sont actuellement à la recherche de stratégies d'exploitation des données qui les aident à prendre leurs décisions. La proposition méthodologique en cinq étapes présentée dans ce mémoire a pour but de les aider dans cette démarche. Les paragraphes suivants présentent les évolutions envisagées pour chacune de ces étapes.

## DETERMINATION DES DONNEES PERTINENTES

Deux grands axes de recherche pour déterminer les données pertinentes peuvent être identifiés. L'un consiste à exploiter des bases de données déjà constituées. En effet, de grandes bases de données sur les mouvements sont maintenant disponibles. Des chercheurs s'organisent en groupes, comme par exemple la 'BEL community' animée par Marco Viceconti, pour partager des logiciels, des modèles et des données. D'autre part, ces bases de données peuvent être issues de multiples expérimentations réalisées pendant plusieurs années dans un centre d'analyse du mouvement. Les techniques pour les exploiter et les modéliser à partir de telles bases existent et prennent la forme des techniques de Data Mining. Elles sont utilisées avec succès dans de nombreux domaines (intelligence artificielle, sécurité de fonctionnement, ...) pour les décrire, les analyser et les modéliser. Toutefois, si ces données préexistantes ne doivent pas être ignorées, elles ne doivent cependant pas être perçues comme LA solution à la détermination des données pertinentes. En effet, si les données en elles-mêmes sont disponibles, il est rare que le contexte expérimental et les caractéristiques des sujets (secret médical) soient parfaitement documentés. Mais la véritable limitation à l'utilisation de ces bases est la non exhaustivité des variables disponibles ou estimables. Il est rare qu'elles couvrent la totalité des variables identifiées durant la phase de détermination des données pertinentes. Par contre, ces données peuvent être utilisées avantageusement pour compléter sa description statistique sur une population importante.

Pour aider à la détermination des variables pertinentes, il apparaît essentiel de faciliter et de développer les coopérations entre les chercheurs et les spécialistes du mouvement. En effet, elle permet, si elle s'inscrit dans une démarche itérative en coopération avec les experts du domaine, de définir l'ensemble des variables pertinentes caractérisant un mouvement. Pour la faciliter, des méthodes d'extraction de connaissance peuvent être utilisées (Duribreux-Coquebert M., 1995). Il en existe une multitude ayant chacune ses spécificités (Gallouin J.F., 1988; Wilson J.R. et Corlet E.N., 1990; Cookke N.J., 1994). Néanmoins, les méthodes qui semblent les mieux adaptées sont l'observation en situation et l'entretien semi dirigé. Les méthodes utilisées par Eric Watelain et Christophe Gillet en sont des adaptations mais elles n'ont pas été formalisées. Une première voie de recherche consiste donc à formaliser une méthodologie d'extraction et de modélisation des connaissances, spécifique à l'analyse du mouvement.

## MODELISATION CORPORELLE ET CAPTURE DES MOUVEMENTS

La précision des données acquises est constamment optimisée par les sociétés développant les systèmes de capture du mouvement en s'appuyant sur les développements technologiques actuels. Par exemple, pour la détection des marqueurs, la société Vicon est passée en 4 ans de caméras analogiques 1 MPixel associées à un système de seuillage analogique binaire placé dans un rack, à des caméras numériques 4 MPixels associées cette fois à un seuillage en niveau de gris embarqué dans la caméra et autorisant la superposition de marqueurs.

Néanmoins, ces progrès ne sont pas forcément perçus par les utilisateurs finaux parce que des problèmes d'un autre ordre et aux conséquences plus importantes (Leardini A., 2005) viennent les masquer : les mouvements de peau par exemple. L'identification du mouvement des marqueurs liés aux glissements de peau n'est actuellement pas prise en compte par les logiciels d'exploitation des systèmes d'analyse gestuelle. Paradoxalement, pour agrémenter leurs outils de visualisation, ces sociétés associent à un segment corporel sa représentation osseuse. Or, au lieu de recueillir l'adhésion des experts en anatomie, ces représentations sont rejetées et les données acquises décrédibilisées. En effet, les mouvements corporels obtenus
non corrigés par rapport aux glissements de peau, induisent une représentation du mouvement des pièces osseuses incohérente du point de vue de l'anatomie. Ainsi, une deuxième voie de recherche serait d'associer les techniques de palpations virtuelles développées durant le projet européen VAKHUM dirigé par Serge Van Sint Jan aux techniques de solidifications segmentaires introduites par Laurence Chèze (Chèze L., 1995). De même, une attention particulière doit être apportée à l'élaboration des interfaces graphiques. Elles doivent rendre accessibles et permettre l'exploitation de concepts mécaniques quelquefois complexes, que sont par exemple les centres et axes instantanés de rotation, à des utilisateurs qui ne sont pas toujours formés à ces notions.

<figure><img src="image_39.png" /><figcaption>**Figure 38 :** a) la solidification segmentaire de Laurence Chèze (Chèze L., 1995). D'un instant à un autre, les longueurs segmentaires sont conservées via des processus d'optimisation basés sur la conservation de la forme du segment définie à partir de marqueurs externes. b) La palpation virtuelle (Projet Européen VAKHUM) qui permet de recaler des repères osseux par rapport à des repères externes placés sur les segments. Ici le repérage de la tubérosité de l'os naviculaire.</figcaption></figure>

## RECHERCHE DE NOUVELLES VARIABLES ET CREATION DE NOUVEAUX INDICES PERTINENTS

Si les spécialistes de l'analyse du mouvement doivent veiller à intégrer les besoins des utilisateurs, pour autant, ils ne doivent cesser d'être force de proposition dans le domaine de la création d'outils d'analyse. Ainsi, durant sa thèse, Christophe Gillet a introduit et démontré l'intérêt de la notion de masse accélérée dans l'analyse de la marche humaine. Actuellement, des études sont menées pour présenter l'intérêt de la quantité de mouvement linéaire segmentaire dans les applications liées à l'ergonomie. De même, l'utilisation de la quantité de mouvement angulaire segmentaire est proposée pour l'analyse des activités gymniques. Ces travaux sont respectivement réalisés avec Paul Allard et Patrice Holvoët à partir des travaux initiés à Poitiers par Alain Junqua, Jacques Dubois et Patrick Lacouture (Dubois J. et al., 1994). Enfin, pour étudier la coordination tridimensionnelle de mouvements gymniques, une extension des phases relatives basée sur les quaternions est en cours d'élaboration.

## ERGONOMIE DES LOGICIELS DE CALCUL ET DE MISE EN FORME DES DONNEES BIOMECANIQUES

Actuellement, si l'interface homme-machine du logiciel de calcul et de mise en forme des données biomécaniques est satisfaisante en ce qui concerne l'exploitation du logiciel, elle peut être néanmoins très largement améliorée en ce qui concerne la création du fichier des paramètres. En effet, ce fichier qui décrit le modèle biomécanique et les traitements à réaliser est codé. La Figure 39 met en évidence la complexité à élaborer et à corriger de tels fichiers pour une personne non formée. Par exemple, la première ligne signifie que les forces et les couples mesurés par la 1ère plateforme dont le fichier de calibration est : PF-31-92-50 pf seront déterminés à l'aide de la 3ème fonction et associé au point n°36. Cette plateforme est
une plateforme LOGABEX (1er 0), elle est la première déclarée (2ème 0) et ses 6 voies analogiques commencent à la 1ère voie de mesure (3ème 0).

<figure><img src="image_40.png" /><figcaption>Figure 39: extrait d'un fichier paramètres qui contient la description du modèle de l'homme et les calculs qui lui sont associés.</figcaption></figure>

L'objectif du développement est de proposer à l'utilisateur une interface graphique simple où les champs des différentes fonctions seront prédéfinis. Ces champs seront configurés à partir de listes déroulantes préétablies qui présenteront le nom, et non plus le code numérique, de l'entité à configurer. Ces développements sont en cours et je les mène en collaboration avec Régis Leroux (I.R. CNRS).

## VALIDATION DE CONCEPTS CLINIQUES

Une autre voie de recherche consiste à valider quantitativement les concepts empiriques mis à jour durant l'extraction des connaissances ou inversement, à donner une pertinence clinique aux résultats numériques de l'analyse et de la modélisation des données. Mais dans les deux cas, l'occasion est donnée d'approfondir la compréhension du phénomène observé avec les experts. Par exemple, la thèse de Christophe Gillet a permis de valider un concept utilisé en kinésithérapie pour classer une population de jeunes hommes sains. Cette classification est principalement basée sur la mobilité et la posture du tronc vers l'avant ou vers l'arrière. Les recherches engagées et à venir ont pour objectif de mettre en évidence de telles classes chez la femme et de définir leurs spécificités compte tenu de l'hyper lordose lombaire constatée chez bon nombre d'entre elles. De même, des études sont menées pour déterminer la période d'apparition de ces comportements chez l'enfant et le suivi de leur évolution avec l'âge est en cours. Ce concept est aussi appliqué à l'étude de la posture orthostatique et à ses conséquences sur la qualité de la régulation de l'équilibre. Je réalise ces études en collaboration avec Paul Allard (biomécanique), Martin Simoneau (contrôle moteur), Sébastien Leteneur (kinésithérapie) et deux étudiants STAPS en Master 1 Recherche, Emilie Hutin et Sébastien Delacroix.

## INDICES DE SIMILARITE ET RAISONNEMENTS A PARTIR DE CAS

Le paragraphe sur l'élaboration de l'interface homme-machine du système d'aide à la prise de décision a montré d'une part, comment introduire plusieurs références dans l'interface utilisateur de façon à permettre aux spécialistes la mise en place de leurs raisonnements par analogie et d'autre part, comment prendre en compte les spécificités des intervenants pour optimiser l'accès aux données.

L'étape suivante consiste à renforcer la possibilité donnée à l'expert de raisonner par analogie et de capitaliser ses expériences. Pour ce faire, il est nécessaire d'introduire un nouvel indice dit de « similarité ». Cet indice est égal à 0 lorsque les sujets comparés sont dissemblables et égal à 1 lorsqu'ils sont identiques.
Comme précédemment, les indices de similarité par rapport aux représentants des classes 1, 2 et 3 sont présentés synthétiquement par une vue étoile. Cette première étape (Figure 40.a) permet d'identifier à quel représentant de classe (R.C.) le sujet traité est le plus similaire et donc de conclure sur les grandes caractéristiques de son mouvement. La seconde étape consiste à rechercher (Figure 40.b.1) dans une base de cas, les sujets déjà traités avec lesquels il a la plus grande similarité. Cette étape permet réellement un raisonnement par analogie puisque l'expert peut alors réutiliser ou adapter (Figure 40.b.1 et 3) les solutions thérapeutiques adoptées pour les cas similaires au patient à traiter. Lorsque le patient a été traité et que les effets de la solution ont été évalués, validés et renseignés, le sujet peut être retenu (Figure 40.b.4) et placé dans la base de cas. Cette démarche générale d'apprentissage a été décrite par Aamodt A. & Plaza E. en 1994 et a déjà été utilisée avec succès par Sébastien Chusseau durant sa thèse (Chusseau S., 1999) sur l'aide à la prise de décision en chirurgie orthopédique de la scoliose.

<figure><img src="image_41.png" /><figcaption>Figure 40 a) Représentation synthétique des indices de similarité par une vue étoile. Cette figure montre que la similarité entre le sujet traité et les représentants des classes R.C.1, R.C.2 et R.C.3 sont respectivement de 80%, 20% et 40%. b) méthode générale d'apprentissage décrite par Aamodt A. & Plaza E. en 1994.</figcaption></figure>

Durant la phase d'exploitation des cas similaires, les patients les plus similaires sont présentés au praticien grâce à une vue étoile (Figure 41.a). En sélectionnant un des sujets semblables, le praticien a la possibilité d'observer les similarités entre ses paramètres et ceux du sujet traité (Figure 41.b). Enfin, s'il sélectionne un des paramètres, un graphe regroupant le paramètre choisi pour le sujet testé, le sujet similaire précédemment sélectionné et le sujet représentant la classe, lui est présenté (Figure 41.c). Ainsi, il peut analyser dans le détail l'origine de l'absence de similarité. Comme pour les méthodes précédentes, les valeurs caractérisant au mieux la population étudiée, les classes de mouvements et leurs représentants doivent avoir été identifiés au préalable.

<figure><img src="image_42.png" /><figcaption>Figure 41: Exemple des différentes figures pouvant être présentées à l'utilisateur durant la phase de d'exploitation des cas similaires</figcaption></figure>

Cette approche a été décrite dans le cadre du projet Européen DIAMOND dirigé par Serge Van Sint Jan. Un « workpackage » dont j'avais la charge était consacré d'une part, à sa mise en œuvre dans le cadre de l'aide au diagnostic pour les opérations des membres inférieurs d'enfants IMC et d'autre part, au développement de la suite logicielle permettant sa
gestion. Si ce projet européen n'a pas été retenu, il a permis de mettre en place de solides collaborations et a révélé le véritable intérêt des cliniciens pour ce type d'interface. Par conséquent, les études en cours sur la marche seront utilisées pour développer le prototype « recherche » de ce logiciel.

## SIMULATION DE MOUVEMENTS ET DE POSTURE

La dernière perspective de recherche est l'intégration de la simulation dans les interfaces d'aide à la prise de décision. Les recherches expérimentales que j'ai menées et les outils méthodologiques et logiciels que j'ai développés visent à permettre l'identification des adaptations du corps aux contraintes induites par des comportements posturaux, lors de la marche ou en station érigée. Les résultats obtenus ont permis de valider des modèles cliniques. Il serait intéressant de pouvoir permettre aux experts de simuler la levée ou l'accentuation de ces contraintes pour les aider à prédire les actions correctives ou palliatives qu'ils envisagent. Des travaux exploratoires sont en cours avec Paul Allard et Georges Dalleau (La Réunion) sur la modélisation mécanique de la posture de la jeune fille scoliotique. De même, des modèles simples de portage ont été développés pour aider à la prise de décision et valider la position innovante de sangles sur le harnachement d'un porté-bébé (contrat Bébé Confort).
## 6.8 BIBLIOGRAPHIE :

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MODESTI : vers une méthodologie interactive de développement de système à base de connaissances

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Comprendre et utiliser les statistiques dans les sciences de la vie

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Development of an instrumented balance beam to study gymnast's dynamic balance control

Research quarterly for exercise and sport, en préparation 1

**Hars M., Gillet C., Barbier F., Simoneau M., Lepoutre F.X., Holvoët P.**

Are expert gymnasts affected by the height of the balance beam during backward acrobatic movements?

Neuroscience Letters, en préparation 2

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Body segment mass, radius and radius of gyration proportions of children

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Pelvic and lower limb Compensatory actions of subjects in an early stage of hip osteoarthritis

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Watelain E., Froger J., Barbier F., Lensel G., Rousseaux M., Lepoutre F.X., Thevenon A.,

Comparison of clinical gait analysis strategies by french neurologists, physiatrists and physiotherapists,

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Watelain E., Froger J., Rousseaux M., Lensel G., Barbier F., Lepoutre F.X., Thevenon A.

Variability of Video-based Clinical Gait Analysis in Hemiplegia as performed by practitioners in diverse specialties,

Journal of Rehabilitation Medicine, sous presse, 2005

White SG, McNair PJ

Abdominal and erector spinae muscle activity during gait: the use of cluster analysis to identify patterns of activity

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Wilson J.R., Corlet E.N.

Evaluation of human work. A practical ergonomist methodology

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Zijlstra W, Hof AtL

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Gait and Posture, vol 18, p 1-10, 2003
# Partie 7 Brevet, Publications, Chapitre de livre

## 7.1 BREVET

Lafoux A., Belledame S., Barbier F., Guret F.,

Sac à dos équipé d'un amortisseur angulaire entre l'arrière du sac et l'ensemble bretelles et/ou ceinture,

INPI 00119585, déposé par la société DECATHLON, 20 septembre 2000.

## 7.2 REVUES INTERNATIONALES AVEC COMITE DE LECTURE

Loslever P., Barbier F.,

Multivariate graphical presentation for gait rehabilitation study,

Gait Posture, 1998 Jan 1;7(1), p 39-44

Watelain, E., Barbier, F., Allard, P., Thevenon, A. et Angué, J.-C.

Gait pattern classification of healthy elderly men based on biomechanical data.

Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, 2000, vol. 81, p 579-586.

Watelain E., Dujardin F., Barbier F., Dubois D. & Allard P.,

Pelvic and lower limb Compensatory actions of subjects in an early stage of hip osteoarthritis

Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, vol.82, n°12, p1705-1711, December 2001.

Sadeghi H., Allard P., Barbier F., Sadeghi S., Hinse S., Labelle H.,

Main functional roles of knee flexors/extensors in able-bodied gait using principal component analysis

The Knee, 2002, vol 9, p47-53,

Watelain E., Froger J., Barbier F., Lensel G., Rousseaux M., Lepoutre F.X., Thévenon A.,

Comparison of clinical gait analysis strategies by french neurologists, physiatrists and physiotherapists,

Journal of Rehabilitation Medicine, Vol. 35, n°1, p8-14, 2003.

Gillet C., Duboy J., Barbier F., Armand S., Lepoutre F.X., Allard P.,

Contribution of the accelerated body masses to able-bodied gait

The American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation, février 2003, vol 82, p 101-109.

Barbier, F., Allard, P., Guelton, K., Colobert, B., Godillon-Maquinghen A.P., Lepoutre, F.-X.

Estimation of the 3D center of mass excursion from force plate data during standing

IEEE TTransactions On Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 11, n°. 1, p 31-37, march 2003

Allard P., Chavet P., Barbier F., Gatto L., Labelle H., Sadeghi H.

Effect of body morphology on standing balance in adolescent idiopathic scoliosis

The American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation, Vol. 83, No. 9, p 689-697, 2004

### Sous Presse :

Watelain E., Froger J., Rousseaux M., Lensel G., Barbier F., Lepoutre F.X., Thevenon A.

Variability of Video-based Clinical Gait Analysis in Hemiplegia as performed by practitioners in diverse specialties,

In J. Rehabil. Med, sous presse

### 7.2.1 CHAPITRE DE LIVRE

Pudlo P ; Barbier F.,

Evaluation de la coordination motrice : les phases relatives,

ISBN : 2-89137-159-3, Analyse du mouvement par la biomécanique, Chapitre 10, p 155-172,

Editeurs Décarie (Canada) & Vigot (France), 2000.
Lafoux A., Belledame S., Barbier F., Guret F.,

Sac à dos équipé d'un amortisseur angulaire entre l'arrière du sac et l'ensemble bretelles et/ou ceinture,

INPI 00119585, déposé par la société DECATHLON, 20 septembre 2000.

Loslever P., Barbier F.,

Multivariate graphical presentation for gait rehabilitation study,

Gait Posture, 1998 Jan 1;7(1), p 39-44

Watelain, E., Barbier, F., Allard, P., Thevenon, A. et Angué, J.-C.

Gait pattern classification of healthy elderly men based on biomechanical data.

Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, 2000, vol. 81, p 579-586.

Watelain E., Dujardin F., Barbier F., Dubois D. & Allard P.,

Pelvic and lower limb Compensatory actions of subjects in an early stage of hip osteoarthritis

Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, vol.82, n°12, p1705-1711, December 2001.

Sadeghi H., Allard P., Barbier F., Sadeghi S., Hinse S., Labelle H.,

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