Detection of gait perturbations based on proprioceptive information. Application to Limit Cycle Walkers

Walking on irregular surfaces and in the presence of unexpected events is a challenging problem for bipedal machines. Up to date, their ability to cope with gait disturbances is far less successful than humans': Neither trajectory controlled robots, nor dynamic walking machines (Limit CycleWalkers) are able to handle them satisfactorily. On the contrary, humans reject gait perturbations naturally and efficiently relying on their sensory organs that, if needed, elicit a recovery action. A similar approach may be envisioned for bipedal robots and exoskeletons: An algorithm continuously observes the state of the walker and, if an unexpected event happens, triggers an adequate reaction. This paper presents a monitoring algorithm that provides immediate detection of any type of perturbation based solely on a phase representation of the normal walking of the robot. The proposed method was evaluated in a Limit Cycle Walker prototype that suffered push and trip perturbations at different moments of the gait cycle, providing 100% successful detections for the current experimental apparatus and adequately tuned parameters, with no false positives when the robot is walking unperturbed.

Dynamic visual information plays a critical role for spatial navigation in water but not on solid ground.

In the Morris water maze (MWM) task, proprioceptive information is likely to have a poor accuracy due to movement inertia. Hence, in this condition, dynamic visual information providing information on linear and angular acceleration would play a critical role in spatial navigation. To investigate this assumption we compared rat's spatial performance in the MWM and in the homing hole board (HB) tasks using a 1.5 Hz stroboscopic illumination. In the MWM, rats trained in the stroboscopic condition needed more time than those trained in a continuous light condition to reach the hidden platform. They expressed also little accuracy during the probe trial. In the HB task, in contrast, place learning remained unaffected by the stroboscopic light condition. The deficit in the MWM was thus complete, affecting both escape latency and discrimination of the reinforced area, and was thus task specific. This dissociation confirms that dynamic visual information is crucial to spatial navigation in the MWM whereas spatial navigation on solid ground is mediated by a multisensory integration, and thus less dependent on visual information.

Differences based on fine motor behaviour in Parkinson's patients compared to an age matched control group in proprioceptive and visuo-proprioceptive test conditions

Personality differences based on fine motor precision performance were studied in early stage Parkinson's patients and an age-matched control group under two different test conditions: proprioceptive + visual information and proprioceptive information alone. A comparative data analysis for deviations of three measured movement types (transversal, frontal and sagittal) was done for both hands (dominant and non-dominant) with relation to personality dimensions. There were found significant differences between the two groups in decision making dimension and emotionality. After splitting the data for gender subgroups, some significant differences were found for men but not for women. The differences in fine motor task performance varied, being better in some directions for the Parkinson"s patients and worse in others. The findings may suggest that medication has both positive and negative effects on motor performance and provoke personality changes, being more pronounced in men.

Proprioceptive and behavior impairments in individuals with anterior cruciate ligament reconstructed knees

Objective: To assess sensory deficits and their effects on proprioceptive and motor function in patients who had undergone unilateral anterior cruciate ligament (ACL) reconstruction.Design: Four evaluations were conducted: (1) joint position perception of the knee for predetermined angles (0degrees, 15degrees, 30degrees, 45degrees, 60degrees); (2) threshold for detection of passive knee motion at 0degrees, 15degrees, 30degrees, 45degrees, and 60degrees moving into flexion and at 15degrees, 30degrees, 45degrees, and 60degrees moving into extension; (3) latency onset of hamstring muscles; and (4) postural control during upright double- and single-leg stance.Setting: Movement laboratory in Brazil.Participants: Ten participants who had surgical reconstruction of the ACL (reconstructed group) and 10 participants without knee injury (control group).Interventions: Not applicable.Main Outcome Measures: Absolute error, angular displacement, hamstring muscles latency, and mean sway amplitude.Results: Individuals with a reconstructed knee showed decreased joint position perception, a higher threshold for detection of passive knee motion, longer latency of hamstring muscles, and decreased performance in postural control.Conclusions: After lesion and ACL reconstruction, sensory and motor behavior changes were still observed. This may be because of the lack of proprioceptive information resulting from the ACL lesion and/or substitution of ACL by the graft. (C) 2003 by the American Congress of Rehabilitation Medicine and the American Academy of Physical Medicine and Rehabilitation.

Does proprioceptive system stimulation improve sit-to-walk performance in healthy young adults?

[Purpose] Sit-to-walk performance is linked to proper proprioceptive information processing. Therefore, it is believed that an increase of proprioceptive inflow (using muscle vibration) might improve sit-to-walk performance. However, before testing muscle vibration effects on a frail population, assessment of its effects on healthy young people is necessary. Thus, the aim of this study was to investigate the effects of muscle vibration on sit-to-walk performance in healthy young adults. [Subjects and Methods] Fifteen young adults performed the sit-to-walk task under three conditions: without vibration, with vibration applied before movement onset, and with vibration applied during the movement. Vibration was applied bilaterally for 30 s to the tibialis anterior, rectus femoris, and upper trapezius muscles bellies. The vibration parameters were as follows: 120 Hz and 1.2 mm. Kinematics and kinetic data were assessed using a 3D motion capture system and two force plates. The coordinates of reflective markers were used to define the center-of-mass velocities and displacements. In addition, the first step spatiotemporal variables were assessed. [Results] No vibration effect was observed on any dependent variables. [Conclusion] The results show that stimulation of the proprioceptive system with local muscle vibration does not improve sit-towalk performance in healthy young adults.

Altered sensory-weighting mechanisms is observed in adolescents with idiopathic scoliosis

Affiliation: Paul Allard : Département de kinésiologie, Université de Montréal

Quand l’action surpasse la perception : rôle de la vision et de la proprioception dans la perception et le contrôle en temps réel de l’orientation spatiale de la main

Cette recherche a pour but d’évaluer le rôle de la vision et de la proprioception pour la perception et le contrôle de l’orientation spatiale de la main chez l’humain. L’orientation spatiale de la main est une composante importante des mouvements d’atteinte et de saisie. Toutefois, peu d’attention a été portée à l’étude de l’orientation spatiale de la main dans la littérature. À notre connaissance, cette étude est la première à évaluer spécifiquement l’influence des informations sensorielles et de l’expérience visuelle pour la perception et le contrôle en temps réel de l'orientation spatiale de la main pendant le mouvement d’atteinte naturel vers une cible stationnaire. Le premier objectif était d’étudier la contribution de la vision et de la proprioception dans des tâches de perception et de mouvement d’orientation de la main. Dans la tâche de perception (orientation-matching task), les sujets devaient passivement ou activement aligner une poignée de forme rectangulaire avec une cible fixée dans différentes orientations. Les rotations de l’avant-bras et du poignet étaient soit imposées par l’expérimentateur, soit effectuées par les sujets. Dans la tâche de mouvement d’orientation et d’atteinte simultanées (letter posting task 1), les sujets ont réalisé des mouvements d’atteinte et de rotation simultanées de la main afin d’insérer la poignée rectangulaire dans une fente fixée dans les mêmes orientations. Les tâches ont été réalisées dans différentes conditions sensorielles où l’information visuelle de la cible et de la main était manipulée. Dans la tâche perceptive, une augmentation des erreurs d’orientation de la main a été observée avec le retrait des informations visuelles concernant la cible et/ou ou la main. Lorsque la vision de la main n’était pas permise, il a généralement été observé que les erreurs d’orientation de la main augmentaient avec le degré de rotation nécessaire pour aligner la main et la cible. Dans la tâche de mouvement d’orientation et d’atteinte simultanées, les erreurs ont également augmenté avec le retrait des informations visuelles. Toutefois, les patrons d’erreurs étaient différents de ceux observés dans la tâche de perception, et les erreurs d’orientation n’ont pas augmenté avec le degré de rotation nécessaire pour insérer la poignée dans la fente. En absence de vision de la main, il a été observé que les erreurs d’orientation étaient plus petites dans la tâche de mouvement que de perception, suggérant l’implication de la proprioception pour le contrôle de l’orientation spatiale de la main lors des mouvements d’orientation et d’atteinte simultanées. Le deuxième objectif de cette recherche était d’étudier l’influence de la vision et de la proprioception dans le contrôle en temps réel de l’orientation spatiale de la main. Dans une tâche d’orientation de la main suivie d’une atteinte manuelle (letter posting task 2), les sujets devaient d’abord aligner l’orientation de la même poignée avec la fente fixée dans les mêmes orientations, puis réaliser un mouvement d’atteinte sans modifier l’orientation initiale de la main. Une augmentation des erreurs initiales et finales a été observée avec le retrait des informations visuelles. Malgré la consigne de ne pas changer l’orientation initiale de la main, une diminution des erreurs d’orientation a généralement été observée suite au mouvement d’atteinte, dans toutes les conditions sensorielles testées. Cette tendance n’a pas été observée lorsqu’aucune cible explicite n’était présentée et que les sujets devaient conserver l’orientation de départ de la main pendant le mouvement d’atteinte (mouvement intransitif; letter-posting task 3). La diminution des erreurs pendant l’atteinte manuelle transitive vers une cible explicite (letter-posting task 2), malgré la consigne de ne pas changer l’orientation de la main pendant le mouvement, suggère un mécanisme de corrections automatiques pour le contrôle en temps réel de l’orientation spatiale de la main pendant le mouvement d’atteinte naturel vers une cible stationnaire. Le troisième objectif de cette recherche était d’évaluer la contribution de l’expérience visuelle pour la perception et le contrôle de l’orientation spatiale de la main. Des sujets aveugles ont été testés dans les mêmes tâches de perception et de mouvement. De manière générale, les sujets aveugles ont présenté les mêmes tendances que les sujets voyants testés dans la condition proprioceptive (sans vision), suggérant que l’expérience visuelle n’est pas nécessaire pour le développement d’un mécanisme de correction en temps réel de l’orientation spatiale de la main basé sur la proprioception.

Contribution du cortex pariétal postérieur au contrôle de la locomotion sous guidage visuel chez le chat

La vision fournit des informations essentielles sur la surface de marche, ainsi que sur la taille, la forme et la position d’obstacles potentiels dans notre environnement. Dans le cas d’un prédateur, la vision fournit également des informations sur la vitesse d’une proie potentielle. Les mécanismes neuronaux impliqués dans l’exécution des modifications de la marche sous guidage visuel sont relativement bien connus, mais ceux impliqués dans la planification de ces modifications de la marche sont peu étudiés. Le cortex pariétal postérieur (CPP) semble être un candidat approprié si l’on considère les propriétés du CPP lors des mouvements d’atteinte vers une cible. Le but des présents travaux est de déterminer la contribution du CPP au contrôle de la locomotion sous guidage visuel. La première étude présentée dans cette thèse a pour hypothèse que le CPP du chat est impliqué dans la planification du placement précis du pied lors des modifications volontaires de la marche. Nous avons entraîné les animaux à enjamber des obstacles en mouvement attachés à la ceinture d’un tapis roulant. Afin d’augmenter la nécessité d’intégrer les informations visuelles et proprioceptives, nous avons dissocié la vitesse des obstacles de celle du tapis roulant. Nous avons observé que plus la vision devient critique pour la tâche, plus les déficits sont importants. Notre analyse démontre que ceux-ci résultent d’un placement inapproprié du pied dans le cycle de marche précédant l’enjambement de l’obstacle. Ceci suggère que le CPP est impliqué dans la planification du placement précis du pied pendant la locomotion sous guidage visuel. La vision directe est disponible lors de la modification de l’activité des membres antérieurs, mais n’est plus disponible lorsque l’obstacle passe sous le corps. Par conséquent, la modification de l’activité des membres postérieurs doit être basée sur l’information gardée en mémoire et coordonnée avec celle des membres antérieurs. Notre deuxième étude a pour but de caractériser les mécanismes neuronaux responsables de cette coordination. Nous avons proposé que le CPP soit impliqué dans la coordination des membres antérieurs et postérieurs lors de l’enjambement d’obstacles. Pour tester cette hypothèse, nous avons enregistré l’activité de neurones de l’aire 5 pendant la même tâche. Nous avons découvert deux populations: une qui décharge lors du passage de l’obstacle entre les membres antérieurs et postérieurs et une autre qui décharge lors du passage de l’obstacle par les membres postérieurs. Dans la tâche de dissociation visuelle, la décharge est modifiée en fonction du temps de passage de l’obstacle sous le corps et reflète la modification du couplage entre les membres lors du changement dans la stratégie d’enjambement. De plus, ces mêmes neurones maintiennent une décharge soutenue lorsqu’un obstacle fixe se trouve entre les membres antérieurs et postérieurs ou les deux membres postérieurs (limite testée : 1-2min). Ces neurones pourraient être responsables de l’emmagasinage à plus long terme des caractéristiques d’un obstacle pour le guidage des mouvements des membres postérieurs. Nos résultats suggèrent que le CPP est impliqué dans l’intégration des informations visuelles et proprioceptives pour la planification du placement précis du pied devant un obstacle. Le patron de décharge de nos populations neuronales suggère qu’il encode également l’information temporelle et spatiale concernant la vitesse et la position de l’obstacle afin de coordonner l’activité des quatre membres pendant la tâche. Finalement, nous proposons qu’une des fonctions du CPP soit d’estimer la position des membres par rapport à l’obstacle en mouvement.

L’influence d’un contexte virtuel sur les processus de contrôle en ligne des mouvements d’atteinte manuelle

L’objectif principal de la présente thèse était de déterminer les facteurs susceptibles d’influencer l’efficacité des processus de contrôle en ligne des mouvements d’atteinte manuelle. De nos jours, les mouvements d’atteinte manuelle réalisés dans un environnement virtuel (déplacer une souris d’ordinateur pour contrôler un curseur à l’écran, par exemple) sont devenus chose commune. Par comparaison aux mouvements réalisés en contexte naturel (appuyer sur le bouton de mise en marche de l’ordinateur), ceux réalisés en contexte virtuel imposent au système nerveux central des contraintes importantes parce que l’information visuelle et proprioceptive définissant la position de l’effecteur n’est pas parfaitement congruente. Par conséquent, la présente thèse s’articule autour des effets d’un contexte virtuel sur le contrôle des mouvements d’atteinte manuelle. Dans notre premier article, nous avons tenté de déterminer si des facteurs tels que (a) la quantité de pratique, (b) l’orientation du montage virtuel (aligné vs. non-aligné) ou encore (c) l’alternance d’un essai réalisé avec et sans la vision de l’effecteur pouvaient augmenter l’efficacité des processus de contrôle en ligne de mouvement réalisés en contexte virtuel. Ces facteurs n’ont pas influencé l’efficacité des processus de contrôle de mouvements réalisés en contexte virtuel, suggérant qu’il est difficile d’optimiser le contrôle des mouvements d’atteinte manuelle lorsque ceux-ci sont réalisés dans un contexte virtuel. L’un des résultats les plus surprenants de cette étude est que nous n’avons pas rapporté d’effet concernant l’orientation de l’écran sur la performance des participants, ce qui était en contradiction avec la littérature existante sur ce sujet. L’article 2 avait pour but de pousser plus en avant notre compréhension du contrôle du mouvement réalisé en contexte virtuel et naturel. Dans le deuxième article, nous avons mis en évidence les effets néfastes d’un contexte virtuel sur le contrôle en ligne des mouvements d’atteinte manuelle. Plus précisément, nous avons observé que l’utilisation d’un montage non-aligné (écran vertical/mouvement sur un plan horizontal) pour présenter l’information visuelle résultait en une importante diminution de la performance comparativement à un montage virtuel aligné et un montage naturel. Nous avons aussi observé une diminution de la performance lorsque les mouvements étaient réalisés dans un contexte virtuel aligné comparativement à un contexte naturel. La diminution de la performance notée dans les deux conditions virtuelles s’expliquait largement par une réduction de l’efficacité des processus de contrôle en ligne. Nous avons donc suggéré que l’utilisation d’une représentation virtuelle de la main introduisait de l’incertitude relative à sa position dans l’espace. Dans l’article 3, nous avons donc voulu déterminer l’origine de cette incertitude. Dans ce troisième article, deux hypothèses étaient à l’étude. La première suggérait que l’augmentation de l’incertitude rapportée dans le contexte virtuel de la précédente étude était due à une perte d’information visuelle relative à la configuration du bras. La seconde suggérait plutôt que l’incertitude provenait de l’information visuelle et proprioceptive qui n’est pas parfaitement congruente dans un contexte virtuel comparativement à un contexte naturel (le curseur n’est pas directement aligné avec le bout du doigt, par exemple). Les données n’ont pas supporté notre première hypothèse. Plutôt, il semble que l’incertitude soit causée par la dissociation de l’information visuelle et proprioceptive. Nous avons aussi démontré que l’information relative à la position de la main disponible sur la base de départ influence largement les processus de contrôle en ligne, même lorsque la vision de l’effecteur est disponible durant le mouvement. Ce résultat suggère que des boucles de feedback interne utilisent cette information afin de moduler le mouvement en cours d’exécution.

Effet de la maladie de Parkinson et de la médication dopaminergique sur les mécanismes de traitement et d'intégration sensorielle et l'adaptation visuomotrice

L’intégrité de notre système sensorimoteur est essentielle aux interactions adéquates avec notre environnement. Dans la maladie de Parkinson (MP), l’efficacité des interactions quotidiennes entre le corps et l’environnement est fréquemment réduite et diminue la qualité de vie. La MP est une maladie neurodégénérative résultant prioritairement d’une perte neuronale dopaminergique dans les ganglions de la base (GB). Cette dégénérescence altère le fonctionnement normal de la circuiterie associant les GB au cortex cérébral. L’administration de médications dopaminergiques permet d’améliorer les principaux symptômes cliniques moteurs de la MP. Cette thèse porte sur les rôles des GB dans les processus de traitement et d’intégration des informations sensorielles visuelle et proprioceptive et dans les mécanismes d’adaptation visuomotrice. Elle s’intéresse également à l’influence de la médication dopaminergique sur ces fonctions sensorimotrices. Nous avons réalisé trois études comportementales, utilisant l’atteinte manuelle tridimensionnelle comme modèle expérimental. Dans chacune de ces études, nous avons comparé la performance de personnes âgées en santé à celle de personnes souffrant de la MP avec et sans leur médication antiparkinsonienne quotidienne. Ces trois études ont été réalisées à l’aide d’un système d’analyse de mouvement et une station de réalité virtuelle. Dans la première étude, nous avons évalué si les GB sont prioritairement impliqués dans l’intégration sensorimotrice ou le traitement des informations proprioceptives. Pour se faire, nous avons testé la capacité des patients MP à effectuer des atteintes manuelles tridimensionnelles précises dans quatre conditions variant la nature des informations sensorielles (visuelles et/ou proprioceptives) définissant la position de la main et de la cible. Les patients MP ont effectué, en moyenne, de plus grandes erreurs spatiales que les personnes en santé uniquement lorsque les informations proprioceptives étaient la seule source d’information sensorielle disponible. De plus, ces imprécisions spatiales étaient significativement plus grandes que celles des personnes en santé, seulement lorsque les patients étaient testés dans la condition médicamentée. La deuxième étude présentée dans cette thèse a permis de démontrer que les imprécisions spatiales des patients MP dans les conditions proprioceptives étaient le résultat de déficits dans l’utilisation en temps réel des informations proprioceptives pour guider les mouvements. Dans la troisième étude, nous avons évalué si les GB sont prioritairement impliqués dans les mécanismes d’adaptation visuomotrice explicite ou implicite. Pour se faire, nous avons testé les capacités adaptatives des patients MP dans deux tâches variant le décours temporel de l’application d’une perturbation visuomotrice tridimensionnelle. Dans la tâche explicite, la perturbation était introduite soudainement, produisant de grandes erreurs détectées consciemment. Dans la condition implicite, la perturbation était introduite graduellement ce qui engendrait de petites erreurs non détectables. Les résultats montrent que les patients MP dans les conditions médicamentée et non médicamentée présentent des déficits adaptatifs uniquement dans la tâche explicite. Dans l’ensemble, les résultats expérimentaux présentés dans cette thèse montrent que la médication dopaminergique n’améliore pas le traitement des afférences proprioceptives et l’adaptation visuomotrice des personnes souffrant de la MP. Ces observations suggèrent que les dysfonctions dans les circuits dopaminergiques dans les GB ne sont pas les seules responsables des déficits observés dans ces fonctions sensorimotrices.

Rôle de la vision pour le contrôle de la dynamique du mouvement lors d'un geste de pointage manuel chez l'adulte ainsi que chez l'enfant

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Rôle des informations proprioceptives dans l’équilibre à la marche chez les personnes en santé et hémiparétiques

L'utilisation des informations proprioceptives pour le contrôle de l’équilibre à la marche est encore mal comprise chez les sujets en santé ou hémiparétiques suite à un accident vasculaire cérébral. Le but de cette étude était d’évaluer le rôle des informations proprioceptives dans le maintien de l'équilibre à la marche chez les patients en santé et hémiparétiques. Une analyse de mouvement en trois dimensions a été faite chez treize participants en santé et six hémiparétiques qui marchaient sur un tapis roulant instrumenté pour déterminer leur difficulté à maintenir l’équilibre postural et dynamique, évaluée respectivement par les forces stabilisante et déstabilisante. Des vibrations étaient appliquées en continu ou pendant la phase d’appui sur les muscles postérieurs du cou et sur le triceps sural du côté non-dominant/parétique. La vibration continue ou à l’appui du triceps sural a diminué, chez les sujets en santé, la difficulté à maintenir l’équilibre dynamique et postural (p< 0,01), avec une position du corps plus en arrière, sans changement des paramètres temporels de marche. L'équilibre et les paramètres temporels de la marche n'étaient pas modifiés significativement par la vibration à la nuque (p>.17). Aucun effet des vibrations n'a été mesuré chez les patients hémiparétiques (p> 0,45). Les informations proprioceptives sont donc bien utilisées lors de la marche, mais leur rôle dépendrait des conditions de marche et des afférences visuelles disponibles. Un changement dans les capacités d’intégration expliquerait l'absence d'effet des vibrations chez les patients hémiparétiques. D’autres études sont nécessaires pour comprendre l’intégration des informations proprioceptives et visuelles dans le contrôle de l’équilibre à la marche.

Optokinetic stimulation induces illusory movement of both out-of-the-body and on-the-body hand-held visual objects

The coding of body part location may depend upon both visual and proprioceptive information, and allows targets to be localized with respect to the body. The present study investigates the interaction between visual and proprioceptive localization systems under conditions of multisensory conflict induced by optokinetic stimulation (OKS). Healthy subjects were asked to estimate the apparent motion speed of a visual target (LED) that could be located either in the extrapersonal space (visual encoding only, V), or at the same distance, but stuck on the subject's right index finger-tip (visual and proprioceptive encoding, V-P). Additionally, the multisensory condition was performed with the index finger kept in position both passively (V-P passive) and actively (V-P active). Results showed that the visual stimulus was always perceived to move, irrespective of its out- or on-the-body location. Moreover, this apparent motion speed varied consistently with the speed of the moving OKS background in all conditions. Surprisingly, no differences were found between V-P active and V-P passive conditions in the speed of apparent motion. The persistence of the visual illusion during the active posture maintenance reveals a novel condition in which vision totally dominates over proprioceptive information, suggesting that the hand-held visual stimulus was perceived as a purely visual, external object despite its contact with the hand.

A virtual headstick for people with spinal cord injuries

This paper presents a virtual headstick system as an alternative to the conventional passive headstick for persons with limited upper extremity function. The system is composed of a pair of kinematically dissimilar master-slave robots with the master robot being operated by the user's head. At the remote site, the end-effector of the slave robot moves as if it were at the tip of an imaginary headstick attached to the user's head. A unique feature of this system is that through force-reflection, the virtual headstick provides the user with proprioceptive information as in a conventional headstick, but with an augmentation of workspace volume and additional mechanical power. This paper describes the test-bed development, system identification, bilateral control implementation, and system performance evaluation.

A virtual head-stick rehabilitation robot system

For individuals with upper-extremity motor disabilities, the head-stick is a simple and intuitive means of performing manipulations because it provides direct proprioceptive information to the user. Through practice and use of inherent proprioceptive cues, users may become quite adept at using the head-stick for a number of different tasks. The traditional head-stick is limited, however, to the user's achievable range of head motion and force generation, which may be insufficient for many tasks. The authors describe an interface to a robot system which emulates the proprioceptive qualities of a traditional head-stick while also allowing for augmented end-effector ranges of force and motion. The design and implementation of the system in terms of coordinate transforms, bilateral telemanipulator architecture, safety systems, and system identification of the master is described, in addition to preliminary evaluation results.