Développement d'un capteur de force pour l'analyse du comportement de grasping

Neuroph siol Clin 2000 ; 30 : 49-53 . 0 2000 B.ditlons saentifiques et mkdicales S09877053000005511FLA

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COMMUNICATION

BRiVE

Dbveloppement d’un capteur de force pour I’analyse du comportement de graspins F. Etcharry-Bouyxl, A. Merrien2,P. Allain’, J.P. Mariot2,G. Aubinl, J. Emile’, D. Le Gal11p3 ’ Unit6 de neuropsychologie. service de neurologie B, centre hospitalier et universitk d’Angers, 49033 Angers cedex 01; 2 insfitut d’acoustique et de mbcanique, groupe composites et structures universitk du Maine, Le Mans; 3 dkpartement de psychologie, universitt5 d’Angers, Angers, France (ReGu le 9 mars 1999 ; accept6

4, rue Larrey, mkaniques,

le 18 aofit 1999)

R&urn6 - Le comportement de cegrasping aaest un phenomenede prehension pathologiquecorrespondant a une fermeture non controlee de la main du patientsur les doigts de I’examinateur,provoquee par une pression cutanee mobile distale ascendante. La litterature en decrit plusieurs formes chez les patients cerebroleses. Nous avons developpeun capteur de force permettantI’enregistrement de la force de grasping en fonction de la force de tirage due a I’action de I’examinateur.La conception et la methodede calibrageseront presentees avant d’illustrer I’application cliniquesur deux patients selectionnes. 0 2000 Editionsscientifiques et medicales Elsevier SAS grasping / comportement de dependance/ prototype de mesure / capteur de force

Summary - Design of a force sensor to evaluate the grasping reflex. Grasping phenomenaare abnormalmotor behaviours described after cerebral lesions. They are defined as a stereotyped response, consisting of a progressive forced closure of the patients hand on the examiner’s fingers, when they are slowly moved exertinga strong pressure across the palm in an upward direction. Severaltypes are described. Theaim of the study was to developa force sensor to evaluatethe force of grasping in accordance with the force of dragging.The characteristics of this force sensor are presented andthe clinicalapplicationintwo selected patientsdemonstrated.0 2000 Editionsscientifiques et medicales Elsevier SAS grasping reflex / grasping phenomena /force sensor

INTRODUCTION Les comportements moteurs anormaux d&its apres des lesions frontales restent peu Ctudies. Parmi ceux-ci figurent les comportements de prehension pathologique dont le grasping refix. Defini comme une reponse de flexion adduction stertotypee, simple, consistant en une fermeture for&e de la main du sujet sur les doigts de l’examinateur, provoquee par une pression mobile distale ascendante en regard de la paume [3], il est dtcrit sous de multiples

termes [ 1,2]. Au tours dune premiere etude precisant l’incidence en clinique de ce comportement, nous en avons constatt plusieurs types [Etcharty-Bouyx F, et al. Comportement de grasp : incidence clinique et corrtlations anatomocliniques, soumis]. En effet, certains patients semblaient dependants de l’action exercte par l’examinateur et augmentaient leur force de groping au fur et a mesure que l’examinateur retirait ses doigts, d’autres au contraire ne modifiaient pas la force de grasping qui, une fois declenchee, semblait invariable. Nous avons alors eu l’idee de developper, avec l’aide du

F. Etchany-Bouyx et al.

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groupe composites et structures mtcaniques de l’Institut d’acoustique et de mkanique de l’universitt du Maine, un capteur de mesure de force capable d’analyser d’une man&e qualitative et quantitative la force de grdsping dkveloppke par le patient et la force de tirage dtveloppte par I’examinateur [5]. Nous presentons la m&hodologie de dtveloppement de ce capteur pour l’illustrer de deux exemples d’enregistrement de gvasping retrouvks chez deux patients sklectionnts.

PATIENTSET M&THODES MatGel,

description

du capteur

ConGu pour reproduire la manOeuvre clinique de recherche du grasping, le capteur rtalise en aluminium avait une forme cylindrique de 18 cm de long et 4 cm de diamttre. 11secomposait de deux parties @gwe Ia) reliees par un bloc cylindrique (B). La premitre partie Qigwe 16), placee dans la main du patient (I’), ttait constituee de deux demi-cylindres creux vissts selon un montage en S aux extrCmitts d’un corps d’tpreuve tquipt de jauges de dtformation. Le corps d’tpreuve ttait un solide Clan& de section carrte 20 x 20 mm2 oti deux zones de section rtduite 10 x 10 mm2 et de longueur 25 mm avaient Ctt usinkes puis per&es au diamPtre 5 mm. Le rapport des rigidit& d’un demicylindre et du corps d’Cpreuve ttait de 2. Sur chacune des faces d’une zone ttait co&e une jauge double de longueur 7 mm et largeur 6 mm orientte suivant l’axe z. Une jauge double (A,A,) et sa jauge opposke (A3A4) ktaient plactes dans les bras du pont de Wheastone selon le montage classiquede flexion de type pont complet g quatre jauges actives. Par consequent, les quatre ponts ne mesuraient que la d&formation due Bla flexion et n’ttaient pas sensiblesd la dtformation due B l’effort normal. Le champ de pressionexerce par la main du patient sur chaque coque etait mod&list par une force. L’amplitude de cette force etait appeke force de grasping (F ) et calcuke ?Ipartir des deux composantes mesurees(E,) et (F,,) selon la formule :

La deuxikme partie @gure lc) etait constituee d’un corps d’tpreuve ayant la forme d’un volant Bquatre bras (V) encastrt entre le bloc cylindrique (B) et la poignee tenue par l’examinateur (E). Ce corps d’tpreuve n’ktait sensiblequ’8 la composante axiale de I’action de I’exa-

Figure1. a : capteurdeforce,examinateur (E)et patient(P),volant (V), bloc cylindrique(B), x, y, z axesIi& au capteur; b : coques, corpsd%preuve et jaugesdedeformation (A,A2); c : poignke,bloc cylindrique (B) et volant(V).

minateur grke B une douille g aiguilles ins&e dans le bloc cylindrique qui filtrait les composantes indtsirables. Cette composante exercee par I’examinateur pour retirer le capteur de la main du patient ttait orient&e selon l’axe z et appeke force de tirage (F,). La mesurede cette force ttait rtalisCed l’aide de quatre jaugescollees sur un bras du volant et dispokes dans le pont de Wheastone selon le montage prkctdent. Les forces de grasping et de tirage ttaient exprimees en newton (N).

lhaluation quantifite du gmping

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ttaient hidemment dif&entes. L’introduction de ces don&es dans le systkme lindaire g rtsoudre conduisait & la determination d’une matrice K qui vtrifiait le principe de la mesure difl&entielle, garantissant ainsi une mesure inddpendante du point d’application de la force. La matrice K calcuke ttait - 18,648

E I--+ 27

- 0,175 [

Figure 2. Principes de I’ltalonnage suivant y (en haut) et z (en bas).

Mhhode

13,960

- 0,904

- 0,434 - 20,239

0,038

0,020

0,005

- 0,299

0,592

24,277

- 1,104

- 0,013 305,244 I

Les faibles valeurs provenaient du couplage physique entre composantes F,, F, et F, inherent B la forme du capteur, et la prise en compte de ce couplage amkliorait la prkision des mesures.

de calibrage

Le calibrage consistait a dCterminer les relations entre les forces appliqutes (F) au capteur et les tensions mesurees (U) issues des cinq ponts de jauges. La relation force-tension Ctait lintaire et caracterisee par une matrite K g trois lignes (F,, F,, F,) et cinq colonnes (cinq tensions) telle que F = KU. La dktermination exptrimentale de la matrice K nkessitait la r&olution d’un systkme lintaire surdttermine construit g partir d’une force appliqute, a intensitt et point &application variables, et des tensions correspondantes. L’estimation de la matrice K ttait alors don&e, au sens des moindres carrtes [6], par K = U+expFex oh Fexp est la matrice des forces appliquCes et U+exp Pa matrice pseudo-inverse construite & partir des tensions correspondantes. La proctdure de calibrage consistait g proposer des configurations de charge rCalistes qui reproduisaient les forces rtelles exerctes par le patient et l’examinateur. Dans le cadre d’une premiere modtlisation, les configurations de calibrage $pre2) &aient r&lisCes. Le calibrage se prCsentait en trois series, la premitre s&ie oh des forces radiales d’amplitude 20, 40 et 60 N suivant l’axe y ttaient appliqutes sur la demi-coque en cinq points d’application, la seconde strie &ait iclentiquement rtalis~e suivant l’axe x, et la dernitre strie etait rkaliste suivant l’axe z oh seule l’amplitude de la force de tirage (F,) variait. Ce protocole permettait de construire la matrice F,, g partir de chaque force appliquke et la matrice U, B partir des tensions mesurees correspondantes. Pour une m&me force appliquke en deux points distincts, les tensions proportionnelles au moment fltchissant

Caractciristiques

du capteur

Les amplitudes maximales autoriskes pour la force de graping et la force de tirage ktaient de 60 N. Les rigidit& de flexion du corps d’dpreuve et d’une coque Ctaient de 88 750 N/m et 190 330 N/m. La rigidite globale du capteur dtpendait du point d’application de la force, ttait maximale au milieu de la coque et valait quatre fois la rigidite de flexion du corps d’kpreuve. Les Ccartstypes des composantes calcukes F,, F, et F, ttaient infgrieurs 2 O,22 N quels que soient l’amplitude de la force appliqute et le point &application. Le capteur pkentait une faible sensibilite B l’orientation selon l’axe z de 0,l N/ 180”. Cependant le rtglage automatique & z&o des tensions g&trait une sensibiliti plus importante de 4 N/180”. Acquisition Un boitier conditionneur permettait d’alimenter le capteur avec une tension symCtrique de +_ 5 V et d’amplifier les tensions dtlivrtes. Le boPtier ttait equip6 d’un dispositif permettant le rCglage des ofiets et des gains pour chaque voie. Les cinq voies analogiques ttaient numtriskes g l’aide d’une carte AT-MI0 16XE50 (National Instruments) B une frCquence d’khantillonnage de 100 Hz sur 16 bits et d’un microordinateur. Une application a & developpte B l’aide du logiciel de dheloppement Labview 4.0@ (National Instruments) pour l’acquisition, la sauvegarde et la visualisation des donntes. Ces don&es Gtaient ensuite r&cup&es et

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F. Etcharry-Bouyx et al.

de calcul Matlab@ (Scientific Software Group).

entre la force de grasping (F,) et I’action de l’examinateur (F,) au tours de I’essai.

Sujets - ProcCdure d’enregistrement

RkSULTATS

A partir de l’evaluation clinique, nous avons selectionne

Description des courbes exp&imentales

traitdes a l’aide de routines programmtes sousle logiciel

deux sujets presentant un comportement de grasping cliniquement di&rent. Le premier patient, Bla, agede 65 ans, prtsentait une affection neurologique progressive, sous-corticale, evoquant une maladie de SteeleRichardson-Olszewski [4]. 11avait un grasping unilatb ral gauche dont la force semblait constante, invariable avec la consigne, ne se modifiant pas en fonction de l’action exercee par l’examinateur. Le second patient, Pru, agede 80 ans,prtsentait plusieurs lesionsvasculaires, corticales, hemisphtriques gauches (temporooccipitale et capsulothalamique). I1 avait unptipinggauche (deficit moteur a droite) dont la force evoluait en fonction de l’action de I’examinateur, cedant quand ce dernier ne bougeait plus les doigts, augmentant au contraire au fur et a mesure qu’il les retirait. Les deux patients avaient une comprehension conserveequi leur permettait de comprendre, en particulier, I’ordre de ne passerrer le capteur. Pour I’enregistrement, le patient etait assissur un siegea accoudoir, en face d’une table, lesbras de chaque c&e du corps, la paume en haut et en dedans. Tout en I’interrogeant sur son histoire dinique, l’examinateur lui glissait le capteur dans l’tminence thtnar au niveau du poignet pour le retirer au niveau desmetacarpophalangiennes dans le premier espaceinterosseux. L’acquisition durait 60 s. La manauvre etait repttee plusieurs fois et l’examinateur insistait pour qu’il ne serre pas le capteur. Tout au long de la recherche, I’examinateur maintenait une m&me orientation du capteur afin de ne pas modifier la direction et le point d’application des forces.

Nous avons obtenu deux profils d’enregistrement differents chez nos deux patients. Pour le patient Bla, le comportement de grasping d&clench& tres rapidement persistem&me en I’absencede l’action de l’examinateur (de 25 a 38 s) avec une force moyenne de 18 N. Pour le

40

30

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10

0 10

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20

Traitement des donntes Les mesuresttaient exprimtes, pour chaque essai,sous la forme de dew courbes representant, pour I’une, la force de grasping et pour I’autre, la force de tirage. Les deux courbes ttaient visualiseessur une meme fenetre, en noir pour la force de grasping (F,) et en gris pour la force de tirage (F,). Nous avons egalement utilise pour l’analyse desdon&es, le calcul du coefficient de correlation (RJ, au sens statistique usuel, qui caracttrise le degrt de dependance

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0

Figure3. Relevbsexpbrimentaux desforcesdegrasphgF, (N, en noir)et detirageFt (N, en gris)enfonctiondu temps(s) pourles patientsBlaet Pru.

Evaluation

quantifite

patient Pru, legrmpingse declenche t&s rapidement des le contact avec le capteur, pour atteindre une valeur maximale de 40 N h 18 s. La force de g-raping suit l’action de l’examinateur, diminuant et s’annulant en l’absence de l’action de l’examinateur (de 30 a 157s par exemple) &we 3). Le calcul du coefficient de correlation (RJ, entre la force de grasping (F,) et l’action de l’examinateur (F,), retrouve pour le patient Bla une valeur trts inferieure a 1 (0,7), contrairement au patient Pru oh la valeur calculte est de 0,97. Cela conforte l’idee de deux comportements difkents oh l’un semble independant de l’examinateur (Bla, faible correlation) et l’autre dtpendant de l’action de tirage (Pru, forte correlation).

CONCLUSION Lors dune premiere etude [Etcharty-Bouyx F, et al. Comportement de grasp : incidence clinique et corrtlations anatomocliniques, soumis], nous avions constate que le comportement de grasping n’ttait pas uniforme et qu’il pourrait en exister plusieurs varitds, comme les auteurs classiques l’ont suggCr6 [l, 21. L’analyse de la force de grasping, rendue possible grace a la rtalisation d’un capteur de force, a permis de conforter cette impression clinique chez deux patients selectionnes.

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dugraping

Cette etude demande a &re poursuivie et les donnees a &tre verifiees par d’autres enregistrements qui permettront de perfectionner la procedure d’enregistrement, le recueil des don&es (contrble musculaire par EMG) et d’ameliorer la conception du capteur. Ainsi l’enregistrement dun plus grand nombre de patients dans differentes pathologies contribuera-t-i1 a caracteriser et classifier les differents comportements de groping.

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