Analyse biomécanique de différents aspects de la réalité virtuelle : application

Biomechanical analysis of different aspects in virtual reality : application

• Auteur / Autrice : Jingtao Chen
• Direction : Peter Mitrouchev, Franck Quaine, Sabine Coquillart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mouvement et Comportement pour la santé et l'Autonomie
• Date : Soutenance le 30/01/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grenoble Images parole signal automatique (2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Sartor
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Tollenaere
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Portero, Georges Dumont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomécanique

Électromyographie

Réalité virtuelle en médecine

Syndromes douloureux régionaux complexes

Mots clés libres

Réalité virtuelle

Syndrome douloureux régional complexe

Électromyographie

Pseudo-Haptique

Bioméchanique

Mécanique

Virtual reality

Complex regional pain syndrome

Electromyography

Pseudo-Haptic

Biomechanics

Mechanics

Résumé

Le Syndrome de la Douleur Régionale Complexe (SDRC) est une maladie se manifestant par des troubles moteurs et atteint généralement les membres supérieurs. Bien que l'effet positif de la thérapie de miroir sur SDRC ait été prouvé, la tête du patient fixée et orientée en direction du miroir et l'exigence d'ignorer le membre intact limite encore cette thérapie. Dans ce contexte, premièrement la pseudo-haptique est appliquée dans le cas de la thérapie physique pour la main des patients affectés par le SDRC. Ainsi, le premier travail que nous avons effectué était de comprendre comment l'effet pseudo-haptique influence le comportement moteur de la main de l'utilisateur. A cet effet, des tâches de discrimination de rigidité ont été conduites consistant à discriminer la raideur d'un ressort virtuel avec celle de trois ressorts réels de raideurs différentes. Il existe deux types de thérapie pour la réhabilitation des patients atteints de SDRC : kinésiologique et occupationnelle, qui visent à récupérer respectivement les fonctions motrices de base et de travail du membre affecté. Concernant la thérapie kinésiologique, une application fondée sur la technologie Leap Motion et Unity3D a été développée permettant de manipuler la relation entre le mouvement de la main physique de l'utilisateur et le mouvement rendu/virtuel de l’avatar. L’application a été validée par une étude pilote réalisée au CHU de Grenoble avec des patients, des sujets sains et une équipe médicale (docteurs et kinésithérapeutes. Durant les tests, le mouvement rendu de la main est présenté sur l’écran de l’ordinateur: identique, amplifié ou réduit. Le retour des sujets a montré qu’ils n’avaient pas des sensations d’inconfort en utilisant l’application développée. L’équipe médicale, quant à elle, a manifesté un vif intérêt concernant l’utilisation de l’application en thérapie kinésithérapique. A cause de la fonction motrice anormale et de la douleur chronique nous avons tenu compte de l'endurance à la fatigue des patients atteints de SDRC A cet effet, une nouvelle méthode pour l'évaluation de la fatigue de la tâche en démontage fondée sur la dépense d'énergie métabolique et l’estimation de la fatigue musculaire a été proposée. Elle permet d’estimer les niveaux de fatigue associés à des tâches de démontage différentes. La méthode proposée est validée par une série de tests expérimentaux de chargement effectués dans un environnement de RV. D’autre part, les niveaux de fatigue sont évalués en analysant des signaux EMG des muscles impliqués du bras de l’opérateur. Enfin, les résultats analytiques issus du modèle proposé et les résultats expérimentaux obtenus à partir de l'analyse des signaux EMG ont été comparés et montré une très bonne corrélation entre eux.

Complex Regional Pain Syndrome (CRPS) is a disease which companies with motor disorder and is generally affecting the upper limbs. Although the positive effect of mirror therapy on CRPS has been proved, the patient’s fixed head oriented towards the mirror and the requirement of ignoring the intact limb still limits this therapy. In this context, firstly the pseudo-haptics is applied in the case of physical therapy for hand affected CRPS patients. Thus, our first work was to understand how the pseudo-haptic feedback affects the user’s motor behavior of hand. For this purpose, stiffness discrimination tasks were performed consisting in discriminating the stiffness of one virtual spring with three different compared real springs. For rehabilitation of CRPS patients, there are two types of therapy: a kinesiological and an occupational one, respectively aiming at recovering the basic and working motor functions of patient‘s affected limb. For the kinesiological therapy we developed a VR application, based on Leap Motion technology and Unity3D software, allowing to manipulate the relationship between the user’s physical hand motion and the rendered avatar virtual motion. The application was validated by a pilot study performed at University Hospital Center in Grenoble with patients, healthy subjects and medical staff (doctors and kinesitherapists). During the experiments the rendered hand motion on the computer screen, is shown identical, amplified or reduced compared to the users’ real hand motion. Users’ feedback shown that they had no uncomfortable feeling with using the developed application. Medical staff expressed a strongly interest in using the application in the kinesiological therapy. Due to the motor abnormal function and chronic pain, we also considered the fatigue in the muscles during rehabilitation. For this purpose, a new method for disassembly task fatigue evaluation based on metabolic energy expenditure and muscle fatigue estimation is proposed. It is validated by a set of experimental loading tests performed in a specially realized test bench and integrated in a VR environment. The analytical model for mechanical energy expenditure is also proposed allowing to evaluate different fatigue levels. On the other hand, the fatigue levels are evaluated by analyzing the recorded EMG signals on the involved muscles in operator’ arm. The analytical results, calculated based on the proposed model and the experimental results, obtained from the EMG signals analysis, were compared and showed a (very) good correlation between them.