Single-camera pose estimation for quantitative assessment of balance deficits: a proof-of-concept using graded acute alcohol intake

L'équilibre est la négociation silencieuse et constante entre le cerveau et le corps. Il repose sur une boucle continue où les yeux, l'oreille interne et les capteurs situés dans les muscles et les articulations envoient des signaux au cerveau, qui effectue ensuite de minuscules ajustements invisibles pour nous maintenir debout. Lorsque cette boucle est perturbée, comme c'est le cas dans des pathologies telles que l'accident vasculaire cérébral ou la maladie de Parkinson, la capacité à rester immobile ou à marcher en toute sécurité peut disparaître. Pendant des décades, les médecins se sont appuyés sur une liste de contrôle standard appelée l'Échelle de l'Équilibre de Berg pour mesurer cette capacité. Un clinicien observe un patient effectuer une série de tâches, comme tenir sur une jambe ou faire un demi-tour, et attribue un score de zéro à quatre selon la qualité de l'exécution de la tâche. Bien que cette méthode soit largement utilisée, elle présente un défaut fondamental : c'est un instrument grossier. Elle enregistre un jugement final de réussite ou d'échec, mais elle ne peut pas voir les tremblements subtils, les oscillations légères ou les micro-ajustements qui surviennent avant qu'une personne ne tombe réellement. Pire encore, pour les personnes qui sont déjà très stables, l'échelle atteint un plafond. Si un patient peut tenir debout en toute sécurité pendant trente secondes, il obtient le score le plus élevé possible, même si son équilibre est légèrement moins bon que la veille. Cela rend presque impossible le suivi de petites améliorations ou déclins chez les personnes qui fonctionnent bien, ce qui est précisément le moment où une mesure précise est la plus nécessaire pour la rééducation.

Pour résoudre ce problème, des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Hôpital Cantonal de Baden ont entrepris de voir si une simple caméra vidéo pouvait détecter des changements d'équilibre qui échappent à l'observateur humain. Ils avaient besoin d'un moyen de créer un changement d'équilibre connu et contrôlé qui puisse être mesuré avec précision. Ils ont choisi d'utiliser l'alcool. En faisant boire aux volontaires sains des quantités spécifiques d'alcool, les chercheurs pouvaient induire une altération temporaire et graduée du cervelet et du système vestibulaire — les parties du cerveau qui contrôlent l'équilibre. Cela leur a permis de tester une nouvelle méthode numérique par rapport à l'échelle clinique standard dans des conditions où le niveau réel d'altération était connu. L'équipe a enregistré vingt-quatre adultes sains effectuant six tâches de station debout différentes, allant de la station sur deux pieds à la station sur une jambe les yeux fermés. Ils ont procédé à trois niveaux différents d'alcool dans le sang : zéro, une faible dose de 0,6 pour mille, et une dose élevée de 1,0 pour mille. Chaque session a été filmée avec une simple caméra grand public, de type smartphone, placée devant le participant.

Les chercheurs ont ensuite utilisé un logiciel informatique avancé pour analyser la vidéo. Au lieu de demander à un humain de deviner si une personne semblait stable, le logiciel a suivi le mouvement du corps de la personne image par image, créant un squelette numérique de sa posture. À partir de cette vidéo, l'ordinateur a calculé 167 mesures de mouvement différentes, telles que la vitesse de l'oscillation latérale du corps, l'amplitude du mouvement du tronc, ou si la personne a fait un pas pour retrouver l'équilibre. L'équipe a sélectionné les mesures les plus sensibles et les a combinées en un score numérique unique. Ils ont ensuite comparé ce score numérique à celui donné par un évaluateur humain entraîné regardant la même vidéo, en utilisant une version simplifiée de l'échelle d'équilibre standard. L'évaluateur humain attribuait un score de zéro à quatre en fonction du temps que la personne pouvait maintenir la position sans tomber ou sans avoir besoin d'aide.

Les résultats ont montré une différence claire entre ce que les deux méthodes pouvaient percevoir. L'évaluateur humain, utilisant l'échelle standard, a attribué le score maximum de quatre dans 77 % de tous les essais. Cela signifie que la plupart du temps, même lorsque les participants buvaient plus d'alcool et que leur équilibre se dégradait, l'observateur humain ne voyait aucun changement. L'échelle avait atteint sa limite ; elle ne pouvait pas distinguer une personne parfaitement stable d'une personne légèrement instable mais toujours debout. En revanche, le score numérique dérivé de la caméra unique a continué d'enregistrer le déclin. La mesure basée sur l'ordinateur a été capable de classer correctement les trois niveaux d'ingestion d'alcool pour la majorité des participants, atteignant une précision moyenne de 86 %, alors que l'évaluation humaine n'a réussi cela que pour environ 59 % du temps. Le score numérique était nettement meilleur pour détecter la différence entre l'état de sobriété et l'état de faible dose, et encore plus entre les faibles et les hautes doses.

La découverte la plus révélatrice s'est produite dans le groupe de participants ayant reçu le score maximum de quatre de la part de l'évaluateur humain, tant à l'état sobre qu'au niveau d'alcool élevé. Pour l'œil humain, ces personnes semblaient inchangées. Cependant, le score numérique a montré une augmentation significative et constante de l'oscillation du corps à mesure que le taux d'alcool augmentait. L'ordinateur a détecté une détérioration graduée de l'équilibre que l'observateur humain n'a pas du tout perçue. Cela a démontré qu'un score maximal sur l'échelle standard ne signifie pas qu'une personne est parfaite ; cela signifie seulement que sa performance se situe dans la catégorie supérieure de l'échelle. La méthode numérique, en mesurant le mouvement réel en unités physiques plutôt qu'en un jugement subjectif, a pu voir l'altération qui était cachée par le plafond du test traditionnel.

L'étude a également examiné la fiabilité des évaluateurs humains. Lorsque deux experts différents regardaient les mêmes vidéos, ils étaient d'accord sur le score exact 83 % du temps. Cependant, ce haut degré d'accord s'expliquait largement par le fait qu'ils attribuaient tous deux le score maximum aux mêmes personnes. Lorsque les chercheurs se sont concentrés uniquement sur les essais où le score n'était pas le maximum, l'accord entre les deux experts est tombé à seulement 30 %. Cela suggère que lorsqu'un humain doit prendre une véritable décision sur un cas limite, son jugement varie considérablement. Le score numérique, basé sur un calcul mathématique constant du mouvement, n'a pas souffert de cette variabilité.

Les chercheurs ont conclu qu'une simple caméra ordinaire peut capturer des détails fins de l'équilibre qu'une évaluation clinique standard ne peut saisir. Le score numérique a été capable de suivre les effets de la dose d'alcool dose par dose, même chez les personnes qui étaient jugées sans problèmes d'équilibre. Cela ne signifie pas que l'observateur humain est inutile, mais cela montre que l'échelle traditionnelle possède un angle mort pour les personnes qui fonctionnent bien. L'approche numérique offre un moyen de mesurer l'équilibre de manière continue et objective, sans avoir besoin d'équipement coûteux, de marqueurs corporels spéciaux ou d'un cadre de laboratoire. Cela suggère qu'à l'avenir, une simple vidéo pourrait fournir un outil beaucoup plus sensible pour surveiller la récupération ou le déclin des patients, captant des changements qui passeraient autrement inaperçus jusqu'à ce qu'ils deviennent trop importants pour être ignorés. L'étude prouve que la caméra voit ce que l'œil ne peut voir, transformant un simple enregistrement en une mesure précise de la stabilité.