Plate-forme numérique permettant d’étudier les mécanismes (mécaniques, biomécaniques, sensoriels, cognitifs, psychologiques) impliqués dans le maintien et le rattrapage de l’équilibre humain – EquiSim

Un modèle mécanique du corps humain est placé dans un environnement de simulation physique. A partir de l'estimation de l'état de ce modèle physique, possiblement obtenue via une étape de représentation simplifiée des capteurs sensoriels, un contrôleur cherche à déterminer les actions à entreprendre, sur un horizon de temps donné, afin de maintenir ou de ramener le modèle mécanique dans l’état désiré. Un point particulier auquel nous sommes attachés est le fait que ces traitements de « haut niveau » ne fonctionneront pas forcément en continu mais pourront être déclenchés par des alertes provenant notamment des informations sensorielles (atteinte de seuils sur certaines variables, conflit entre état perçu et état attendu, etc.). Enfin, les sorties du contrôleur sont appliquées sur le modèle physique.

L’outil obtenu permet donc de simuler le choix et l'exécution des actions de maintien et de rattrapage d’équilibre. Cet outil a été évalué et testé dans différentes situations, y compris fortement perturbées : tâches posturales, initiation de la marche, marche perturbée, etc. Différentes stratégies de régulation de l'équilibre sont introduites : déplacement du point d'application des forces sous les pieds, variation du moment cinétique, prise d'appuis supplémentaires avec les mains et variation de l'altitude du Centre de Masse. En parallèle, un dispositif permettant d'étudier expérimentalement la marche en situation perturbée a été mis au point.

Les comportements simulés n'ont pu être, pour le moment, complètement évalués sur des données expérimentales acquises de manière contrôlée. Le dispositif de perturbation de l'équilibre au cours de la marche développé dans le projet permettra de réaliser cette évaluation. Cet outil pourra ensuite être utilisé pour prédire le risque de chute de différentes population soumise à une variété de perturbation d'équilibre.

Guinamard, M., Robert, T., Chèze, L., & Chabaud, P. (2018). Balance recovery reactions following various waist-pull perturbation time profiles. In 8th World Congress of Biomechanics, 8-12 July, Dublin (IR).
Le Mouel, C., Tisserand, R., Robert, T., Brette, R., (2019). Effect of the rate of change of an external balance perturbation. In 2019 ISPGR World Congress, June 30 – Jully 4, Edinburgh, (Scotland).
Robert T., Guinamard M., Chabaud P., Chèze L., Mille M.L., (2019). Postural adjustments in anticipation of predictable perturbations allow elderly fallers to achieve a balance recovery performance equivalent to elderly non-fallers. In 2019 ISPGR World Congress, June 30 – Jully 4, Edinburgh, (Scotland).
Bentaleb, T., Pajon, A., Robert, T., Wieber, P.-B. (2020). Effect of vertical motion on balance recovery prediction for standing human through linear MPC. In: Actes des Journées Nationales de la Robotique Humanoïde 2020, 25-26 juin 2020 (en ligne, France).
Le Mouel, C., Tisserand, R., Robert, T., Brette, R., 2019. Postural adjustments in anticipation of predictable perturbations allow elderly fallers to achieve a balance recovery performance equivalent to elderly non-fallers. Gait Posture 71, 131–137.

Le risque de chute, notamment chez les personnes âgées, représente un véritable enjeu de santé publique. La prévention de ces chutes et de leurs conséquences passe donc par la connaissance et la compréhension des multiples processus associés au rattrapage d’équilibre et de leurs interactions : processus neurologiques, cognitifs et psychologiques permettant la régulation de ces actions de rattrapage, mais aussi des aspects mécanique et biomécaniques relatifs à l’exécution de ces actions et leur impact sur l’équilibre. Or, à l’heure actuelle, cette compréhension est toujours lacunaire malgré une littérature abondante.

Afin de lever le verrou posé par la multitude et à l’aspect très pluridisciplinaire des processus impliqués, nous faisons le choix de mettre en place une approche systémique et de modéliser la question du maintien de l’équilibre dans sa globalité. L’objectif de ce projet est donc de mettre en place une plate-forme numérique destinée à la modélisation du maintien de l’équilibre chez l’être humain, et d’en démontrer l’usage sur différents cas d’étude.

Un modèle mécanique du corps humain est placé dans un environnement de simulation physique. Un ensemble de sous-systèmes, représentant les capteurs sensoriels, et une étape d’intégration sensorielle permettent d’extraire une estimation de l’état du modèle physique. Cette information sera traitée et combinée avec d’autres éléments (connaissance de ses capacités, niveau d’acceptation du risque, connaissance de son environnement, …) avant d’être transférée en entrée d’un contrôleur. Son rôle consiste à déterminer les actions à entreprendre, sur un horizon de temps donné, afin de maintenir ou de ramener le modèle mécanique dans l’état désiré. Un point particulier auquel nous sommes attachés est le fait que ces traitements de « haut niveau » ne fonctionneront pas forcément en continu mais pourront être déclenchés par des alertes provenant notamment des informations sensorielles (atteinte de seuils sur certaines variables, conflit entre état perçu et état attendu, etc.). Enfin, les sorties du contrôleur sont appliquées sur le modèle physique.

Une attention particulière sera notamment portée sur la possibilité d’interpréter et d’identifier les paramètres de cet outil. Une partie expérimentale de ce projet est d’ailleurs dédiée à cet aspect. Cette volonté nous amènera parfois à devoir faire des compromis sur le niveau de détail ou de complexité des modèles utilisés, mais permettra d’obtenir un outil global stable, maitrisé et facilement paramétrable. L’outil numérique obtenu permettra donc de simuler le choix et l'exécution des actions de maintien et de rattrapage d’équilibre, dans différentes situations, y compris fortement perturbées, et pour différents types de populations.

Il s’agit donc d’un projet très pluridisciplinaire, relativement amont, et centré sur le développement de l’outil. Cependant, l’ensemble de ce projet est construit de manière à aborder et répondre à un certain nombre de questions de recherches concrètes. Le fil conducteur concernera la compréhension de l’augmentation du risque de chute chez les personnes âgées. Outre les aspects cliniques ce projet aura aussi des retombées très concrètes et rapides dans le domaine des transports avec la détermination des dynamiques de véhicule acceptables vis-à-vis des passagers debout. De plus, afin d’accroitre l’impact et la visibilité de ces travaux, nous nous plaçons dans une démarche résolument tournée vers l’« Open » visant à mettre à disposition de la communauté scientifique les résultats et connaissances issus de ce projet (licence logiciel libre, Open Data, dissémination par le biais de journaux Open Access, …).

Ce projet représentera donc une avancée déterminante, et nécessaire, pour l’étude de l’équilibre humain. L’outil développé permettra à terme de mieux identifier les situations dangereuses, de mieux orienter le dépistage de sujets à risque et de mieux cibler les actions de prévention.