AGATHE
AXE 4 – Evaluation des systèmes en interaction et applications cliniques.
Le contexte de l’évaluation est variable. Nous distinguons plusieurs aspects qui correspondent plus à un glissement du point de vue scientifique sur l’interaction qu’à une chronologie en étapes. Chaque aspect impose un développement méthodologique et théorique particulier : définir des tâches simplifiées, développer un dispositif d’enregistrement de la dynamique temporelle des interactions (agencement de capteurs), développer des métriques adaptées.
A. Evaluation de la performance de commandes robotiques en interaction physique avec l’homme
Il s’agit de déterminer si les commandes élémentaires réagissent comme prévu. Ce n’est pas trivial car les phénomènes physiques en comanipulation dépendent des régularités spécifiquement humaines de l’exécution des gestes (privilégiant certaines trajectoires, coordination, impédance) avec une certaine variabilité d’un mouvement à l’autre. De plus, l’interaction avec le corps humain implique de prendre en compte des caractéristiques de contact particulières de l’interface physique y compris les mouvements viscéraux automatiques. Tous ces éléments sont des facteurs de biais, d’erreur et d’imprécision pour les commandes robotiques. L’évaluation de la performance est basée sur l’analyse des variables de contact (force, position) mais cela demande en outre une métrique et une analyse statistique spécifiques, (Mesures pour la compensation mécanique des mouvements physiologiques en laparoscopie ( 2011BR2278 ) ; Localisation de la partie effectrice de l’outil ( 2010BR1902 ) ; Mesure de la position instantanée du centre de pression sous chacun des pieds pour la commande de la Plateforme de Perturbation Posturale ( 2010BR1760 )).
B. Evaluation pilote en laboratoire
Le but est de faire la preuve de concept et d’aboutir rapidement à un prototype testable en clinique. Cette étape impose de bâtir un banc de test spécifique (simulateur ou essais chez l’animal) intégrant l’assistance à l’action (le robot) et les enrichissements sensoriels (imagerie) lors d’actions complexes représentatives de la situation clinique. Il s’agit d’études à la fois fonctionnelles, s’appuyant sur des mesures précises, et ergonomiques impliquant largement la participation des cliniciens experts (chirurgiens ou rééducateurs) de l’équipe. Les essais sur banc de test participent à l’étape d’analyse des tâches en préliminaire à la conception et à des évaluations itératives, en collaboration étroite avec les futurs usagers, pour guider les développements de structure et de commande. Le but de ce type d’évaluation est de répondre aux questions suivantes :
Est-ce que l’outil robotique est utile ?
Est ce qu’il répond aux besoins ou peut-il être facilement adapté aux besoins ?
Son maniement est-il facile à apprendre ?
Comment modifie-t-il les gestes de la personne qui l’utilise ?
Est-ce qu’il induit des effets secondaires indésirables (fatigue, risque de pathologie posturale) ?
Ces modèles et bancs de test permettent un prototypage itératif situé, au sein d’un système complet comprenant les actions des intervenants humains (chirurgiens et aides opératoires) et d’un ensemble d’outils associés (stabilisateurs, porte sondes, etc.), ( 2011ACTI2148 ).
C. Evaluation préclinique
Il s’agit d’évaluer la pertinence du prototype et de faire la démonstration de la faisabilité en clinique en utilisant les méthodes décrites ci-dessus. Cette étude de terrain est typiquement réalisée en milieu hospitalier en conformité avec la législation (CPP). Ces évaluations impliquent directement les utilisateurs finaux du système (cliniciens, paramédicaux, membres de l’équipe clinique au sens large). De la même manière que les cliniciens de l’équipe participent activement aux études pilotes en laboratoire, les roboticiens se déplacent régulièrement en milieu clinique pour mieux prendre en compte les dimensions multiples du contexte dans lequel le robot sera utilisé.
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Résultats marquants – L’exosquelette ABLE
Les travaux de l’équipe sur l’exosquelette ABLE ont commencé lors du projet ANR PSIROB 2006 BRAHMA avec la thèse N.Jarrassé, ils ont été poursuivis par les travaux de thèse de V.Crocher. Nous avons étudié la coordination normale et pathologique du membre supérieur à travers une analyse des synergies, terme utilisé en neurosciences pour désigner la façon dont un être humain résout la redondance cinématique de son système moteur. Le but est d’entraîner les synergies efficaces et de réduire les synergies anormales. Les travaux développés dans le cadre de l’analyse des mouvements (axe 1) ont permis de montrer que 2 à 3 composantes principales résument les rotations dans les 10 ddl d’un bras. Ce travail a également permis de montrer que les rotations proximales du tronc ( 2011ACLI2249 ) et de l’omoplate ( 2012ACLI2357 ) étaient modulées par la position 3D de la cible. Cette étude sur les coordinations articulaires permet de proposer la synthèse de lois de commande originales (axe 3) grâce à l’emploi de champs de forces articulaires visqueux appliqués par l’exosquelette pour imposer une forme corrigée de synergie sans contraindre les mouvements de la main ( 2011ACTI1833 ). Par ailleurs, une étude approfondie du couplage mécanique entre une structure exosquelettique (approchant la cinématique du bras) et le bras humain a été menée, afin notamment de qualifier le phénomène d’hyperstatisme et ses conséquences directes sur la qualité de l’interaction physique. Des mécanismes de fixations isostatiques (permettant de limiter les problèmes de compatibilité morphologique et l’apparition de contraintes internes non contrôlables) ont ainsi été synthétisés grâce à la mise au point d’un algorithme itératif générique et à un ensemble de règles de conception visant à respecter la physiologie du membre humain ( 2011ACLI2188 ). Les mécanismes de fixation innovants qui ont ainsi été conçus, permettent d’abaisser de moitié le niveau moyen des efforts générés par les contraintes internes et d’améliorer les aspects cinématiques du mouvement d’un humain couplé à l’exosquelette, tout en garantissant la capacité de contrôle du robot (travaux relevant de l’axe 2).
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Dans le cas de la robotique chirurgicale, il s’agit d’analyser l’apport du système robotisé dans une situation clinique particulière chez un petit nombre de patients. L’évaluation porte également sur l’impact de l’innovation technologique sur l’activité de l’ensemble de l’équipe chirurgicale : étude sociologique et anthropologique menée en collaboration.
Dans le cadre de la robotique de rééducation, l’évaluation pré-clinique permet de vérifier que les commandes fonctionnelles sont également efficaces avec les patients malgré les altérations pathologiques qui peuvent modifier les conditions de l’interaction homme-robot (modification du contrôle moteur, troubles sensitifs, contractions musculaires excessives etc. ). Ensuite, il faut évaluer l’éventuel apport fonctionnel du prototype : a-t-il l’action désirée sur les déficiences et améliore-t-il les performances ?
Il est également important d’analyser des aspects subjectifs (acceptation du robot) et de pratiquer une analyse ergonomique de l’usage. Par exemple : lors de l’évaluation préclinique du robot déambulateur. Il s'agissait d’évaluer l’assistance à la verticalisation et d’étudier comment les personnes âgées peuvent intégrer l’utilisation du déambulateur dans un ensemble de déplacements (scénario standardisé et questionnaire de satisfaction).
L’exosquelette de rééducation a été également évalué en milieu clinique, chez 7 patients hémiparétiques, en collaboration avec les kinésithérapeutes du service.
D. Evaluation clinique
Une étape finale d’évaluation est indispensable pour vérifier si le dispositif proposé à une efficacité clinique sur la pathologie concernée ou son retentissement fonctionnel (incapacité et handicap). Cette étape de la recherche doit être menée par les cliniciens avec des moyens spécifiques (études multi-centriques, PHRC). Il s’agit d’évaluer l’efficacité du dispositif sur la pathologie à court et à moyen terme.
Le service médical rendu par le dispositif doit également être évalué par rapport à l’existant ainsi que l’aspect économique. Par exemple, le système LaborPro a été utilisé pour mesurer l’évolution de la dilatation cervicale en comparaison avec la méthode manuelle (étude multicentrique internationale). Cette étude a confirmé l’imprécision de la mesure clinique et l’intérêt du système LaborPro par rapport aux autres systèmes existant. L’évaluation a également montré que le système LaborPro a un fort intérêt pédagogique mais le service médical rendu demeure à confirmer. L’évaluation des méthodes de rééducation est particulièrement ardue. Compte tenu des nécessités des études contrôlées randomisées il faudrait un grand nombre de patients, impliqués dans une rééducation de relativement longue durée (plusieurs semaines) et analysant les différentes dimensions du handicap (fonction, activité, indépendance et autonomie, qualité de vie).
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Résultats marquants – Essais pré-cliniques
Les recherches développées dans l’équipe visent des applications médicales. Les contraintes liées à ce cadre applicatif se traduisent notamment par la nécessité d’expérimenter les réalisations, tant matérielles que logicielles, issues de notre recherche dans un environnement très proche de la réalité clinique. • Le mode de commande basé sur les synergies du membre supérieur, et implanté sur l’exosquelette ABLE (CEA-LIST), a été testé avec succès chez des patients hémiparétiques à l’hôpital Raymond Poincaré de Garches. En effet, nous avons observé que ce mode peut effectivement modifier la coordination des gestes actifs des patients dans le sens souhaité et indiqué par le thérapeute. • Les prototypes de déambulateurs robotisés (RoboSoft) développés dans l’équipe ont été également testés avec succès chez des patients souffrant de troubles de la locomotion. Les essais ont eu lieu au CHU de Toulouse et à l’hôpital Charles Foix. |