À l’aide d’une nouvelle technologie, les chercheurs espèrent créer de meilleurs systèmes de contrôle pour les membres prothétiques

Dans une nouvelle paire d’articles, les chercheurs ont démontré la précision et la sécurité de leur système à base d’aimants, qui peut suivre la longueur des muscles pendant le mouvement. Les études, réalisées sur des animaux, laissent espérer que cette stratégie pourrait être utilisée pour aider les personnes portant des prothèses à les contrôler d’une manière qui imite plus étroitement le mouvement naturel des membres.

“Ces résultats récents démontrent que cet outil peut être utilisé en dehors du laboratoire pour suivre les mouvements musculaires pendant l’activité naturelle, et ils suggèrent également que les implants magnétiques sont stables et biocompatibles et qu’ils ne causent pas d’inconfort”, explique Cameron Taylor, un MIT chercheur et co-auteur principal des deux articles.

Dans l’une des études, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient mesurer avec précision la longueur des muscles du mollet des dindes lorsque les oiseaux couraient, sautaient et exécutaient d’autres mouvements naturels. Dans l’autre étude, ils ont montré que les petites billes magnétiques utilisées pour les mesures ne provoquent pas d’inflammation ou d’autres effets indésirables lorsqu’elles sont implantées dans le muscle.

« Je suis très enthousiasmé par le potentiel clinique de cette nouvelle technologie pour améliorer le contrôle et l’efficacité des membres bioniques pour les personnes amputées », déclare Hugh Herr, professeur d’arts et sciences médiatiques, codirecteur du K. Lisa Yang Center for Bionics au MIT et membre associé du McGovern Institute for Brain Research du MIT.

Herr est l’un des principaux auteurs des deux articles, qui paraissent aujourd’hui dans la revue Frontières en bioingénierie et biotechnologie. Thomas Roberts, professeur d’écologie, d’évolution et de biologie des organismes à l’Université Brown, est l’un des principaux auteurs de l’étude de mesure.

Mouvement de suivi

Actuellement, les membres prothétiques motorisés sont généralement contrôlés à l’aide d’une approche connue sous le nom d’électromyographie de surface (EMG). Des électrodes fixées à la surface de la peau ou implantées chirurgicalement dans le muscle résiduel du membre amputé mesurent les signaux électriques des muscles d’une personne, qui sont introduits dans la prothèse pour l’aider à se déplacer de la manière souhaitée par la personne portant le membre.

Cependant, cette approche ne prend en compte aucune information sur la longueur ou la vitesse du muscle, ce qui pourrait aider à rendre les mouvements prothétiques plus précis.

Il y a plusieurs années, l’équipe du MIT a commencé à travailler sur une nouvelle façon d’effectuer ce type de mesures musculaires, en utilisant une approche qu’ils appellent la magnétomicrométrie. Cette stratégie tire parti des champs magnétiques permanents entourant les petites billes implantées dans un muscle. À l’aide d’un capteur semblable à une boussole de la taille d’une carte de crédit fixé à l’extérieur du corps, leur système peut suivre les distances entre les deux aimants. Lorsqu’un muscle se contracte, les aimants se rapprochent et lorsqu’il fléchit, ils s’éloignent.

Dans une étude publiée l’année dernière, les chercheurs ont montré que ce système pouvait être utilisé pour mesurer avec précision les petits mouvements de la cheville lorsque les billes étaient implantées dans les muscles du mollet des dindes. Dans l’une des nouvelles études, les chercheurs ont cherché à savoir si le système pouvait effectuer des mesures précises lors de mouvements plus naturels dans un environnement non laboratoire.

Pour ce faire, ils ont créé un parcours d’obstacles composé de rampes sur lesquelles les dindes peuvent grimper et de boîtes sur lesquelles elles peuvent sauter et descendre. Les chercheurs ont utilisé leur capteur magnétique pour suivre les mouvements musculaires au cours de ces activités et ont découvert que le système pouvait calculer les longueurs musculaires en moins d’une milliseconde.

Ils ont également comparé leurs données à des mesures prises à l’aide d’une approche plus traditionnelle connue sous le nom de fluoromicrométrie, un type de technologie à rayons X qui nécessite un équipement beaucoup plus grand que la magnétomicrométrie. Les mesures magnétomicrométriques s’écartaient de celles générées par fluoromicrométrie de moins d’un millimètre en moyenne.

“Nous sommes en mesure de fournir la fonctionnalité de suivi de la longueur des muscles de l’équipement à rayons X de la taille d’une pièce à l’aide d’un ensemble portable beaucoup plus petit, et nous sommes en mesure de collecter les données en continu au lieu d’être limités aux rafales de 10 secondes. que la fluoromicrométrie est limitée », dit Taylor.

Seong Ho Yeon, un étudiant diplômé du MIT, est également co-auteur principal de l’étude de mesure. Parmi les autres auteurs, citons Ellen Clarrissimeaux, associée au soutien à la recherche du MIT, et l’ancienne postdoctorante de l’Université Brown, Mary Kate O’Donnell.

Biocompatibilité

Dans le deuxième article, les chercheurs se sont concentrés sur la biocompatibilité des implants. Ils ont découvert que les aimants ne produisaient pas de cicatrices tissulaires, d’inflammation ou d’autres effets nocifs. Ils ont également montré que les aimants implantés ne modifiaient pas les démarches des dindes, suggérant qu’ils ne produisaient pas d’inconfort. William Clark, postdoctorant à Brown, est le co-auteur principal de l’étude de biocompatibilité.

Les chercheurs ont également montré que les implants restaient stables pendant huit mois, la durée de l’étude, et ne migraient pas l’un vers l’autre, tant qu’ils étaient implantés à au moins 3 centimètres l’un de l’autre. Les chercheurs envisagent que les billes, constituées d’un noyau magnétique recouvert d’or et d’un polymère appelé parylène, pourraient rester indéfiniment dans les tissus une fois implantées.

“Les aimants ne nécessitent pas de source d’alimentation externe, et après les avoir implantés dans le muscle, ils peuvent maintenir la pleine force de leur champ magnétique tout au long de la vie du patient”, explique Taylor.

Les chercheurs envisagent maintenant de demander l’approbation de la FDA pour tester le système chez les personnes portant des prothèses. Ils espèrent utiliser le capteur pour contrôler les prothèses de la même manière que l’EMG de surface est utilisé actuellement : les mesures concernant la longueur des muscles seront introduites dans le système de contrôle d’une prothèse pour l’aider à la guider vers la position souhaitée par le porteur.

“L’endroit où cette technologie répond à un besoin est de communiquer ces longueurs et vitesses musculaires à un robot portable, afin que le robot puisse fonctionner d’une manière qui fonctionne en tandem avec l’humain”, explique Taylor. “Nous espérons que la magnétomicrométrie permettra à une personne de contrôler un robot portable avec le même niveau de confort et la même facilité que quelqu’un contrôlerait son propre membre.”

En plus des membres prothétiques, ces robots portables pourraient inclure des exosquelettes robotiques, qui sont portés à l’extérieur du corps pour aider les gens à bouger leurs jambes ou leurs bras plus facilement.

La recherche a été financée par la Salah Foundation, le K. Lisa Yang Center for Bionics du MIT, les MIT Media Lab Consortia, les National Institutes of Health et la National Science Foundation.