Un robot qui coache les patients durant leurs séances de rééducation

Après un accident, une intervention chirurgicale, ou face à une maladie chronique, certains patients doivent réaliser des séances de rééducation fonctionnelle durant de longs mois afin de recouvrir leurs fonctionnalités musculaires et neuronales. Une fois rentrés à leur domicile, la plupart d’entre eux ont des difficultés à poursuivre les exercices en toute autonomie, car ils perdent en motivation. Depuis 2016, le projet Keraal a pour objectif le développement d’un robot appelé Poppy capable de « coacher » les patients durant leurs séances de rééducation. Porté historiquement par IMT Atlantique (Institut Mines-Télécom), le CHRU de Brest et la start-up Génération robots, ce robot a été testé auprès d’une trentaine de patients en 2018 et a prouvé sa capacité à atteindre les mêmes objectifs médicaux qu’avec les programmes traditionnels menés par les kinés. Aujourd’hui, les chercheurs de ce projet poursuivent son développement, et cherchent notamment à personnaliser les séances.

Poppy a l’apparence d’un petit humanoïde de 84 cm de haut et ses proportions respectent celles d’un corps humain. Il fonctionne en deux temps et mémorise d’abord les mouvements à effectuer avec l’aide d’un thérapeute. Puis, il les reproduit face au patient, observe les exercices réalisés par ce dernier et est capable de lui faire un retour oral. « On souhaite passer à une étape supérieure et varier ces exercices en introduisant des niveaux de difficulté, explique Sao Mai Nguyen, directrice scientifique du projet Keraal. Par exemple, si l’exercice consiste à tenir une position mais demande beaucoup d’efforts pour le patient, le robot va lui demander de tenir la posture pendant une seconde, puis petit à petit monter à 5, 10 secondes et au-delà d’un certain temps, il va passer à un autre exercice. Le même principe s’applique pour les mouvements qui demandent une amplitude des membres plus ou moins grande. »

Une caméra thermique pour décrypter les émotions des patients

Les scientifiques développent de nouveaux algorithmes d’apprentissage de types modèles génératifs pour apporter de la graduation lors des exercices. Ils comptent aussi s’appuyer sur l’observation des mouvements des patients ainsi que l’analyse de leurs émotions. Pour y parvenir, avec ENSTA (École nationale supérieure de techniques avancées) Paris, une caméra thermique va être installée sur le robot. « Généralement, les émotions sont analysées en observant les traits du visage, ajoute la chercheuse. Ici, nous souhaitons observer la chaleur dégagée sur l’ensemble du corps et le visage afin de déterminer le niveau de fatigue musculaire du patient et son état émotionnel. »

Afin d’améliorer la qualité d’analyse des mouvements et pour simplifier le système, la caméra 3D, jusqu’ici utilisée et placée sur un trépied à côté du robot, va être remplacée par une caméra 2D. L’observation des mouvements est assez facile lorsque tous les membres du corps sont visibles, mais plus compliquée lorsque le patient se tourne et qu’une partie du corps est cachée par une autre. De nouveaux algorithmes de type deep learning vont donc être implémentés pour corriger cette difficulté. Pour cela, des capteurs seront placés sur le corps des patients et vont alimenter une base de données et ainsi permettre d’entraîner les algorithmes à analyser les parties du corps cachées.

Autre piste de développement : améliorer la mobilité de Poppy. Actuellement, il possède beaucoup de degrés de liberté, c’est-à-dire qu’il réalise de très nombreux mouvements et peut par exemple tourner autour de son tronc tout en s’inclinant en avant ou en arrière, une performance assez rare pour un robot. Par contre, sa mobilité est limitée et il ne parvient pas à se lever ou à se coucher seul. « Il est capable de faire les exercices en position debout, allongée et assise, mais les transitions pour changer de postures sont difficiles, précise Sao Mai Nguyen. Nous allons ajouter un système externe sous la forme d’un vérin afin de l’aider à changer de position. Il ne le fera pas comme un humain, mais ce n’est pas important, car ces changements de posture ne font pas partie des exercices de rééducation. »

Des séances au domicile des patients dans le futur

Une cage thoracique sera également ajoutée, car en plus de la bonne exécution des mouvements, la respiration joue aussi un rôle important dans la rééducation. Ce nouvel équipement sera à la fois visuel et fonctionnera à l’aide d’un système pneumatique permettant à l’air d’être impulsé et expulsé dans une poche, mais aussi sonore puisqu’il est prévu de mimer les sons de la respiration.

Trois ans seront nécessaires pour parvenir à personnaliser les séances de rééducation de Poppy. Et dans une dizaine d’années, il pourrait être suffisamment autonome pour réaliser les exercices directement au domicile des patients et transmettre les données, enregistrées à distance, à un kiné pour qu’il les analyse. D’ici là, les séances continueront à être réalisées dans un cadre clinique, avec la supervision du personnel médical pour évaluer de manière précise les progrès des patients. « Keraal est un projet prometteur qui répond bien aux problématiques de vieillissement de la population et de sédentarité en France, complète la chercheuse. Il peut s’appliquer à beaucoup de pathologies, notamment les lombalgies qui demandent à être soignées à l’aide d’exercices réguliers. Contrairement à des vidéos ou des coachs virtuels s’affichant sur un écran, le fait d’avoir une incarnation 3D et une présence physique à l’aide du robot permet une meilleure motivation des patients durant leurs séances, car une relation personnelle et une sorte d’attachement se créent entre ces derniers et la machine. »