Fonctionnement d'une prothèse bionique
Nous allons maintenant étudier la manière dont fonctionne une prothèse bionique.
Le cerveau possède un mécanisme qui consiste à se souvenir des mouvements que le membre
effectuait avant l’amputation. C’est ce que l’on appelle « la mémoire de procédure ».
Si nous modélisons le membre biologique manquant, nous avons découvert quels réflexes se
produisent et comment les réflexes de la moelle épinière contrôlent les muscles.
Les réflexes sont donc gérés par la moelle épinière et le
tronc cérébral.
Les mouvements effectués par notre corps sont tous contrôlés par notre cerveau qui envoie
des signaux aux nerfs qui les envoient directement aux muscles. C’est ce que l’on appelle des
messages nerveux.
Puisque le membre du patient a disparu, cette capacité est intégrée dans les puces du membre
bionique.
A l’intérieur de toutes les prothèses bioniques, on trouve différents capteurs, de vitesse, de
charge, d’accélération, ou de position reliés aux nerfs. Ils permettent de détecter les intentions
de son utilisateur. Il est nécessaire qu’il s’entraîne des heures voire des jours pour se servir correctement de sa prothèse.
Au début de son utilisation, la réflexion est relativement mise en avant. Ce n’est que quelque
temps plus tard que cela devient un automatisme. Seule la pensée entraîne l’action, c'est-à dire
que lorsque l’homme pense à déplacer son membre fantôme, le robot suit les désirs de ses
mouvements.
De nos jours, des moteurs électriques
sont intégrés dans une majeure partie des prothèses. Ces moteurs sont commandés par des signaux
myoélectriques envoyés par le cerveau.
Ces signaux sont transmis au muscle
placé au-dessus du membre amputé.
Grâce à ce principe, le patient à la
possibilité de réaliser plusieurs
mouvements en même temps et de
comprendre les actions envoyées par le cerveau.
Electrodes Microprocesseur Membre
Sur certaines prothèses myoélectriques, il existe des capteurs de glissement qui permettent d'effectuer une pression sur un objet maintenu pour que celui-ci ne tombe pas.
Une majeure partie des prothèses bioniques est composée de biomatériaux. Un biomatériau
est un matériau non vivant. Il peut être d’origine naturelle ou encore synthétique. Les
biomatériaux sont généralement utilisés en médecine puisqu’ils sont adaptés aux systèmes
biologiques.
Ceux-ci peuvent être classés en quatre catégories :
- Les métaux et alliages métalliques : le titane (Ti, couleur blanc argenté) et ses alliages
Les céramiques : l’aluminium (Al 2O3), la zircone (ZrO2)
Les polymères et la matière molle : polyéthylène à haute densité, silicone, poly méthyl
méthacrylate
Les matériaux d’origine naturelle : nacre, corail, chitosane alginale
Titane
O O
Zr
Polyéthylène à haute densité
Nacre
Zircone
Le choix des matériaux est effectué en fonction des propriétés physiques ainsi que la compatibilité au contact du tissu humain.
Les biomatériaux sont utiles afin de remplacer ou
même encore de reconstruire des organes défaillants.
Afin de pouvoir construire une prothèse adaptée au patient, nous utilisons des outils performants tel que l’IRM.
En effet, l’IRM est une technique qui permet d’obtenir des vues en deux ou trois dimensions à l’intérieur du corps et de comprendre les géométries et les positions des divers tissus, de façon non invasive.
Imagerie de
l'intérieur d'un
genou
Un autre outil efficace : la peau synthétique. Les peaux synthétiques servent à attacher le membre bionique au corps biologique.
Là où la peau est souple, la peau synthétique est raide et vice versa. Cette imitation a lieu dans toutes les compliances des tissus. C’est grâce à ce système que des membres
biomécaniques ultra confortables ont été créés.
Dans les peaux synthétiques, il y a des matériaux de détection intelligente. Ce qui veut dire que sous l’effet électrostatique ils changent de rigidité et sous une tension nulle la matière est souple.
Dans un premier temps nous allons étudier le fonctionnement d’une prothèse bionique
correspondant au bras, puis nous verrons celui associé à la jambe bionique.
Nous avons vu précédemment que chaque prothèse bionique possédait des moteurs électriques qui avaient donc la capacité de traduire les signaux reçus et permettre plusieurs mouvements.
Ensuite, sont utilisés des batteries, des microprocesseurs, des moteurs et des circuits de contrôle pour le bon fonctionnement du bras bionique.
Afin de préserver le sens du toucher, les doigts possèdent des capteurs de pression.
Ils ont la capacité de deviner les caractéristiques de l’objet, ce qui leur permet de s’adapter et d’utiliser
la pression adaptée pour le saisir. Grâce à ce mécanisme, la main peut ainsi différencier un verre d’une feuille de papier.
A la différence des patients amputés de leur bras, certain ont conservé le leur mais ont perdu leur main. Dans ce cas, il existe aussi des mains artificielles.
Elles sont attachées au bras grâce à une emboîture.
Lorsque les muscles du bras biologiques se contractent, les deux
électrodes situées sur la peau du moignon récupèrent la tension
électriques et transforment cette tension en commande pour la main grâce à un microprocesseur. Le
fonctionnement est un peu similaire à celui du bras.
En revanche, le sens du toucher pour le patient n’est pas conservé, néanmoins les scientifiques y travaillent.
Différentes contractions font en sorte que la main accède à certaines fonctions.
Par exemple, une contraction rapide peut permettre d’ouvrir tous les doigts de la main artificielle.
Chacun des doigts de la main est alimenté par son propre moteur électrique. Ils sont donc indépendants les uns des autres.
Hugh Herr est un des principaux inventeurs des prothèses
bioniques BIOMS qu’il porte lui même.
Ce sont des prothèses performantes pour les patients amputés.
Dans notre cas nous allons traiter la jambe bionique.
"Lorsque je me sentais mal dans ma peau et que je manquais de confiance en moi j'augmentais ma taille. Mais lorsque je me sentais confiant et charmeur je diminuais ma taille d'un cran rien que pour laisser la chance à la concurrence."
Le membre bionique peut se traduire en trois phases différentes :
1- La phase mécanique : comment les membres sont-ils reliés au corps biologique?
2- La phase dynamique : comment les membres bougent-ils comme si ils étaient de chair et d’os?
3- La phase électrique : comment les membres communiquent-ils avec le système nerveux?
Pour commencer, les peaux synthétiques qui permettent aux membres bioniques d’être rattachés au corps biologique possèdent des variations de rigidité.
Ces différences reflètent ce que l’on qualifie de biomécanique des tissus sous-jacents.
La biomécanique est en fait l’exploration des propriétés mécaniques des organismes vivants;
et les tissus sous-jacents sont simplement les tissus placés sous la peau.
Pour créer une prothèse adaptée au patient nous utilisons des outils robotiques comme l’IRM, découvert plus tôt, ou encore le cercle de 14 mécanismes que nous plaçons autour du membre biologique.
Les données obtenues de l’IRM et de la robotique sont additionnées. Ils élaborent une description de l’ensemble de points ou de noeuds. Une couleur représente la compliance du tissu.
Puis, une transformation est établie pour la fabrication de la peau synthétique.
Par la suite, un système contrôle la rigidité et atténue le choc du membre lorsqu’il touche le sol.
Cercle de 14 mécanismes
A mi-position, le membre
bionique crée des puissances pour soulever la personne et lui permettre de marcher à grands pas avec un
fonctionnement que nous
pouvons aussi comparer aux
muscles qui se situent dans la région du mollet.
Nous pouvons dire que cette propulsion bionique est relativement importante puisque sinon, les prothèses ne pourraient pas imiter les fonctions musculaires normales.
Grâce à cette phase dynamique, un patient amputé aura la possibilité d’avoir une démarche
propre à lui.
Dans la dernière phase, la phase électrique, le moignon possède des électrodes qui mesurent l’impulsion électrique des muscles. Ils la transmettent au membre bionique et de nouveau lorsque l’homme pense à déplacer son membre fantôme, la jambe suit le mouvement recherché.
Comment un homme peut-il courir avec ses prothèses? Pour cela, la sensibilité du réflexe
spinal est adapté en fonction des circonstances avec le signal neuronal.
Quand la personne se détend il n’a que peu de puissance, mais au moment ou il tire sur ses
muscles, il aura plus de puissance pour courir notamment.
Il existe aussi des prothèses dédiées spécialement aux coureurs de haut niveau, que l'on appelle Cheetah. Ils les utilisent pour des courses sur courte distance. La lame fabriquée est inspirée du guépard, étant l'animal le plus rapide du monde. Elle a même permis plusieurs records mondiaux.
Elle posséde une forme dynamique qui entraîne une meilleure flexion produisant une énergie plus puissante. Elle est principalement constituée de fibres de carbone tissées entre elles. Le carbone est une matière extrêmement résistante aux tensions. De plus, il est très léger, ce qui permet aux coureurs de porter des prothèses d'environ 500g chacune.
Oscar Pistorius détient les recors du monde du 100 mètres, 200 mètres et 400 mètres dans la discipline du sprint. Il porte ces prothèses.
Oscar Pistorius pendant une course