TPE 2013 – Bras Bioniques

Etude sur les bras bioniques faite par des étudiants du lycée Gustave Eiffel de Bordeaux.


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Le fonctionnement du bras humain

Tout d’abord, il faut savoir que les mouvements du corps humain sont assurés de manière physique et directe par les muscles. La contraction ou décontraction d’un muscle est contrôlée et commandée par le cerveau (par la volonté de l’être humain, le réflexe musculaire est un cas à part) par le biais de nerfs, où transitent des influx nerveux (des informations). La contraction du muscle influe sur les tendons qui sont eux-mêmes responsable du mouvement, ils déplacent la structure osseuse du corps.

Du cerveau au bras, le chemin des informations

Tout mouvement volontaire débute par un signal envoyé depuis le cerveau. Ces informations nerveuses sont transmises au reste du corps à travers le système nerveux. Ce système est constitué principalement par :

Les nerfs qui sont un groupe de fibre nerveuse reliant la moelle épinière (elle-même relié au cerveau) aux différents organes du corps. Ils sont des conducteurs et des récepteurs qui captent les messages envoyés par des neurones et qui transmettent les ordres au reste du corps (principalement les muscles).

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Le système nerveux du corps s’articule autour de la moelle épinière et du cerveau (Système Nerveux Central).

 Les neurones sont quant à eux, l’élément qui constitue en majeure partie le système nerveux. C’est une cellule du système nerveux spécialisée dans la communication et le traitement d’informations. Un neurone est composé d’un corps cellulaire comportant un noyau, d’un axone (par où sont diffusées les informations) et dendrite (prolongement du neurone servant à recevoir et à conduire l’influx nerveux).

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Note sur la représentation schématique – En réalité, l’extrémité de l’axone se divise en multiples ramifications qui distribuent simultanément les signaux à de très nombreux autres neurones.

Les synapses sont quant à eux une zone de contact entre deux neurones ou entre un neurone et une autre cellule. Elle permet de convertir le potentiel d’action si nécessaire.

Les signaux nerveux se propagent le long des axones jusqu’aux synapses sous forme de potentiel d’action. Un potentiel d’action est un changement brusque par rapport au potentiel de repos, c’est un événement tout ou rien, que l’on peut comparer avec le système binaire. C’est un phénomène qui se produit après une stimulation électrique et chimique d’une cellule. Ces messages transitent par la suite par les centres nerveux (encéphale et moelle épinière) avant de produire une réponse adaptée.

La majorité des prothèses capte et traite, non pas directement ces influx nerveux, mais des signaux myoélectriques, ou signaux électromyogramme de surface, qui sont des signaux électriques pouvant être enregistrés au niveau des muscles lors de leur contraction grâce à des électrodes. Or, ces signaux sont complexes, bruités et peuvent être influencés par de nombreux facteurs. Leur interprétation nécessite par conséquent de leur appliquer plusieurs traitements spécifiques.

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Exemple de mesure de signaux myoélectrique (en mV)  par le biais d’électrode au cours du temps. Les différents pics résultent de la contraction du muscle. On peut noter que le signal est fortement parasité. 

Il est intéressant de comprendre au mieux le fonctionnement du bras humain pour mieux comprendre celui de la prothèse, qui tente d’imiter, voir essayer de surpasser dans un futur, le bras humain.

LE BRAS, UN MEMBRE COMPLEXE

L’ensemble du bras est composé de deux grandes parties, qui sont parcourues tous deux par des nerfs et des muscles :

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Ce schéma montre bien l’antagonisme des deux muscles

Deux muscles principaux sont présents dans le bras : le biceps et le triceps. Ces deux muscles sont dits antagoniste, c’est-à-dire que lorsque l’un se contracte l’autre est décontracté et inversement. Ces muscles permettent, en se contractant, de faire monter ou descendre le membre ce qui permet de mouvoir la main dans un espace très large.

La main enfin est la partie la plus complexe du bras, voire du corps entier. Elle est composée de nombreux tendons, nerf et autres éléments (articulations…). Ils existent de nombreux degrés de liberté qui permettent des mouvements variés et précis. Tout cela est dû à un système complexe de muscle et de tendons.

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Cette figure nous montre les différentes et merveilleuses possibilités qu’offre notre main.


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Le fonctionnement de la prothèse

Nous allons nous intéresser à un bras spécifique créé par le docteur Todd Kuiken et de son équipe. Il date de 2002 et déjà 50 personnes en ont bénéficié du fruit de leur travail.

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Prothèse mise au point par l’Institut de réhabilitation de Chicago en 2002.

Rappelons que les signaux myoélectriques sont des signaux relatifs à la force électrique des muscles : dans le cas d’une prothèse, ils sont obtenus grâce à un muscle sain. Une opération qui précède la pose d’un bras bionique consiste en la redirection des terminaisons nerveuses du bras vers ce muscle sain. Sur ce muscle sont placé un nombre d’électrodes (plus le nombre d’électrodes est élevé, plus la précision du mouvement désiré sera augmentée) qui capte la contraction du muscle et les convertissent pour futur traitement par l’ordinateur embarqué. Voyons cela de manière plus schématique :

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Ceci représente la terminaison nerveuse d’une personne dont le bras est manquant. Les signaux sont bloqués au niveau de l’épaule.

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Grâce à une opération, les nerfs sont déviés vers des muscles sains qui permettront d’assurer la liaison avec la prothèse.

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La personne pense à un mouvement qui est envoyé vers les muscles sains qui réagissent en conséquence et se contracte d’une manière différente selon le mouvement voulu.

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Des électrodes sont placées au niveau du muscle sain qui détecte les mouvements et les contractions. Après de multiples tests, les électrodes et l’ordinateur embarqué sont synchronisés et celui-ci reconnait que tel signal myoélectrique correspond à un tel mouvement de la prothèse que désire l’utilisateur.

Chaque nerf spécifique de la main a été redirigé dans une zone précise où est posé un capteur qui permet de récupérer les différents signaux myoélectriques. Chaque électrode est directement reliée à un moteur qui permet le mouvement du bras bionique. Ainsi l’utilisateur peut disposer de mouvement indépendant et simultané, ce qui laisse un large choix de mouvements possible (comme ceux des doigts). Chez le bras bionique le mouvement de repli et de déplié du bras n’est pas commandé grâce à des signaux myoélectriques, mais grâce à des capteurs de pression situé au niveau de l’épaule. Ainsi, les capteurs détectent un mouvement de l’épaule de l’utilisateur lorsque celui-ci désire le mouvoir sa prothèse. Après un accident, plusieurs nerfs peuvent avoir été endommagés. Ainsi, l’opération permet d’associer un nerf à différents mouvements, ce qui oblige donc l’utilisateur de la main bionique à subir une rééducation afin de maitriser les mouvements de la prothèse.

Le bras bionique est doté d’un microprocesseur qui utilise des algorithmes pour interpréter les signaux myoélectriques envoyés par les électrodes. Le microprocesseur est programmé selon les particularités du système nerveux de chaque personne (il est donc conçu de façon unique). Il catalogue, répertorie et liste chaque mouvement sous forme numérique afin d’établir une correspondance entre le mouvement voulu et les signaux myoélectriques reçus. Il  est par la suite capable d’interpréter les mouvements que souhaite faire la personne avec une précision entre 95 et 98% (avec 12 électrodes, mais il est possible d’avoir moins d’électrodes, cependant on y perd en précision, 4 électrodes en moins font perdre environ 8% de précision).


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Matériaux

Dans le cas du bras du Dr Todd Kuiken, la prothèse est composée de fibre de carbones. Elles recouvrent les moteurs et ont été choisies pour plusieurs critères. En premier lieu, c’est un matériau très résistant à une compression et à un mouvement de traction. De plus, c’est un bon conducteur électrique et peut supporter des températures élevées.

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 La silicone permet d’imiter la peau  humaine. Le résultat est pour le moins bluffant.

Le bras est recouvert d’une gomme de silicone qui a un but uniquement esthétique. C’est un polymère d’atome de silicium, d’hydrogène, de carbone et d’oxygène. Elle résiste bien aux températures extrêmes (-55°C ; +300°C) et est flexible, ce qui lui permet de suivre le mouvement du bras bionique. Elle a en outre l’avantage d’empêcher la prolifération et le développement des bactéries, qui sont souvent présentes sur les mains (dû au fait qu’elle entre en contact avec beaucoup d’environnement différent) et peuvent prendre plusieurs couleurs différentes ce qui permet de lui donner une teinte proche de celle d’une peau humaine
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