Technologies D'humains Virtuels Dans Le Soin Aux Personnes Âgées
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THÈSE DE DOCTORAT de l’Université de recherche Paris Sciences et Lettres PSL Research University Préparée à MINES ParisTech Virtual human technologies for cognitively-impaired older adults’ care: the LOUISE and Virtual Promenade experiments Technologies d’humains virtuels dans le soin aux personnes âgées atteintes de troubles cogni- tifs : les expériences LOUISE et Virtual Promenade École doctorale no521 SCIENCES ET MÉTIERS DE L’INGÉNIEUR Spécialité MATHÉMATIQUES, INFORMATIQUE TEMPS-RÉEL, ROBOTIQUE COMPOSITION DU JURY : M Mohamed CHETOUANI Université Pierre et Marie Curie, Président M Stefan KOPP Universität Bielefeld, Rapporteur M Matthias RAUTERBERG Technische Universiteit Eindhoven, Soutenue par Pierre WARGNIER Rapporteur le 25 novembre 2016 Mme Anne-Sophie RIGAUD Université Paris Descartes, Membre du jury Dirigée par Pierre JOUVELOT et Anne-Sophie RIGAUD M Pierre JOUVELOT MINES ParisTech, PSL, Membre du jury M Samuel BENVENISTE CEN STIMCO, Membre du jury Pierre WARGNIER Virtual human technologies for cognitively-impaired older adults’ care: the LOUISE and Virtual Promenade experiments Technologies d’humains virtuels dans le soin aux personnes âgées atteintes de troubles cognitifs : les expériences LOUISE et Virtual Promenade Thèse de doctorat de l’Université de recherche Paris Sciences et Lettres, préparée à MINES ParisTech sous la direction de Pierre JOUVELOT et d’Anne-Sophie RIGAUD. Remerciements Je souhaite en premier lieu remercier mes directeurs de thèse, Pierre Jouvelot et Anne-Sophie Rigaud, ainsi que mon co-encadrant, Samuel Benveniste, pour leur soutien, leurs conseils avisés, leur qualité d’écoute, leur disponibilité et pour les nombreux échanges extrêmement enrichissants que j’ai pu avoir avec chacun d’entre eux au cours de ces trois années. Je remercie également le président du jury, Mohamed Chetouani, ainsi que mes rapporteurs Stefan Kopp et Matthias Rauterberg, de m’avoir fait l’honneur d’accepter de siéger dans mon jury. J’adresse des remerciement chaleureux à tous mes collègues du Centre de recherche en informatique de MINES ParisTech, à commencer par son directeur, François Irigoin, pour leur accueil et pour leur aide. Par ordre alphabétique, merci à Corinne Ancourt, Fabien Coelho, Laurent Daverio, Karel De Vogeleer, Emilio Gallego Arias, Pierre Guillou, Florian Gouin, Olivier Hermant, Patryk Kiepas, Catherine Le Caër, Nelson Lossing, Vivien Maisonneuve, Claire Medrala, Bruno Massonni Sguerra, Benoît Pin, Ronan Saillard, Adila Susungi et Claude Tadonki. Un grand merci aussi aux équipes de LUSAGE et du CEN STIMCO pour leur accueil chaleureux et amical et pour leurs contributions à ces travaux, et en particulier Maribel Pino, qui est à l’origine du projet LOUISE, et Frédéric Bloch et Serge Reingewirtz qui sont à l’origine du projet Promenade virtuelle, ainsi que Giovanni Carletti et Yann Laurent, qui ont contribué directement au projet LOUISE. Merci également à tout le reste de l’équipe du pavillon bleu de l’hôpital Broca, par ordre al- phabétique, Victoria Cristancho-Lacroix, Souad Damnée, Manon Demange, Leila Djabelkhir, Grégory Legouverneur, Philippe De Oliveira Lopes, Hélène Kerhervé, Fabienne Marlats, Clotilde Monnet, Chloé Traoré, Caitlin Ware et Ya-Huei Wu. Je remercie également les stagiaires que j’ai eu le plaisir d’encadrer et/ou qui ont contribué à ces travaux, soit, par ordre d’apparition : Julien Jacquemot, Adrien Malaisé, Michel Bala, Edmond Phuong, Paul-Emile Fauquet et Chenyang Wang. Je souhaite aussi remercier Matthieu Plichard et Marie-Laure Seux, l’équipe des ré-éducateurs, l’équipe de l’hôpital de jour et l’équipe d’animation de l’hôpital Broca ainsi que les autres membres du personnel de l’hôpital – i médecins, internes, cadres de santé, infirmiers et aides-soignants – pour leur aide. Mes remerciements vont également à tous les participants de nos études, dont les noms ne peuvent figurer ici, qui ont gracieusement donné de leur temps pour que la recherche puisse progresser. C’est grâce à ces hommes et ces femmes que, je l’espère, les personnes âgées handicapées et leur entourage pourront un jour bénéficier des fruits de ces travaux. Je remercie le conseil régional et les contribuables de la région Île-de- France qui ont financé ces travaux. Enfin, je remercie mes parents, Jean-Louis et Véronique Wargnier, sans qui rien de tout cela n’aurait été possible, et mes grand parents, Claudie et Gérard Dufourd, Françoise Wargnier-Khan, Catherine Wargnier, ma troisième grand-mère, et Claude Wargnier, qui nous a quittés trop tôt pour voir l’aboutissement de ces travaux. Je remercie également ma petite sœur, Noémie. Ils ont, chacun à sa manière, contribué à me faire devenir l’homme que je suis. Et, last but not least, je remercie de tout mon cœur Clémentine Fellah pour tout le bonheur, la joie, la bonne humeur, le réconfort et le sou- tien qu’elle m’a apportés en partageant ma vie pendant la préparation de cette thèse. ii Contents Introduction 1 Handicap chez les personnes âgées ..................4 Troubles cognitifs et démence chez les personnes âgées ....5 Chutes chez les personnes âgées .................6 Promesses des technologies d’assistance ...............7 Technologies pour le soin et l’assistance ............8 Des technologies réellement adaptées pour l’utilisabilité et l’ac- ceptabilité ......................... 11 Objectifs ................................. 14 Des technologies pour compléter l’aide humaine et non la rem- placer ........................... 14 Agents conversationnels animés comme interface Homme-machine pour les personnes âgées ayant des troubles cognitifs . 16 Thérapie par exposition en réalité virtuelle pour le traitement du syndrome post-chute ................. 18 Contributions .............................. 19 Structure de la thèse .......................... 20 1 Introduction 23 1.1 Disabilities in older adults.................... 25 1.1.1 Cognitive impairment and dementia in older adults.. 27 1.1.2 Falls in older adults................... 27 1.2 Promises of assistive technologies................ 28 1.2.1 Technologies for care and assistance.......... 29 1.2.2 Truly adapted technologies to achieve good usability and acceptance...................... 32 1.3 Goals............................... 34 1.3.1 Technology that complements human help but does not replace it....................... 35 1.3.2 Embodied conversational agents as user interface for older adults with cognitive impairment......... 36 1.3.3 Virtual reality exposure therapy for post-fall syndrome 37 1.4 Contributions........................... 38 iii 1.5 Organization of this thesis.................... 39 2 Game technology for older adults 43 2.1 Design challenges......................... 46 2.1.1 Normal aging....................... 46 2.1.2 Cognitive impairment and dementia1 .......... 49 2.1.3 Post-fall syndrome.................... 54 2.1.4 Medical applications and hospital environment.... 55 2.1.5 Discussion......................... 55 2.2 Game technology for elders’ care................ 56 2.2.1 Embodied conversational agents as an interface for cognitively impaired older adults............ 57 2.2.2 Other Applications of ECAs in elderly care...... 61 2.2.3 Games for fall prevention and rehabilitation in older adults........................... 63 3 Focus points and methodology 73 3.1 Key Concepts Involved in this Approach............ 76 3.1.1 Affordance........................ 76 3.1.2 Attention......................... 77 3.1.3 Engagement........................ 80 3.1.4 Motivation........................ 81 3.2 Living lab participatory design................. 83 3.2.1 Principles......................... 83 3.2.2 The living lab: a place and a methodology....... 85 3.2.3 The Broca Hospital’s living lab............. 88 3.2.4 Off-the-shelf hardware, software and graphical elements 90 4 Creating virtual humans 93 4.1 Human communication and SSP................ 97 4.2 Embodied conversational agents design............. 99 4.3 User behavior analysis...................... 100 4.3.1 Automatic speech recognition.............. 101 4.3.2 Attention and Engagement............... 102 4.3.3 Emotion recognition................... 103 4.4 Artificial social behavior generation............... 104 4.4.1 Behavior realizers.................... 105 4.4.2 Speech synthesis..................... 107 4.4.3 Evolving human-agent relationships and personality models........................... 107 4.5 Dialog management....................... 110 4.6 Domain-specific languages in ECA............... 112 4.6.1 XML............................ 112 1Thanks to Anne-Sophie Rigaud for her help in writing this section. iv 4.6.2 BML............................ 113 4.6.3 FML............................ 118 4.6.4 PML............................ 119 4.6.5 SSML........................... 121 4.7 Discussion............................. 121 5 LOUISE 123 5.1 Goals and design approach................... 126 5.2 Phase 1: Wizard of Oz study.................. 127 5.2.1 Prototype description.................. 128 5.2.2 Attention estimator................... 130 5.2.3 Experiment protocol................... 132 5.2.4 Performance of the attention estimator......... 135 5.2.5 Qualitative results.................... 138 5.2.6 Anthropological analysis of the interactions2 ..... 139 5.2.7 Discussion and impact on the next design iteration.. 142 5.3 Questionnaires and focus groups................ 143 5.3.1 Questionnaires...................... 144 5.3.2 Focus group........................ 147 5.3.3 Discussion......................... 150 5.4 Phase 2: Automating LOUISE................