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Prothèse de main .pdf



Nom original: Prothèse de main.pdf
Titre: Prothèse de la main
Auteur: Boutou, Alexandre

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Prothèse de la main
Biomécanique des tissus vivants et biomatériaux prothétiques

Auteurs

Robin Marron
Mathieu Perrin
Alexandre Boutou

Table des matières
1 Introduction à la problématique des prothèses de la main

1

1.1

Description du bras humain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.2

État de l’art des différents types de prothèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

2 La mécanique de la main humaine et bionique

6

2.1

Caractéristiques mécaniques des os de la main . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2.2

Description mécanique des mouvements et efforts de la main . . . . . . . . . . .

6

3 Matériaux prothétiques et biocompatibilité

9

3.1

Matériaux d’ostéosynthèse résorbables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2

Matériaux d’ostéosynthèse non résorbables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4 Prothèses articulées

9

13

4.1

Commande musculaire et nerveuse de la main humaine . . . . . . . . . . . . . . 13

4.2

Interface myoélectrique moignon-prothèse : de la commande nerveuse à la sensibilité digitale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.3

Commande électrique/hydraulique des prothèses robotiques . . . . . . . . . . . . 14

4.4

Technologies en développement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Conclusion

18

Annexe

19

Table des figures
1

Dessin anatomique des os bras humain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

2

Un exemple de prothèse esthétique à 2 hauteurs d’amputation (prothèse de bras
à gauche et d’avant-bras à droite) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

Des exemples de prothèses mécaniques conçues pour des tâches particulières :
attraper tout type de chose (1, 5), tatouer (2), manger (3), jouer de la musique
(4), faire des pompes (6)... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

4

Une prothèse myoélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

5

Un porteur de prothèse myoélectrique utilisant la technologie MyoTM pour capter
les signaux de son bras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

Croquis légendés des phalanges des doigts (hors pouce) vue de profil (haut) puis
du dessous (bas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

7

Modèle cinématique simplifiée d’une main prothétique

. . . . . . . . . . . . . .

7

8

Des vis en polymère résorbables utilisées dans la chirurgie du crâne . . . . . . .

9

9

Une plaque d’ostéosynthèse en titane pour la chirurgie du poignet . . . . . . . . 11

3

6

10

Des plaques d’ostéosynthèse en cobalt et leur implantation dans des vertèbres . . 12

11

Système nerveux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

12

Une prothèse de main myoélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

13

Une prothèse de main hydraulique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

14

Dispositif "nerve cuff" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

15

Association entre nerfs et zones de la main . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

16

Apprentissage de la machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

17

Prothèse basée sur les ultrasons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

18

Pronation et supination

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3

1

Introduction à la problématique des prothèses de la main

1.1

Description du bras humain

Le bras et la main humaine sont composés, de haut en bas, des os suivants [Fig.1] :






Humérus
Radius/Cubitus (ou Ulna)
Os carpiens (os du poignet)
Os métacarpiens (phalanges de la paume menant jusqu’à la jointure des doigts)
Phalanges proximales, médianes (sauf pour le pouce) et distales formant les 5 doigts de
la main.

Figure 1 – Dessin anatomique des os bras humain

Cela fait autant d’os et d’articulations sujets aux maladies, fractures et traumatismes nécessitant amputation, et donc au remodelage osseux, aux implants (ostéosynthèse) et aux prothèses.
Les problématiques de prothèses des membres supérieurs sont néanmoins différentes de celles
des membres inférieurs : en effet, les membres inférieurs sont constamment sollicités en efforts,
non seulement par le simple poids de l’individu en statique, mais pire encore par l’usure et les
traumatismes causés par les chocs répétitifs et le chargement cyclique imposé par la marche
quotidienne. Les bras eux, bien qu’ils servent de façon quasi permanente à nos mouvements de
1

la vie quotidienne, peuvent demeurer au repos sans être soumis à des charges mécaniques entre
deux activités. En revanche, les articulations du poignet et des doigts sont des articulations
très complexes, permettant de nombreux degrés de libertés cruciaux pour effectuer une grande
variété de mouvements différents jusque dans les moindre détails. En particulier, le cas du pouce
opposable, qui a entre autre permis à l’homme sa fulgurante évolution dans la manipulation
d’outils, est une articulation élaborée qu’il n’est pas simple de reproduire mécaniquement. Les
prothèses de la main sont donc moins concernées par des problèmes d’efforts mais plus par
des questions de mobilité et de précision dans les mouvements des doigts. Survient aussi la
question de l’effort de préhension et du sens du toucher : les nouvelles générations de prothèses
s’affairent aujourd’hui à surmonter le rétablissement du toucher pour le patient amputé ainsi
que le contrôle dans la pression de serrage de la main, dépendamment de la fragilité de l’objet
tenu. Là où le cerveau humain agit sur une main classique, la main bionique doit-être elle-même
dotée d’un rétro-contrôle pour maîtriser sa force et communiquer les informations aux doigts
et au patient.
Ces problématiques, sensiblement différentes de celles des prothèses de hanche ou de jambe
(amputation en dessous ou au dessus du genou) nous mènent donc à nous demander si les
progrès actuels en robotique et en ingénierie des matériaux, permettent de créer des prothèses
capable de remplacer entièrement les fonctionnalités d’un bras humain. Il en va de même pour
toutes les chirurgies réparatrices des os du bras ou de la main, qui peuvent être effectuées sur des
patients amputés ou simplement fracturés, où les questions de matériaux et de biocompatibilités
sont alors cruciales.
Problématique : Les prothèses de la main sont-elles aujourd’hui capables de
remplacer entièrement un bras humain ?

1.2

État de l’art des différents types de prothèse

On peut classer les prothèses de main en 3 catégories :
Les prothèses esthétiques
Il s’agit des prothèses dépourvues de source d’énergie et donc de commande intelligente.
Les prothèses esthétiques privilégient l’aspect visuel et le mimétisme de la vraie main humaine,
ce qui s’accompagne nécessairement de possibilités fonctionnelles limitées (soutenir des objets,
porter un sac. . .).
Ces prothèses souples et légères sont aussi les plus confortables pour les patients. Les sociétés
présentent en générale différentes finitions esthétiques, et pour les patients recherchant un
niveau d’esthétisme poussé, il est possible de réaliser une prothèse à partir du moulage du
membre opposé, pour ainsi obtenir une réplique parfaite.
Les prothèses esthétiques sont généralement réalisées en PVC ou en silicone pour tendre à
reproduire la couleur et l’aspect de la peau [Fig.2].

2

Figure 2 – Un exemple de prothèse esthétique à 2 hauteurs d’amputation (prothèse de bras à
gauche et d’avant-bras à droite)

Les prothèses mécaniques
Elles sont mécaniquement et techniquement proches des prothèses esthétiques dans le sens
où elles sont dépourvues de commande électronique intelligente.
La différence avec les prothèses réside dans la conception de la “main” : les prothèses mécaniques n’ont plus comme objectif de mimer l’esthétique de la main humaine mais plutôt de
remplir un rôle précis dans une activité de la vie quotidienne : sport, cuisine, travail. . . [Fig.3]
La main est donc remplacée par un embout mécanique changeable selon les situations : crochet, pince, outil. . . Ces embouts sont éventuellements articulés mais doivent être configurés
“mécaniquement”, à la main.
Les matériaux utilisés sont alors variables, des alliages de tous types peuvent être utilisés
pour répondre aux besoins de l’outil, le soucis d’esthétique pouvant ou non être encore désiré.

3

Figure 3 – Des exemples de prothèses mécaniques conçues pour des tâches particulières :
attraper tout type de chose (1, 5), tatouer (2), manger (3), jouer de la musique (4), faire des
pompes (6)...

Les prothèses myoélectriques
Ce sont les prothèses dotées d’une technologie et d’une motorisation intelligente. Les doigts
de la main et éventuellement son poignet sont alors articulés, commandés en énergie électrique
ou hydraulique.
La complexité des prothèses myoélectrique varie avec le type de commande :
— La prothèse peut être commandée à partir d’une manette ou d’une application mobile
pilotée par l’autre main
— La prothèse peut exploiter la contraction des muscles à l’interface de la peau du bras
pour amplifier les signaux électriques et les interpréter en un mouvement de la prothèse.
C’est le système de commande le plus élaboré [Fig.4] : le patient peut éventuellement
avoir à réapprendre comment commander sa main selon les muscles qu’il est encore
capable de contracter, mais il est a priori toujours possible de venir chercher des signaux
électriques dans son bras (ou plus loin : épaule, torse. . .) pour les transformer en une
consigne pour la prothèse.

4

Figure 4 – Une prothèse myoélectrique
— De nouveaux systèmes innovants comme le MyoTM [Fig.5] permettent des alternatives
intéressantes : il s’agit d’un bracelet se plaçant au dessus du coude du bras (valide
ou amputé) qui capte les commandes nerveuses de ce dernier (qui sont éventuellement
plus exploitables sur le bras entier que les signaux au niveau du bars amputé) pour
commander les mouvements de la prothèse.

Figure 5 – Un porteur de prothèse myoélectrique utilisant la technologie MyoTM pour capter
les signaux de son bras

5

2
2.1

La mécanique de la main humaine et bionique
Caractéristiques mécaniques des os de la main

Les phalanges sont des os courts, à forme demi-cylindrique, constitués à majorité d’os trabéculaires (spongieux) et dotés chacunes d’un canal médullaire considérablement réduit comparé
aux os longs.
Pour rappel, l’os trabéculaire présente un comportement visco-élastique de part sa structure
biphasique :
— Une phase solide composée de minces plaques d’os appelées travées osseuses faites d’hydroxyapatite de calcium
— Un fluide visqueux, la moelle, composée d’un mélange de tissus sanguins, de graisse et
de collagène
De ce fait, comme tous les os spongieux et d’autant plus avec leur forme particulière (semicylindrique, applatie, en cône [Fig.6]), les phalanges ont des modules d’Young très variables,
dépendant notamment des efforts que doit endurer la zone de l’os concernée.

Figure 6 – Croquis légendés des phalanges des doigts (hors pouce) vue de profil (haut) puis
du dessous (bas)

Finalement une modélisation fine de la réponse mécaniques des phalanges à la contrainte
est peu intéressante dans la mesure où ce ne sont pas des os soumis à des efforts cycliques et
donc à l’usure (comparé aux os des membres postérieurs). Ce sont des os peu résistants car en
majorité spongieux.

2.2

Description mécanique des mouvements et efforts de la main

Dans le cadre de la conception d’une main robotique, on cherche l’intensité des efforts à
fournir pour manipuler des objets du quotidien. Le modèle cinématique de la main est le suivant.
6

On simplifiera les articulations entre les phalanges par des liaisons pivot. Le schéma cinématique de la main est présenté en figure 7.

Figure 7 – Modèle cinématique simplifiée d’une main prothétique
On suppose que la mise en mouvement de chaque phalange est assurée par un ensemble
moteur électrique/réducteur roue et vis sans fin logé dans la phalange précédente. Pour choisir
le matériau qui compose la prothèse, dimensionner les moteurs et les doigts il est donc nécessaire
de savoir quel couple il faut appliquer aux articulations pour tenir un objet massif.
Force nécessaire à la préhension d’objets
Une étude présentée en annexe montre qu’au prix de certaines hypothèses simplificatrices
la force à appliquer sur l’objet de masse m pour le tenir avec un coefficient de frottement
pour l’index, le majeur,
de Coulomb au niveau du contact doigts-objet est : Fdoigt−objet = mg
8
mg
l’annulaire et l’auriculaire et Fpouce−objet = 2 pour le pouce.
Les méthodes de mécanique du solide indéformable permettent alors de calculer le couple
à fournir au niveau des articulations. Par exemple, on peut montrer que le couple à fournir au
niveau de la dernière articulation d’un doigt autre que le pouce reste inférieur à Lmg
où L est
2
la longueur de la dernière phalange.
Si l’on prend un coefficient de frottement facilement atteignable comme 0,5 et une longueur
L = 3cm on montre que le couple en question pour tenir un objet de 1, 8kg est majoré par
0.44N.m. Les détails sont présentés en annexe.
On peut trouver sur internet des moteurs de modélisme aux dimensions presque satisfaisantes, qui ont les caractéristiques suivantes : C = 1, 47.102 N.m =10100 tr/min. En couplant
ce moteur à un réducteur de rapport r = 336 on satisfait le critère de vitesse de fermeture de
la main qui est que la vitesse de rotation de l’arbre du réducteur est de 30tr.min−1 tout en
obtenant un couple supérieur d’au moins un facteur 10 au couple seuil. Aussi, tenir des objets
de type produits de supermarchés avec une main prothétique est donc largement envisageable,
cela ne nécessite pas de moteurs à la pointe de la technologie.

7

Choix du matériau constituant les doigts
Si on assimile une phalange à un cylindre creux homogène de diamètre intérieur 25mm et
d’épaisseur 2mm on peut montrer que pour un objet porté de 20kg, la contrainte longitudinale
dans une phalange du pouce (doigt le plus sollicité car il s’oppose seul à 4 doigts) est de l’ordre
de 1M P a. La démonstration est présentée en annexe.
La limite d’élasticité à 0, 2% du PLA est supérieur à 20M P a en traction, elle est donc encore
plus importante qu’en compression. Il est donc possible de fabriquer les phalanges en PLA d’un
point de vue résistance mécanique, si on se limite à la préhension d’objets de moins de 20kg.
La limite d’élasticité sera alors atteinte lors du port d’un objet de plus de 340kg, ce qui est
largement au dessus des objectifs pour notre cas d’étude qui est le remplacement d’une main
humaine.

8

3

Matériaux prothétiques et biocompatibilité

Les accidents conduisant à la fracture ou l’amputation d’un bras soulèvent le problème de
la biocompatibilité des matériaux utilisés pour réparer ou remplacer le membre touché. Les
matériaux d’ostéosynthèse, i.e destinés à l’implantation dans les tissus humains de la main
(plaques, vis, broches. . .) sont divisés en deux catégories : résorbables et non résorbables.

3.1

Matériaux d’ostéosynthèse résorbables

L’avantage des matériaux résorbables est qu’ils permettent de s’affranchir de l’étape de
retrait de la pièce prothétique qui est généralement nécessaire à l’issue du processus de guérison.
En contrepartie cependant, les propriétés de résorption s’accompagnent d’une faible résistance
mécanique du matériau : ils ne peuvent donc pas être soumis à des contraintes en charge trop
importantes. En traumatologie osseuse, des broches, des vis et des plaques sont réalisées et ont
été validées dans des matériaux résorbables.
Pour l’ostéosynthèse [Fig.8], les implants sont faits de polymères résorbables, de polylactides
(PLA pour PolyLactic Acid, biodégradable et utilisé pour la plupart des emballages alimentaires), mais aussi de polyglycolides (PGA pour PolyGlycolic Acid, thermoplastique biodégradable très utilisé pour les fils de suture), plus rarement de polyhydroxybutyrates (PHB,
polymère biodégradable existant aussi naturellement dans le cytoplasme des cellules) ou de
polyhydroxyvalerates (PHV), mais aussi souvent de copolymères (copolymérisation d’au moins
deux types de monomères) appropriés comme les polyactides (L-D/L)

Figure 8 – Des vis en polymère résorbables utilisées dans la chirurgie du crâne
Après l’implantation, les caractéristiques mécaniques des polymères résorbables sont initialement importantes, puis la résistance mécanique disparaît relativement vite, le plus souvent
bien avant la détection des premiers signes de résorption. La structure de ces polymères influence leur dégradation tandis que les contraintes mécaniques et la dégradation agissent à
l’inverse de ce qui est attendu d’un matériau d’ostéosynthèse. La dégradation de ces matériaux
est due aux interactions entre le matériau et les tissus du corps, c’est à dire par un mécanisme
d’hydrolyse et de résorption des acides spécifiques du polymère.
9

Dans l’ensemble, la biocompatibilité de ces matériaux est généralement satisfaisante, d’autant plus que ces polymères sont réalisés à partir de substances endogènes (i.e naturellement
générées par l’organisme lui-même) comme le polyester aliphatique (similaire aux acides aminés
codés via l’ARN dans les cellules !) ainsi que d’autres polymères naturels comme la gélatine ou
le collagène (qu’on trouve dans la peau, la graisse, les os...). On ne peut cependant jamais
exclure la survenue d’un épisode inflammatoire car la concentration en acide peut se retrouver
en excès, du fait du processus de dégradation.
En pratique, les implants réalisés à partir de matériaux biorésorbables sont peu utilisés. Il
est en effet difficile d’évaluer leur résistance dans le temps. Utiliser ce type d’implant expose
au risque de déplacement secondaire si la résorption s’effectue trop rapidement.

3.2

Matériaux d’ostéosynthèse non résorbables

Les métaux utilisés en traumatologie osseuse sont choisi pour leurs propriétés mécaniques
et biologiques favorables à l’implantation. On peut distinguer 3 groupes principaux de métaux
utilisés dans ce domaine :
— Les alliages inoxydables
— Les alliages de titane
— Les alliages de cobalt
Les alliages inoxydables
Les alliages inoxydables sont constitués d’aciers (Fe + C résiduel) avec ajout de Chrome
(environ 18% en moyenne), de Nickel (14%) et de Molybdène (3%). Ils sont encore très utilisés
aujourd’hui, généralement pour la confection des plaques, vis et autres fixations internes. Leur
avantage principale réside, comme l’indique leur nom, dans la couche protectrice d’oxyde de
chrome sur la surface du métal, prévenant l’oxydation de la pièce. Ces inox présentent aussi une
ductilité élevée, idéale pour la malléabilité pré-opératoire, ainsi qu’une résistance aux charges
élevées (en statique comme en sollicitation dynamique cyclique), d’où leur utilisation en ostéosynthèse. Enfin, la plupart de ces inox sont non magnétiques, ce qui s’avère cruciale pour
les patients qui sont en général tous amenés à faire des examens type IRM à la suite de leurs
opérations.
Les implants en acier ont habituellement une teneur en nickel de 13 à 16%. Cependant, le
nickel est connu pour être un allergène de contact, ce qui pose des problèmes de biocompatibilité.
Dans les aciers à faible teneur en nickel, le nickel est remplacé par de l’azote et du manganèse.
La force, la résistance à la corrosion et la résistance à la rupture sont sensiblement plus haut
pour les aciers à faible teneur en nickel que pour les aciers inoxydables standard. En dépit de
ces propriétés favorables, ce matériel est encore rarement employé, les raisons principales étant
les ressources limitée en matière première, le prix du marché élevé et l’usinage exigeant.
Le titane
Le titane (Ti) présente le grand avantage d’avoir une résistance à la corrosion très élevée
tout en étant biocompatible. Le titane se distingue de l’acier inoxydable par 2 caractéristiques
notables :
— Sa sensité : e titane a une densité de 4.5 g/cm3, comparée au 7.9 à 8.3 g/cm3 des aciers
inoxydables
— Son élasticité : le titane a une plus grande élasticité que l’acier inoxydable
10

Le titane « commercialement pur » (cpTi) a été industriellement développé dans les années
40 et rapidement son aptitude à être utilisé dans des application chirurgicales a été découverte.
Quatre catégories de titane pur ont été définies. La première différence se situe dans la teneur en
oxygène. Par rapport à ce qui est demandé à un implant lors de la mise en charge, le titane avec
le taux d’oxygène le plus élevé, encore appelé titane de grade 4 est habituellement utilisé. Le
cpTi est principalement employé pour des plaques et des vis dans des tailles et des indications
multiples [Fig.9].

Figure 9 – Une plaque d’ostéosynthèse en titane pour la chirurgie du poignet
Deux alliages de titane en particulier sont couramment utilisés en chirurgie : le Titanium
Aluminium Niobium (dît TAN, de formule TiAl6Nb7) et le Titanium Aluminium Vanadium
(dît TAV, de formule TiAl6V4). Ces deux matériaux sont utilisés couramment pour les implants
d’ostéosynthèse. Dans le TAN, le Vanadium appartenant à cet alliage a été remplacé par un
élément biologiquement inerte, le Niobium. Les deux éléments augmentent de manière significative à la fois la résistance mécanique aux contraintes statiques et cycliques. La ductilité de
ces alliages est inférieure à celle du titane pur. Par conséquent, les implants fabriqués à partir
de ces alliages sont bien adaptés pour supporter des contraintes élevées , mais pas dans des
indications où un modelage pre-opératoire de l’implant est requis. Ces matériaux sont utilisés
essentiellement pour les clous et quelques modèles de plaques préformées.
Le cobalt
Les alliages à base de cobalt sont également non magnétiques, résistants à l’usure , à la
corrosion, à la chaleur. Ils restent néanmoins difficile à produire et à usiner, bien que des
progrès significatifs aient été accompli dans ce sens là ces dernières années. En raison de leur
11

excellent comportement à long terme, ces alliages sont utilisés habituellement pour la chirurgie
prothétique. [Fig.10]

Figure 10 – Des plaques d’ostéosynthèse en cobalt et leur implantation dans des vertèbres

12

4

Prothèses articulées

Pour pallier au handicap induit par la perte d’un membre supérieur, il est aujourd’hui
possible de récupérer une partie de la mobilité de la main avec une prothèse.

4.1

Commande musculaire et nerveuse de la main humaine

Dans un premier temps, on s’intéresse aux muscles qui composent la main et assurent sa
mobilité. En réalité les doigts ne contiennent que des tendons qui proviennent des muscles
suivants[6] :
— les muscles extrinsèques dont le corps est situé dans l’avant-bras. Ils sont divisés en deux
groupes : palmaires (intérieur du bras) et dorsaux (extérieur du bras), l’un des groupes
contrôlent la flexion (palmaires) et l’autre l’extension (dorsaux) des doigts
— le muscles intrinsèques dont les corps est située dans la main. Ils sont divisés en trois
groupes : latéral, centrale et médial et permettent de commander plus précisément les
mouvements des doigts.
Ces muscles sont mis en mouvements par le système nerveux.

4.2

Interface myoélectrique moignon-prothèse : de la commande nerveuse à la sensibilité digitale

Le système nerveux dans sa globalité est résumé en figure 11. La commande nerveuse du

Figure 11 – Système nerveux
mouvement fait intervenir de nombreux acteurs :
— les motoneurones qui transmettent le message nerveux en provenance du cerveau de la
moelle épinière au muscle
— les neurones sensitifs qui captent des stimulus. On en distingue plusieurs types de récepteurs situés à la périphérie de ces neurones : mécanorécepteurs (toucher), nocicepteurs
(douleur), thermorécepteurs (chaleur). L’énergie du stimulus est transduite dans la membrane réceptrice par des canaux ioniques et parvient ainsi jusqu’au neurone sous la forme
d’un signal électrique.
13

— la moelle épinière qui est l’interface par lequel transitent les messages nerveux qu’ils
proviennent du cerveau ou y soit destinés
— les synapses : elles peuvent être neuro-neuronales (interface entre deux neurones) ou neuromusculaire (interface neurone/muscle). La communication s’y fait à l’aide de neurotransmetteurs. Elles permettent la transmission du message nerveux entre deux neurones
ou entre un neurone et un muscle.
— le cerveau reçoit les messages nerveux et les interprète ce qui se traduit par différente
sensations (chaleur, toucher, douleur..), il commande également les mouvements à travers
ce système.
Le message nerveux circule donc sous forme électrique entre ces différents acteurs.

4.3

Commande électrique/hydraulique des prothèses robotiques

Quand le bras ou le poignet est amputé suite à un incident, un moignon subsiste au niveau de l’épaule ou du coude. Ainsi, une partie des muscles extrinsèques est toujours présente.
C’est les terminaisons nerveuses qui actionnent ces muscles qui permettent de commander une
prothèse de main. Deux électrodes sont placées à la surface de la peau au niveau de l’avant
bras. L’un sur l’intérieur du bras (coté paume) récupère les informations des muscles extrinsèques palmaires (flexion) et un autre sur l’extérieur du bras récupère les informations des
muscles extrinsèques dorsaux (extensions). Ces électrodes peuvent alors récupérer des stimuli
dues aux contractions musculaires. En effet, malgré l’amputation l’individu est toujours capable
de mobiliser les muscles qui permettaient autrefois d’utiliser sa main via des messages nerveux
électriques (tension entre 10 et 40 micro V). La prothèse muni d’électrodes est donc capable
d’établir une connexion avec le cerveau via un ordinateur qui traite le signal détecté.
On distingue deux types de prothèses : la prothèse hydraulique et la prothèse myoélectrique. Dans une prothèse myoélectrique [3], les articulations des doigts sont motorisés. Les
signaux électriques dues aux contractions sont traités par un microprocesseur qui transmet ces
informations aux moteurs pour mettre en mouvement les articulations. Cette technologie peut
permettre à une prothèse de main d’effectuer 4 à 15 mouvements selon le perfectionnement du
modèle, on a par exemple : la contraction rapide d’un muscle fléchisseur qui permet la préhension (fermer la main tel une pince avec le pouce, l’index et le majeur), la contraction rapide
d’un muscle extenseur permet d’ouvrir cette pince, la contraction lente d’un muscle fléchisseur
permet la pronation tandis que celle d’un muscle extenseur permet la supination [2] . . . Les
termes pronation, supination sont imagés en annexe.
Une photographie du dispositif est présenté en figure 12.

Figure 12 – Une prothèse de main myoélectrique

14

Toutefois il faut noter que la maîtrise des différents mouvements et positions nécessite un
certain potentiel musculaire ainsi qu’un temps de rééducation assez important pour assimiler
les différents contractions qui ne correspondent pas forcément à un mouvement naturel.
Cependant ces prothèses sont très coûteuses et peuvent parfois représenter un poids important. Cependant elles permettent d’assurer la plupart des fonctions d’une main naturelle et
ainsi le patient retrouve une grande mobilité : se saisir d’objet, tourner les pages d’un livre..
L’alternative à la prothèse myoélectrique est la prothèse hydraulique [7], les articulations
motorisées sont remplacés par un système de réservoir d’eau et de piston. Une photographie du
dispositif est présenté en figure 13.

Figure 13 – Une prothèse de main hydraulique
Une pompe envoie de la pression aux coussinets élastiques gonflables qui composent les
articulations (deux joints pour l’index et le majeur et un pour les autres doigts) ce qui permet
d’ouvrir ou fermer celles-ci. Ce système permet de mouvoir chaque doigt indépendamment et
les mouvements sont plus naturels et plus souples qu’avec des articulations motorisés. Le tout
est commandé par un processeur de la même façon qu’une prothèse myoélectrique.
Il faut également mentionner que peu importe où se situe le moignon (sur l’avant bras,
au niveau de l’épaule) il est possible de récupérer des terminaisons nerveuses inutilisés pour
les effectuer les mouvements (terminaisons du biceps et du triceps par exemple). Toutefois,
les mouvements seront moins naturels, il faudra par exemple contracter le biceps pour fermer
la main et le triceps pour l’ouvrir. Le patient a la possibilité de personnaliser la contraction
musculaire à laquelle correspond un mouvement de la prothèse, quitte à rendre ce mouvement
moins intuitif mais peut être plus facile musculairement.
Les prothèses ainsi présentés permettent au patient de retrouver une grande mobilité et
d’effectuer la plupart des tâches du quotidien, tenir un objet, écrire sur un clavier, tourner les
pages d’un livre..
Toutefois, les prothèses aujourd’hui commercialisés sont incapables de restituer les sensations
de toucher..

4.4

Technologies en développement

De nouvelles technologies sont actuellement soumises à expérimentations. Des laboratoires
sont parvenues à restituer la sensation de toucher chez un patient [4]. Pour cela il faut d’abord
réussir à se relier aux neurones sensitifs. Il existe plusieurs moyens pour cela. On peut par
15

exemple enfoncer l’électrode dans un muscle près des synapses neuros-musculaires. Le corps
supporte le greffon. Toutefois, il faut fournir une intensité importante pour que le muscle soit
activé d’au moins 20mA. Ce dispositif n’est donc pas adapté pour retranscrire les sensations
d’une main. Toutefois il est utilisé pour restaurer certaines fonctions en cas d’accident cardiovasculaires ou de dommages à la moelle épinière. Pour remédier à ce problème il est possible
d’insérer un électrode dans l’axone des nerfs, il faut alors moins d’intensité pour activé le signal
nerveux. Mais le greffon est fortement susceptible d’être rejeté par le corps.
La solution retenue est l’utilisation de "nerve cuff" présenté en figure 14.

Figure 14 – Dispositif "nerve cuff"

Ce dispositif se place autour du nerf et dispose pour la version "circle" de quatre points
de contacts pour stimuler électriquement le nerf et de huit points pour la version "flattened".
Les chercheurs ont greffés un "flattened cuff" sur les nerfs médian et ulnaire du patient et un
"circle cuff" sur le nerf radiale. Cela permet de multiples points de contact. Ensuite, l’équipe
de recherche a procédé empiriquement en stimulant sur une courte période de façon constante
chaque point de contact des "cuff". À l’aide des retours du patient, il a été possible de cartographier la main et d’associer les points de contacts et les nerfs à certaines zones. Cette
cartographie est présenté en figure 15.

Figure 15 – Association entre nerfs et zones de la main
Toutefois, il n’est pas suffisant de générer des sensations pour concevoir une prothèse qui
simulerait parfaitement la main. Il faut également contrôler ces sensations. Le cerveau inter16

prète différemment une stimulation d’intensité plus ou moins élevée. Les scientifiques sont pour
l’instant parvenus à simuler le touchers de certaines matières comme le Velcro et le patient est
également capable de manipuler des objets fragiles en ne se fiant plus à sa seule vision. Les
résultats sont donc très encourageants.
Seulement, il reste difficile de miniaturiser le processus, le dispositif se basant pour l’instant
sur l’utilisation d’ordinateurs et de machines de calculs extérieurs à la prothèse. Il faut également
relier les sensations déclenchés par les "cuffs" à celles de la prothèse, cela a déjà été réalisé [5]
à l’aide de tendons artificiels placés sur l’extrémité des doigts d’une prothèse. Ces tendons
réagissent au toucher et transmettent l’information à un ordinateur qui le transmet alors aux
"cuffs".
Enfin, une technologie reposant sur l’utilisation des ultrasons a été développé très récemment [1]. Cette prothèse, contrairement à celles présentées précédemment, ne nécessite pas de
contraction musculaire pour actionner la main, il suffit de penser les mouvements comme si
la main était encore présente. En effet cette technologie est basée sur les ultrasons qui sont
capables d’établir une carte dynamique et très détaillée des mouvements des muscles. Associé
à une machine intelligente qui peut apprendre les mouvements de la main sur une main réelle,
cette technique permet une précision de mouvement difficile à égaler et s’avère totalement naturelle pour le patient. Une photo de l’apprentissage de la machine est présenté en figure 16 et
la figure 17 présente le dispositif en fonctionnement. Ce procédé est encore en expérimentation
mais les premiers résultats sont très enthousiasmants.

Figure 16 – Apprentissage de la machine

17

Figure 17 – Prothèse basée sur les ultrasons

Conclusion
L’étude de la mécanique de la main et des matériaux prothétiques amène à différentes solutions technologiques pour les prothèses de mains. Les modèles récents de prothèses permettent
en grande partie de pallier au handicap induit par la perte d’une partie du bras et d’effectuer
la plupart des tâches quotidienne. Toutefois ces solutions sont pour l’instant très onéreuses.
De nouvelles technologies sont actuellement en développement et on peut imaginer que dans le
futur les prothèses de main seront parfaitement capable de se substituer à un véritable membre
en restituant sensations et mobilités par pensée..

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Références
[1] Evan Ackerman. "skywalker" prosthetic hand uses ultrasound for finger-level control. 2017.
[2] Haute Autorité de Santé. MICHELANGELO, main myoélectrique pour prothèse externe du
membre supérieur, 2016.
[3] Purushothaman Geethanjali. Myoelectric control of prosthetic hands : state-of-the-art review. 2016.
[4] Dustin James Tyler Matthew A Schiefer. A neutral interface provides long-term stable
natural touch perception. 2014.
[5] Hillary Sanctuary. Une prothèse redonne le sens du toucher à un patient amputé. 2014.
[6] Elsevier Masson SAS. Muscles de l’avant-bras et de la main, 2013.
[7] E.W.L. Versluis. Design of a Hydraulic Prosthetic Hand : Adding an active thumb to the
Delft Cylinder Hand. PhD thesis, 2015.

Annexe

Figure 18 – Pronation et supination

Détails des calculs du modèle cinématique de la main prothétique pages suivantes

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