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Fabrikarium 2016

La prothétique bionique de la main : présentation et enjeux

Généralités

Les prothèses médicales sont des équipements élaborés, réalisés par des entreprises spécialisées, mettant souvent en œuvre des technologies de pointe. Leur coût est dès lors très élevé. S’il est pris en charge par la sécurité sociale dans nos pays, il ne l’est pas partout.

Chaque membre que la médecine s’efforce de remplacer possède des caractéristiques propres. Le projet ”Bionicohand” se réfère à la main, dans une approche mécanisée, commandée électroniquement, pour offrir au patient une expérience de la préhension en remplacement de son membre manquant.

Jusqu’à l’émergence d’ateliers d’amateurs sur la fabrication de mains de robot, l’idée de réaliser une prothèse de main à bas coût était presque inconcevable. Cependant, ces expérimentations viennent changer la donne, et, de la main de robot, des projets ont donné naissance à des projets pour une prothèse de main. C’est là qu’intervient la ”Bionicohand”.

Un tel projet fait intervenir des domaines de compétences très variées, médicales, ergonomiques, techniques et artistiques. L’écoute des besoins du patient et de ses désirs sont également au coeur du sujet. C’est donc une approche multidisciplinaire.

La main de l’être humain présente des caractéristiques très spécifiques, qui n’existent pas telles quelles dans le monde animal.

Elle a également la particularité d’être difficile à reproduire.

En conséquence, quelques soient les prouesses d’ingénierie et les connaissances médicales mises en œuvre, il faut garder beaucoup d’humilité pour aborder un tel projet: il ne sera jamais possible de reconstruire une main telle qu’elle a été façonnée par la nature.

La première question à se poser lors de la confection d’une prothèse est de déterminer son utilité.

Pour une prothèse de jambe, l’usage essentiel paraît relativement facile, il s’agit de pouvoir tenir en station debout et de se déplacer le plus aisément possible.

Pour une prothèse de main, il y a des myriades de possibilités, il va donc falloir caractériser son usage.

Prothèse esthétique

La première facette, c’est celle de la prothèse esthétique :











Leur prix va de 10k€ à 15k€, tout le travail est artisanal, sur mesure, y compris pour la coloration. Cela peut aller très loin, vous pouvez distinguer sur les photos jusqu’aux poils et la couleur des vaisseaux sanguins.

Les patients ont souvent des attentes, le travail de l’ergonome est de se rapprocher le plus possible, pourtant tout ne sera pas parfait. Par exemple, le corps change de couleur selon la saison, avec le bronzage, ou même simplement entre changements de température. Au niveau mécanique, la prothèse aura des limitations aussi. Le patient va donc devoir accepter les limites dans la réalisation d’une prothèse.

Vient alors la question technique : comment concevoir une prothèse ?

L’emboîture

L’élément essentiel de la prothèse est l’emboîture. C’est sa structure, sa fondation, il est important qu’elle soit confortable et adaptée à la morphologie de la personne.

Le point de départ sera un moulage en plâtre, dans un premier un négatif sera obtenu (il sera à l’envers pour l’obtention de la prothèse), duquel sera créé un positif. Ce moulage doit être fin pour s’adapter parfaitement au corps de la personne.

Fixation de l’emboîture

Il faut également travailler le système de fixation. En observant le coude, en le palpant, nous pouvons observer trois pointes osseuses.

Il y a le coude proprement dit, puis 2 épines sur le côté. Ce sont des zones très sensibles, qu’il va falloir décharger au maximum pour éviter d’y mettre une pression.

Pour le système de fixation, c’est une pince qui sera utilisée, en réalisant un accrochage en forme de fourche d’un côté du coude, puis un troisième accrochage qui viendra fermer la fixation.

Ce maintien tient très bien, par contre, il n’est pas possible de l’enlever. Or, c’est une opération fréquemment nécessaire.

Par ailleurs, la médecine n’est pas une science exacte. L’os n’obéit pas aux mêmes règles mécaniques qu’une structure métallique et des vis. L’os est quelque chose de vivant, il change en permanence.

En effet, l’os est entouré d’une espèce de sac qui perméabilise le passage des ostéophytes responsables de la production du calcium qui conduit l’os à pousser. Si ce sac n’est plus présent, l’os va continuer de pousser, donc il faut y remédier.

De plus, les moignons ont tendance à changer de volume selon les conditions de l’environnement ou de l’organisme. Il faut également pouvoir gérer les variations de volume chez le patient.

C’est le corps de l’emboîture qui sera en contact direct avec le moignon.

L’objectif principal dans la confection de la prothèse va être de veiller à la répartition de pression. Il faudra éviter que des hyper-pressions apparaissent à certains endroits, ce qui signifierait un manque de pression ailleurs. Si le maintien est trop mou, ce n’est pas bon non plus.

Dans la main présentée ci-dessous, il apparaît (photo du milieu) qu’il y a une partie rigide pour le corps de la main, une partie souple au niveau de la main, et une autre partie partiellement souple au niveau de la jonction entre la main et le poignet pour apporter une certaine flexibilité.

Le budget pour une telle prothèse peut aller jusqu’à 30.000 €. Sa durée de vie d’une telle prothèse est de 3 à 5 ans, ensuite il faut la renouveler. Ces coûts sont entièrement pris en charge par la sécurité sociale.

La conception de la prothèse dépend également de l’endroit où elle sera fixée. Aujourd’hui, les chirurgiens s’adressent de plus en plus souvent aux prothésistes afin de déterminer le meilleur endroit pour l’amputation. Ainsi, le choix dépendra à la fois des critères médicaux et des critères mécaniques pour le prothésiste, sachant que pour lui, la situation la plus facile à gérer, est celle où l’amputation a lieu entre le tiers-moyen et le tiers-long.

La prothèse pourra avoir plusieurs fonctions. Esthétique ou utilitaire, elle pourra également être motorisée. En fait, un patient utilisera différents types de prothèse, selon l’activité. Le crochet est une prothèse de travail, dont l’outil est interchangeable.

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Les deux dernières sont des mains motorisées, le tout premier modèle de main à commande myoélectrique est apparu en 1967.

La main Michel-Angelo est une des plus coûteuse aujourd’hui. Les photos en présentent une réplique 3D. Dans le modèle réel, elle est équipée de 3 moteurs: un moteur au sein de la main, un pour la rotation et un pour la préhension.

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Reproduire les mouvements de la mains

Dans la prise en compte du réalisme du mouvement de la main, il y a un réel défi sur la rotation. En effet, les mouvements sont limités du fait de la constitution des os et des muscles du bras et de la main. Le mouvement de rotation de la main met en jeu un mouvement qui démarre dès le début de l’avant-bras.

Les deux os radius et cubitus sont parallèles au repos (c’est le cas de la station bras tendus vers le bas), ils viennent se superposer l’un au-dessus de l’autre au cours de la rotation.

C’est ce que vous pouvez voir sur la video et la série d’images qui suivent.

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Les caractéristiques du mouvement induisent donc des contraintes spécifiques à la tenue de la prothèse au bras:

Capteurs musculaires

La commande d’une main motorisée se réalise à l’aide de capteurs musculaires. Dans le corps, les signaux électriques musculaires ont pour support les fibres musculaires, donc l’eau.

Ces signaux sont captés par des électrodes, qui vont pouvoir relayer le signal électrique à un circuit de commande. Le circuit se comportera différemment du mouvement corporel musculaire, le patient devra donc s’habituer à manipuler la prothèse, ce qui nécessite une phase d’apprentissage. Prendre un objet solide ou un objet fragile comme un gobelet à café en plastique nécessitera un abord différent. La manoeuvre couvre une grande amplitude de forces sur une petite plage d’action musculaire, le contrôle du mouvement est donc subtil.

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Sur le plan des caractéristiques physiques pour le traitement du signal, la tension des signaux musculaires est de l’ordre de 5µV. Donc, c’est très petit et l’acquisition du signal est très sensible aux parasites (proximité de transformateurs, de téléphones portables et autres sources de perturbations potentielles).

Au niveau électronique, il faut donc utiliser un amplificateur différentiel pour filtrer les signaux parasites en fonction de la longueur d’onde du signal.

Sur la main myoélectrique, la pression est de 10kg/cm2. Il y a également des différences homme/femme à prendre en compte dans l’élaboration de la prothèse.

Il faut également savoir que depuis le bras, il n’est pas possible de capter les signaux pour tous les doigts, il n’y a pas un signal par muscle, le mouvement corporel se répartit autrement dans le jeu des tendons du bras et de la main.

Dans le monde des prothèses motorisées, il se fait aussi des retours de sensibilité, qui permette de rendre compte d’un ressenti de ce qui est pris en main.

Et parmi les particularités que le patient a à prendre compte, il y a la sensation fantôme. C’est une sensation nerveuse qui se réveille à un endroit que le cerveau interprète comme là où le membre était présent auparavant. C’est assez troublant et fait également l’objet d’un apprentissage.

Dans la répartition, il y a un choix s’opère chez les patients : 50% des gens portent des prothèses, et 50% n’en portent pas.

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