Étude sur l’estimation des angles articulaires des membres supérieurs basée sur des capteurs visuels-inertiels et l’impact des méthodes d’étalonnage

Contexte académique

Les déficiences fonctionnelles des membres supérieurs, en particulier chez les patients ayant subi un AVC, affectent gravement leur capacité à accomplir les activités quotidiennes. La rééducation est un moyen essentiel pour restaurer la fonction des membres supérieurs, mais son efficacité dépend souvent de l’évaluation précise des angles articulaires. Les systèmes de capture de mouvement optique basés sur des marqueurs (optical motion capture, OMC) sont considérés comme la référence pour l’estimation des angles articulaires, mais leur coût élevé et leur encombrement limitent leur utilisation dans les environnements cliniques réels. Ces dernières années, les unités de mesure visuelles-inertielle (visual-inertial measurement units, VIMU) et d’autres capteurs à faible coût sont devenus une alternative prometteuse, mais leurs erreurs de mesure inhérentes et leurs problèmes d’étalonnage limitent leur application clinique.

Cette étude vise à explorer l’impact des différentes procédures d’étalonnage, des méthodes de cinématique inverse (inverse kinematics, IK) et des modes de mesure sur la précision de l’estimation des angles articulaires des membres supérieurs lors de la rééducation. La question centrale est la suivante : Comment réduire les erreurs de mesure des VIMU grâce à des procédures d’étalonnage et des méthodes IK appropriées, afin de les rendre utiles dans le contexte clinique de rééducation ?

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Mohamed Adjel, Raphael Dumas, Samer Mohammed et Vincent Bonnet, affiliés à des institutions de recherche françaises telles que NaturalPad, LISSI, l’Université de Lyon et le LAAS-CNRS. L’étude a été publiée dans la revue IEEE Transactions on Automation Science and Engineering et a été acceptée pour publication officielle en 2025.

Conception de l’étude

Cadre général de l’étude

L’étude comprend les étapes suivantes :

1. Étalonnage capteur-segment (Sensor-to-Segment Calibration) :

   • Étalonnage anatomique (Anatomical Calibration) : Construction des repères locaux des segments à partir de marqueurs anatomiques fixes.
   • Étalonnage fonctionnel (Functional Calibration) : Estimation des centres articulaires et des axes longitudinaux des segments par des mouvements articulaires spécifiques.

2. Construction du modèle biomécanique des membres supérieurs :

   • Utilisation des recommandations de l’International Society of Biomechanics (ISB) pour définir les systèmes de coordonnées articulaires, en établissant un modèle biomécanique des membres supérieurs avec 7 degrés de liberté.

3. Comparaison des méthodes de cinématique inverse (IK) :

   • Cinématique inverse multi-corps (Multi-body IK) : Estimation simultanée de la position de tous les segments en tenant compte des contraintes articulaires.
   • Cinématique inverse mono-corps (Single-body IK) : Estimation séparée de la rotation de chaque segment, ignorant les contraintes articulaires.

4. Acquisition des données et configuration expérimentale :

   • Sept jeunes volontaires en bonne santé ont participé à des tests sur trois tâches de rééducation (Pick and Place, Ruler, Bottle Task).
   • Collecte synchronisée des données à l’aide des systèmes VIMU et OMC, suivie d’une analyse comparative.

5. Analyse et comparaison des résultats :

   • Comparaison de la précision des estimations des angles articulaires obtenues avec différentes procédures d’étalonnage et méthodes IK, en utilisant l’erreur quadratique moyenne (RMSE) et le coefficient de corrélation de Pearson ® comme principaux indicateurs.

Résultats de l’étude

1. Impact des procédures d’étalonnage sur l’estimation des angles articulaires :

   • Lorsque la même procédure d’étalonnage est utilisée, les erreurs d’estimation des angles articulaires entre les données VIMU et OMC sont faibles (RMSE ≤ 7,9 degrés, r ≥ 0,86).
   • L’utilisation de différentes procédures d’étalonnage entraîne une augmentation significative des erreurs (RMSE > 10 degrés), soulignant l’importance de la cohérence dans l’étalonnage pour la précision.

2. Comparaison des méthodes de cinématique inverse :

   • La méthode multi-corps IK montre une plus grande robustesse avec les données VIMU, avec des erreurs significativement plus faibles que la méthode mono-corps IK.
   • La RMSE de la méthode multi-corps IK atteint 2,7 degrés, tandis que celle de la méthode mono-corps IK est de 5,5 degrés.

3. Impact des décalages d’étalonnage :

   • L’élimination des décalages d’étalonnage réduit significativement la RMSE des estimations des angles articulaires, indiquant que ces décalages sont une source majeure d’erreur.

4. Comparaison entre étalonnage anatomique et fonctionnel :

   • L’erreur de l’étalonnage fonctionnel est légèrement inférieure à celle de l’étalonnage anatomique, suggérant que l’étalonnage fonctionnel offre une certaine robustesse.

Conclusion de l’étude

Cette étude démontre que la cohérence des procédures d’étalonnage est cruciale pour la précision des estimations des angles articulaires avec les VIMU, en particulier dans le contexte clinique de rééducation. L’utilisation de la méthode multi-corps IK permet de réduire efficacement les erreurs de mesure. Les VIMU, en tant que capteurs à faible coût, peuvent fournir une précision comparable à celle des systèmes OMC lorsqu’ils sont correctement étalonnés et utilisés avec des méthodes multi-corps IK. Cela ouvre la voie à leur utilisation dans des environnements cliniques réels.

Points forts de l’étude

1. Importance des procédures d’étalonnage : L’étude souligne l’importance de maintenir une cohérence dans les procédures d’étalonnage, en particulier lors de l’utilisation de capteurs à faible coût.
2. Avantages de la méthode multi-corps IK : La méthode multi-corps IK montre une plus grande robustesse et précision avec les données VIMU, offrant un outil plus fiable pour la rééducation clinique.
3. Potentiel des capteurs à faible coût : Grâce à l’optimisation des procédures d’étalonnage et des méthodes IK, les VIMU et autres capteurs à faible coût peuvent jouer un rôle important dans le domaine de la rééducation, réduisant les coûts médicaux.

Valeur de l’étude

Cette étude fournit non seulement une méthode d’estimation des angles articulaires basée sur des capteurs à faible coût pour la rééducation clinique, mais elle offre également des perspectives importantes pour les recherches futures. Les études à venir pourraient valider cette méthode dans des scénarios cliniques plus complexes et variés, et explorer son potentiel dans l’analyse des mouvements du corps entier.

Informations supplémentaires

La principale limitation de cette étude réside dans le fait que les tâches expérimentales se concentrent sur les mouvements des membres supérieurs, sans inclure les mouvements du corps entier. De plus, l’étude a été menée dans des conditions de mesure et d’éclairage idéales, et il serait nécessaire de valider la robustesse de cette méthode dans des environnements plus exigeants.

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À travers ce rapport, nous avons détaillé la conception, la mise en œuvre, les résultats et les applications potentielles de cette étude dans le domaine de la rééducation clinique. Cette recherche fournit un soutien technique et des bases théoriques essentielles pour l’utilisation des capteurs à faible coût dans la rééducation.