Les prothèses imprimées en 3D font plus que tendre la main

Il ne faudra pas attendre longtemps avant de voir le premier joueur d’une ligue majeure de baseball jouer avec une prothèse imprimée en 3D. Il se peut que ce soit Cruz Ramos, ou encore Hailey Dawson, qui utilisera sa main prothétique imprimée en 3D pour poursuivre son objectif de réaliser le premier lancer dans tous les stades de baseball de ligues majeures.

Selon l'Organisation mondiale de la santé, 2 000 000 de personnes aux États-Unis et 30 millions de personnes dans le monde vivent comme Hailey et Cruz. Cependant, jusqu'à ce que l'impression 3D n’offre la possibilité de créer une prothèse abordable et extrêmement précise, moins de 20% d’entre elles seulement en possédaient une pour améliorer leur qualité de vie. En fonction du membre, le prix peut varier entre 5 000 et 50 000 dollars. Ce qui en fait un produit de luxe pour beaucoup de gens, en particulier pour les enfants dont la croissance constante empêche les parents de débourser facilement des milliers de dollars à chaque poussée de croissance. De plus, entre la prise de mesure et la livraison de la prothèse traditionnelle à l’enfant, celui-ci pourrait déjà l’avoir dépassée avant même de la recevoir. Les enfants étant toujours des enfants, ils risquent d’endommager leurs membres artificiels plus que les adultes qui sont plus prudents. Dans de telles circonstances, l’impression 3D apparaît comme une solution viable pour fournir des prothèses qui peuvent être remplacées plus facilement et plus rapidement. Ceci allège le fardeau financier qui pèse sur les parents et permet aux enfants et aux personnes dans le besoin de mener une vie extraordinaire malgré leur handicap ou leurs malformations physiques.

Comme beaucoup de choses dans la vie, il n’existe pas de solution unique pour les prothèses. Ce n’est pas seulement la taille qui compte, mais chaque détail doit être fait sur mesure pour que le porteur puisse obtenir un ajustement optimal. Jason Bara est professeur agrégé au département de génie chimique et biologique de l'Université de l'Alabama, là où le projet de prothèse Alabama a vu le jour. Son objectif est de fabriquer des prothèses par le biais de l’impression 3D pour des enfants sans mains. Il nous explique : «Le plus difficile est d'adapter la prothèse au patient, de prendre des mesures, etc. Le processus de conception est ensuite entièrement numérique et avec une imprimante 3D fiable, la prothèse pourrait être produite en quelques heures à quelques jours tout au plus. » Bara rajoute:« L’avantage de l’impression 3D est qu’il est possible de faire toutes sortes de personnalisations en fonction des besoins de chacun ». À présent, grâce aux technologies de numérisation 3D et de modélisation corporelle à l’horizon, il est possible de concevoir et fabriquer facilement des prothèses naturelles pour répondre aux besoins des patients. L’impression 3D permet la création de prothèses abordables, légères, personnalisées et bien ajustées, en particulier pour les enfants en pleine croissance.

Bien que les prothèses aient parcouru un long chemin grâce à l’impression 3D - elles sont devenues moins chères, plus facilement personnalisables et plus accessibles à un plus grand nombre de personnes -, il reste encore beaucoup à faire pour les améliorer et les développer. Même les prothèses myoélectriques, qui sont contrôlées par des signaux générés par les muscles du porteur, nécessitent encore beaucoup d’attention et de concentration pour que le porteur puisse saisir des objets. Un groupe de chercheurs de l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) (Karlsruhe, Allemagne) tente de changer tout cela avec son nouveau KIT Prosthetic Hand, qui vise à «réduire le fardeau cognitif de l’utilisateur» grâce à des mécanismes intelligents. Ces derniers détectent les objets et permettent aux utilisateurs d’adapter la forme de la prise à celle de l'objet. Ce projet a été entrepris à la suite d’enquêtes ayant démontré que les porteurs de prothèses myoélectriques souhaitaient réduire l’attention visuelle nécessaire pour saisir les objets avec leurs mains prothétiques. Les mains prothétiques myoélectriques sont contrôlées par des signaux électromyographiques (EMG) générés par les muscles squelettiques. Ceci oblige l'utilisateur à se concentrer sur la tâche qui consiste à saisir l’objet pour pouvoir positionner et orienter sa prothèse.

Selon une récente étude qu’ils ont réalisée, la main KIT est la première prothèse intégrant une caméra située à la base de la paume ainsi que des capteurs, un système intégré évolué et un écran couleur à l'arrière de la main pour saisir de manière autonome les objets. . La main a également une apparence très humaine, avec tous les éléments nécessaires intégrés dans la paume. Elle est entièrement contrôlable par elle-même, sans aucun mécanisme de contrôle externe. Puisqu’elle est imprimée en 3D, elle est facile à personnaliser pour le porteur, ce qui explique en partie pourquoi cette méthode de fabrication a été choisie, ainsi que pour sa capacité à permettre au matériel de s’adapter précisément à la paume de la prothèse.

Les quatre doigts de la main sont actionnés par un mécanisme spécialement développé par TUAT/Karlsruhe. Le pouce est actionné par un deuxième moteur. Cette conception permet aux doigts de se former naturellement autour des objets.

«Sur le plan conception mécanique, un mécanisme adaptatif sous-actionné est utilisé pour permettre aux doigts d'enrouler des objets de n’importe quelle forme», expliquent les chercheurs. «Le système comprend des capteurs de position intégrés dans les deux moteurs et une caméra RVB pour une saisie basée sur la vision. Le système embarqué offre la possibilité d’intégrer des informations de détection proprioceptives, des informations visuelles, des commentaires de l’utilisateur et des informations relatives à l’état de la main via Bluetooth. ”

Les inventeurs expliquent que les doigts sont contrôlés par un tendon qui court sur plusieurs poulies. Si un doigt est bloqué par un objet, le tendon s'enroule autour de la poulie, permettant à la main de fermer davantage le doigt qui n'est pas encore bloqué. Cela permet en théorie aux doigts de se former autour des objets, quelle que soit leur forme.

Pour tester cela, une série d'essais a été menée sur une soixante d’articles ménagers de formes différentes. Les chercheurs rapportent que la main prothétique a saisi 82,5% des objets placés ur une surface plane. Les saisies manquées se sont principalement produites lorsqu’on a tenté de soulever des objets très minces tels que des cartes de crédit.

«Malgré le haut degré d’intégration dans la mécanique et les systèmes embarqués, notre approche est limitée par la quantité de capteurs mis en œuvre, ce qui limite l’application de schémas de contrôle sophistiqués comme proposés avec les paramètres de capteurs externes.» Aux chercheurs de conclure : «Nous assistons néanmoins à l’introduction d’un système de détection multimodale complet ainsi qu’à son utilisation dans des schémas de commande semi-autonomes en tant que sujet de recherche prometteur. Sur la base du système intégré développé, nous prévoyons dès lors d'étendre notre travail à une prothèse autonome offrant une prise en charge intelligente optimale avec la puissance de calcul intégré. ”

Les innovations technologiques combinées aux avancées de l’impression 3D vis-à-vis des matériaux, du matériel et des logiciels continueront à contribuer aux progrès permettant aux personnes ayant un membre manquant de vivre pleinement leur vie, éventuellement avec une prothèse bio-imprimée fonctionnelle.

Publié le 8 Janvier 2019