Développement d’un outil calculant en temps réel les moments de réaction articulaires aux épaules durant la propulsion en fauteuil roulant manuel sur simulateur par dynamique inverse

Ghazouani, Clément (2023). Développement d’un outil calculant en temps réel les moments de réaction articulaires aux épaules durant la propulsion en fauteuil roulant manuel sur simulateur par dynamique inverse. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (7MB) | Prévisualisation

Résumé

Environ 2.6 millions de Canadiens âgés de plus de 15 ans ont de la difficulté pour se déplacer dans leur quotidien. Pour les aider à se déplacer, plusieurs aides techniques sont mises à disposition en fonction du handicap de la personne, dont le fauteuil roulant manuel (FRM). Seulement, la répétition de la propulsion en FRM peut provoquer à terme des troubles musculosquelettiques, générer des douleurs à l’épaule et aggraver le handicap de l’usager. L’estimation du moment articulaire à l’épaule est un indicateur utilisé pour prévenir ces risques de blessure. Une étude antécédente a déjà montré qu’un entrainement sur simulateur pouvait modifier la technique de propulsion d’un usager pour augmenter une variable en temps réel et rendre le participant plus efficace durant la propulsion, cependant le moment articulaire à l’épaule augmentait également. Dans cette étude, le but était de concevoir un dispositif pour rendre disponible en temps réel (TR) le moment articulaire à l’épaule à partir de la méthode de la dynamique inverse, afin qu’il puisse dans le futur être utilisé dans le mécanisme d’entrainement sur simulateur.

Pour ce faire, une mise à niveau matérielle et logiciel du simulateur a d’abord été effectué, avec le remplacement de l’ordinateur TR par un nouvel ordinateur spécialisé pour le calcul. Par la suite, un système optoélectronique a été installé afin de mesurer la cinématique des membres supérieures de l’usager lors de la propulsion sur le simulateur et un protocole de communication entre le système optoélectronique et l’ordinateur TR a également été développé pour lire le signal transmis en TR. Ensuite, le protocole d’expérimentation et la méthode de la dynamique inverse utilisés dans une étude de référence ont été modifiés et adaptés pour une utilisation en temps réel.

Pour valider la nouvelle méthode TR développée dans cette étude, les données antécédentes de 18 blessés médullaires, utilisateurs de FRM, ayant propulsé sur le simulateur ont été reprises. Le simulateur, équipé de 2 roues instrumentées, mesurait les forces et moments de réaction, un système optoélectronique mesurait la cinématique des membres supérieurs. Avec ces deux mesures, les moments aux épaules ont été calculés avec la méthode de référence hors temps réel. Puis dans l’étude présente, les entrées sauvegardées ont été transmises à la fréquence de 120 Hz à l’ordinateur de calcul pour simuler une collecte de données en temps réel. La validation de ce logiciel a été effectuée sur la variable dépendante correspondant à la moyenne des pics maximaux et minimaux des cycles de propulsion du moment articulaire à l’épaule suivant les trois axes anatomiques.

Une analyse par diagramme de Bland-Altman a montré une différence entre les deux méthodes de – 0.3 à 1.1 Nm pour le pic en adduction, de – 0.1 à 0.5 Nm en rotation interne et de – 1.1 à 0.8 Nm en flexion pour le moment articulaire calculé à l’épaule gauche. Or une simulation de Monte-Carlo de 1000 itérations sur l’essai d’un sujet, d’un bruit variable représentatif du bruit de mesure inhérent à l’utilisation de roues instrumentées, a montré que les résultats obtenus avec la méthode de référence avaient une incertitude de ± 1.4 Nm en adduction/abduction, ± 0.6 Nm en rotation interne/externe et ± 1.6 Nm en flexion/extension. En croisant ces deux analyses, on observe que les intervalles de confiance obtenus par l’analyse de diagrammes de Bland-Altman sont tous compris dans les intervalles de tolérance obtenus par la simulation de Monte-Carlo. Par conséquent, l’erreur liée à l’utilisation d’une méthode par rapport à l’autre est faible devant l’erreur inhérente liée à l’instrument de mesure principal, et la nouvelle méthode de dynamique inverse en TR peut être validée. L’analyse pour l’épaule droite a mené au même constat.

Dans cette étude, l’estimation en temps réel du moment articulaire à l’épaule a été rendue disponible sur le simulateur du LIO, et pourra désormais être ajoutée au mécanisme d’entrainement afin de limiter la charge à l’épaule. Enfin, l’amplitude de calcul du nouvel ordinateur TR du simulateur pourrait permettre l’implémentation de nouvelles mesures en TR comme l’activité musculaire à l’aide de capteur d’électromyographie. Le but à terme d’un tel outil serait de pouvoir aider les utilisateurs de FRM en prédisant les risques de blessures à travers leur propulsion, et en leur modifiant leur manière de propulser pour minimiser ces risques par l’entrainement sur simulateur.

Titre traduit

Development of a real-time tool for calculating joint reaction moments at the shoulders during manual wheelchair propulsion on a simulator using inverse dynamics

Résumé traduit

Approximately 2.6 million Canadians aged 15 and older have difficulty moving in their daily lives. To help them in their mobility, various assistive technologies are available, depending on the individual's disability, including manual wheelchairs (MW). However, repetitive propulsion in MW can lead to musculoskeletal disorders, shoulder pain, and worsen the user's disability. Estimating the shoulder joint moment is an indicator used to prevent these injury risks. A previous study has already shown that training on a simulator can modify a user's propulsion technique to increase a real-time variable and make the participant more efficient during propulsion. However, it also increased the shoulder joint moment. In this study, the goal was to design a device to make the shoulder joint moment available in real-time (RT) using the inverse dynamics method, so that it could be used in the simulator training mechanism in the future.

To achieve this, hardware and software upgrades were first made to the simulator, replacing the RT computer with a new specialized calculation computer. Subsequently, an optoelectronic system was installed to measure the upper limb kinematics of the user during propulsion on the simulator, and a communication protocol between the optoelectronic system and the RT computer was developed to read the transmitted RT signal. Next, the experimental protocol and inverse dynamics method used in a reference study were modified and adapted for realtime use.

To validate the new RT method developed in this study, previous data from 18 spinal cord injured MW users who propelled on the simulator were used. The simulator, equipped with 2 instrumented wheels, measured forces and reaction moments, while an optoelectronic system measured upper limb kinematics. With these two measurements, the shoulder moments were calculated using the reference method, which was not in real-time. Then, in the present study, the saved inputs were transmitted at a frequency of 120 Hz to the calculation computer to simulate real-time data collection. The validation of this software was performed on the dependent variable corresponding to the average of the maximum and minimum peaks of the shoulder joint moment cycles along the three anatomical axes.

A Bland-Altman analysis showed a difference between the two methods ranging from -0.3 to 1.1 Nm for adduction peak, -0.1 to 0.5 Nm for internal rotation, and -1.1 to 0.8 Nm for flexion in the calculated shoulder joint moment of the left shoulder. However, a Monte Carlo simulation of 1000 iterations on one subject, with variable noise representing the measurement noise inherent to the use of instrumented wheels, showed that the results obtained with the reference method had an uncertainty of ±1.4 Nm for adduction/abduction, ±0.6 Nm for internal/external rotation, and ±1.6 Nm for flexion/extension. By comparing these two analyses, it can be observed that the confidence intervals obtained from the Bland-Altman analysis are all within the tolerance intervals obtained from the Monte Carlo simulation. Therefore, the error associated with using one method compared to the other is small compared to the inherent error associated with the main measuring instrument, and the new real-time inverse dynamics method can be validated. The analysis for the right shoulder led to the same conclusion.

In this study, real-time estimation of the shoulder joint moment was made available on the LIO simulator and can now be added to the training mechanism to limit shoulder load. Finally, the computational capacity of the new RT computer in the simulator could allow for the implementation of new RT measures such as muscle activity using electromyography sensors. The ultimate goal of such a tool would be to help MW users by predicting injury risks through their propulsion and modifying their propulsion technique through simulator training to minimize these risks.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie des technologies de la santé". Comprend des références bibliographiques (pages 127-131).
Mots-clés libres:	propulsion, fauteuil roulant manuel, dynamique inverse, moment à l’épaule, temps réel, simulateur
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Aissaoui, Rachid
Codirecteur:	Codirecteur Chénier, Félix
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	02 oct. 2023 15:05
Dernière modification:	02 oct. 2023 15:05
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3285

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt