Les premiers hommes bioniques

Combien de personnes sont concernées par la paralysie et l’amputation ?

Pour cerner le problème j’ai cherché des statistiques mondiales mais elles sont dures à trouver en dehors des Etats-Unis.

Dans une étude parue en 2008, des médecins américains estimaient qu’il y avait 1,6 millions de personnes vivant avec au moins un membre amputé aux Etats-Unis en 2005 soit un peu plus de 0,005% de la population.

Les causes principales sont les maladies cardiovasculaires (54% des patients) et les accidents (45%) (source). Au rythme de progression actuel du diabète et maladies associées, les médecins concluaient que le nombre de personnes vivantes amputées pourraient doubler d’ici 2050. Le Guardian déplorait en 2015 un nombre record d’amputations liées au diabète au Royaume-Unis (source).

Il ne semble pas exister de statistiques en France car même les universitaires spécialisés semblent extrapoler les chiffres américain à la France.

La fondation Christopher & Dana Reeve a publié une étude en 2009 évaluant à 1,9% la part de la population américaine souffrant d’une forme de paralysie, soit 5,6 millions de personnes.

Les principales causes de paralysie aux Etats-Unis sont les accidents cardiovasculaires (29%), les lésions de la moelle épinière (23%) et la sclérose en plaque (17%) (source).

Dans un cours donnée à l’université Paris Diderot, le docteur Jean-Pascal Devailly explique qu’1,5% de la population française est considérée comme handicapée moteur.

Les premières prothèses bioniques

Hugh Herr - Business Insider

Hugh Herr – Business Insider

Dans une conférence TED donnée en Mars 2014, Hugh Herr, directeur du Biomechatronics Research Group au MIT, identifiait 3 problèmes auxquels sont confrontés les concepteurs de prothèse.

L’interface mécanique : comment on attache la prothèse au corps ?  Sa solution est une membrane de peau synthétique fabriquée sur mesure pour le patient.

L’interface dynamique : comment la prothèse se comporte ? L’idée est d’étudier et de comprendre comment les muscles, les tendons et le reste du corps humain se meut naturellement afin de s’en rapprocher le plus possible.

L’interface électrique : comment la prothèse communique avec le reste de mon système nerveux ? Bref, comment le patient peut contrôler sa prothèse ?

Comme on va le voir, ces 3 problèmes sont en phase d’être résolus.

Des jambes robotisées à la démarche naturelle

Plusieurs entreprises commercialisent déjà des prothèses intelligentes pour les membres inférieures. Et elles sont tellement efficaces que l’armée américaine envisage de renvoyer sur le front des soldats blessés après réhabilitation comme le rapporte ce reportage.

Ces performances sont à mettre sur le compte des progrès accomplis dans la compréhension de la physiologie du corps humain. Nous comprenons mieux le fonctionnement physique du corps, aussi on est à même d’en produire une réplique mécanique.

Parallèlement les prouesses d’ingénierie sont rendues possibles par la miniaturisation des composants et aux progrès de l’informatique capable d’analyser en temps réel les mesures de nombreux capteurs pour ajuster la position et la puissance moteur à délivrer.

BIONX Medical Technologies

Danseuse amputée se produisant sur scène - Capture d'écran Youtube TED Mars 2014

Danseuse amputée équipée du BiOM Ankle se produit sur scène – Capture d’écran Youtube TED Mars 2014

Hugh Herr que l’on vient de citer est une sommité dans le milieu des prothèses intelligentes mais également son propre patient. Amputé sous les 2 genoux suite à un accident d’alpinisme, il porte 2 prothèses qu’il a lui-même conçu et qu’il commercialise à travers son entreprise BIONX Medical Technologies.

La BiOM Ankle, une prothèse motorisée de cheville et de pied qui simule le mouvement et le comportement normal du corps humain. Suivant la contraction du muscle situé juste avant la prothèse, cette dernière fournie plus ou moins de puissance comme le ferait le muscle du mollet sur une personne valide.

La différence pour le patient entre une prothèse active comme la BiOM Ankle et une prothèse passive classique est criante : de claudicante, la démarche devient immédiatement aisée et fluide :

Sur une autre vidéo on peut voir un porteur courir comme un cabris sur des chemins de montagne.

Quelques caractéristiques :

  • Autonomie : 4 à 6 heures avec une batterie interchangeable
  • Patient concernés : amputés au-dessus ou au-dessous du genou
  • Prix : $70,000
  • Patients équipés : 1,000+

Ossur

Le Proprio Foot d'Ossur - Ossur

Le Proprio Foot d’Ossur – Ossur

Le fabricant de islandais Ossur commercialise également des prothèses intelligentes pour le genou et la cheville. Pour l’anecdote, les prothèses pour le genou exploitent une licence rachetée à un certain Hugh Herr.

Popular Science décrit dans un article le ressenti très positif de Gudmunter Olafsson, porteur du Proprio Foot depuis 2014.

Petite différence avec BIONX, les électrodes sont non pas posées sur la cuisse mais directement implantées dans le muscle grâce à une opération légère.

L’entreprise islandaise réalise environ $33M de chiffre d’affaires par an dans les prothèses bioniques. Elle a racheté Touch Bionics, fabricant anglais de prothèses de main, en Avril 2016 pour $39M.

Quelques caractéristiques du Proprio Foot :

  • Autonomie : 24 à 48 heures selon l’utilisation
  • Patient concernés : amputés au-dessous du genou
  • Prix : $12,000 à $18,000 (source)

Le miracle des prothèses myoélectriques

Les prothèses pour la main sont plus complexes à concevoir et à contrôler si on veut s’approcher des capacités naturelles du corps humain. Il faut articuler les doigts et les équiper de moteurs indépendants, reproduire la capacité de rotation du pouce et du poignet …

Mais ce n’est plus insurmontable. Regardons un peu comment fonctionne le i-Limb Ultra de Touch Bionics à partir de ce reportage.

i-Limb Ultra sur un jeune patient - Touch Bionics

i-Limb Ultra sur un jeune patient – Touch Bionics

La prothèse vient se fixer sur le moignon du bras. 2 électrodes sont posées sur le muscle restant et captent la tension électrique générée par la contraction. On parle de prothèse myoélectrique.

Un processeur intégré peut transformer ce signal en mouvement :

  • Une contraction rapide et tous les doigts de la main s’ouvrent
  • 2 contractions et une autre fonction se déclenche comme plier le pouce et l’index pour saisir quelque chose.

S’il faut beaucoup réfléchir au début pour réaliser les mouvements souhaités, la commande de la prothèse devient complètement inconsciente au bout de quelques mois.

La prothèse peut réaliser de 24 mouvements différents. 3 sont affectables à une commande musculaire, les autres se font par smartphone.

On peut aussi disposer des puces wifi dans son environnement qui vont faire basculer la prothèse dans un mode prédéfini (doigts tendu et raidi proche de l’ordinateur par exemple). L’autonomie est suffisante pour s’en servir toute une journée et recharger la nuit.

3 fabricants pour 3 mains cybernétique tout droit sorties d’un film de science-fiction

On trouve sur ce marché trois fabricants principaux : RSLSteeper sous la marque BeBionic (UK), Touch Bionics (UK) et Prensilia (ITA).

Steeper commercialise sa prothèse BeBionic à $11,000.

TouchBionics propose de son côté le i-Limb Ultra entre $38,000 et $120,000 selon le degré d’amputation du bras (source). Une fois pris en compte le pris des réglages personnalisés et de l’entrainement du patient, on arrive en moyenne autour de $100,000 (source).

Prensilia propose enfin sa main IH2 Azzura pour environ €25,000 (source)

Ces jeunes entreprises ont pris de l’avance technologiquement sur les fabricants de prothèses motorisées anciennes génération comme Motion Control Inc. (US), Liberating Technologies Inc. (US) ou Ottobock (All).

Cependant les produits plus anciens restent ce qui se fait de mieux sur le marché pour certains segments moins dynamiques comme l’épaule ou le coude dans l’attente de prothèses plus évoluées.

Encore plus impressionnant : le bras cybernétique

Les Baugh un américain qui a été amputé des 2 bras (épaules comprises) après un accident électrique travaille avec le Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory à mettre au point un système de 2 bras robotisés harnachés à son torse et qu’il peut piloter par la pensée.

Les bras bioniques de Les Baugh - John Hopkins University Applied Physics Laboratory

Les bras bioniques de Les Baugh – John Hopkins University Applied Physics Laboratory via Youtube

Dès 2014 il a pu bouger ses 2 bras (de la main à l’épaule) avec 40 degrés de liberté de chaque côté. Cependant, il n’est pas capable de commander différentes articulations en même temps : il faut d’abord positionner l’épaule, puis le coude, puis le poignet.

Néanmoins on peut imaginer la révolution pour lui. Le New York Time avait réalisé un très beau reportage dans lequel on le voit dans sa vie quotidienne sans appareillage puis en plein exercice avec les médecins.

Le fonctionnement est complexe : les chirurgiens vont récupérer ce qui reste des nerfs qui contrôlaient le bras et la main et les réaffecter à des muscles intacts. Ainsi, le patient contracte des muscles en utilisant les anciens nerfs des membres amputés.

Par la suite les médecins vont équiper le patient de capteurs afin d’analyser la contraction des muscles concernés par l’opération. Grâce à un algorithme, ils vont pouvoir différencier les différents ordres envoyés à travers les nerfs du patient et les traduire en mouvement de la prothèse.

Il n’est pour l’instant pas possible de sortir le patient du laboratoire, les prothèses sont encore au stade de prototype et ne peuvent être utilisés que sous le contrôle des médecins.

Vers une véritable interface cerveau-machine

Toutes les prothèses que l’on a évoquées jusqu’à maintenant concernent uniquement les amputées. En effet on les commande en se servant de muscles toujours fonctionnels. Les interfaces modernes sont ensuite capables de détecter le signal électrique lié à cette contraction et d’en repérer les fines variations pour l’interpréter au final comme un mouvement de la prothèse.

Cette solution donne de bons résultats mais elle suppose qu’il reste au patient certains autres muscles valides. Ce n’est pas le cas pour une personne tétraplégique chez qui c’est le système nerveux qui est défaillant et qui n’est plus capable d’actionner les muscles.

Mais dans ce domaine aussi, les scientifiques avancent à pas de géants et semblent en bonne voie pour dépasser les limites du corps et rendre au cerveau le pouvoir de commander les muscles, voir des robots extérieurs.

Les balbutiements de la commande mentale

Les interfaces cerveaux – machines se perfectionnent depuis environ 15 ans. Les premières expériences montraient des rats poussant un levier en activant un bras robotique, puis un singe qui jouait à un jeu vidéo et enfin des hommes qui réalisaient des tâches de plus en plus complexes.

Dès 2013, l’université de Pittsburgh se félicitait d’avoir mis au point une des interfaces cerveau – machine les plus performantes à cette date. J.Scheuermann, une patiente américaine de 53 ans atteinte d’une pathologie neurodégénérative s’était vu implanter des électrodes dans son cortex moteur (partie du cerveau qui est impliquée dans le mouvement).

Cela permet à un ordinateur de capter une partie de son activité cérébrale et de l’interpréter pour commander un bras robotique assez précisément pour saisir un objet.

J.Scheuermann, paralysée sous le cou, porte à sa bouche une barre de chocolat en commandant un bras robotique - University Of Pittsburgh Medical Center

J.Scheuermann, paralysée sous le cou, porte à sa bouche une barre de chocolat en commandant un bras robotique – University Of Pittsburgh Medical Center

Michael Boninger, un des médecins impliqués, expliquait que la principale avancée de son équipe résidait dans l’algorithme capable d’interpréter les ondes cérébrales et donc de comprendre quel mouvement le patient voulait effectuer. Il s’agit d’une autre application du Deep Learning.

Ce qu’il y a d’enthousiasmant dans ces recherches, c’est qu’une fois le problème de l’interface avec le cerveau résolu on pourrait assez facilement équiper les personnes paralysées de dispositifs comme des exosquelettes. De plus on peut facilement adapter des machines sophistiquées conçues pour l’industrie comme les bras robotiques d’Universal Robots ou les mains robotiques de Shadow Robot. Leur gros avantage, c’est que leur prix chute rapidement avec l’explosion de la demande.

Un implant cérébral capable de contrecarrer les dommages à la moelle épinière

En 2016, une équipe de l’université d’Etat de l’Ohio a travaillé avec Ian Burkhart, 24 ans, paralysé sous les épaules suite à un accident de la route qui a endommagé sa moelle épinière.

Ian Buckhart bouge son bras pour la première fois depuis son accident - Ohio State University Wexner Medical Center Batelle

Ian Buckhart bouge son bras pour la première fois depuis son accident – Ohio State University Wexner Medical Center Batelle

Les médecins ont commencé par implanter des électrodes dans une région précise de son cortex moteur.

Buckhart a ensuite passé 15 mois à raison de 3 séances par semaine à entrainer son cerveau à utiliser cet implant. De leurs côté, les chercheurs ont utilisé l’apprentissage automatique pour interpréter les ondes  cérébrales du patient et reconnaitre lesquelles étaient associées à différents mouvements.

Buckhart a ensuite été équipé d’une manchette flexible reliée à son implant par des fils. Cette manchette envoie des impulsions électriques dans son poignet qui déclenchent le mouvement des muscles sur la base des ondes cérébrales captées par l’implant.

Au terme de l’expérience, le jeune paralysé est parvenu à tenir une bouteille d’eau et à la verser dans un bocal, ou encore à passer une carte de crédit dans un terminal.

Cette expérience très prometteuse comporte certaines limites :

  • Le dispositif est très invasif et n’est pas adaptés aux personnes en mauvaise santé ou dotées d’un système immunitaire défaillant.
  • Cette technologie peut commander les muscles mais ne restaure absolument pas les sensations dans les membres paralysés.

Parvenir à rétablir le retour sensoriel

Une des grandes raisons du manque d’habilité des utilisateurs de prothèse, c’est qu’ils ne peuvent évaluer leur mouvement qu’avec la vue. En l’absence de toucher, il est très difficile de contrôler précisément ses gestes ou encore d’ajuster la force à appliquer pour saisir un objet.

On peut donc contrôler une prothèse par la pensée mais pas la sentir comme une partie de son propre corps.

Ce point est aujourd’hui largement en retard par rapport au volet purement mécanique de la science des prothèses. Plusieurs solutions sont à l’étude :

  • Connecter les anciens nerfs à la prothèse qui serait capable d’émuler les sensations ressenties naturellement en envoyant un signal électrique vers le cerveau
  • Connecter la prothèse à d’autres nerfs du corps. Si par exemple les nerfs du bras sont trop endommagés pour relayer les sensations d’une prothèse de main.
  • Relier la prothèse directement au cerveau par un implant.

Connecter la prothèses aux nerfs pour tromper le cerveau

Le professeur Hubert Egger the l’université de Linz en Autriche, présentait en 2015 le résultat de ses recherches : une prothèse de jambe capable de simuler chez le patient la sensation d’une vraie jambe.

Après une opération visant à relocaliser les nerfs au plus près de la prothèse, ceux-ci sont reliés à un jeu de senseurs situés dans la semelle de la prothèse. Le dispositif est ainsi capable de stimuler les nerfs en fonction de ce que capte la prothèse sur certains paramètres du sol.

Wolfgang Rangger, un patient équipé de la prothèse depuis 6 mois au moment de la conférence explique que ce regain de sensation lui permet de ne plus glisser sur la glace et de sentir si il marche sur du gravier, du béton, de l’herbe ou du sable. Par ailleurs, les patients notent une forte diminution des douleurs fantôme (source).

De la peau synthétique pour retrouver des sensations comme la pression ou la chaleur

D’autres chercheurs essaient de remplacer la peau perdue. Cet article rapporte que des ingénieurs de Standford ont mis au point une peau synthétique capable de ressentir la pression exercée sur elle.

Une autre équipe sud-coréenne a conçu de son côté un tissu extensible capable de détecter la chaleur et l’humidité.

Conclusion : vers le transhumanisme ?

Les médecins et les ingénieurs ont fait de très grands progrès. On conçoit aujourd’hui des prothèses intelligentes suffisamment robustes pour supporter toutes les contraintes de la vie courante.

Pour les personnes amputées, le contrôle musculaire fonctionne mais reste limité. Le graal des chercheurs serait de mettre au point un système de commande neurale miniaturisé et peu invasif (idéalement à travers un implant dans le cortex) qu’on pourrait relier à loisir à une prothèse ou à un système artificiel de stimulation musculaire pour les personnes handicapées.

A n’en pas douter la qualité des prothèses va continuer à progresser pour venir concurrencer puis surement dépasser les capacités naturelles du corps humain. On peut supposer que d’ici là les systèmes de contrôle aient progressé de pair et qu’il sera possible de commander une prothèse aussi intuitivement aussi précisément que le reste de son corps.

Dans ce scénario, de nombreuses questions qui étaient encore l’apanage exclusif de la science-fiction il y a quelques années se posent.

Verra-t-on des personnes volontairement choisir l’amputation pour s’équiper d’un membre bionique plus performant ? Certains métiers deviendront-ils réservés aux personnes augmentées ? Comment classera-t-on les records sportifs ?

Ci-dessous, une publicité fictive pour un fabricant d’implants tirée d’un jeu vidéo, ainsi que toutes les vidéos que j’ai utilisé pour écrire cet article sous forme de playlist.

 

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