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Prothèses bioniques

Les prothèses bioniques sont des prothèses qui interagissent directement avec le système nerveux l'utilisateur, pour remplacer chez celui-ci une fonction motrice ou sensorielle que son corps n'assume plus. Elles constituent en ce sens une application de la biomécatronique, qui est la science mettant en commun des recherches en sciences médicales, en biomécanique et en robotique pour intégrer des éléments mécaniques au cours humain. Les prothèses bioniques représentent aussi un pont entre les prothèses neurales, qui sont des prothèses implantées dans le cerveau avec pour but de créer une interface entre une prothèse sensorielle ou motrice et le système nerveux central, et les prothèses mécaniques, qui remplacent des fonctions motrices du corps.

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Interface homme-machine

Les différentes approches sont catégorisées selon la façon dont l'usager interagit avec elles. Chaque catégorie de prothèses répond à des handicaps particuliers.

Approche bionique (électrodes implantés ou externes)	Handicaps traités	Types d'actionneur (avec exemples)
Interface cerveau-machine	Patients complètement paralysés	Moteurs, i.e. bras robotiques contrôlés par des singes
Interface cerveau-ordinateur	Amputés et patients avec un système nerveux central intact mais des muscles faibles	Écran d'ordinateur, i.e. faire bouger un curseur
Interface hybride cerveau-machine	Patients à la moelle épinière endommagée mais des muscles en santé	Muscles, i.e. FreeHand contrôlée directement par le cerveau
Interface ordinateur-cerveau	Maladie de Parkinson	Muscles

Fonctionnement

Fonctionnement d'une interface cerveau-ordinateur (schéma)

Pour qu'une prothèse bionique soit fonctionnelle, il faut que certaines de ses composantes soient intégrées dans la physiologie de l'usager. Des bio-senseurs ou des prothèses neurales détectent les signaux provenant des systèmes nerveux ou musculaire de l'utilisateur. Dans le cas d'une interface avec une prothèse neurale, il est même possible que la communication soit dans les deux sens, la prothèse envoyant de l'information sensorielle pouvant être interprétée par le cerveau. Après leur réception, les signaux nerveux ou musculaires sont relayés au contrôleur, situé dans la prothèse. Le contrôleur reçoit aussi de l'information provenant de différents capteurs de la prothèse pour produire la réponse la plus appropriée à l'intention de l'utilisateur. Le contrôleur détermine l'action à entreprendre, et envoie une commande correspondante à l'actionneur. L'actionneur joue le rôle d'un muscle en produisant de la force ou en causant un mouvement.

Innovations technologiques

Membres robotisés

i-limb : La première main bionique commerciale.

Les membres robotisés doivent aujourd'hui offrir une grande mobilité de mouvement et une capacité de s'adapter instantanément pour ne pas retarder les avancées technologiques dans les autres domaines liés aux prothèses.

Des développements s'effectuent sur les algorithmes des contrôleurs, qui déterminent les réponses des actionneurs en fonction des intentions de l'utilisateur et de l'environnement. L'évolution de ces algorithmes fait qu'ils déterminent désormais des réponses instantanées et adaptées à des situations plus complexes, comme monter une pente. La miniaturisation des composantes informatiques permet aussi d'embarquer dans les prothèses des contrôleurs plus puissants et moins encombrants, en mesure de fournir les ressources accrues demandées par les algorithmes. Les prothèses réagissent donc de façon plus naturelle à l'environnement aux intentions de l'utilisateur, rivalisant même sur ce point les membres organiques.

L'avancement dans les recherches sur les matériaux permet aussi aux prothèses d'être plus légères et moins encombrantes pour les usagers. Bien qu'une préoccupation en apparence anodine si l'on s'en tient à une vision pragmatique et utilitaire, des prothèses qui émule plus fidèlement un vrai membre du point de vue ergonomique facilite l'adaptation pour les usagers.

D'autres percées ont été atteintes par rapport aux moteurs qui actionnent les prothèses. Un exemple marquant est la i-limb, la première main bionique commerciale, développé par l'ingénieur David Gow et produite par Touch Bionics. Alors que les prothèses étaient traditionnellement conçues avec un seul moteur régulant l'ensemble des mouvements, chaque doigt de la i-limb possède son propre moteur miniature désigné. En plus de faciliter la miniaturisation des prothèses, cette conception mène à des doigts articulés, qui accroissent de façon notable la dextérité offerte par la main bionique.

Interface sensorielle

Outre l'aspect moteur, il y a aussi tout l'interface qui capte les signaux du corps et communique avec lui qui a dû évoluer pour permettre des prothèses bioniques aussi performantes que celles disponibles aujourd'hui.

Selon la méthode traditionnelle, lorsqu'il faut relier un appareil quelconque au système nerveux, des capteurs externes sont utilisés pour enregistrer l'activité nerveuse du corps. Cette information est ensuite analysée par traitement numérique du signal pour y déceler l'intention de l'usager, qui est finalement traduite en commandes à être accomplies par un effecteur externe. Auparavant limité par des considérations matérielles et de puissance de calcul, cette façon de faire a bénéficié des progrès dans le traitement numérique du signal ainsi que dans la conception des microprocesseurs, à tel point que les différentes technologies actuelles dépassent les exigences des prothèses neurales.

C'est toutefois la collaboration entre les composants matériels et logiciels et leur intégration en une interface complète entre le système nerveux et les machines qui continuent à être problématique. En effet, la fiabilité des capteurs externes est limitée par des considérations anatomiques, indépendantes de l'évolution des technologies. La principale contrainte est la modification des signaux électriques entre les tissus qui émettent les signaux et la surface du corps. C'est notamment le cas de senseurs disposés à la surface du crâne pour capter l'activité électrique cérébrale. À titre d'exemple, il est nécessaire, pour interprété un influx provenant bien particulière du cortex, de prendre en compte les signaux captés par les électrodes sur une région de 6 cm² autour de l'origine du signal. En tenant compte de ces limitations, il est compréhensible que des signaux qui se superposent dans l'espace ou dans le temps sont difficilement différenciables les uns des autres, et ce malgré les percées en traitement numérique du signal. Pour parer à cette lacune des senseurs externes, et en profitant de la miniaturisation des composants électroniques de même que de l'évolution des biomatériaux, l'implantation d'électrodes à l'intérieur du corps est une nouvelle approche envisagée pour capter les signaux du système nerveux.

Ceci ne veut pourtant pas dire qu'il n'y a plus de défis à relever quant à l'implantation d'une interface avec le système nerveux dans le corps. Malgré le fait que les tests cliniques s'avèrent prometteurs, la viabilité de ces technologies à long terme reste sujette à des doutes. Ainsi, dans le cas des électrodes intraparenchymateux, c'est-à-dire les électrodes qui sont implantés dans les couches de tissus fonctionnels de l'organe, la réaction immunitaire de l'organisme à ce qu'il considère être des corps étrangers est problématique. Un exemple est la gliose, un processus qui prend place dans le cerveau et qui entraîne la cicatrisation des tissus à la surface des électrodes lorsque ceux-ci sont présents au cours d'une période de temps prolongée. L'isolation des électrodes des neurones activent par une couche de tissu cicatriciel résulte en une perte de précision lors de la captation des signaux nerveux. Les recherches se poursuivent pour développer de nouveaux bio-matériaux vis-à-vis desquels le corps n'aurait pas cette réaction averse, dans le but ultime d'obtenir des implants dont l'efficacité ne diminuerait pas avec le temps. Dans le cas précis des électrodes intracrâniens, une nouvelle approche est aussi envisagée. Qualifiée d'électrocorticographie, cette méthode consiste à positionner les électrodes sous les méninges, directement sur la surface corticale, sans pour autant les loger dans le cortex. Cette façon de faire contourne la réaction immunitaire du corps aux électrodes qui pénètrent les tissus, tout en évitant aussi le bruit dans le signal capté par les électrodes externes.

Manipulation d'objet permise par une plus grande dextérité des prothèses

Les avancements technologiques dans notre capacité d'interagir avec le système nerveux veulent aussi dire qu'on commence à pouvoir communiquer avec celui-ci, et non seulement capter les signaux qu'il émet. Dans le domaine de prothèses bioniques, cela veut dire qu'on entrevoit désormais la possibilité de restaurer des capacités sensorielles, comme la vision ou l'ouïe, à l'aide d'implants qui relayent l'information sensorielle sur l'environnement obtenue grâce à des capteurs vers le système nerveux. Les recherches les plus récentes portent même sur la capacité de restaurer des habiletés sensorielles très spécifiques, telles que la capacité de déterminer la température d'une surface au touché, ou encore si elle est humide. Une autre retombée d'une communication dans les deux sens avec le système nerveux est une meilleure dextérité pour les bras robotiques. En effet, des actions comme saisir un objet requièrent de la rétroaction pour pouvoir être accomplies avec l'aise humaine. La communication bidirectionnelle au niveau du système nerveux représente un pas considérable dans le design biomécatronique, soit la conception de prothèses qui s'inspirent des composants organiques qu'elles remplacent, et qui ont pour but de fonctionner le plus possible comme ces derniers.

Adaptation des patients

Contrairement aux prothèses purement mécaniques, les prothèses bioniques demandent à l'usager une certaine adaptation pour que le système nerveux apprenne à interagir correctement avec les bio-senseurs ou prothèses neurales. Il est aussi courant de soumettre l'utilisateur à des exercices pour développer l'appropriation du membre bionique. Bien que toutes les capacités des prothèses bioniques ne soient pas accessibles instantanément au nouvel usager, l'adaptation se révèle être naturelle et intuitive à moyen et long termes.

Par ailleurs, les prothèses jouent aussi un rôle dans le bien-être psychologique des patients. En effet, dans bien des cas, le handicap quelconque auquel la prothèse est supposée remédier est acquis plutôt qu'inné. Des prothèses réalistes, et esthétiques, peuvent donc aider le patient à se faire une meilleure image du nouvel état de son corps. Dans ce sens, les plus récentes recherches sur les matériaux ouvrent la porte à de la peau synthétique élastique, capable d'imiter la peau humaine de façon plus convaincante que les autres matériaux actuellement employés dans la confection de prothèses. Dans la même veine, il y a aussi du développement vers des prothèses chauffantes capables de maintenir la même température que le corps humain, et par le fait même qui puissent être perçues comme plus naturelles, plus vivantes, que des prothèses non chauffées. Des prothèses intégrant ces technologies pourraient donc être perçues différemment par les patients, avec la possibilité très concrète que ces derniers les acceptent plus aisément comme des extensions de leur propre corps et ne les voient pas comme une imperfection dont ils doivent avoir honte.

Articles connexes

• Prothèse : dispositif artificiel destiné à remplacer un membre, un organe ou une articulation
• Biomécatronique : science appliquée interdisciplinaire associant les recherches en biomécanique et robotique
• Interface neuronale directe : interface de communication entre un cerveau et un dispositif externe
• Représentation des prothèses dans la culture populaire