Utilizzo di una piattaforma motorizzata e di un casco strumentato per il rilievo della cinematica della testa in condizioni di perturbazione dell'equilibrio

Maintenir l’équilibre et la posture verticale, en condition soit statique soit dynamique, est une tâche délicate pour le Système Nerveux Central, parce qu’une correcte intégration et interprétation des signaux par les différents systèmes sensoriels est nécessaire, comme le somato-sensoriel, le visuel et le vestibulaire.Des lésions d’un de ces systèmes, ou du Système Nerveux Central même, provoquent de sérieux problèmes à l’aptitude à maintenir la stabilité, attaquent l’aptitude du sujet à contrôler et à accorder correctement les mouvements des segments corporaux et, en plus, de régler le tonus musculaire pour préserver la position verticale. En particulier, la Paralysie Cérébrale est une pathologie qui affecte 0.1 - 0.2% des enfants nés vivants et 1 - 2% des prématurés, elle se manifeste comme une désorganisation motrice et une rigidité musculaire qui rendent difficile aux enfants de vivre les expériences nécessaires pour obtenir les aptitudes normales pour être capable de maintenir l’équilibre ; cette pathologie est une altération des capacités, permanentes mais traitable grâce à la rééducation motrice. C’est pour ces motifs que les cliniciens du Département de Neuro-Rééducation de l’Hôpital Pédiatrique « Bambino Gesù » ont exprimé la nécessité d’avoir à disposition une plateforme robotique qui leur a permis, d’une part à évaluer de manière objective le niveau de la pathologie et les éventuelles améliorations obtenues par les patients (phase d’évaluation) ; d’autre part, de créer des exercices de réhabilitation qui permettent au malades de récupérer, au moins partiellement, les aptitudes nécessaires pour contrôler la posture (phase de rééducation). Pour donner une réponse à cette problématique, on a abordé l’approfondissement de l’Anatomie et de la Physiologie, avec le but de bien comprendre le thème de recherche. Au début, on a pris en examen le neurone, coeur fonctionnel du Système Nerveux Central, ses caractéristiques principales et le réseau des cellules sensorielles par lesquelles le Système Nerveux Central acquiert ses informations ; ensuite, on a analysé le système vestibulaire et le système locomoteur. L’analyse du système vestibulaire a permis de reconnaître le rôle des différentes structures qui le composent : les canaux semi-circulaires, pour détecter les accélérations angulaires, et les organes otolites (saccule et utricule), assimilables à un accéléromètre et comme celui-ci capables de relever les accélérations linéaires ; l’étude de ces structures a permis de trouver que le même type de cellules réceptrices est utilisé mais celles-ci ont une organisation structurelle singulière, pour permettre à chaque ensemble de se spécialiser dan son activité particulière et dans sa direction détective. En étudiant le système locomoteur, on a individué les différents éléments basilaires (os, articulation,tissu musculaire), leur fonction en relation à la tâche de maintenir la posture et la modélisation de ce système ; en particulier, la représentation la plus élémentaire du corps humain est le modèle du pendule inverse single-link, les successives « complications » sont introduites de façon que le modèle soit plus adhérent à la réalité et qu’il soit possible d’étudier de manière plus précise la cinématique du corps humain en conséquence d’une perturbation imposée. Donc, il est possible de parler d’un modèle : double-link, qui permet d’expliquer les stratégies du contrôle du Centre de Mass ; à trois articulations actives, analysé en termes d’auto-mouvements ; 5-link bilatéraux symétriques. Cette étude a permis d’avoir à disposition toutes les informations - clé pour comprendre le fonctionnement du corps humain, il est donc possible de passer à l’analyse de la bibliographie sur les plateformes de réhabilitation. L’intérêt des chercheurs sur l’équilibre a débuté avant la naissance des modernes et complexes systèmes robotiques : en fait, la stabilométrie commence comme observation qualitative de l’aptitude à se maintenir en équilibre pendant l’exécution d’exercices très faciles (test de Romberg, 1846) et elle est devenue un examen quantitatif après l’introduction de la plateforme de force, qui a permis de localiser dans le temps la projection au sol du barycentre. Grâce à l’évolution technique, la tabilométrie a été supportée,mais non remplacée, par la posturographie dynamique, qui introduit l’élément du mouvement de la base de la plateforme. Des recherches ont reconnu que l’équilibre dynamique est plus facile à établir et à maintenir pour les sujets pathologiques plutôt que le statique : le mouvement ultérieur de la plateforme leur permet de prendre plus d’informations et d’intégrer les fausses ou pauvres à cause de la pathologie. L’Equitest® System (brevet par la NeuroCom International, Clackamas, OR) est une plateforme de rééducation motrice, déjà commercialisée et utilisée soit pour la recherche soit pour la clinique ; ce système permet d’analyser l’aptitude à maintenir l’équilibre en conditions de perturbation du stimulus visuel et/ou des signaux somato-sensoriels, mais il est seulement possible sur le plan sagittal : cela est dû surtout au choix initial d’utiliser le pendule inverse comme modèle du corps humain. Toutefois, il est clair que d’avoir des perturbations sur un plan unique est une limitation, en fait : • difficilement les perturbations réelles agissent sur un seul axe, • les systèmes proprioceptifs, visuels et vestibulaires sont sensibles à des stimulations sur des plans différentes du sagittal et, enfin, • la réponse posturale dépend de la direction des perturbations, elle change si cette direction change et il n’est pas possible de reconstruire la réponse à une perturbation générique comme composition ou reconstruction basée sur la connaissance d’un comportement simple. Dépasser ce problème signifie utiliser d’une manière alternative la plateforme déjà à disposition (le sujet est positionné sur l’Equitest tourné de 90°, pour lui faire subir des perturbations sur le plan sagittal), d’adapter les plateforme à usage sportif (comme le Balance Master) ou projeter de nouvelles plateformes qui tenant compte des problématiques observées (par exemple le Balance Quest, ainsi dit MultiTest Equilibre, Framiral, Cannes, France) ; presque tous les projets partent de la plateforme de Stewart, dispositif complet à six degrés de liberté, mais caractérisée par un champ d’action limité, un encombrement significatif et un coût élevé. Les différentes plateformes retrouvées en littérature permettent d’analyser la posture humaine dans une série de conditions très nombreuses ; cependant, la recherche ne doit pas être finalisée à elle même mais doit permettre une progression clinique, donc les protocoles proposés par les groupes de chercheurs doivent donner des résultats comparables soit intra- soit inter- laboratoire(s). L’article de M. Woollacott et Al. (2001) est témoin du fait qu’une description complète de la forme d’onde du signal input est fondamentale à donner, c’est-à-dire qu’il ne suffit pas de décrire les déplacements et les vitesses maximales mais aussi les accélérations. Les caractéristiques innovatrices des plateformes et des protocoles présentés dans cette recherche sont dérivées d’une recherche bibliographique attentive ; toutes les idées retrouvées sont présentées sur la base des systèmes robotiques et leur degrés de liberté, en spécifiant après les conditions de test, l’input envoyé et les données collectionnées, ainsi que les caractéristiques des sujets. Le mouvement le plus facile qu’une plateforme peut faire est la translation postérieure. Le protocole de Runge et Al. (1999) proposait de comprendre si la distinction entre les stratégies posturales hip ou ankle strategy pouvait être basé sur les torques ; donc, un groupe d’adultes est soumis à des déplacements maximaux de 200 mm et un profil de vitesse trapézoïdal, l’accélération maximale arrive après 11 s et elle est fonction de la vitesse choisie. L. Sundermier et Al. (2001) et M. Roncesvalles et Al. (2002) ont proposé, au contraire, une protocole semblable pour étudier les capacités motrices des enfantes sains et de ceux affectés de Paralysie Cérébrale ; ces protocoles soumettaient les enfants à des déplacements maximaux entre 40 et 150 mm et la vitesse entre 10 et 80 cm/s, combinés selon l’âge des enfants de façon à leur présenter un test facile, un moyen et le dernier difficile. Le premier groupe de chercheurs a tenté de comprendre si, en étudiant la marche, les enfants devaient être séparés sur la base de l’âge ou plutôt sur la base du réel développement moteur, comme la recherche a démontré ; le deuxième travail est parti de ces résultats et a essayé de comprendre l’erreur de la réponse musculaire des enfants affectés par la diplégie spastique, en particulier le problème était lié à la génération de la contraction de la fibre, aux temps ou à une désorganisation des phases du travail des groupes musculaires. Le premier passage logique concernant les inputs de perturbation est passé d’une translation postérieure à une antérieure - postérieure. Ce type de mouvement a permis, en particulier, d’analyser les stratégies principales utilisées pour maintenir l’équilibre: le pattern head-fixed-to-surface ou ankle strategy, la tête se déplace ensemble à la plateforme, et le pattern head-fixed-in-space ou hip strategy, la tête est bloquée dans l’espace. La choix entre les deux possibles stratégies dépend de la fréquence du mouvement de perturbation, en fait les sujets choisissent plus facilement la première si la fréquence est moindre que 0.25 Hz et la deuxième si elle est plus grande que 0.5 Hz, et il dépend de la possibilité d’utiliser la vue, si l’exercice est fait yeux fermés les personnes répètent le pattern « tête immobile dans l’espace ». Les rôles des différents systèmes sensoriels sont ainsi reconnus : la coordination motrice est spécifique du système somato-sensoriel, la stabilisation de la tête dans l’espace de celui vestibulaire et de la vue. Les différents protocoles basés sur ce type de perturbation sont proposés, par exemple, dans le but d’analyser la modalité de transition d’un pattern à l’autre ; ce protocole utilise une fréquence de l’input variable entre 0.2 Hz et 1.0 Hz, croissant et décroissant, et le sujet doit avoir les yeux une fois ouvert et une fois fermés (J. Buchanan et F. Horak, 2001). Un autre protocole a permis d’étudier la possibilité d’une transition volontaire d’un pattern à l’autre, en utilisant toujours une fréquence variable et les deux conditions visuelles (J. Buchanan et F. Horak, 2003) ; enfin, M. De Nunzio et Al. (2005) ont introduit un trouble proprioceptive, c’est-à-dire la stimulation électrique des différents groupes musculaires des membres inférieurs, pour vérifier si le contrôle de l’équilibre est fondé sur la base d’un feedback proprioceptive ou sur la base de l’anticipation. En plus, il est possible de retrouver dans la bibliographie des protocoles qui imposent des rotations de la base sur un single plan : le frontal (angle de roll), le sagittal (angle de pitch) et le transversal (angle de yaw). A. Blumle et Al. (2006) ont essayé de comprendre si l’input visuel a un rôle cognitif pour la posture :sujets sains et patients vestibulaires sont soumis à des rotations physiques sur le plan frontal (signal sinusoïdal de fréquence égal à 0.25 Hz et amplitude de ±0.2°) et à des rotations du champ visuel sur le plan sagittal (signal sinusoïdal de fréquence et amplitude variables) ; on a observé que la vue était utilisé pour se maintenir en équilibre si la scène était fixe, et les oscillations du corps étaient inversement proportionnelles aux oscillations du stimulus visuel : plus ces oscillations étaient petites et lentes plus grandes étaient celles du corps. Par contre, si l’arrière-plan était perçu en mouvement, alors la vue est substituée par l’input vestibulaire. C. Maurer et Al. (2000) ont utilisé une plateforme capable de tourner sur le plan sagittal et commandé par input sinusoïdal de fréquence et amplitude variables. Ce système robotique leur a permis d’analyser la réponse cinématique s’il y a une modification des informations visuelles (la scène sur l’écran pouvait être un paysage virtuel ou simplement tout bleu, sans aucun point de référence) ou une modification des signaux somato-sensoriels (à cause du mouvement même de la plateforme). Donc, les deux groupes de sujets ont le même comportement en cas de paysage, mais très différent en présence de la scène bleue, en fait les sujets sains peuvent encore maintenir l’équilibre alors que les pathologiques ont la tendance à tomber ou à faire un pas en avant. Les sujets sont debout sur toutes les précédentes lateformes, qui permettent des perturbations sur le plan sagittal ou frontal, par contre quand les sujets sont perturbés sur le plan horizontal, l’étude de la réponse du système vestibulaire est conduit normalement avec le sujet même assis. En particulier, dans l’étude de T. Metcalfe et M. Gresty (1992) les sujets sont assis sur la chaise de Barany et cette chaise tourne autour l’axe vertical, à la fin du mouvement passif ils doivent reproduire la même rotation mais en direction opposée, le but est retourner dans la position initiale ; les sujets sains sont capables de faire cette tache de manière plutôt soigneuse (± 10%) et, au contraire, les patients vestibulaires ont plus de difficultés, surtout, ils sont insensibles aux rotations vers le côté malade. Les équipes de I. Ivanenko et Al. (1997) et de I. Siegler et Al. (1999, 2000) ont utilisé le système robotique, le Robouter, c’est-à-dire une chaise motorisée qui peut être commandée ou par l’opérateur via ordinateur ou par le sujet même grâce à un joystick. Dans ces études, les sujets sont toujours tournés passivement d’un angle connu, autour l’axe vertical ou comme angle à l’intérieur d’un trajectoire complexe ; le but est de reproduire grâce à un pointer horizontal l’angle après la perturbation (reproducing task) ou pendant le mouvement même (tracking task), il est possible d’établir que les sujets sont capables de reproduire les angles subit, avec une surestimation, et que le signal de vitesse angulaire est intégré on-line par le Système Nerveux Central, en fait ils pe uvent faire l’éprouve du tracking. Apres les perturbations mono-axes, les multi-axes sont présentées, mais cette méthodologie de présentation de la bibliographie ne doit pas porter à penser que l’avancement de la technologie a permis le passage d’un type d’input à un autre ; en fait normalement le parcours à été contraire : le premières plateformes étaient multi-axes et juste après on est passé à analyser le mouvement sur un seul axe, pour spécialiser la réponse posturale et lier celle-ci à la direction de la perturbation. S. Henry et Al., déjà en 1998, ont étudié la cinématique du corps humain quand les sujets sont debout sur une plateforme capable de déplacer dans les quatre directions – avant, arrière, droit et gauche – de 90 mm en 200 ms. Ceci a permis d’analyser comment la réponse posturale, en termes d’angles entre segments corporels, n’est pas liée fortement à la direction de perturbation, tandis que les trajectoires du centre de mass et de pression permettent de retrouver les changements liés à la direction ; en fait, après les déplacements latéraux le centre de mass retourne au point initiale plus vite qu’après une translation antérieure – postérieure, bien que les valeurs de déplacement sont les mêmes, contrairement au centre de pression. Ses éplacements sont plutôt différents dans le deux cas. Ainsi si le forces de réactions sont prises en analyse, le contrôle sur le plan sagittal et celui sur le plan frontal ne pouvant pas être bien séparés : soit l’articulation de cheville soit celle de hanche sont utilisées en réponse à des perturbations dans chaque direction et, de plus, le système optoélectronique a permis d’enregistrer une remodulation totale de la configuration corporelle dans tous les plans et pas juste dans celui de perturbation. De même, M. Carpenter et Al. (1999 et 2001) ont analysé la réponse cinématique et musculaire à des perturbations sur différents plans, c’est-à-dire que la plateforme pouvait s’incliner de 7.5° à la vitesse de 50°/s en seize ou huit directions, de sort que le sujet soit soumis à des rotations d’un seul pitch, d’un seul roll et de leur combinaison. N. Nawayseh et M. Griffin (2006) ont essayé de retrouver une relation qui lié les caractéristiques de l’input et la réponse posturale, pour prédire sur la base des réactions connues à un input simple le comportement à n’importe quelle perturbation. La plateforme utilisée est capable de déplacements d’un côté à l’autre de 100 mm et d’oscillations de 40° à fréquence variable ; cependant, les résultats obtenus ont démontré que la réponse cinématique est variable en conséquence de la fréquence du stimulus, mais pas uniformément : il n’est pas de possible bien déduire un comportement des autres connus, surtout si les translations et les oscillations ne sont pas analysées séparément.L’étude de l’équilibre est toujours conduite sur un sujet totalement concentré sur le test même. Il est démontré que l’équilibre n’est pas un devoir automatique, mais normalement le Système Nerveux Central le doit maintenir en background, ensemble à d’autres. Exercices dual task sont organisés pour reconnaître la quantité d’attention nécessaire à la posture, c’est-à-dire que les sujets doivent exécuter deux devoirs en simultanéité, le premier postural et le deuxième de mémoire visuelle, de manière à se concentrer également sur le deux fonctions ou de considérer de plus grande importance une fois l’une et une fois l’autre (S. Ka- Chun et M. Woollacott, 2006). Le but cognitif à un amélioration d’exécution, comme attendue, si le sujet doit prêter sur lui la plus grande attention, mais une diminution de l’aptitude à conserver l’équilibre n’est jamais observée, comme démonstration qu’un niveau de attention suffisant est toujours et automatiquement direct à maintenir l’équilibre. En plus, il est observé que la prestation sur la posture pendant l’exécution dual task était meilleure qu’en single task: l’explication de cela est facile si on considère qu’une stabilisation de la tête est nécessaire pour réussir dans la tache de mémoire visuelle et cette stabilisation est positive aussi pour la posture. Donc, il est possible de penser que l’exercice dual task permettra d’obtenir des résultats plus importants sur la posture, bien que l’application initiale doive être plus grand (M. Wollacott et A. Shumway-Cook, 2002). Tous les protocoles analysés jusqu’ici avaient une déformation des signaux visuels et somato-sensoriels, mais ils ne prenaient jamais en considération le signal vestibulaire, très important aussi. L’explication de cette choix est, surtout, la difficulté d’agir sur ce système. En fait, agir sur le signal vestibulaire signifie stimuler électriquement l’oreille ou effectuer pendant l’exercice un test calorimétrique, tous deux, méthodologies plutôt invasives et fastidieuses ; une solution différente est demandée au sujet même d’osciller volontairement sa tête à une fréquence établie une fois sur le plan sagittal une fois sur le plan frontal, pendant l’exécution de l’exercice postural principal. Ainsi, il est possible d’observer une déstabilisation de la posture, sans rien de dramatique cependant. Sur la base de la littérature et pour étudier soit les perturbations sur le plan horizontal soit la stimulation du système vestibulaire, une plateforme rotant motorisée est réalisée (fig. 0.4), soit la mécanique soit le contrôle. Les caractéristiques métrologiques sont aussi vérifies.Le set-up expérimental peut être organisé. En particulier, il sera constitué par : • une plateforme motorisée, en rotation autour de l’axe vertical pour perturber l’équilibre sur le plan horizontal; • un système optoélectronique, pour reconstruire la cinématique du sujet grâce à des caméras (led entre l’infrarouge et le rouge), qui prennent la position dans l’espace des markers réflectifs positionnés sur les points anatomiques importants ; • une plateforme de force, pour connaître la trajectoire du centre de pression pour utiliser le signal soit en Real Time soit en post processing ; • un casque équipé avec un cluster d’accéléromètres et gyroscopes, pour connaître la cinématique de la tête et utiliser ces mouvements comme input de la plateforme même. Différents protocoles sont proposés, soit pour l’évaluation des aptitudes posturales et de l’orientation spatiale des sujets soit pour la rééducation des patients pédiatriques affectes par l’hémiplégie. Dans le premier protocole, les adultes sains doivent marcher sur une trajectoire triangulaire avec les yeux fermés, soit en direction horaire soit antihoraire, avec ou non un poids sur l’épaule droite, pour évaluer l’influence d’une charge asymétrique sur les informations proprioceptives et les changements posturaux indus (fig. 0.5). On observe comment les informations sensorielles sont strictement liées l’une à l’autre, même si acquis par des sources différentes : par exemple, le poids change directement l’apport proprioceptive et indirectement celui vestibulaire, ainsi la perception de la verticale subjective est modifiée et les angles sont perçus et reproduis avec les erreurs. Dans les deux protocoles suivants, les taches posturales sont proposées pour étudier les stratégies de maintenance de l’équilibre en réponse à une perturbation sur le plan horizontal par un input non-périodique et périodique à fréquence variable. La stratégie motrice pendant un mouvement actif est top-down : la tête est la première qui bouge en direction de la trajectoire, ensuite tous les autres systèmes corporels (t