Brevet FR2913326A1 — publié le 20080912

La présente invention concerne un dispositif de mesure et de correction de la verticale posturale d'un être humain et notamment des phénomènes de latéropulsion, ainsi que le procédé attaché audit dispositif. Le terme latéropulsion signifie une inclinaison latérale du tronc dans le plan frontal (ou gîte latérale). Les termes de verticale posturale active ou comportementale cnt été proposés dans la littérature. Parmi les systèmes de mesures bio-métriques, on connaît déjà deux grands types de dispositifs, l'un fait appel à une mesure mécanique de l'orientation de la partie du corps humain à étudier, et l'autre utilise le traitement d'images photographiques ou vidéos. Toutefois ces deux types de procédés présentent des problèmes liés soit à la complexité de leur mise en oeuvre, soit à la difficulté de leur utilisation. Ainsi, un premier dispositif, comme celui décrit dans le brevet US 5.080.109, consiste à marquer, avec un moyen optique, les points caractéristiques sur une image de la partie du corps humain à étudier, extraite d'une séquence vidéo d'une caméra. Les coordonnées spatiales desdits points sont calculés puis comparés à une base de données postérieurement uniquement en vue d'établir un diagnostic. Ce système nécessite l'intervention d'un praticien pour la saisie et le traitement des données. Enfin, on connaît plusieurs autres dispositifs, comme ceux décrits par exemple dans les brevets US 6.514.219 et JP 2005.103.197, qui analysent grâce à des marqueurs réfléchissants placés sur le patient, les données visuelles transmises soit de plusieurs caméras placées autour du patient, soit d'une caméra effectuant un balayage frontal, latéral et arrière du patient. Le dispositif exploite ces données biomécaniques en 3D pour détecter des déviations posturales du patient. Ces dispositifs, outre leur mise en UBCHU1 TEXTE DEPOSE RG/AF - 2 -œuvre complexe et donc leur coût, nécessitent la compétence d'un opérateur. De plus, ces dispositifs sont davantage utilisés pour l'analyse en :3D du mouvement d'un patient, et ils ne sont pas bien adaptés aux patients à mobilité réduite. La présente invention a pour but de remédier à ces divers inconvénients en proposant un dispositif et un procédé pour évaluer objectivement et quantitativement l'orientation du tronc et donc la verticale posturale ou latéropulsion d'un être humain, de conception particulièrement simple, pouvant être mis en oeuvre très facilement et à frais réduits (car il se compose d'équipements du commerce), dans un environnement pas nécessairement technique, par exemple un cabinet médical ou une chambre, et permettant au patient et/ou au praticien de voir instantanément le résultat de la mesure. A cet égard, la présente invention a pour objet un dispositif de mesure et de correction de la latéropulsion humaine comportant deux marqueurs à placer sur le dos du patient le long de sa colonne vertébrale, une assise sans dossier, tel qu'un tabouret ou similaire, comprise entre une caméra vidéo numérique et un écran de visualisation, de telle sorte que le patient puisse être assis libre de ses mouvements en regardant l'écran et en ayant la caméra c.errière lui orientée en direction de son dos et desdits marqueurs, et un ordinateur connecté à ladite caméra et audit écran par des moyens filaires ou similaires, remarquable en ce que ledit ordinateur possède des moyens informatiques, de type algorithme et/ou logiciel ou similaire, d'acquisition, d'analyse et de traitement des images en 2D du dos dudit patient avec les marqueurs, issues de ladite caméra, pour obtenir en temps réel sur l'écran, d'une part la visualisation schématique du patient de dos en position assise et de son inclinaison par rapport UECHUI_TEXTE DEPOSE_RG/AF à la verticale, modélisée par le segment de droite déterminé par lesdits marqueurs, et d'autre part la valeur de l'angle de déviation de ladite inclinaison. La caméra vidéo numérique, selon l'invention, est de préférence de type CMOS, c'est-à-dire une caméra comprenant des capteurs d'image utilisant la technologie (Complementary Metal Oxyde Semiconductor) basée sur le phénomène physique photo--électrique. Ces capteurs ont pour avantages d'avoir une consommation en énergie réduite, des procédés de fabrication et de mise en oeuvre simples, et de r..e pas nécessiter de carte d'acquisition spécifique. Un autre objet de l'invention est le procédé de mesure de la latéropulsion humaine remarquable en ce qu'il comporte une étape d'étalonnage de la caméra par rapport à la verticale, puis une étape de calcul de la déviation constituée d'une part du calcul de la position du barycentre de chaque marqueur et d'autre part de l'évaluation de l'angle formé par le segment de droite déterminé par lesdits marqueurs et la verticale. Afin de faire mieux ressortir d'autres avantages et caractéristiques de la présente invention, on décrira ci- après à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de ladite invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - La figure 1 est une vue en perspective du dispositif de mesure de la latéropulsion humaine en situation avec un patient. - La figure 2 est une vue de face de l'écran de visualisation, tel que le voit le patient. En référence aux figures 1 et 2, le dispositif 1 de mesure et de correction de la latéropulsion humaine selon l'invention est constitué de deux marqueurs 2 ronds de diamètre 0,8 cm, à placer sur le dos du patient 3 le long de sa colonne vertébrale, d'une assise 4 sans dossier UBCHUI TEXTE DEPOSE_RG/AF - 4 - comprise entre une caméra vidéo numérique 5 et un écran de visualisation 6, de telle sorte que le patient 3 puisse être assis libre de ses mouvements en regardant l'écran 6 et en ayant la caméra 5 derrière lui orientée en direction de son dos et desdits marqueurs 2, et d'un ordinateur 7 pour l'acquisition, l'analyse et le traitement des images, connecté à ladite caméra 5 et audit écran 6 par des moyens filaires ou similaires respectivement 8 et 9. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, l'ordinateur 7 du dispositif 1 possède des moyens informatiques, de type algorithme et/ou logiciel ou similaires, d'acquisition, d'analyse et de traitement des images du dos dudit patient 3 grâce aux marqueurs 2 issues de la caméra 5 pour obtenir, en temps réel sur l'écran 6, d'une part la visualisation schématique 10 du patient 3 de dos en position assise et ce son inclinaison par rapport à la verticale, modélisée par le segment de droite déterminé par lesdits marqueurs 2, par rapport à la verticale, et d'autre part la valeur de l'angle de déviation de ladite inclinaison. Selon une variante d'exécution particulièrement avantageux et facile à mettre en oeuvre, la caméra vidéo numérique 5 est de type CMOS, et plus particulièrement de type webcam, fonctionnement avec un débit de 30 images par secondes et une résolution vidéo de 640 x 480 pixels, est connectée par un moyen filaire 8 par exemple un câble USB (Universel Serial Bus) ou similaire à l'ordinateur 7 de type PC (Personal Computer). Afin d'éviter l'erreur de mesure due à la distorsion de l'image, il est important de positionner la caméra 5 entre les marqueurs 2 à une distance comprise entre 70 et 120 cm du dos du patient, de telle sorte que l'axe de la caméra 5 soit sagittal. UBCHUI_TEXTE DEPOSE_RG/AE 5 - Les images issues de la caméra 5 sont transférées à l'ordinateur 7 par le biais du moyen filaire 8. Ces images sont alors analysées par un algorithme, spécifiquement développé en langage Visual C++ O ou similaire, afin de calculer l'angle formé par le segment de droite déterminé par lesdits marqueurs 2 et la verticale. Les résultats générés par l'algorithme sont repris par le logiciel de rétro-information visuelle et présentés en temps réel, sur l'écran de visualisation 6, au patient 3, sous la forme d'une visualisation schématique 10 représentant le patient 3 de dos, avec une inclinaison correspondant à l'angle déterminé, conformément à la figure 2. Le patient 3 peut ainsi clairement voir son inclinaison par rapport à la verticale. Selon une autre variante d'exécution, afin de permettre une bonne analyse du mouvement du patient compte tenu de sa vitesse de déplacement, la caméra vidéo numérique 5 utilise des capteurs CMOS de type rapide permettant un débit supérieur à 200 images par secondes. De plus, elle possède aussi un réseau logique programmable embarqué de type FPGA (Field Programmable Gate Array, réseau de portes programmables in-situ) permettant le pré-traitement des images. Ce type de caméra permet d'acquérir des images à haute vitesse, de détecter la position des marqueurs 2 et de transmettre en un temps très court (moins de 10 ms) par le biais d'un câble de type USB2 les coordonnées des marqueurs 2 à l'ordinateur 7 et, en outre, de réduire l'encombrement du dispositif et sa consommation électrique. Enfin, selon une dernière variante d'exécution, et afin de réduire encore l'encombrement et de faciliter encore la mise en oeuvre du dispositif, les moyens filaires 8 peuvent être remplacés par une connexion sans fil de type WIFI ou similaire. De plus et pour les mêmes UECHUI_TEXTE DEPOSE_RG/AF - 6 - raisons, il va de soi que l'ensemble constitué de l'ordinateur 7, de l'écran de visualisation 6 et des moyens filaires 9, peut être avantageusement remplacé par un ordinateur portable La présente invention a également pour objet le procédé de mesure de la latéropulsion humaine, remarquable en ce qu'il comporte une étape d'étalonnage de la caméra 5 par rapport à la verticale, puis une étape de calcul de la déviation constituée d'ur..e part du calcul de la position du centre de gravité de chaque marqueur 2 et d'autre part, de l'évaluation de l'angle formé par le segment de droite déterminé par lesdits marqueurs 2 et la verticale. Conformément à la figure 1, le procédé de mesure comporte les étapes suivantes : - installation du patient 3 sur l'assise 4, - mise en place des marqueurs 2 le long de la colonne vertébrale du patient 3, mise en place de la caméra 5 au centre des marqueurs 2 à une distance comprise entre 70 et 120 cm du dos du patient 3 de telle sorte que son axe soit sagittal, - étalonnage de la caméra 5 par rapport à la verticale, -acquisition d'une image du dos du patient 3 par la caméra 5, - transfert de l'image à l'ordinateur 7 par le biais du moyen de connexion 8, analyse de l'histogramme du niveau de gris de l'image, - segmentation de l'image en utilisant le seuil 30 dynamique, - extraction des marqueurs 2 de l'image en utilisant la détection de contours et l'analyse des contrastes, UBCHU1 TEXTE DEPOSE RG/AF - 7 - - calcul du centre de gravité de chaque marqueur 2 détecté grâce à une somme pondérée des poids des pixels de contours, - évaluation de l'angle formé par la droite 5 déterminée par les deux marqueurs 2 et la verticale par une approche de géométrie classique, - rétro-information en temps réel sur l'écran 6 de la visualisation schématique 10 du patient 3 de dos en position assise et de son inclinaison par rapport à la 10 verticale et de la valeur de l'angle de déviation de ladite inclinaison. Le dispositif 1 et le procédé associé conviennent très bien à la mesure de la latéropulsion chez tous les patients 3, notamment ceux à mobilité réduite, puisqu'il 15 est compact et portab=_e, qu'il ne nécessite pas de calibrage, et que le positionnement de la caméra 5 est réglable sur une distance comprise entre 70 et 120 cm, à condition que son axe soit sagittal. Il peut analyser des orientations de tronc moyennes, même avec des oscillations 20 de tronc jusqu'à 20 degrés/s, qui seraient suffisantes pour évaluer quantitativement la latéropulsion dans la position assise et/ou debout. Par conséquent, ce dispositif représente une étape importante dans l'évaluation clinique de patients 25 accidentés fournissant le premier outil de quantification objective de latéropulsion du tronc, depuis par exemple la chambre du patient. On demande aux patients d'être assis, durant la mesure, sur leur lit pendant quelques secondes, yeux fermés, des jambes pendant librement et des mains 30 croisées sur les cuisses. Enfin, l'invention a pour dernier objet l'application du dispositif et du procédé exposés précédemment pour la rééducation du patient souffrant de troubles de la verticalité, notamment de latéropulsion, en utilisant la UBCHUI TEXTE DEPOSE RG/AF - 8 - rétro-information visuelle en temps réel sur l'inclinaison du tronc du patient par rapport à la verticale, pour faire participer activement ledit patient à un programme de :.ééducation par le biais de routines prédéfinies d'exercices statiques et/ou dynamiques. Ainsi en référence aux figures 1 et 2, ledit programme de rééducation présente les principales fonctionnalités suivantes : - Le patient 3, assis sur une assise 4 devant l'écran 6, voit sa visualisation schématique 10 et perçoit, en temps réel, sa propre inclinaison par le biais de l'inclinaison de ladite visualisation 10 et de la droite déterminée par les deux marqueurs 2. - La consigne donnée au patient 3 par le programme est alors de deux types : soit d'aligner et de maintenir pendant un laps de temps donné sa position sur une ligne prédéfinie sur l'écran, soit d'ajuster sa position sur une ligne qui bouge de façon prédéterminée. -Après chaque exercice, le programme calcule un taux 20 de réussite qui va permettre de suivre les progressions du patient 3 au cours de la séance. Il va de soi que les paramètres du programme peuvent êtres modifiés à l'intér_eur même d'une séance d'exercice, pour augmenter la difficulté de chaque exercice, par 25 exemple soit en augmentant le temps de maintien de la position statique ou la vitesse de déplacement de la ligne dynamique, soit en inversant la polarité (le patient 3 s'incline d'un coté et sa visualisation 10 s'incline du coté opposé). 30 Pour accentuer encore la convivialité du programme, une option permet de choisir une image d'homme ou de femme pour la visualisation schématique 10 du patient 3. Enfin, il va bien entendu de soi que la présente invention, n'est pas limitée aux exemples de réalisation UBCHU1 TEXTE DEPOSE RG/AF - 9 - décrits, mais qu'elle peut être modifiée ou adaptée en fonction des besoins ou des exigences particulières, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. UBCHUI_TEXTE DEPOSE_RG/AF REVENDICATIONS 1 - Dispositif (1) de mesure et de correction de la =_atéropulsion humaine comportant des marqueurs (2) de couleur à placer sur le dos du patient (3) le long de sa colonne vertébrale, une assise (4) sans dossier, tel qu'un tabouret ou similaire, comprise entre une caméra vidéo numérique (5) et un écran de visualisation (6), de telle sorte que le patient (3, puisse être assis libre de ses mouvements en regardant ledit écran (6) et en ayant ladite caméra (5) derrière lui orientée en direction de son dos et desdits marqueurs (2), et un ordinateur (7) connecté à ladite caméra (5) et audit écran (6) par des moyens de connexion filaires ou similaires respectivement (8) et (9), caractérisé en ce que ledit ordinateur (7) possède des moyens informatiques, de type algorithme et/ou logiciel ou similaire, d'acquisition, d'analyse et de traitement des images en 2D du dos dudit patient (3) avec les marqueurs (2), issues de ladite caméra (5), pour obtenir en temps réel sur ledit écran (6), d'une part la visualisation schématique (10) du patient (3) de dos en position assise e= de son inclinaison par rapport à la verticale, modélisée par le segment de droite déterminé par lesdits marqueurs (2), par rapport la verticale, et d'autre part la valeur de l'angle de déviation de ladite inclinaison. 2 - Dispositif (1) de mesure et de correction de la latéropulsion humaine suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux marqueurs (2). 3 - Dispositif (1) de mesure et de correction de la latéropulsion humaine suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la caméra vidéo numérique (5) est avantageusement de type CMOS. 4 - Dispositif (1) de mesure et de correction de la latéropulsion humaine suivant l'une quelconque des UBCHUI_TEXTE DEPOSE_RG/AE-- 11 -revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la caméra vidéo numérique (5) utilise des capteurs CMOS rapides permettant une acquisition d'images à une fréquence égale ou supérieure à 20 images par seconde. 5 - Dispositif (1) de mesure et de correction de la latéropulsion humaine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la caméra vidéo numérique (5) utilise un réseau logique programmable embarqué de type FPGA ou similaire permettant le pré- traitement des images. 6 - Dispositif (1) de mesure et de correction de la latéropulsion humaine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de connexion (8) sont de type sans fil WIFI ou 15 similaire. 7 - Procédé de mesure de la latéropulsion humaine mettant en oeuvre le dispositif (1) de mesure et de correction suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape 20 d'étalonnage de la caméra par rapport à la verticale, puis une étape de calcul de la déviation du segment de droite déterminé par les marqueurs (2) et la verticale. 8 - Procédé de mesure de la latéropulsion suivant la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend 25 les étapes successives qui suivent : - installation du patient sur l'assise (3), mise en place des marqueurs (2) le long de la colonne vertébrale du patient (3), - mise en place de la caméra (5) au centre des 30 marqueurs (2) à une distance comprise entre 70 et 120 cm du dos du patient (3) de telle sorte que son axe soit sagittal, - étalonnage de la caméra (5) par rapport à la verticale, UBCHUI_TEXTE DEPOSE_RG/AF-- 12 - - acquisition d'une image du dos du patient (3) par la caméra (5), - transfert de l'image à l'ordinateur (7) par le biais du moyen de connexion (8), - analyse de l'histogramme du niveau de gris de :'image, - segmentation de l'image en utilisant le seuil dynamique, - extraction des marqueurs (2) de l'image en 10 utilisant la détection de contours et l'analyse des contrastes, calcul du centre de gravité de chaque marqueur (2) détecté grâce à une somme pondérée des poids des pixels de contours, 15 - évaluation de l'angle formé par la droite déterminée par les deux marqueurs (2) et la verticale par une approche de géométrie classique, - rétro-information en temps réel sur l'écran (6) de la visualisation schématique (10) du patient (3) de dos en 20 position assise et de son inclinaison par rapport à la verticale et de la valeur de l'angle de déviation de ladite inclinaison. UBCHUI TEXTE DEPOSE RG/AF