Les prothèses font aujourd’hui partie intégrante de la vie. On estime que plus de 50 millions de personnes dans le monde dont quelque 2 millions aux États-Unis ont perdu un membre, et que la plupart d’entre elles pourraient ou bénéficient déjà du miracle des membres artificiels pour retrouver mobilité et qualité de vie.
L’un des grands défis de la prothétique est d’assurer un bon ajustement là où le moignon s’insère dans l’emboîture prothétique. Cette interface doit gérer des forces multidirectionnelles complexes lors des activités quotidiennes : se tenir debout, marcher, ou même modifier sa posture. Surveiller ces forces en temps réel est essentiel pour optimiser l’ajustement de l’emboîture et prévenir les lésions secondaires.
Des ingénieurs de l’Université Purdue, en collaboration avec des chercheurs de l’Université Notre Dame, ont mis au point une solution portable utilisant des textiles brodés et lumineux qui intègrent éclairage et détection, afin de détecter à la fois les forces normales et de cisaillement à l’interface membre-emboîture. Leurs résultats ont été publiés dans un article de Science Advances intitulé « Embroidered textile sensors for real-time multiaxial force mapping in prosthetics ».
« Ce travail représente une avancée dans le développement de solutions portables et pratiques pour le suivi biomécanique continu des utilisateurs de prothèses de membres inférieurs », a déclaré l’auteur correspondant Chi Hwan Lee, University Faculty Scholar et professeur à la Weldon School of Biomedical Engineering et à la School of Mechanical Engineering.
Cette innovation a permis de surmonter les inconvénients des stratégies existantes pour mesurer la pression et le cisaillement dans l’emboîture. « Les systèmes optiques reposent sur l’intégration de composants de traitement du signal et de puces dans l’emboîture, ce qui est difficile à réaliser dans un espace aussi restreint », explique Lee. « Les transducteurs à jauge de contrainte nécessitent souvent de modifier la géométrie de l’emboîture. D’autres solutions se limitent à la seule mesure de la pression. »
Le bond en avant consiste en une plateforme portable à base de textile qui satisfait aux exigences clés de flexibilité, de lavabilité, de détection multiaxiale et de compatibilité avec les systèmes sans fil.
« Cela a nécessité de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques de fabrication », explique le premier auteur de l’article, Tianhao Yu, doctorant en génie mécanique. « Nous avons relevé ce défi grâce à un système de détection multiaxial entièrement brodé pour détecter les forces à l’interface membre-emboîture. »
Suivi en temps réel
Les capteurs du système sont intégrés à un module d’acquisition de données compatible Bluetooth et à un écran électroluminescent textile pour permettre une rétroaction en temps réel en boucle fermée des niveaux de pression, transmise et communiquée visuellement via des pixels brodés lumineux.
Une personne amputée transtibiale — c’est-à-dire ayant subi une amputation chirurgicale qui retire le bas de la jambe mais préserve l’articulation du genou — a démontré la capacité du système à surveiller en temps réel la pression et le cisaillement lors de diverses tâches fonctionnelles quotidiennes.
Le système est constitué d’une gaine textile intégrant un réseau de capteurs positionné à l’intérieur de l’emboîture prothétique et relié au module d’acquisition de données ; la conception modulaire permet une fonctionnalité plug-and-play via des connexions à boutons-pression vers l’électronique. Les données de pression sont transmises sans fil à un appareil portable pour une cartographie numérique, et la rétroaction est affichée en temps réel sur un écran textile brodé sur la manche du sujet.
Les chercheurs ont associé des condensateurs électriques à double couche à base de gel ionique avec des électrodes brodées à la machine dans un système quadrant afin de capturer au mieux les mesures.
« Le capteur brodé forme une structure capacitive multicouche avec une grande électrode supérieure commune et quatre électrodes inférieures plus petites disposées en configuration quadrant », explique Lee. « Le capteur détecte les variations de capacitance différentielle. En compression normale, les quatre quadrants présentent des augmentations de capacitance similaires. Une charge combinée normale et en cisaillement induit des changements asymétriques, révélant à la fois l’amplitude et la direction du cisaillement. »
Coudre le tout
L’élément capteur est fabriqué par broderie machine en utilisant un fil supérieur en polyester et un fil de canette conducteur plaqué argent cousu dans le tissu substrat. Le capteur est intégré au système entièrement brodé afin que l’unité de microcontrôleur puisse traiter les signaux de capacitance et actionner l’écran électroluminescent textile.
La capacité du système à mesurer à la fois les pressions normales et de cisaillement est essentielle pour les applications portables pratiques, en particulier lorsque les forces d’interface membre-emboîture varient dynamiquement au cours des activités quotidiennes. L’architecture du tissu peut être adaptée en taille, en disposition et en configuration d’électrodes pour différentes formes d’emboîture et de conception de gaine. La sensibilité et la plage de travail peuvent être réglées pour une personnalisation selon les utilisateurs et les conditions de charge.
Il est également lavable et résistant. Les capteurs brodés ont été placés dans un sachet protecteur perméable à l’eau et soumis à plus de 30 cycles de lavage complets (lavage, rinçage, essorage, séchage en tambour), à l’aide d’une machine à laver domestique standard et d’un détergent liquide commercial.
Une collaboration pour la découverte
Cette recherche interdisciplinaire a réuni plusieurs enseignants-chercheurs de la faculté d’ingénierie de Purdue, notamment Hyeonseo Joo de la Weldon School of Biomedical Engineering, Ziheng Wang de la School of Mechanical Engineering, et Yumin Dai de la School of Materials Engineering. Les collaborateurs externes comprenaient Axel Gonzalez Cornejo et Edgar Bolivar-Nieto du département de génie aérospatial et mécanique de Notre Dame. Le financement a été assuré par le National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering des National Institutes of Health, le ministère du Commerce, de l’Industrie et de l’Énergie (MOTIE) de Corée, dans le cadre du programme « Global Industrial Technology Cooperation Center (GITCC) » supervisé par le Korea Institute for Advancement of Technology (KIAT), et la dotation University Faculty Scholar de l’Université Purdue.
Cette solution portable pour optimiser l’ajustement et le confort des prothèses est étroitement alignée sur l’initiative OneHealth de Purdue, qui mène des recherches à l’intersection de la santé et du bien-être humain, animal et végétal ; elle s’inscrit également dans le cadre de Purdue Computes, une initiative stratégique visant à renforcer l’excellence de Purdue en recherche et en enseignement dans le domaine informatique.
Le plus important est que cette avancée promet une meilleure qualité de vie pour les personnes qui ont perdu un membre et qui ont besoin d’une assistance prothétique pour reprendre leurs activités quotidiennes.
« Les pressions à l’interface membre-prothèse sont très complexes et subtiles », explique Yu. « Nous voulons fournir aux patients les données les plus granulaires et les plus personnalisables possibles pour leur offrir la meilleure expérience possible avec leurs membres artificiels au quotidien. »
Lee a présenté l’innovation au Purdue Innovates Office of Technology Commercialization. L’OTC déposera une demande de brevet pour protéger la propriété intellectuelle.
Article : Embroidered textile sensors for real-time multiaxial force mapping in prosthetics – Journal : Science Advances – DOI : Lien vers l’étude
Source : Purdue U
