e-santé : prothèses bioniques

Ce besoin ne date pas d’hier : palier à la perte d’un membre perdu. Dès l’antiquité, déjà, les Egyptiens s’y sont essayés depuis 2 600 ans. Mais ce n’est que grâce aux dernières avancées technologiques en matière de robotique et de biologie que l’évolution des prothèses a pris un tournant « historique ». Les prothèses n’étaient, auparavant, que de pâles imitations du membre perdu, celles-ci ne remplissant que très peu les fonctions demandées. Les progrès, aujourd’hui, sont tels que l’on parle de prothèses bioniques. Une avancée qui ouvre de larges perspectives dans le traitement du handicap, allant jusqu’à l’augmentation des capacités humaines.

Skander Tajine

Qu’est-ce que la bionique ?

« C’est la science qui recherche, chez les plantes et les animaux, des modèles en vue de réalisations technique » (Wikipédia). 

Dans le domaine médical, la bionique s’oriente vers la production artificielle de membres et d’organes dans le but de remplacer une fonction détériorée ou amputée pour redonner une vie normale au patient.

Au fil des avancées par les laboratoires dans les domaines de la nanotechnologie et de la robotique, les prothèses seront dotées de capacités et de fonctions supérieures à celles des membres naturels de l’homme. La science-fiction avait présagé d’hommes rendus surpuissants, avec des facultés augmentées, la technologie l’a rendu possible !

L’invention

La prothèse bionique est née ! Il en existe, de nos jours, sous diverses formes : on retrouve, notamment, des prothèses électriques remplaçant bras et mains, jambes et pieds, oreilles et yeux.  Les organes vitaux ne sont pas en reste, non plus, dans cette révolution technologique, puisque même le cœur peut être recréé. 

Qui n’a pas déjà entendu parler d’un patient à qui un cœur artificiel a redonné une seconde chance de vie ?

Les applications de la technologie sont nombreuses. Voilà déjà neuf ans de cela, aux USA, Claudia Mitchell, dite « la femme bionique », totalement amputée du bras suite à un accident de la route, a pu montrer qu’avec sa nouvelle prothèse bionique, elle pouvait effectuer à nouveau plusieurs tâches du quotidien, comme par exemple saisir un verre de lait et le porter à sa bouche ou encore feuilleter les pages d’un livre… 

Tous ces gestes familiers peuvent être commandés par Claudia par la pensée, grâce à sa nouvelle prothèse, exactement comme elle l’aurait fait avec son ancien bras, aujourd’hui amputé. Mais, concrètement, comment l’ensemble fonctionne-t-il ?

Obéir à la pensée

Ces prothèses, dites myoélectriques, sont contrôlées par la pensée grâce aux signaux électriques envoyés à partir du cerveau vers le membre en question. 

Des électrodes fixées sous la peau permettent de capter les flux nerveux émis par le cortex moteur (centre contrôlant les mouvements dans le cerveau) vers les nerfs de l’ancien membre, ou organe. Ils sont, ensuite, redirigés vers une puce électronique qui, comme un petit ordinateur, les recueille, les analyse et sélectionne par la suite le mouvement désiré par le cerveau.

Le choix du positionnement des électrodes est primordial afin de garantir un fonctionnement optimal du membre ou organe artificiel. En effet, ces capteurs doivent être parfaitement bien reliés aux nerfs humains, une procédure assez complexe pour les ingénieurs qui conçoivent les prothèses. Raison pour laquelle une série d’analyses et de tests s’impose pour parvenir à distinguer les nerfs qui contrôlent chaque mouvement ou sensation, ce qui ne peut, évidemment, se faire sans l’intervention d’un neurologue. 

Les chiffres parlent d’eux-mêmes 

Selon l’Agence pour les projets de recherche avancée de la Défense aux USA (DARPA), qui finance des projets de recherche médicale pour soigner les traumatismes causés par les conflits militaires entre 2000 et 2011, au moins 5.700 militaires ont dû subir l’amputation d’un membre suite à un traumatisme pendant l’exercice de leurs fonctions. Parmi eux, on peut compter près de 50 % de personnes amputées d’au moins une main ou un pied. 

La France non plus n’est pas épargnée par ce fléau. En effet, chaque année, près de 8.300 Français subissent des amputations, qu’ils aient été victimes d’accidents domestiques, de la route ou liés à leur activité professionnelle. D’après les statistiques de la  Haute Autorité de santé (HAS) en France,  2007 a vu l’amputation d’environ 100.000 personnes.

En attendant de trouver une solution pour mettre fin aux guerres, ce type d’invention permettra peut-être aux victimes, soldats ou civils, de bénéficier d’une vie moins douloureuse et plus autonome.

Deux grandes catégories de prothèses bioniques

Les organes artificiels désignent des dispositifs médicaux capables de remplacer ou d’assister les organes détériorés. A priori, ces dispositifs sont actuellement temporairement utilisés dans l’attente d’une greffe d’organe naturel et non comme de véritables organes artificiels pouvant survivre sur le long terme.

D’ailleurs, seuls quelques uns d’entre eux peuvent être implantés dans le corps d’un patient, les autres étant sollicités seulement de façon externe. 

Il existe, de nos jours, principalement deux grandes catégories de prothèses bioniques : les organes internes artificiels et les membres inférieurs externes, également artificiels.

Et le foie artificiel fut !

Vers la fin des années 1990, le foie artificiel voit le jour. Ce système fonctionne comme un dialyseur, c’est-à-dire qu’il garantit la fonction de détoxication du foie. Même si le dispositif est apte à évacuer les produits de dégradation du sang, il n’est toujours pas en mesure de remplacer intégralement un foie naturel et de produire des substances vitales à l’organisme. C’est la raison pour laquelle la recherche scientifique poursuit le développement d’un système contenant des cellules hépatiques vivantes. Ces recherches ont principalement pour objectif de trouver la source idéale pour ces cellules hépatiques (cellules souches) et d’optimiser l’environnement dans lequel elles se développent. Plusieurs de ces appareils sont actuellement en phase d’essai dans le cadre d’études cliniques visant à assurer leur infaillibilité et leur fiabilité. 

Cœur artificiel : véritable défi technologique 

Les dernières avancées technologiques et les recherches médicales visant à développer un cœur artificiel permettent aujourd’hui au malade de recouvrer une grande mobilité et d’avoir une vie en dehors de l’hôpital. Celles-ci favorisent le renforcement des fonctions cardiaques et une attente de plusieurs mois jusqu’à la transplantation.

Néanmoins, la conception d’un tel cœur constitue un réel défi technologique : le dispositif doit notamment réguler la circulation sanguine selon les besoins de l’organisme et empêcher la coagulation. Il lui faut également une alimentation permettant d’assurer une énergie constante et fiable. A ce niveau, les avancées sont notables grâce à l’induction électromagnétique, technologie permettant un transfert de la tension électrique sans liaison physique, la cage thoracique n’abritant plus aucun fil électrique.

Quant aux membres extérieurs, ils tirent les plus grands avantages de la prothèse bionique. Citons, notamment, la main bionique, de plus en plus répandue et toujours plus efficace. Commercialisée, celle-ci est munie de cinq doigts articulés. En 2008, près de 200 personnes de par le monde en ont été équipées. 

Il ne faut pas oublier non plus la jambe bionique qui, comme la main, est équipée de façon à se faire oublier au profit des nouvelles capacités et mouvements qu’elle promet, ce qui n’était absolument pas possible avec une prothèse de jambe immobile. 

 

Restituer le sens du toucher 

 

S’il est devenu possible de contrôler son nouveau membre artificiel par la pensée, ressentir la forme ou la texture de l’objet touché est tout aussi important, afin de moduler la force avec laquelle on le saisit.

Pour ce faire, il faut tout d’abord savoir que le système nerveux humain possède deux fonctions importantes, la première étant la coordination des actions et des mouvements (moteur) et la deuxième celle de la communication avec l’environnement extérieur (sens). C’est sur cette dernière que la prouesse technologique se concentre pour restituer le sens du toucher.

Le principe est simple et similaire à celui qui permet de contrôler la prothèse de la main : les électrodes fixées sur les nerfs du patient, qui agissaient comme des capteurs pour déterminer le mouvement souhaité, changent le sens de leur fonctionnement pour envoyer des pulsions électriques vers le cerveau. Ces pulsions sont récoltées à partir de capteurs de chaleur, pression ou autres, situés sur la prothèse et sont, ensuite, converties par la puce électronique en un signal compréhensible par le système nerveux qui sera acheminé vers les électrodes aux extrémités des nerfs périphériques, et le tour est joué ! 

Quand les doigts prothétiques saisissent un objet, une impulsion électrique est envoyée au nerf qui la traduit pour le cerveau par « objet dur, mou, doux, rond, carré, etc. ».

 

Algorithmes informatiques

 

Les impulsions nerveuses humaines ne constituent pas, en soi, une information que le système électronique peut interpréter. Pour les transformer, les chercheurs ont mis au point une série d’algorithmes. Une fois ces impulsions nerveuses  traduites en signaux électriques, il devient possible d’actionner les différents mécanismes qui insufflent le mouvement à la prothèse.

Mais alors, comment le membre artificiel fait-il pour distinguer le type d’information souhaitée par le cerveau ? Comment détecte-t-il l’injonction de lever un doigt, tourner le poignet, etc. ? La solution se trouve dans la puce. Celle-ci permet d’analyser un très grand nombre de signaux électriques et de commander les mouvements possibles de la prothèse, grâce à l’énergie fournie par une batterie, déclenchant le mouvement désiré.

Le principe de base est très simple : le cerveau garde le souvenir des fonctions de ce membre, même après son amputation, ce principe étant appelé « mémoire procédurale ».  Les batteries, puces électroniques, moteurs et circuits de contrôle prennent, par la suite, le relais pour faire fonctionner au mieux le bras articulé. 

 

Mais tout n’est pas rose

 

Il est actuellement possible d’affirmer que la prothèse bionique est capable de redonner une seconde vie à l’homme, certains gestes familiers pouvant être parfaitement restitués, mais il est difficile, pour un membre ou un organe artificiel, de reproduire la totalité des aptitudes originelles du patient. Le système est encore en cours de développement et les limites physiques qu’imposent certains de ces éléments sont un sérieux handicap, difficile à maitriser.

L’autonomie, facteur majeur d’ergonomie, est toujours fonction du poids et de la taille de la batterie électrique. Plus sa capacité augmente et plus sa taille et son poids constituent un véritable calvaire pour l’utilisateur. La prothèse se doit d’être tout aussi légère et fine que le membre qu’elle remplace, sinon à quoi bon s’en servir si elle aggrave l’infirmité du patient ?

Même si l’acquisition d’un bras bionique n’est pas aisée, compte tenu de son coût très élevé, d’importants défis sont encore à relever par les industriels, à savoir l’amélioration de l’autonomie, qui passe par celle des batteries actuelles et la réduction de la consommation électrique, l’obtention d’un aspect plus naturel, grâce à une texture et des poils artificiels ressemblant plus à l’ancien membre afin d’apporter une touche plus esthétique, et enfin, le plus important, la perception des sensations. En effet pour permettre une totale équivalence entre le membre réel et le bras artificiel, ce dernier doit pouvoir envoyer au cerveau des signaux à partir des différents capteurs de la prothèse afin de restituer le sens du toucher. 

Un avenir radieux 

 

Certes, cela fait rêver d’un monde meilleur ! Dans quelques années, cette prouesse technologique permettra incontestablement de palier à la défection ou l’amputation d’un organe. Mais la réalité est encore très dure à surmonter pour le Tunisien moyen qui ne pourra pas se permettre le luxe de dépenser entre 35 et 60 milles dinars pour une telle prothèse. 

Bien que, pour l’instant, il soit assez difficile d’en estimer le prix, la possibilité de produire de telles prothèses en série devrait faire baisser les coûts dans un futur proche.

Pourtant, un certain Joël Gibbard, jeune ingénieur à Bristol au Royaume-Uni, passionné de robotique depuis son enfance et diplômé de l’Université de Plymouth en la matière, ouvre une nouvelle voie vers la réduction des coûts des prothèses. En effet, il promet de réduire les coûts de production d’une prothèse bionique de main, conçue par une imprimante 3D et disponible au grand public. Une initiative très noble, certes, mais qui manque cruellement de financement pour accélérer sa recherche et la production des premiers modèles. 

La véritable différence, avec les modèles commercialisés, vient des composants et des matériaux utilisés. «Et c’est là où l’on peut réduire les coûts de production. » dixit Joël Gibbard. L’espoir est permis ! 

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