neuropathie ataxiante sur une nouvelle plateforme de
force robotisée « IsiMove »
3.1 Introduction
Le développement technologique dans le domaine de la posturographie dynamique nous a permis d’avoir des plates-formes de force motorisées, paramétrables dans les 3 axes du mouvement et dans les différents types de perturbations (sinusoïdale, impulsionnelle ou triangulaire). L’étude de la réponse posturale à des perturbations dynamiques peut nous renseigner sur le mécanisme d’adaptation, de contrôle et d’éventuelles stratégies de compensation mises en jeu par le sujet lors de situations dynamiques du quotidien.
Les sujets présentant une neuropathie ataxiante présentent des atteintes plutôt sensitives et tendent à compenser ce déficit en augmentant l’utilisation des entrées visuelles. La perte proprioceptive des membres inférieurs peut entraîner des troubles de la posture et de l’équilibre statique, dynamique ou encore lors de la marche. L’évaluation stabilométrique de ces patients montre une augmentation de la surface d’oscillation du CP en condition statique (Missaoui B et Thoumie P, 2009) (Besma Missaoui B et Thoumie P, 2013) et en dynamique dans le plan antéro-postérieur et en basse fréquence (0.2Hz) (Nardone et al., 2007), les yeux ouverts et les yeux fermés.
Nous nous sommes intéressée au comportement de ces patients soumis à des perturbations dans les autres axes du mouvement (medio-latéral et rotation axiale) et à fréquence variable.
Nos hypothèses de travail ont été de considéré que :
Le comportement des patients ataxiques serait caractérisé par une instabilité majeure dans des conditions quasi statiques (basse fréquence de déstabilisation) et l’instabilité serait moins marquée dans des conditions plus dynamiques (hautes fréquences).
Une perturbation dans un seul axe s’avérerait insuffisante pour caractériser l’instabilité des patients ataxiques et le score composite intégrant plusieurs paramètres serait performant dans cette analyse discriminante.
Dans cette perspective, notre étude a été menée avec la coopération d’un ingénieur thésard de l’ISIR (Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique) qui faisait partie de l’équipe (société AssistMov) qui a développé la plate-forme de force dynamique robotisée « IsiMove » (Figure 17).
Figure 17 : La plateforme de force « IsiMove »
L’objectif de la conception de cette plateforme est d’évaluer les systèmes de contrôle de l’équilibre et de la posture dans les 3 plans de l’espace avec un grand nombre de perturbations et d’une façon contrôlée et répétitive.
La plateforme génère des mouvements de perturbations grâce à ses quatre degrés de liberté actionnés : deux inclinaisons (antéro-postérieure A/P et médio-latérale M/L), une rotation verticale (R) et une translation horizontale (T). Ces dernières sont actionnées par quatre moteurs pas à pas indépendamment asservis en position et en vitesse. La plateforme est
mobile permettent de mesurer de façon indépendante les centres de pression de chaque pied afin d’analyser une éventuelle asymétrie des sujets.
Les quatre mouvements élémentaires et indépendants de l’IsiMove sont définis comme suit :
§ 15° d’angle d’inclinaison dans les plans antéropostérieur (Y) et médio-latéral (X) avec une vitesse maximale de 20°/sec.
§ 120° de rotation (Z) autour de l’axe vertical avec une vitesse maximale de 55°/sec. § 150 mm de translation (T) horizontale, avec une vitesse de 200 mm/sec.
La plateforme peut aussi créer des mouvements combinés ou des perturbations multiaxes, et différentes formes de perturbations : pulsation, triangulaire, sinusoïdale.
L’IsiMove mesure en temps réel plusieurs paramètres :
§ Le centre de pression de chaque pied, et le centre de pression résultant. La résolution du plateau de force bipodale est de 0.1N.
§ La force exercée sur le plateau par chaque pied pour se maintenir en équilibre ainsi que la force résultante.
§ L’angle d’inclinaison ou le déplacement horizontal de la plateforme durant la perturbation.
§ La vitesse et l’accélération de l’inclinaison ou du déplacement de la plateforme. La fréquence d’échantillonnage de l’IsiMove est de 100Hz.
3.2 Objectifs
Notre objectif dans cette étude est d’analyser et de caractériser l’équilibre des patients atteints d’une neuropathie ataxiante en condition dynamique. Pour cela, nous avons élaboré un protocole expérimental qui consiste en plusieurs démarches qui seront détaillées ensuite.
Le protocole utilisé sur l’IsiMove est constitué d’une succession de 25 exercices obtenus selon 5 axes de perturbation avec 5 niveaux de perturbation. Les 5 axes de perturbations sont, selon l’ordre de leur déroulement :
1. Une inclinaison antéro/postérieure (A/P) notée « Rx ». Elle s’effectue autour de l’axe X d’une amplitude 4°.
2. Une inclinaison mediolatérale (M/L) notée « Ry ». Elle est réalisée autour de l’axe Y d’une amplitude de 4°.
3. Une translation horizontale notée « Ty ». Elle est effectuée le long de l’axe Y d’une amplitude de 60mm.
4. Une rotation autour de l’axe Z notée « Rz ». Son amplitude est de 30°
5. Une translation horizontale notée « Tx ». Elle est faite le long de l’axe X avec une amplitude de 60mm.
Chaque perturbation citée ci-dessus est associée à 5 niveaux de perturbation correspondant aux fréquences sinusoïdales utilisées : 1 = 0.1 Hz, 2 = 0.2 Hz, 3 = 0.3 Hz, 4 = 0.4 Hz et 5 = 0.5Hz. Notons que la durée des exercices dynamiques est de 10 secondes, et que les mesures sont enregistrées pendant 13 secondes (2 secondes avant le démarrage de la perturbation, et 1 seconde après son arrêt).
Dans un premier moment, nous avons essayé de distinguer les sujets témoins des patients. Pour réaliser cette discrimination, on définit un score pour évaluer la qualité de l’équilibre des patients. Ce score est calculé à partir des efforts mesurés, pour chaque pied, par le capteur de force bipodale de l’IsiMove.
3.3 Etapes de la méthode
La méthode d’évaluation de l’équilibre mise en œuvre ici est constituée de 2 phases. Dans la première phase, nous allons élaborer un score qui distingue les sujets témoins des patients en utilisant les données d’un groupe de sujets sains et jeunes, et celles d’un groupe de patients atteints d’une neuropathie ataxiante. Les étapes de cette phase sont les suivantes (voir Figure 18) :
1. Acquisition des positions des centres de pression du sujet dans différentes conditions, selon le protocole décrit précédemment.
2. Calcul du paramètre « surface de l’ellipse de confiance à 95% ». 3. Normalisation du paramètre.
4. Analyse discriminante permettant de ne retenir que les conditions les plus pertinentes au regard de la pathologie étudiée.
5. Calcul d’un score de la qualité de l’équilibre composé des différents paramètres retenus spécifiques à la pathologie étudiée
Pendant la seconde phase, nous allons valider le score calculé dans la phase 1. Le protocole est appliqué à un nouveau groupe de sujets sains et jeunes, et sur un nouveau groupe de patients présentant une neuropathie ataxiante. Ensuite, on cherchera à définir si le score permet d’identifier et de différencier les 2 nouveaux groupes. Les étapes de cette phase sont les suivantes :
1. Calcul du score composite (développé dans la phase 1) sur un groupe de sujets inconnus. Ce groupe est constitué d’un mélange de sujets sains et de patients. 2. Evaluation de la qualité de l’équilibre de chaque sujet et identification de son état
(pathologique ou non).
Figure 18 : Schéma de la démarche de la méthode.
3.3.1.1 Population
Nos données expérimentales sont issues de sujets répartis en deux groupes :
Le groupe de référence « GR - A » est constitué d’une population jeune n’ayant pas de problèmes d’équilibre, ni d’antécédents de troubles de l’équilibre. Il est composé de 10 sujets (5 hommes et 5 femmes), de taille moyenne 1.72 ± 0.12 m et âgés de 23 à 26 ans. Les données sur ce groupe de référence sont utilisées lors de la normalisation des paramètres (voir section 2.2).
Le groupe des patients atteints d’une neuropathie ataxiante « GNA – A » est constitué de 8 patients (4 hommes et 4 femmes), de taille moyenne 1.75 ± 0.09 m et dont l’âge varie entre 43 et 77 ans.
Pour ce dernier groupe la sensibilité vibratoire a été évaluée par le diapason 256 Hz et le score pallesthésique a été déterminé selon Merkies et al. (2004). La moyenne du score pallesthésique des patients était de 6.
3.3.1.2 Normalisation des paramètres
Pour l’analyse de l’équilibre en condition dynamique sur l’IsiMove, on calcule la surface de l’ellipse de confiance à 95% pour chacune des 25 conditions, soit un total de 25 paramètres pour chaque sujet
Ce nombre élevé de paramètres n’est pas exploitable en pratique clinique. Il est nécessaire d’en extraire les paramètres les plus pertinents, ce que permet une analyse statistique discriminante. Pour faciliter le travail, on décide de normaliser les paramètres. L’équation 2.2 permet de normaliser un paramètre variant entre 0 et 100%:
(2.2)
où Pmes est la valeur mesurée du paramètre pour un sujet et Pmax est la valeur maximale du paramètre pour tous les sujets.
3.3.1.3 Analyse discriminante et réduction des paramètres
Le nombre de paramètres calculés à partir des mesures prises sur des sujets atteints de troubles de l’équilibre peut être diminué, de façon à ne retenir que les plus pertinents au regard de l’analyse conduite. Nous cherchons donc à retenir les paramètres qui distinguent les sujets souffrant de troubles de l’équilibre de l’ensemble des sujets évalués. Dans cette optique, nous avons utilisé des méthodes statistiques.
Afin de réduire le nombre de paramètres et de ne garder que les plus pertinents, nous avons choisi d’appliquer la méthode non paramétrique de Mann Whitney et le test de Wilcoxon « rank-sum test » sur les paramètres calculés précédemment. Le but est de déterminer la probabilité de discrimination entre deux populations pour chaque paramètre. Ce test a été réalisé avec la toolbox statistics de Matlab, le seuil des probabilités étant fixé à 0.05.
inférieur à pw < 0.01. Afin de réduire encore le nombre des paramètres, 5 paramètres ayant le plus grand écart des moyennes entre les deux populations sont sélectionnés. Ceci nous aidera à séparer au maximum les deux groupes.
Cette analyse discriminante menée sur les paramètres mesurés, donne les 5 paramètres les plus significatifs (Figure 19)
• I-1: Inc AP 05: Surface – Inclinaison AP 05 • I-2: Trans AP 02: Surface – Translation AP 02 • I-3: Inc AP 01: Surface – Inclinaison AP 01 • I-4: Inc AP 03: Surface – Inclinaison AP 03 • I-5: Rot Hor 02: Surface – Rotation Horizontale 02
Figure 19 : Résultats du test de Wilcoxon « rank-sum test ». Les 5 paramètres plus significatifs.
3.3.1.4 Score Composé
Bien que chaque paramètre exprime un phénomène physique différent, l’analyse simultanée de plusieurs paramètres est difficile. La recherche d’un seul score représentatif s’avère particulièrement intéressante en routine clinique. La construction d’un nouveau score à partir de la moyenne pondérée des meilleurs paramètres est une approche plus flexible. Le score composé est calculé selon l’équation (2.4.1):
(2.4.1)
où les Pi sont les cinq paramètres issus de l’analyse discriminante effectuée dans la section précédente et les ai sont les coefficients de pondération.
Pour pouvoir calculer les coefficients de pondération ai, on utilise l’analyse en composante principale « ACP ». Cette analyse est une méthode statistique multi-variée qui permet de réduire un grand nombre de paramètres en un nombre de composantes réduit tout en conservant l’information. L’intérêt d’une telle analyse est de résumer les corrélations entre les variables exploitées et de mettre en évidence des sous-groupes de variables.
L’ACP, menée sur les paramètres discriminants retenus, montre que l’on peut expliquer 77.23% des variances des données (Figure 20). Afin d’augmenter ce pourcentage, on choisit d’utiliser un second facteur principal pour expliquer au moins 88.26% de la variance des données. La Figure 20 présente les cinq composantes fournies par l’ACP, les deux premières ont été retenues pour le score composite.
Figure 20 : Valeurs propres en fonction du nombre de valeurs propres et pourcentage de variance des données expliqué fournit par l’ACP.
Le score composé SC varie entre 0 et 100, puisque tous les paramètres Pi sont normalisés entre 0 et 100, et les coefficients de pondération varient entre 0 et 1. Un score composé proche de 0% représente une instabilité, le sujet souffre de troubles de l’équilibre.
3.3.1.5 Création du profil de stabilité
La Figure 21 montre que les personnes saines GR-A ont un score composé au-dessus de 60%, alors que les personnes qui ont des atteintes sensitives GNA-A sont situées au-dessous de 60%. La valeur moyenne des scores composés du groupe GR-A est de 75%, l’écart-type est de 5.7%. Pour le groupe GNA-A la moyenne est de 36% et l’écart-type de 12%.
Figure 21 : Représentation graphique de la différence entre les deux populations (GR-A et GNA-A) après l’application du score composé.
3.3.2 Validation de la méthode
Pour valider notre méthode, nous avons décidé de calculer le score composé élaboré dans la section 3.3.1.4 pour deux nouveaux groupes (Figure 22). Notre but est de valider si le score était capable de préciser et de déterminer si la personne du nouveau groupe était un sujet atteint d’une neuropathie périphérique ou un sujet sain.
3.3.2.1 Population de validation
Nos données expérimentales pour valider cette méthode sont issues d’une nouvelle population divisée en deux groupes :
Le groupe de référence « GR - B » est constitué d’une population jeune n’ayant pas de problème d’équilibre, ni d’antécédent de troubles de l’équilibre. Il est composé de 18 sujets (12 hommes et 6 femmes), de taille moyenne 1.71 ± 0.08 m et âgés de 22 à 83 ans.
Le groupe de patients atteints d’une neuropathie ataxiante « GNA - B » est constitué de 7 patients (4 hommes et 3 femmes), de taille moyenne 1.65 ± 0.10 m et dont l’âge varie entre 63 et 80 ans. La sensibilité vibratoire a également été évaluée par le diapason 256 Hz et la moyenne du score pallesthésique des patients était de 5.
3.3.2.2 Création du profil de stabilité de la nouvelle population
Les valeurs du score composé calculé sur la nouvelle population montrent le même résultat que celui trouvé dans la section 7. Les scores qui sont inférieurs à 60% correspondent aux sujets atteints d’une neuropathie ataxiante, alors que ceux qui sont supérieurs à 60% correspondent aux sujets normaux (Figure 23). Nous pouvons ainsi valider que le score composé de notre étude permet de faire la distinction entre les sujets sains et les patients présentant une neuropathie ataxiante.
Figure 23 : Représentation graphique de la différence entre les deux populations (GR-B et GNA-B) après l’application du score composé.
3.3.2.3 Modèle corrélant le score composé et l’âge
La Figure 24 montre la distribution des scores des sujets en fonction de l’âge. En effet, le GR- B regroupe 9 personnes âgées de plus de 45 ans et de moins de 90 ans. La Figure 24 montre que, pour toutes les tranches d’âges, les sujets normaux ont un score composé supérieur à celui des patients du GNA–A ou GNA–B. Les tests statistiques (corrélations de Pearson et Spearman) prouvent qu’il existe une différence significative entre les deux groupes GR et GNA (p < 0.001), et que l’âge n’a pas d’effets (p > 0.05).
Figure 24 : Représentation graphique du modèle corrélant le score composé et l’âge.
3.3.3 Discussion
3.3.3.1 Hypothèse des basses fréquences
Les études qui ont porté leur regard sur la posturographie statique et les neuropathies périphériques, montrent que les patients présentant des atteintes sensitives ont une augmentation de la surface d’oscillation du CP les yeux ouverts et les yeux fermés, cette dernière condition étant parfois impossible à réaliser (Nardone & Schieppati, 2004) (Nardone et al., 2006) (Nardone et al., 2007) (Missaoui & Thoumie, 2009). En ce qui concerne la posturographie dynamique, nous nous sommes intéressée à la possibilité pour un protocole de perturbation sinusoïdale, paramétré en différentes fréquences, de stimuler les afférences sensitives préservées des membres inférieurs de ces patients en haute fréquence. Ainsi, nous formulons l’hypothèse suivante: les patients atteints d’une neuropathie ataxiante sont plus stables lors d’une perturbation sinusoïdale en haute fréquence qu’en basse fréquence.
Nos résultats montrent que parmi les 5 paramètres les plus discriminants obtenus par le test statistique, 3 sont des paramètres de faibles fréquences (0.1 Hz et 0.2 Hz) indiquant plus d’instabilité des patients dans ces fréquences puisqu’une forte discrimination entre les sujets sains et les patients a été relevée dans ces conditions. Les faibles fréquences dans les 5 mouvements étaient presque toujours discriminantes. En effet, 9/10 des mouvements en
faibles fréquences étaient discriminants, contrairement aux hautes fréquences pour lesquelles 3/10 était discriminants.
Diener et al. (1982) ont étudié le déplacement du CP du corps de 6 sujets sains sur une plateforme de force de perturbation sinusoïdale dans l’axe antéro-postérieur avec une fréquence de stimulation qui variait de 0.01Hz à 1Hz et une amplitude de 2°, 4° et 6°, dans les conditions les yeux ouverts et les yeux fermés. Ils ont trouvé qu’à 0.3Hz le déplacement du CP des sujets était minimal dans la condition les yeux ouverts et sans différence significative entre les trois amplitudes. Notre étude montre une augmentation du déplacement du CP des patients à 0.3Hz dans l’axe antéro-postérieur.
Selon Bloem et al. (2003) on peut augmenter le feedback proprioceptif des membres inférieurs en utilisant une plateforme mobile des mouvements brusques de taille et vitesse variables. Plus tard, Nardone & Schieppati (2006) observent que les patients présentant une neuropathie périphérique avec une atteinte des fibres de gros et moyen calibre ont une performance dégradée par rapport aux sujets normaux sur une plateforme mobile de perturbation sinusoïdale. Visser et al. (2008) ajoutent que les perturbations rapides et courtes permettent d’étudier les réactions posturales défensives et immédiates, tandis que les mouvements lents et oscillatoires ont quant à eux été utilisés afin d’investiguer l’adaptation, l’anticipation et les mécanismes de contrôle en feedforward
D’après l’étude de Nardone & Schieppati (2006) la performance relativement bonne des patients avec une atteinte de fibres de gros et moyen calibre sur une plateforme dynamique de perturbation sinusoïdale pourrait dépendre de plusieurs causes :
La perturbation sinusoïdale peut compléter le manque de sensibilité des membres inférieurs.
En dynamique, les entrées vestibulaires et cutanées sont davantage impliquées dans le contrôle de l’équilibre et leurs effets ajoutent à la proprioception résiduelle;
Enfin, puisqu’après quelques cycles, la plateforme devient prévisible, les patients apprennent à exploiter les stratégies anticipatrices posturales.
En revanche, Antonio Nardone et al. (2007) ont analysé la performance des patients présentant une neuropathie ataxiante (Sensory Neuron Disease (SND)) sur une plateforme dynamique de perturbation sinusoïdale, et à l’inverse de ces résultats précédents, ces patients ont présenté une mauvaise performance par rapport aux sujets normaux. Ils suggèrent que cela est dû à la dégénérescence ajoutée de la branche centrale du neurone sensoriel qui se produit
chez ces patients et qui peut engendrer une aggravation plus importante du contrôle de l’équilibre, puisque l’information sensorielle n’atteint pas la moelle épinière.
Dans notre étude, nous avons observé une mauvaise performance des patients ataxiques dans les basses fréquences (0.1Hz et 0.2Hz), ce qui est en accord avec les résultats de Nardone et al. (2007) qui ont utilisé la fréquence de 0.2Hz. Par contre, dans notre protocole la fréquence augmente jusqu’à 0.5Hz et après 0.3 Hz nous n’avons pas retrouvé de différence statistiquement significative entre les sujets sains et les patients, ce qui indique donc une meilleure performance de ces derniers. Cela peut être lié, comme l’ont évoqué Nardone et al. (2006), à la perturbation sinusoïdale qui peut compléter le manque de sensibilité des membres inférieurs de ces patients, ou bien à la mise en jeu des entrées vestibulaires et cutanées en condition dynamique.
(Tiziana Lencioni et al., 2015) ont choisi le protocole STS (sit to stand) pour analyser l’équilibre statique et dynamique des patients présentant différents types de CMT. Ils ont observé que la capacité du sujet à stabiliser son corps au cours de la phase dynamique de la tâche, dépend de la fonctionnalité du système somatosensoriel et musculaire, notamment du muscle tibialis anterior et des fibres de gros calibres qui sont plutôt impliquées lors de mouvements rapides que dans la station debout immobile. Ces résultats sont cohérents avec notre étude puisque nos patients présentent des atteintes minimales, ou aucune, des muscles distaux, ce qui pourrait faciliter leur performance en haute fréquence.
3.3.3.2 Hypothèse des axes de perturbation
Nous nous sommes également intéressée à l’axe du mouvement, étant donné que la majorité des études concernant la posturographie dynamique ont analysé l’équilibre et les réactions posturales des sujets généralement dans le plan antéro-postérieur et non dans celui medio-latéral (Diener et al., 1982) (Horak et al., 1990) (Bloem et al., 2003) (Nardone et al., 2006) (Nardone et al., 2007). Ainsi, nous formulons une deuxième hypothèse, à savoir que lors d’un protocole de perturbation sinusoïdale sur une plateforme de force dynamique, les inclinaisons dans l’axe antéro-postérieur sont plus déstabilisantes que les inclinaisons dans l’axe medio-latéral.
Les résultats montrent que 4/5 des conditions du score composite sont des perturbations dans le plan antéro-postérieur. En outre, si on considère l’ensemble des