iBalance : un serious game pour prévenir les chutes

Les chutes chez les personnes âgées conduisent souvent à des blessures graves, hospitalisations, une perte d’autonomie et des situations de dépendance. Améliorer les capacités de contrôle de son équilibre est l’un des moyens de prévenir les chutes. En collaboration avec Nicolas Vuillerme, du laboratoire AGIM de l’Université Joseph Fourier de Grenoble, Anthony Fleury, chercheur à Mines Douai, travaille sur l’analyse de signaux posturaux en environnement embarqué. A l’occasion de la Bourse aux technologies (BAT) de l’Institut Mines-Télécom sur le thème de l’e-santé, qui se tient le 5 mars 2015 à Evry, il présente iBalance, un système de mesure, de suivi et d’entraînement des capacités de contrôle de l’équilibre entièrement intégré sur smartphone.

En utilisant les centrales inertielles de son smartphone, il est possible de déterminer l’orientation de son corps dans l’espace de l’utilisateur lorsqu’il est debout. Le gyroscope mesure la vitesse angulaire, l’accéléromètre capte l’accélération linéaire, et le magnétomètre détecte les modifications du champ magnétique dues aux mouvements. Ces trois outils couplés permettent d’estimer de manière précise l’angle du buste en 3 dimensions à un moment donné et pour une tâche donnée. Nicolas Vuillerme et Anthony Fleury ont ainsi eu l’idée d’utiliser le smartphone comme support pour effectuer ces mesures, qui sont d’ordinaire faites dans le cadre médical. « On a voulu démocratiser ce type de mesure via le smartphone. L’utilisateur peut effectuer lui-même des mesures de manière ludique, en dehors du cabinet médical. »

Apprendre à bien se tenir

Mieux encore, porté pendant des séances d’entrainement, le dispositif iBalance permet de s’exercer à améliorer son équilibre grâce à un retour sensoriel. Le « biofeedback » se fait par vibration ou par signal auditif. « Lorsque par exemple, l’orientation du buste se trouve en dehors d’une zone préalablement définie, un signal – attractif ou répulsif – est envoyé afin de signaler à l’utilisateur dans quelle direction il doit se diriger pour corriger sa posture. » L’objectif est d’aider à rééduquer les troubles posturaux et ainsi d’éviter les chutes, par exemple chez les personnes âgées mais aussi chez les malades chroniques. « Les diabétiques ont une perte de sensibilité au niveau de la voûte plantaire qui entraîne des problèmes d’équilibre. » iBalance propose également des exercices pour mesurer les ressources cognitives utilisées pour le contrôle de l’équilibre : « en mesurant le temps de réponse à des stimuli sonores debout et assis, on peut voir à quel point le fait de se tenir debout demande un effort mental. » Avoir choisi le smartphone présente un autre intérêt : « C’est un objet communiquant, il peut faire le lien avec des spécialistes capables d’interpréter ces mesures et de faire évoluer leur protocole en fonction de ses progrès. » Le système pourrait bientôt être utilisé dans un autre domaine, pour évaluer la motricité d’un membre à la suite d’une opération, un brevet rassemblant ces deux applications a été déposé au niveau national (brevet FR 1461233).

Des mesures comparables au domaine médical

L’enjeu a été de fournir des mesures comparables à celles du domaine médical. « Le plus dur a été d’évaluer si les capteurs qui sont sur les smartphones pouvaient atteindre la précision des capteurs en algorithmes propriétaires. On a fait des tests et on s’est aperçu que leur précision était suffisante, voire supérieure. » Un filtre algorithmique fusionne les données récoltées tout en éliminant le bruit, c’est-à-dire les signaux parasites, provenant surtout du traitement du gyroscope. Les smartphones génèrent aussi un champ magnétique, qui ne doit pas être pris en compte par le magnétomètre. « Il a fallu adapter le filtre pour les smartphones. On est en train d’essayer d’améliorer la précision en testant d’autres filtres. »

La mesure s’effectue en attachant le Smartphone, par l’intermédiaire d’une ceinture, au bas du dos de l’utilisateur.

Un autre défi a été de faire en sorte que la mesure fonctionne quel que soit la manière dont a été installé le module : « Comme on n’est pas dans le cadre clinique, il faut faire en sorte qu’il y ait le même calcul quelle que soit l’installation du module par la personne elle-même. » Le problème été résolu grâce à une ceinture lombaire contenant le smartphone. Anthony Fleury et son équipe ont effectué leurs mesures et travaillé à l’implémentation des deux filtres sur un bras robotisé. Ils ont également fait des mesures sur un groupe test – vingt personnes volontaires, jeunes et en bonne santé – et les ont comparées avec les résultats d’autres systèmes déjà testés ou mis en vente. « Le système est largement comparable, voire meilleur. » Les tests sur des personnes âgées ont de plus montré de bonnes améliorations entre les séances de mesures sans et avec le retour sensoriel.

Un dispositif intégré et accessible à tous

« La force du projet, c’est que le dispositif est tout intégré et accessible à tous. Il est utilisable par une personne seule et fournit des mesures comparables à celles du domaine médical. » Les chercheurs ont aussi pensé à une version avec retour sur tablette pendant les mesures, voire complément d’information. L’étape suivante est la mise au point d’un serious game : « On aimerait amener l’utilisateur à s’entrainer de manière un peu ludique, sur l’exemple de la wii balance board de Nintendo. »

En savoir + sur la Bourse aux technologies de l’Institut Mines-Télécom
En savoir + sur iBalance
En savoir + sur l’Unité de Recherche en Informatique et Automatique (URIA) de Mines Douai
Voir le site web d’Anthony Fleury
Voir le site web de Nicolas Vuillerme

Publications

• Franco, C., Fleury, A., Guméry, P.Y., Diot, B., Demongeot, J., & Vuillerme, N., « iBalance-ABF: a Smartphone-based audio-biofeedback balance system ». IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 60 (2013) 211-215.
• Fleury, A. ; Mourcou, Q. ; Franco, C. ; Diot, B. ; Demongeot, J. ; Vuillerme, N. ; « Evaluation of a Smartphone-based audio-biofeedback system for improving balance in older adults : A pilot study », in proc. Engineering in Medicine and Biology Society, 2013. EMBS’13. 35th Annual International Conference of the IEEE, 2013, Osaka, Japan, Jul. 3-7, 2013, pp. 1198-1201.