Des prothèses de bras contrôlées par la pensée

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Jodie O’Connell-Ponkos a utilisé une prothèse de bras pendant cinq ans, jusqu’au jour où, frustrée, elle finit par la jeter à travers la pièce. « La haine envers cette prothèse était un euphémisme » se souvient O’Connell-Ponkos, qui a perdu une partie de son bras droit dans un hachoir à viande industriel à l’âge de 16 ans en 1985. Elle n’a pas utilisé une autre prothèse pendant 20 ans.

L’histoire de O’Connell-Ponkos est fréquente chez les amputés des membres supérieurs : Malgré les progrès de l’ingénierie et l’existence de solutions, le taux d’abandon des amputés des membres supérieurs n’a pas changé en 25 ans. Depuis 2007, 75% des utilisateurs de prothèses électriques finissent par s’en débarrasser.

L’une des raisons est peut-être que, malgré l’utilisation de meilleurs matériaux, de moteurs plus puissants et d’articulations plus précise, les prothèses des membres supérieurs étaient pilotées par des systèmes de contrôles développés dans les années 50. Les mécanismes utilisent le plus souvent des capteurs des capteurs électroniques posés sur la peau de la zone d’amputation afin de détecter l’activité musculaire et la traduire en mouvement. Ainsi, le serrement d’un biceps peut conduire à plier un coude artificiel. Ces systèmes ont pour inconvénient qu’ils nécessitent le passage de câbles qui peuvent parfois gêner la personne qui les porte. D’autre part, le pilotage de ces prothèses n’a rien d’intuitif et il faut beaucoup pratiquer avant de parvenir à les utiliser.

En 2015, O’Connell-Ponkos essayé un bras prothétique amélioré avec un nouveau système de contrôle qui peut reconnaître les signaux nerveux de façon beaucoup plus subtile. Conçu par la société d’ingénierie Coapt, basée à Chicago, cette prothèse permet de se déplacer plus naturellement et même gracieusement, ce qui la différencie des autres modèles de prothèse. Aujourd’hui, elle porte la prothèse continuellement et l’utilise dans de nombreuses tâches quotidiennes, que ce soit pour couper du bois pour mettre ses cheveux en queue de cheval.

Cette avancée récente qui rend possible un contrôle naturel et intuitif des prothèses est remarquable. L’entreprise propose désormais un système compatible avec les cinq principaux fabricants de prothèses.

Coapt s’est lancé sur ce marché fin 2013, et on estime à 200 le nombre de personnes qui utilisent aujourd’hui cette technologie. Le système repose sur une petite boîte noire (sur la photo) comportant un circuit imprimé qui s’appuie sur un ensemble d’algorithmes. Ces algorithmes utilisent la reconnaissance des formes pour décoder les signaux électriques des muscles du bras, ils forment une sorte de pont entre les pensées de l’utilisateur et la prothèse.

La prochaine génération d’appareils Coapt en orange (sur la photo) sera beaucoup plus petite que les modèles actuels en noir.

Il ne s’agit donc pas pour l’heure d’une véritable interface neuronale directe. Avec ce système, les muscles agissent comme des haut-parleurs qui « amplifient » les impulsions nerveuses. Un système myoélectrique traditionnel ne détecte que le volume des impulsions alors que le logiciel de Coapt est en mesure de reconnaitre des « formes » et par analogie en mesure d’identifier le type de signal propre à un mouvement.

La roadmap de cette société prévoit une nouvelle génération miniaturisée ainsi qu’une technologie s’appuyant sur une électrode implantée sous la peau et capable de lire les signaux électriques sous la peau.

Coapt est pas la seule entreprise à travailler sur le pilotage des prothèses des membres supérieurs sont contrôlés : Le MPL (Modular Prosthetic Limb) des laboratoires John Hopkins peut également être utilisé avec un logiciel de reconnaissance de formes, et DEKA research group travaille sur « LUKE Arm », un modèle de prothèse inspiré par la prothèse de Luke Skywalker dans Star Wars et qui utilise le système de Coapt. MPL et LUKE Arm sont tous deux financés par la DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). Aucun d’entre eux n’est encore disponible dans le commerce, bien que le lancement de LUKE Arm soit prévu cette année.

Le système de reconnaissance de formes MPL a été développé en interne, explique Mike McLaughlin, ingénieur en chef chez Johns Hopkins Applied Physics Laboratory. « L’objectif est de pouvoir traduire les pensées en mouvement. »

Le LUKE Arm peut être contrôlé de plusieurs façons, y compris avec le système Coapt. Unique, le bras « LUKE » peut également être contrôlé à l’aide d’une commande sans fil que l’on manie comme un joystick pour déplacer le bras selon des modèles de mouvements préprogrammés.

Aucune des prothèses mentionnées ci-dessus, ne permet d’être contrôlée comme une main naturelle. Même les meilleurs systèmes de contrôle accomplissent un ensemble de mouvements pré-établis et ne permettent pas une parfaite liberté. Avec le système Coapt, un individu peut par exemple, pré-programmer environ six à huit mouvements.

Pour l’instant, le facteur limitant n’est pas la technologie du bras-MPL qui dispose de 26 articulations et quelques centaines de capteurs, mais la bande passante nécessaire pour déchiffrer les signaux du cerveau. « Lorsque vous déplacez votre bras, il y a approximativement 500 millions de neurones impliqués. À l’heure actuelle, la technologie ne permet de capter que quelques centaines de ces neurones », explique McLaughlin.

L’avenir du contrôle prothétique passera sans doute par la perception directe des signaux dans le cerveau. L’équipe du MPL, en collaboration avec l’Université de Pittsburg, a récemment testé des implants d’électrodes dans le cerveau chez deux patients souffrant de graves lésions de la moelle épinière. Idéalement, la technologie sera un jour être non-invasive, dit McLaughlin, « mais nous n’en sommes pas encore là. Donnez-nous un an ou deux ».

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