Découvrez comment la réalité virtuelle transforme la formation dans les domaines de la médecine, du sport, de la rééducation et du développement social en créant des environnements sûrs et entièrement contrôlés pour l’acquisition de compétences. Cet article explore des recherches concrètes démontrant comment la réalité virtuelle améliore les performances chirurgicales, la récupération physique et les compétences sociales, en particulier lorsqu’elle est associée à des biocapteurs tels que l’oculométrie, l’EEG et l’EMG pour mesurer le comportement et les progrès en temps réel.
Table of Contents
La génération actuelle d’appareils de réalité virtuelle (RV) offre la possibilité de découvrir de nouveaux univers avec une fidélité sans précédent. Il est désormais possible de s’immerger dans des environnements inaccessibles, dangereux, voire impossibles à explorer, grâce à des appareils qui ne sont souvent pas plus grands qu’une paire de jumelles.
La réalité virtuelle telle qu’on la connaît aujourd’hui, apparue vers 2010, est désormais plus accessible que jamais : bon nombre des appareils commercialisés auparavant étaient tout simplement trop chers pour le consommateur moyen (et n’offraient certainement pas le niveau de détail et d’immersion que permettent les appareils modernes).
La réalité virtuelle étant désormais beaucoup plus accessible, on commence à prendre conscience du potentiel de ces appareils. Si les efforts de développement se sont principalement concentrés sur l’amélioration de la réalité virtuelle à des fins ludiques, les possibilités d’améliorer la vie quotidienne sont bien plus vastes, et les organismes publics, les universités et les entreprises cherchent à exploiter pleinement ce potentiel.
Parmi les possibilités offertes par la réalité virtuelle, la thérapie (dont nous avons déjà parlé ici), le design et l’architecture, ainsi que la formation figurent en tête de liste des domaines les plus étudiés et les plus exploités (tout en offrant un formidable potentiel pour améliorer la santé et le bien-être).
La formation en réalité virtuelle tire parti de l’atout majeur de tout environnement virtuel : celui de pouvoir être conçu à volonté, y compris pour recréer des situations dans lesquelles il serait déraisonnable ou contraire à l’éthique de placer des personnes si elles se produisaient dans la réalité.
Nous allons passer en revue ci-dessous les cas d’utilisation les plus courants et les mieux étudiés de la réalité virtuelle (médecine, sport, vie sociale, domaine militaire, formation industrielle) et aborder les recherches actuelles sur leur utilisation. Cet article est le premier d’une série en deux parties et traite des trois premiers thèmes ; vous trouverez la deuxième partie en cliquant sur ce lien.
Formation médicale et chirurgicale en réalité virtuelle
Dès les débuts de l’utilisation de la réalité virtuelle, il était déjà évident que la formation médicale dans des environnements virtuels pouvait non seulement être bénéfique, car elle ne présentait aucun risque pour les patients, mais aussi qu’elle pouvait aider les internes en chirurgie à progresser en complément de leur formation.
Une étude menée par Seymour et ses collègues de l’université de Yale et de l’université Queens de Belfast a révélé que non seulement la dissection de la vésicule biliaire était en moyenne 29 % plus rapide chez les personnes ayant suivi une formation complémentaire en réalité virtuelle (par rapport à celles n’ayant suivi qu’une formation standard), mais qu’elles étaient également beaucoup moins susceptibles de léser ou de brûler des tissus non ciblés [1].
Une étude menée en 2009 a abouti à des résultats similaires concernant la chirurgie laparoscopique (intervention chirurgicale pratiquée dans l’abdomen ou le bassin). De manière assez spectaculaire, les chercheurs danois ont constaté qu’une formation préalable en réalité virtuelle améliorait les performances moyennes lors de l’intervention réelle à un niveau équivalent à celui obtenu après avoir pratiqué 20 à 50 opérations, alors que les performances du groupe témoin ont été estimées équivalentes à celles obtenues après moins de 5 opérations préalables [2].
Une méta-analyse réalisée en 2016 a confirmé ces résultats pour la chirurgie laparoscopique, en analysant les résultats de 579 participants ayant pris part soit à des séances de réalité virtuelle, soit à des séances de contrôle [3]. Les chercheurs ont constaté que les participants ayant suivi une formation en réalité virtuelle avaient globalement enregistré des améliorations significatives de leurs performances chirurgicales.
Bien que les études susmentionnées se limitent à certains types d’interventions chirurgicales, elles constituent néanmoins une preuve de concept importante : la pratique dans un environnement virtuel permet d’améliorer les compétences acquises dans la vie réelle.
Une étude récente menée en 2019 l’a démontré une nouvelle fois dans le cadre de la chirurgie de prothèse de hanche [4]. Un protocole expérimental similaire (dans lequel les performances chirurgicales étaient évaluées par d’autres chirurgiens qui ignoraient les conditions de l’expérience) a donné des résultats comparables. Comme l’ont indiqué les auteurs de l’étude, « les données démontrent le transfert des connaissances procédurales et des compétences psychomotrices acquises en réalité virtuelle vers un contexte réel… La formation en réalité virtuelle leur a permis de progresser plus rapidement sur la courbe d’apprentissage ».
On ne saurait trop insister sur l’importance de pouvoir améliorer considérablement ses compétences chirurgicales grâce à la formation en réalité virtuelle : s’il s’avère que ces avantages s’appliquent également à d’autres formes de traitements chirurgicaux, une refonte de la formation en salle d’opération (et de meilleurs résultats chirurgicaux) pourrait bien être en vue.
Comme l’indiquait un article publié en 2016 dans les Annals of Translational Medicine : « À mesure que des programmes de formation spécifiques et structurés intégrant des simulations dans la formation quotidienne des internes seront mis en place, les interventions chirurgicales simulées permettront de renforcer les compétences des chirurgiens, de réduire les coûts hospitaliers et d’améliorer les résultats pour les patients » [5].
La réalité virtuelle au service de l’entraînement sportif et de la kinésithérapie
À l’instar de la formation chirurgicale en réalité virtuelle, la kinésithérapie et l’entraînement sportif cherchent également à tirer parti des améliorations des capacités motrices que permettent les environnements simulés.
Cette approche a été appliquée aux stratégies d’apprentissage du basket-ball [6], du football américain [7] et du tennis [8], entre autres sports. Des logiciels ont été développés pour permettre de saisir le déroulement du jeu avant que le joueur ne s’en serve, ce qui permet à l’athlète de s’entraîner sur des situations de jeu spécifiques avant de les mettre en pratique en situation réelle.
Cela présente l’avantage indéniable de permettre aux joueurs de commettre des erreurs et de se préparer rigoureusement avant de se lancer dans une partie où les enjeux sont plus importants. Associé à des outils tels que l’oculométrie, ce système permet d’identifier où se porte l’attention visuelle du joueur et de déterminer si cela a une incidence sur ses performances (pour ensuite proposer des solutions visant à améliorer son expérience de jeu).
La kinésithérapie offre également la possibilité de s’entraîner à effectuer des mouvements dans des environnements où l’on peut se permettre de faire des erreurs en toute sécurité. Des chercheurs ont étudié l’utilisation d’environnements de réalité virtuelle dans le cadre de l’entraînement à l’équilibre et à la marche chez les personnes âgées [9]. Le recours à des jeux permet aux participants de s’entraîner à effectuer des mouvements dans des contextes plus gratifiants que les exercices habituels (par exemple, dans un jeu de ski), sans pour autant courir les risques inhérents à ces environnements (comme c’est le cas lors d’une véritable descente à ski).
La kinésithérapie revêt une importance particulière pour la rééducation après un AVC, car ses effets bénéfiques dépendent de la fréquence des séances : plus une personne est en mesure de s’exercer, meilleure sera sa récupération [10]. Les obstacles à cette prise en charge sont nombreux, mais les principaux sont d’ordre logistique et financier : tout le monde ne peut pas y accéder facilement, et tout le monde n’en a pas les moyens.
La réalité virtuelle contribue au moins à réduire ces obstacles : même si les casques ne sont pas vraiment bon marché, ils restent tout de même nettement moins chers qu’une thérapie et présentent l’avantage supplémentaire de pouvoir être utilisés aussi souvent que l’on souhaite chez soi.
Wittman et d’autres chercheurs de l’Hôpital universitaire de Zurich ont étudié les effets de l’utilisation de la réalité virtuelle chez des patients ayant subi un AVC [11]. Ils ont constaté que les patients utilisaient beaucoup le système de réalité virtuelle et que, à terme, leurs fonctions motrices s’amélioraient à mesure que l’utilisation s’intensifiait, ce qui laisse penser que ce système pourrait constituer un bon complément, voire un remplacement partiel, de la kinésithérapie en clinique ou à l’hôpital.
Des études ont également mis en évidence des progrès similaires chez les enfants atteints de paralysie cérébrale. Des chercheurs de plusieurs universités coréennes ont constaté que les environnements de réalité virtuelle favorisaient une amélioration plus marquée des fonctions motrices par rapport à un entraînement sans réalité virtuelle [12].
L’utilisation d’appareils d’EMG permet d’obtenir davantage de données sur l’amélioration fonctionnelle, en quantifiant l’évolution réelle de l’activité musculaire. D’autres appareils, tels que l’EEG, peuvent fournir des informations cruciales sur l’activité neuronale, qui peuvent être associées à des changements conduisant à des améliorations motrices ou à la rééducation.
Formation sociale pour les personnes autistes
La réalité virtuelle est également mise à profit pour améliorer les capacités fonctionnelles dans le cadre de l’apprentissage des compétences sociales chez les personnes autistes. L’autisme se caractérise souvent par « des difficultés de communication et d’interaction avec les autres », selon le DSM-5 (Manuel diagnostique et statistique des troubles mentaux, [13]). La réalité virtuelle permet de travailler ces compétences, à l’instar de la kinésithérapie.
Des chercheurs de l’université du Texas ont proposé une formation en réalité virtuelle à des enfants atteints d’autisme de haut niveau âgés de 7 à 16 ans [14]. Les enfants ont accédé à la plateforme de réalité virtuelle Second Life™ et ont expérimenté divers contextes sociaux avec un avatar virtuel représentant un clinicien. Ils ont participé à différentes séances d’entraînement, telles que « faire la conversation dans la cour de récréation » ou « participer activement à un groupe en classe ». Les enfants ont également été guidés par un clinicien présent sur place pour les aider à naviguer dans chaque scénario.
Comme l’indiquent les auteurs : « Chaque scénario social a été conçu pour mettre l’accent sur un objectif d’apprentissage social précis dans divers contextes, tels que faire de nouvelles connaissances, faire face à un tyran, tisser des liens avec des amis, gérer un conflit, réconforter un ami ou faire face à des dilemmes sociaux (par exemple, rencontrer un inconnu, surprendre quelqu’un en train de tricher) ». À la suite de cela, les enfants ont passé divers tests visant à évaluer leurs compétences en matière de reconnaissance des émotions, d’attribution sociale, d’attention et de fonctions exécutives.
Les chercheurs ont constaté que les capacités de reconnaissance des émotions, d’attribution sociale et, en partie, les capacités exécutives des enfants participant à l’expérience s’étaient améliorées après plusieurs semaines d’entraînement régulier.
Cette étude présentait toutefois certaines limites, comme le soulignent les auteurs : « Les futures recherches utilisant la réalité virtuelle pour entraîner la cognition sociale pourraient tirer parti du suivi des émotions faciales », ce qui laisse entendre que l’analyse des expressions faciales (avec des casques de réalité virtuelle, cela devrait se faire par électromyographie faciale) pourrait jouer un rôle dans l’évaluation de la reconnaissance des émotions et dans l’entraînement. Les auteurs soulignent également que l’oculométrie en réalité virtuelle pourrait être utile, en précisant qu’« une étude récente menée par Barisic et al. (2013) a démontré la faisabilité et l’efficacité de l’utilisation d’un système d’oculométrie binoculaire dans les interactions sociales en temps réel » [15].
L’utilisation de l’oculométrie en réalité virtuelle peut faciliter la collecte automatisée de données sur l’attention, en mettant en évidence les zones visuelles qui ont été davantage ou moins observées par rapport aux groupes témoins. Cela permet de réduire les ressources nécessaires à l’évaluation des processus attentionnels (comme c’est le cas avec les batteries de tests) et offre également la possibilité de mesurer ces processus directement et en temps réel.
D’autres recherches se sont appuyées sur ces mêmes principes, permettant notamment d’améliorer les compétences sociales des personnes autistes lors d’entretiens d’embauche [16], dans le cadre de la formation à la sécurité routière [17] et pour l’apprentissage de la conduite [18], entre autres.
Des chercheurs de l’université Vanderbilt ont utilisé divers indicateurs pour évaluer les performances de personnes autistes dans un environnement de conduite en réalité virtuelle [18]. Comme l’indiquent les auteurs : « Les signaux d’intérêt comprenaient l’électromyogramme (EMG), l’électrocardiogramme (ECG), la réponse galvanique de la peau (GSR), le photopléthysmogramme (PPG), la température cutanée et la respiration. Ces signaux ont été sélectionnés en raison de leur capacité à prédire l’état affectif du sujet [Cacioppo et al. 2007] » [19].
Les chercheurs ont également utilisé un appareil EEG Emotiv pour recueillir des données sur les états cognitifs, ainsi que des « informations sur la vitesse de rotation » qui ont servi à évaluer les performances de conduite. L’élément central de l’étude a été le recours à l’oculométrie pour suivre les mouvements du regard des participants.
En utilisant un paradigme adaptatif basé sur le regard, les chercheurs ont pu créer un environnement de conduite en réalité virtuelle qui réagissait à la direction du regard du participant, « dans le but d’offrir une méthode d’intervention en matière de conduite plus personnalisée ».
L’approche multimodale s’avère très prometteuse lorsqu’elle est associée à des environnements de réalité virtuelle, car elle permet d’étudier n’importe quel contexte de manière approfondie.
Conclusion
La réalité virtuelle, dans sa forme actuelle, reste une technologie relativement récente, mais elle s’avère très prometteuse pour offrir des environnements innovants adaptés à des tests novateurs. Le potentiel de la formation virtuelle pour différents scénarios ou avec différents publics est immense ; elle présente des avantages tels que la réduction des coûts et du stress, une motivation accrue, ainsi que la possibilité de rendre certains environnements tout simplement accessibles à des fins de formation.
Chaque domaine d’application doit bien sûr faire l’objet de tests approfondis afin de confirmer ou d’infirmer les avantages potentiels, et les biocapteurs comptent parmi les outils capables de fournir les données nécessaires à cet effet. Les premières données semblent toutefois prometteuses et ouvrent la voie à une amélioration de la formation et des performances au-delà des environnements virtuels.
Références
[1] Seymour, N., Gallagher, A., Roman, S., O’Brien, M., Bansal, V., Andersen, D. et Satava, R. (2002). La formation en réalité virtuelle améliore les performances en salle d’opération. Annals of Surgery, 236(4), p. 458-464.
[2] Larsen, C., Soerensen, J., Grantcharov, T., Dalsgaard, T., Schouenborg, L., Ottosen, C., Schroeder, T. et Ottesen, B. (2009). Effet de la formation en réalité virtuelle sur la chirurgie laparoscopique : essai contrôlé randomisé. BMJ, 338(14 mai 2), pp. b1802-b1802.
[3] Alaker, M., Wynn, G. et Arulampalam, T. (2016). Formation en réalité virtuelle en chirurgie laparoscopique : revue systématique et méta-analyse. International Journal of Surgery, 29, p. 85-94.
[4] Hooper, J., Tsiridis, E., Feng, J., Schwarzkopf, R., Waren, D., Long, W., Poultsides, L., Macaulay, W., Papagiannakis, G., Kenanidis, E., Rodriguez, E., Slover, J., Egol, K., Phillips, D., Friedlander, S. et Collins, M. (2019). La simulation en réalité virtuelle facilite la formation des résidents en arthroplastie totale de la hanche : un essai contrôlé randomisé. The Journal of Arthroplasty.
[5] Badash, I., Burtt, K., Solorzano, C. et Carey, J. (2016). Innovations en matière de simulation chirurgicale : une revue des techniques passées, actuelles et futures. Annals of Translational Medicine, 4(23), p. 453-453.
[6] Tsai, W., Chung, M., Pan, T. et Hu, M. (2017). S’entraîner sur un terrain virtuel : entraînement aux tactiques de basket-ball via la réalité virtuelle. Dans : MultiEdTech ’17.
[7] Huang, Y., Churches, L., & Reilly, B. (2015). Étude de cas sur l’entraînement au football américain en réalité virtuelle. Communication présentée lors de la conférence internationale ACM sur la réalité virtuelle (VRIC), à Laval, en France.
[8] Kawamura, S. ; Ida, M. ; Wada, T. ; Wu, J.L. Développement d’une machine de sport virtuelle utilisant un système d’entraînement par câbles : essai de tennis virtuel. Dans les Actes de la Conférence internationale IEEE/RSJ sur les robots et les systèmes intelligents, Pittsburgh, Pennsylvanie, États-Unis, 1995 ; pp. 111-116.
[9] de Vries, A., Faber, G., Jonkers, I., Van Dieen, J. et Verschueren, S. (2018). Entraînement à l’équilibre en réalité virtuelle chez les personnes âgées : des jeux de ski similaires présentent des défis différents dans le cadre de l’entraînement à l’équilibre. Gait & Posture, 59, p. 111-116.
[10] Kwakkel, G. (2006). Impact de l’intensité de l’entraînement après un AVC : aspects à prendre en considération. Disabil Rehabil, 28(13–14) : 823–30.
[11] Wittmann, F., Held, J., Lambercy, O., Starkey, M., Curt, A., Höver, R., Gassert, R., Luft, A. et Gonzenbach, R. (2016). Thérapie autonome du bras à domicile après un AVC à l’aide d’un système d’entraînement en réalité virtuelle basé sur des capteurs. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 13(1).
[12] Cho, C., Hwang, W., Hwang, S. et Chung, Y. (2016). L’entraînement sur tapis roulant associé à la réalité virtuelle améliore la démarche, l’équilibre et la force musculaire chez les enfants atteints de paralysie cérébrale. The Tohoku Journal of Experimental Medicine, 238(3), p. 213-218.
[13] Association américaine de psychiatrie. (2013). Manuel diagnostique et statistique des troubles mentaux (5e éd.). Arlington, Virginie.
[14] Didehbani, N., Allen, T., Kandalaft, M., Krawczyk, D. et Chapman, S. (2016). Formation à la cognition sociale par la réalité virtuelle chez les enfants atteints d’autisme de haut niveau. Computers in Human Behavior, 62, p. 703-711.
[15] Barisic, I., Timmermans, B., Pfeiffer, U.J., Vogeley, K., Schilbach, L., 2013. Utilisation de l’oculométrie double pour étudier les interactions sociales en temps réel, dans : Actes de la conférence ACM SIGCHI sur les facteurs humains dans les systèmes informatiques. Présenté lors de la conférence ACM SIGCHI
sur les facteurs humains dans les systèmes informatiques, à Paris.
[16] Smith, M., Fleming, M., Wright, M., Losh, M., Humm, L., Olsen, D. et Bell, M. (2015). Rapport succinct : Résultats professionnels chez les jeunes adultes atteints de troubles du spectre autistique six mois après une formation aux entretiens d’embauche en réalité virtuelle. Journal of Autism and Developmental Disorders, 45(10), pp. 3364-3369.
[17] Strickland, D., Mesibov, G.B., & Hogan, K. (1996). Deux études de cas sur l’utilisation de la réalité virtuelle comme outil d’apprentissage pour les enfants autistes. Journal of Autism & Developmental Disorders 26:651–659.
[18] Zhang L., Wade J., Bian D., Fan J., Swanson A., Weitlauf A., et al. (2017). Mesure de la charge cognitive dans un système de conduite en réalité virtuelle destiné à l’intervention auprès des personnes autistes. IEEE Trans. Affect. Comput. 8, 176–189. 10.1109/TAFFC.2016.2582490.
[19] Cacioppo, J. T., Tassinary, L. G. et Berntson, G. (2007). Handbook of Psychophysiology. Cambridge University Press, Cambridge.