateur de stimuli visuels, auditifs, olfactifs, tactiles et finalement
gustatifs. Le
générateur de stimuli visuels peut être composé d'une série de lampes ou de
diodes
luminescentes (de différentes couleurs et intensités), d'un réflecteur, d'un
projeteur, d'un
écran ou d'un système de stimulation du cortex. Le générateur de stimuli
auditif est un
générateur de sons (à fréquence et intensité variable), un klaxon ou un haut-
parleur Le
générateur de stimuli tactile peut un système vibratoire, un système à
aiguilles un gant
électronique, un système d'émission de chaleur ou de froid. Le générateur de
stimuli
olfactifs ou gustatifs peut être composé d'un tube relié à un système de
distribution
d'odeurs ou de saveurs.
Le dispositif d'acquisition de données peut être composé d'un réseau de jauges
de
contraintes (pour la mesure de la force), d'un dispositif optique (infrarouge
ou lumière
visible), électromagnétique, ou encore mécanique (boutons, pédales, manette,
guidon,
volent, etc.). En ce qui à trait aux mouvements de la main et du bras, une
tablette
numérisante est utilisée pour la collecte d'informations sur le déplacement ou
la pression
des mouvements en 1 D et 2D. Pour ce qui est des mouvements des yeux, un
système
optique à base de caméras ou encore un processus de réflexion de la lumière
non-visible
est utilisé pour mesurer les mouvements des yeux. Pour ce qui est des
mouvements de la
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tête, des bras, des coudes, des jambes, des genoux, etc., un système
électromagnétique à
six degrés de libertés (3 translations et 3 rotations) ou encore un système
totalement
optique (caméras) peuvent être utilisés pour enregistrer ces mouvements.
Le contrôleur est quant à lui un mélange de logiciels et de matériel composé
principalement d'un module d'acquisition de données, d'un module de génération
de
stimuli et un module d'analyse.
Le module d'analyse calcule à partir des données enregistrées les
déplacements, les
vitesses, l'accélération ou la force, il estime le nombre d'unités de
mouvements ou de
force, classifie le mouvement comme simple (1 unité) ou complexe, extrait les
paramètres
de l'équation delta-lognormale vectorielle et effectue une analyse statistique
pour l'étude
des variations des paramètres.
APPLICATIONS TYPIQUES
Les applications d'un tel produit sont multiples et très prometteuses tant au
niveau de lâ
psychophysique de base que dans des applications médicales en réhabilitation,
en neurosciences
cognitives, etc. sans oublier la kinésiologie, la médecine sportive,
l'entraînement...
Grâce à cet appareil, il sera possible d'étudier les phénomènes fondamentaux
de perception et de
génération des mouvements, d'appliquer ces connaissances à la détection de
problèmes
d'apprentissage psychomoteur, la détection de maladies dégénératives
(Parkinson et autres...), la
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caractérisation de population en fonction de certains facteurs (alcool,
drogue, etc.), le développement
de méthodes d'amélioration des temps de réflexe, la conception d'interfaces
homme-machine plus
ergonomiques...
Dans plusieurs de ces exemples, des marchés potentiels (voire de plusieurs
millions de dollars) sont
assez tangibles. Trois marchés peuvent déjà être ciblés par ce type de
produit. Premièrement, .la
neurologie où on désire observer et étudier les différents phénomènes de
perception/réaction.
Deuxièmement, la gériatrie, en général, pour l'analyse, le diagnostic et le
suivi de l'évolution de
maladies dégénératives du système nerveux chez les personnes agées ou
atteintes de maladies telles
que l'Alzheimer ou le Parkinson. Troisièmement, la kinésiologie et la
kinésiothérapie pour la
réadaptation, le réapprentissage du ~ geste ou le développement d'aptitudes
particulières ou
spécialisées.
RÉFÉRENCES
[1] PLAMONDON, R., «A Kinematic Theory of Rapid Human Movements: Part I:
Movement
Representation and Generation», Biological Cybernetics, vol. 72, #4, 1995, p.
295-307.
[2] PLAMONDON, R., «A Kinematic Theory of Rapid Human Movements: Part II:
Movement Time and
Control», Biological Cybernetics, vol. 72, #4, 1995, p. 309-320.
r
[3] PLAMONDON, R., « A ICinematic Theory of Rapid Human Movements: Part III:
Kinetic Outcomes »,
Biological Cybernetics, vol. 78, 1998, p. 133-145.
[4] GLTERFALI, W., PLAMONDON, R., « A New Method for the Analysis of Simple
and Complex Planar
Rapid Movements », Journal of Neuroscience Methods, Elsevier Science
Publishers, 82/1, juillet1998,
pp. 35-45.
[5] PLAMONDON, R., GUERFALI, W., « The Generation of Handwriting with Delta-
Lognormal
Synergies », Biological Cybernetics, vol. 78, 1998, p. 119-132.
[6] FIMBEL, E., GILBERT, B., PLAMONDON, R., JOANETTE, Y., LECOURS, A.R.,
«Étude du
mouvement rapide automatique humain», Centre de recherche de (Institut
Universitaire de Gériatrie da
Montréal, novembre 1998.
