Des chercheurs du MIT ont montré qu’il est possible de suivre avec précision le mouvement des muscles à l’aide de minuscules billes magnétiques implantées dans le muscle. Ces mesures pourraient faciliter le contrôle de leurs membres prothétiques pour les personnes atteintes de certains types d’amputations.
Depuis des décennies, les chercheurs s’emploient à développer des membres neuroprothétiques, qui utilisent les informations neuronales issues des muscles restants après une amputation pour guider le membre prothétique. Les mesures de la longueur, de la vitesse et de l’activation d’un muscle peuvent être injectées dans les algorithmes de contrôle qui guident les membres, permettant aux personnes amputées d’une jambe de marcher avec une démarche plus naturelle, ou à celles amputées d’un bras de manipuler des objets plus efficacement.
Jusqu’à présent, ces dispositifs reposaient sur des mesures de l’activité musculaire obtenues par des électrodes placées à la surface de la peau. Cependant, ces mesures ne se sont pas révélées suffisamment fiables pour garantir la sécurité lors de la marche avec une jambe neuroprothétique.
L’équipe du MIT espère que son nouveau système de suivi magnétique, qui offre des mesures plus précises, permettra le développement commercial de tels membres.
« Depuis quatre décennies, la méthode standard pour contrôler neuronalement les prothèses consiste à utiliser des électrodes cutanées pour mesurer l’activation musculaire. Cependant, pour contrôler un membre prothétique, il faut contrôler la position d’une articulation, le couple ou l’impédance, et on ne peut pas déterminer directement ces signaux mécaniques à partir de la seule activation électrique », explique Hugh Herr, professeur des arts médiatiques et des sciences, codirecteur du K. Lisa Yang Center for Bionics au MIT, membre associé du McGovern Institute for Brain Research du MIT et auteur principal de la nouvelle étude.
Dans la nouvelle étude, qui paraît aujourd’hui dans Nature Sensors, les chercheurs ont démontré la précision des mesures magnétiques chez trois participants amputés sous le genou.
« Cette interface est peu invasive, elle pourrait donc être accessible à un plus grand nombre de personnes. On place deux billes dans le muscle et on a accès à toutes ces riches informations sur la dynamique musculaire », déclare Christopher Shallal, étudiant des cycles supérieurs du MIT au sein du Harvard-MIT Program in Health Sciences and Technology et l’un des premiers auteurs de l’article.
L’autre premier auteur de l’article est Cameron Taylor, PhD ’20, professeur adjoint de génie biomédical à l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill.
Suivi des muscles
Depuis de nombreuses années, le laboratoire de Herr développe des interfaces homme-machine qui permettent de contrôler un membre artificiel de manière à ce que son utilisation ressemble davantage à celle d’un membre naturel. L’obtention de mesures précises de la façon dont l’utilisateur mobilise les muscles au niveau du site d’amputation est essentielle au succès de ce type de prothèse.
Les électrodes placées à la surface de la peau peuvent révéler l’activation électrique du muscle situé en dessous, et ces mesures peuvent être converties en estimations de l’ampleur de la contraction ou de la flexion d’un muscle. À partir de ces données, un contrôleur robotique génère des commandes qui guident le membre prothétique dans la direction voulue par l’utilisateur.
Cependant, cette approche de mesure, connue sous le nom d’électromyographie, ne fournit pas toujours des informations assez précises. Le signal électrique n’est pas un indicateur parfait de la dynamique musculaire ; par exemple, lorsqu’un muscle est maintenu à longueur fixe pendant plusieurs secondes, le signal s’estompe. En outre, les électrodes peuvent capter des signaux provenant de muscles autres que la cible visée, et la sueur peut perturber la détection du signal.
L’an dernier, Herr et ses collègues ont présenté une prothèse de « genou bionique » qui utilise des électrodes implantées dans les muscles pour fournir des mesures précises et les transmettre à un contrôleur robotique. Cette approche s’est révélée efficace lors d’une petite étude clinique, mais en parallèle de ces travaux, l’équipe de Herr travaille également sur une approche moins invasive qui repose sur des aimants plutôt que sur des électrodes.
Avec cette approche, connue sous le nom de magnétomicrométrie, des paires d’aimants sont implantées dans les muscles. Lorsqu’un muscle se contracte ou s’étire, des capteurs externes placés sur la peau peuvent mesurer la variation de la distance entre les aimants, ce qui permet de calculer la longueur et la vitesse du muscle.
« Les aimants peuvent être suivis sans fil à travers le corps, ce qui permet d’obtenir des signaux musculaires très spécifiques et de mesurer la production mécanique du muscle sans devoir recourir à une intervention extrêmement invasive », explique Shallal.
Un meilleur contrôle
Dans une étude de 2021 dirigée par Taylor, le laboratoire de Herr a d’abord démontré la technique à base d’aimants sur des modèles animaux. La nouvelle étude de Nature Sensors étend cette approche à des humains porteurs d’implants magnétiques à long terme. Pour les besoins de l’étude, les chercheurs ont recruté trois participants amputés sous le genou.
Tous ces participants avaient subi un type d’amputation qui crée ce qu’on appelle une interface myoneurale agoniste-antagoniste (AMI). Lors de cet acte chirurgical, des paires de muscles sont reconnectées pendant l’opération afin qu’ils continuent de communiquer dynamiquement entre eux au sein du membre résiduel. Ce retour sensoriel, appelé proprioception, aide le porteur de la prothèse à décider comment positionner et déplacer son membre prothétique.
Les participants avaient des aimants implantés dans jusqu’à quatre muscles de l’articulation de la cheville. Les interventions ont été réalisées au Brigham and Women’s Hospital en collaboration avec le chirurgien plasticien Matthew Carty, co-auteur de l’étude. Les billes mesurent 3 millimètres de diamètre, soit environ la taille d’une graine de sésame. Les aimants sont constitués d’un alliage de néodyme, de fer et de bore, et sont recouverts d’or et d’un polymère appelé parylène C afin de les rendre biocompatibles. Les signaux magnétiques peuvent être lus à une profondeur allant jusqu’à 6 centimètres sous la surface de la peau, à l’aide d’un capteur externe sur mesure porté sur la peau et positionné au-dessus des muscles suivis.
Chacun des participants à cette étude avait également des électrodes implantées dans les mêmes muscles que ceux ayant reçu les billes magnétiques. Cela a permis aux chercheurs de comparer la précision de trois types de mesures différents : la magnétomicrométrie, l’électromyographie avec électrodes implantées et l’électromyographie avec électrodes placées à la surface de la peau.
Au cours des expériences, les participants ne portaient pas de membre prothétique, mais ils étaient invités à effectuer des tâches telles que déplacer un curseur sur un écran vers une cible donnée à l’aide de leurs mouvements musculaires. Pour chacune des trois techniques de mesure, les signaux générés par les mouvements musculaires ont été traduits en signaux de contrôle qui, dans ce cas, déplaçaient le curseur, mais qui pourraient à l’avenir être transmis au contrôleur d’une prothèse robotique de type cheville-pied.
« Le curseur à l’écran représentait les degrés de liberté qu’ils contrôleraient sur une prothèse robotique de type cheville-pied. Cette tâche neuroprothétique virtuelle nous a permis de comparer les performances des différentes interfaces neuronales, et nos résultats suggèrent que l’approche à base d’aimants peut offrir un contrôle plus précis et plus stable », déclare Shallal.
Les chercheurs mènent actuellement une étude de plus grande envergure dans laquelle ils évaluent la capacité des personnes à contrôler des membres prothétiques à l’aide des mesures issues des billes magnétiques.
Journal : Nature Sensors – DOI : Lien vers l’étude
Source : MIT
