Retours sensoriels multimodaux en réalité mixte pour la rééducation à la marche post-chirurgie chez des enfants atteints de paralysie cérébrale

par Anne-laure Guinet

Projet de thèse en Informatique

Sous la direction de Samir Otmane, Guillaume Bouyer et de Eric Desailly.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec IBISC - Informatique, Biologie Intégrative, & Systèmes Complexes (laboratoire) , IRA2: Interactions, Réalité Augmentée, Robotique Ambiante (equipe de recherche) et de Université d'Évry-Val-d'Essonne (établissement de préparation de la thèse) depuis le 04-12-2018 .


  • Résumé

    - Résumé - L'objectif de cette thèse est de contribuer à la conception et à l'évaluation d'une solution de Réalité Mixte destinée à améliorer et/ou accélérer la rééducation à la marche chez les enfants atteints de paralysie cérébrale traités par chirurgie multisite des membres inférieurs. Il s'agira en particulier d'explorer l'usage des retours sensoriels multimodaux pour l'apprentissage d'un nouveau schéma de marche optimum. - Présentation détaillée - La paralysie cérébrale (PC) est la pathologie neurologique pédiatrique la plus fréquente avec 1,77 cas pour 1000 naissances [1]. Elle entraîne des troubles permanents du développement du mouvement et de la posture, responsables de limitations d'activité [2]. Du fait des déformations orthopédiques, des troubles de la commande motrice et des limitations d'amplitude articulaire, les enfants atteints de PC développent des patterns de marche pathologiques (crouch gait, stiff knee…). Parmi les traitements proposés pour améliorer les capacités motrices à la marche des enfants PC, la chirurgie multisite des membres inférieurs a prouvé son efficacité [3]. Ses objectifs sont de corriger, en un seul temps opératoire, les déformations musculo-squelettiques résultantes de l'interaction entre troubles de la commande motrice et croissance, mais également de compenser par une intervention orthopédique certains troubles de la commande motrice pour améliorer la qualité de marche et la fonction de locomotion. Les résultats post-opératoires dépendent de l'intervention pratiquée, des caractéristiques initiales du patient, et du programme de rééducation qui suit la chirurgie. 1.2. Rééducation post-chirurgie La rééducation est longue (durée moyenne de séjour de 5 mois) et complexe. Elle suit un protocole en trois phases [4], [5]: - Phase 1 de J7 à J30 : cicatrisation, surveillance, postures, mobilisations passives, travail musculaire analytique spécifique ; - Phase 2 de J30 à J60 : remise en charge, adaptation de l'appareillage, début de déambulation, intensification du travail musculaire analytique spécifique, travail fonctionnel ; - Phase 3 de J60 à 5 mois post-opératoire : intégration sensorimotrice du « nouveau » système musculo-squelettique, renforcement musculaire, travail de la marche (qualité, endurance), sevrage des aides techniques, intensification globale de la rééducation, reprise des activités sportives, préparation à la réintégration au milieu ordinaire. Le travail proposé dans cette thèse s'intéresse à la phase 3, et plus particulièrement à la rééducation à la marche. Celle-ci est conduite par les kinésithérapeutes qui durant un temps imparti motivent l'enfant et le guident pour améliorer la « quantité » (endurance et autonomie, e.g. sevrage des cannes) et la « qualité » de sa marche (paramètres cinématiques et dynamiques : vitesse de marche, déroulement du pas adaptation de la longueur du pas, changements de direction et de rythme, passage d'obstacles, etc…). Durant cette phase, les principaux freins dans la progression du patient sont, d'une part, la difficulté pour les enfants atteints de PC d'intégrer un nouveau schéma de marche après l'acquisition « instantanée » par chirurgie d'un nouveau système musculo-squelettique, et d'autre part, la complexité d'intensifier la rééducation du fait d'un manque de motivation des enfants sur une si longue période de rééducation et d'un manque de moyens humains professionnels. 1.2.1. Intégration du schéma moteur La performance motrice (ou schéma moteur optimal) se définit comme une capacité à résoudre un problème moteur spécifique, à élaborer et à réaliser une réponse efficace et économique pour atteindre un objectif précis [6]. Après une intervention chirurgicale qui modifie dans le même temps opératoire à la fois la structure osseuse et musculaire, le pattern de marche de l'enfant est profondément perturbé. Par exemple, un enfant qui marchait avec les genoux fléchis va devoir « apprendre » à tendre son genou lors de l'attaque du pas. Certains paramètres du système musculo-squelettique (longueurs musculaires, orientation osseuse, fonction d'un muscle…) changent, et le système est contraint de se réorganiser à nouveau pour retrouver un autre état de stabilité optimal. L'utilisation de retours sensoriels (feedback) est démontrée comme étant une stratégie efficace dans la rééducation des habilités motrices chez les enfants atteints de PC [7], [8]. Les caractéristiques d'application du biofeedback sont multiples : intrinsèque, c'est-à-dire émanant des perceptions internes de l'enfant (information proprioceptive : kinesthésie), ou extrinsèques, lorsque l'information est fournie à l'enfant par une source externe (thérapeute, outil…). Les deux stimulations sont nécessaires pour améliorer la performance motrice [9]. Les modalités, telle que, la méthode de présentation (audio, visuel, haptique…), la variable du mouvement considérée pour le feedback, le focus attentionnel (connaissance de la performance ou du résultat), le temps d'application, la fréquence, l'autonomie (le patient décide quand il reçoit le feedback ou non), sont multiples. Dans la rééducation à la marche après chirurgie multisite des membres inférieurs, l'accompagnement à ce nouvel apprentissage moteur par le kinésithérapeute n'est pas protocolisé. Il prend le plus souvent la forme de séances d'observations et de consignes orales communiquées en direct, mais que les enfants ont souvent du mal à appliquer. Les modalités de feedback ne sont pas complètement explorées. 1.2.2. Intensification de la rééducation à la marche Ces dernières années, les thérapies utilisant des tâches répétitives et orientées vers l'objectif se sont développées [4] [10]. Ainsi, l'entraînement fonctionnel intensif permet la répétition de la tâche motrice pour favoriser l'acquisition de compétences, pouvant avoir des répercussions positives sur l'activité et la participation du sujet dans la vie quotidienne [11]. Pour la marche, cet entraînement spécifique se définit comme la pratique active, intensive, spécifique de la marche pour améliorer la capacité de marche. Il peut être pratiqué sur un tapis roulant ou sur un parcours classique, avec ou sans système d'allégement du poids du corps, aide technique, ou appareillage. Il a été montré que, sur une population de sujets atteints de PC, non opérés, l'entraînement à la marche est globalement efficace pour améliorer la vitesse (+ 0.1 m/s atteint), l'endurance de marche et la fonction motrice globale [12]. Cependant, durant la phase 3, la phase d'entraînement à la marche n'est pas exclusive et elle intervient à partir de 2 mois post-opératoire. Les enfants peuvent alors présenter une baisse significative de leur motivation lors des mois suivants pouvant aller jusqu'au souhait d'une interruption précoce de la rééducation. Par ailleurs, du fait de ces facteurs motivationnels mais également du fait des limitations de ressources humaines, l'intensification de l'entraînement est difficile à instituer. 1.3. Réalité mixte et rééducation La réalité virtuelle (RV) ou la réalité augmentée (RA) (ou la réalité mixte (RM) qui associe RV et RA), sont de plus en plus utilisées dans les programmes de rééducation chez les patients présentant des déficiences neurologiques [13]. La réalité mixte permet d'obtenir une expérience interactive en 3 dimensions, cherchant à donner à l'utilisateur l'impression d'un environnement réel. Cette technologie a montré qu'elle était adaptée aux enfants atteints de paralysie cérébrale [14], [15]. Une récente étude, sur des enfants PC, qui comparait l'entraînement à la marche sur tapis roulant avec et sans RV a montré une plus grande amélioration du groupe RV [16]. De même, Gagliardi et al. notent une amélioration de certains paramètres cinématiques de la marche après utilisation d'un système immersif de RV sur tapis roulant [17]. 1.4. Problématique Dans ce contexte, il est essentiel de trouver des solutions complémentaires aux méthodes de rééducations traditionnelles pour améliorer et/ou accélérer l'apprentissage d'un nouveau schéma de marche optimum chez les enfants PC traités par chirurgie multisite des membres inférieurs. Notre hypothèse générale est qu'une approche fondée sur la Réalité Mixte développée en cohérence avec les connaissances relatives au feedback et aux Interactions Humain Machine est susceptible de conduire à une innovation disruptive dans la rééducation postopératoire des enfants atteints de paralysie cérébrale.

  • Titre traduit

    Multimodal feedback in mixed reality for gait rehabilitation after single-event multilevel surgery in children with cerebral palsy


  • Résumé

    - Abstract- The objective of this PhD is to contribute to the design and evaluation of a Mixed Reality solution aimed at improving and/or accelerating walking rehabilitation for children with cerebral palsy treated by single event multi-level surgery. In particular, the use of multimodal sensory feedback for the training of a new optimum walking pattern will be explored.