LA TECHNOLOGIE SMART ARM

SAM ? C’est quoi ?

SAM (Smart ArM) est un projet de prothèse de bras dédiée aux amputés transhuméraux (au-dessus du coude) ou aux personnes présentant une agénésie (absence congénitale) de l’avant-bras. Elle offre aux patients des approches de contrôle intuitives et efficaces, leur permettant d’étendre leurs capacités motrices et d’augmenter leur autonomie pour des activités de la vie quotidienne.

L’objectif de SAM est d’attirer l’attention sur le cas complexe des amputations « au-dessus du coude » et ses particularités. En effet, les amputés traumatiques ou congénitaux qui ont besoin d’une prothèse de coude doivent faire face au contrôle complexe d’au moins deux articulations actives (sur lequel peu de recherches sont menées) en plus du contrôle de la main. SAM vise également à promouvoir les possibilités offertes par les approches non invasives pour le contrôle des prothèses, en réaction à la récente tendance pour les techniques chirurgicales invasives (électrodes implantées, réinnervation musculaire ciblée, etc.).

Lors du CYBATHLON 2020, notre pilote, Christophe Huchet, portera un nouveau prototype de prothèse récemment développé par notre équipe. Ce prototype se base sur nos travaux précédents mais des modifications importantes ont été apportées spécifiquement pour Christophe. En effet, Christophe présente une agénésie du bras droit : il est né sans avant-bras mais avec un humérus complet (contrairement à un amputé transhuméral traumatique, par exemple, dont le membre résiduel serait plus court). Cela a par conséquent nécessité la conception d’une prothèse de coude exosquelettique (avec notamment un moteur et une transmission placés à l’extérieur du bras), afin de respecter l’emplacement naturel de son articulation de coude.

La prothèse possède donc deux degrés de liberté motorisés : un coude exosquelettique actif original adapté aux personnes agénésiques et un rotateur de poignet robotisé actif. De plus, la prothèse SAM peut être équipée de n’importe quelle prothèse de main disponible dans le commerce, grâce à son connecteur Quick Wrist Disconnect. Pour le CYBATHLON, elle sera équipée d’une main polydigitale i-Limb Quantum de Touch Bionics/Ossür. Le prototype destiné au CYBATHLON comprend également une emboîture conventionnelle conçue spécialement pour Christophe par notre partenaire IRR-UGECAM.

View of the SAM prosthesis
View of the prototype worn by SAM pilot

Principales innovations et principes de fonctionnement

La principale innovation de SAM ne tient pas seulement à sa conception matérielle, mais surtout à son architecture de contrôle embarquée et aux politiques de contrôle sensorimoteur associées, sur lesquelles notre équipe travaille depuis plusieurs années. Notre stratégie de contrôle innovante repose sur deux modes de contrôle différents :

un contrôle basé sur le décodage des schémas de contraction myoélectrique liés à la contraction volontaire des muscles résiduels du bras amputé et mesurés à l’aide d’électrodes sEMG placées dans l’emboîture de la prothèse.

un contrôle basé sur les mouvements du corps et du membre résiduel de l’utilisateur, mesurés avec des capteurs de mouvements (IMU) embarqués. Ce mode de contrôle s’appuie notamment sur les stratégies de compensation corporelle utilisées par les personnes amputées (voir encadré ci-dessous). Le but est de coordonner certains mouvements des articulations intermédiaires de la prothèse et ainsi d’obtenir des réactions plus rapides et des gestes plus biomimétiques.

Afin d’améliorer la dextérité du porteur de la prothèse, ces modes de contrôle peuvent être couplés entre eux (certaines articulations étant contrôlées par un premier mode, tandis que les autres le sont par un deuxième mode).

Qu’est-ce que le « contrôle basé sur les compensations » ?

La prothèse SAM qui sera utilisée lors du CYBATHLON 2020 sera la première prothèse à s’appuyer sur cette nouvelle approche de contrôle brevetée qui a été récemment développée à l’ISIR et qui vise à offrir une alternative au contrôle myoélectrique.

En effet, l’un des problèmes majeurs de la commande myoélectrique conventionnelle est qu’elle n’est pas naturelle. Contracter ses muscles individuellement, l’un après l’autre, pour contrôler séquentiellement les articulations prothétiques, est loin d’être similaire au contrôle naturel des mouvements d’une personne non amputée. Cela est particulièrement vrai pour les amputés transhuméraux qui utilisent des muscles (généralement biceps et triceps) qui ne sont pas naturellement responsables de certains mouvements effectués avec la prothèse, comme les mouvements du poignet ou des doigts. Les approches de contrôle basées sur les mouvements du corps proposent un contrôle plus intuitif et plus facile à apprendre.

En plus des approches basées sur les synergies (utilisant des modèles appris de coordination entre les articulations), nous avons récemment développé une nouvelle approche de contrôle qui repose plutôt sur des compensations corporelles.

Les compensations corporelles sont des mouvements qui se manifestent lorsque la mobilité d’une ou plusieurs articulations est réduite. Par exemple, les mouvements du tronc ou de l’épaule sont naturellement utilisés lorsqu’il est difficile de bouger le coude et/ou le poignet, que ce soit à cause d’une prothèse de membre qui ne réagit pas, d’un membre paralysé après un AVC ou d’une simple entorse affectant notre comportement moteur normal.

Ces mouvements compensatoires sont de bons indicateurs de la position correcte ou incorrecte de la prothèse. En effet, si le coude n’est pas assez fléchi/étendu ou si la main n’est pas bien orientée, le sujet amputé corrige souvent cela par des compensations corporelles (flexion vers le bas, fléchissement du tronc sur un côté, etc.) Grâce à notre contrôle basé sur les compensations, nous détectons et mesurons en temps réel ces mouvements et calculons le mouvement de la prothèse nécessaire pour faire revenir le sujet dans une position plus confortable, tout en gardant la main bien positionnée ou bien orientée.

Ainsi, les actions de la prothèse sont parfaitement coordonnées avec les mouvements du corps de son porteur, sans que l’utilisateur ait à envoyer des instructions spécifiques à la prothèse ou à apprendre des stratégies de contrôle complexes. En bref : la prothèse décode le langage cinématique naturel du corps de son utilisateur !

De plus amples informations sur notre technologie et notre expertise peuvent être trouvées dans nos travaux récents suivants :

– Merad, M., de Montalivet, E., Legrand, M., Mastinu, E., Ortiz-Catalan, M., Touillet, A., … & Jarrassé, N. (2020). Assessment of an automatic prosthetic elbow control strategy using residual limb motion for transhumeral amputated individuals with socket or osseointegrated prostheses. IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics. PDF

– Legrand, M., de Montalivet, E., Richer, F., Jarrasse, N., & Morel, G. (2019, June). Reciprocal Kinematic Control: using human-robot dual adaptation to control upper limb assistive devices. PDF

– Legrand, M., Jarrassé, N. Richer, F. Morel, G. (2020, May) A closed-loop and ergonomic control for prosthetic wrist rotation. IEEE. Proc. International Conference on Robotics and Automation (ICRA)

– Jarrassé, N., De Montalivet, É., Richer, F., Nicol, C., Touillet, A., Martinet, N., … & De Graaf, J. B. (2018). Phantom-mobility-based prosthesis control in transhumeral amputees without surgical reinnervation: A preliminary study. Frontiers in bioengineering and biotechnology, 6, 164. PDF

– Jarrassé, N., Nicol, C., Touillet, A., Richer, F., Martinet, N., Paysant, J., & de Graaf, J. B. (2016). Classification of phantom finger, hand, wrist, and elbow voluntary gestures in transhumeral amputees with sEMG. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 25(1), 71-80. PDF