Il existe trois types de prothèses.
- Les prothèses myoélectriques sont des prothèses contrôlées par des signaux générés par la contraction musculaire. Ces contractions sont lues à l'aide de capteurs électromyographiques (EMG). Vous pouvez également trouver un autre nom pour les prothèses myoélectriques - bioniques ou bioélectriques avec une source d'énergie externe.
- Les prothèses cosmétiques sont des prothèses incontrôlables qui ne remplissent qu'une fonction décorative.
- Prothèses de traction - prothèses dans lesquelles le contrôle est effectué au moyen de tiges et sont entièrement contrôlées par les efforts de la personne elle-même sans aucune électronique. De telles prothèses permettent de comprimer la main artificielle du fait de la traction mécanique de l'épaule opposée (étirement - affaiblissement du câble).
À l'heure actuelle, en Russie, jusqu'à 7 000 patients reçoivent chaque année des prothèses avec des prothèses de membres supérieurs. Il s'agit essentiellement de prothèses cosmétiques ou de traction dont la fonction la plus simple est de saisir la main. À l'étranger, la part des prothèses myoélectriques, dans lesquelles les potentiels électriques des muscles antagonistes sont la source de signaux de contrôle, est de 50%, dans notre pays elle n'est que de 2-3%.
Les muscles-antagonistes sont ces deux muscles (ou deux groupes musculaires) d'une même articulation qui, lorsqu'ils sont contractés, tirent dans des directions opposées. La flexion de l'avant-bras est réalisée par le muscle biceps de l'épaule et l'extension de l'avant-bras est réalisée par le muscle triceps de l'épaule. Ces deux muscles sont des muscles antagonistes car ils tirent dans des directions opposées par rapport à l'articulation du coude. Un muscle (biceps brachii) est responsable de la flexion, et l'autre (triceps brachii) est responsable de l'extension.
Les prothèses bioniques n'ont pas gagné en popularité en Russie, car elles sont très chères. De plus, visuellement, un tel dispositif est une collection de connexions métalliques et de fils, tandis que les processus cosmétiques répètent presque exactement l'image d'une main humaine. De plus, il n'y a pas beaucoup de spécialistes dans le pays qui pourraient bien ajuster ce type de prothèse: faire les empreintes nécessaires, placer des capteurs.
Il faut également garder à l'esprit que les possibilités de contrôle myoélectrique de la prothèse sont limitées par le niveau d'amputation, c'est-à-dire le nombre de muscles fonctionnels restants. Pour la rééducation des patients ayant subi une amputation du bras au-dessus du coude, l'utilisation du contrôle myoélectrique n'est pas pratique. Dans de tels cas, les neuroprothèses (interface cerveau-ordinateur) ou la technologie de réinnervation musculaire cible (TMR) sont utilisées. La méthode TMR consiste en ce que les nerfs qui étaient auparavant responsables des actions fonctionnelles du bras sont amenés à d'autres muscles conservés après l'amputation, et d'eux des capteurs sensoriels reçoivent le signal et l'envoient au processeur qui contrôle les moteurs électriques qui mettre la prothèse en mouvement.
Comment fonctionnent les prothèses
Lors du développement de dispositifs biotechniques bio ou neurocontrôlés, tout d'abord, il est nécessaire de déterminer la méthode d'obtention d'informations sur le mouvement en cours. Dans les moyens biotechniques modernes tels que les systèmes d'interaction homme-machine (Human Computer Interaction - HCI), des biosignaux sont utilisés: électroencéphalogrammes (EEG), électromyogrammes (EMG), électroneurogrammes (ENG), électrooculogrammes (EOG).
Le plus répandu est l'utilisation d'un électromyogramme.
Ce sont les prothèses myoélectriques qui permettent de contrôler différents mouvements fonctionnels. Par exemple, dans les prothèses d'avant-bras commerciales modernes, le patient peut contrôler deux mouvements (prise et rotation) et contrôler la vitesse de leur exécution. Cependant, même ces mouvements simples doivent être appris, pour cela un programme de huit leçons a été développé, où ils étudient «leur nouveau corps» et essaient de l'utiliser.
Le début de la contraction musculaire est initié par des impulsions électriques dans les troncs nerveux qui pénètrent dans les fibres musculaires. Ces impulsions dépolarisent la membrane des cellules musculaires, ce qui crée un potentiel d'action dans les fibres musculaires, qui se propage rapidement le long de la fibre nerveuse et conduit à sa contraction. De plus, la réduction n'est initiée que par ce potentiel d'action et le processus de réduction lui-même est beaucoup plus long. En utilisant des électrodes à aiguilles (invasives) ou de surface, il est possible d'enregistrer la somme des potentiels d'action de toutes les cellules impliquées dans le processus.
Pour exécuter la fonction «saisir-ouvrir», il est nécessaire de plier-déplier la main. Autrement dit, le contrôle de la prothèse n'est pas naturel (anthropomorphique) et une formation supplémentaire du patient sera nécessaire, ce qui prend des semaines. L'actionneur se déplace "d'un bord à l'autre" sans positions intermédiaires - cela est dû au fait que le signal EMG ne reflète pas les paramètres mécaniques de la contraction musculaire. La seule chose que le patient peut contrôler est de contrôler proportionnellement la vitesse du mouvement.
Manque de méthodes existantes
L'inconvénient de toutes les méthodes connues de contrôle électromyographique des prothèses est que les signaux de dépolarisation provenant de muscles stimulés simultanément sont superposés, il est donc extrêmement difficile de recevoir un signal EMG concernant l'activité d'un muscle particulier. De plus, l'influence du bruit de diaphonie (interférence) des muscles adjacents augmente avec l'augmentation de la distance entre les électrodes de mesure.
La commutation entre les deux mouvements se fait mécaniquement ou avec un interrupteur caché. S'il y a beaucoup de fonctions - codage spécial en code Morse ou étiquettes RFID, collées dans tout l'appartement.
La tâche mondiale des scientifiques du monde entier est de parvenir à une classification croisée, c.-à-d. offrent la possibilité de saisir / ouvrir et tourner simultanément sans commutation auxiliaire.
L'équipe de développement du département BMT-2 "Technique biomédicale" de l'Université technique d'État de Moscou avait la même tâche - mettre en œuvre le contrôle de deux mouvements (prise et rotation de la main), mais en même temps atteindre non seulement la proportionnalité de contrôle, mais pour préserver l'anthropomorphisme de ces mouvements. L'anthropomorphisme est compris comme l'exécution précisément de ces mouvements auxquels le patient pense en temps réel. Les scientifiques de Bauman sont engagés dans cette tâche - les employés du département BMT-2.
Développement et ses fonctionnalités
L'objectif technique de la présente invention est de fournir la possibilité d'obtenir un signal de haute qualité et stable, qui, lorsqu'il est contrôlé par un dispositif technique, permet de former des actions de contrôle proportionnelles au degré de contraction musculaire avec un retard de non plus de 120 ms.
Pour résoudre ce problème, les développeurs ont appliqué une approche combinée, dont l'essence est l'enregistrement conjoint d'un électromyogramme et d'un composant actif de l'impédance électrique à partir d'un seul système d'électrode. La myographie par impédance électrique est basée sur la mesure des changements d'impédance électrique des muscles qui se produisent lors des contractions musculaires.
Un courant alternatif d'amplitude stable est fourni aux électrodes de sonde, et la tension est enregistrée à partir des électrodes de mesure, qui, après séparation de fréquence des canaux, est convertie en EMG et la résistance active de la zone du corps, reflétant le processus de contraction musculaire mécanique. Il a été établi expérimentalement que la contraction musculaire entraîne un changement proportionnel de la résistance active enregistrée dans la projection de ce muscle.
Prothèse fabriquée par PJSC RSC Energia
Principe d'opération
Le résultat technique dans ce cas est de fournir la possibilité d'obtenir un signal de contrôle basé sur l'enregistrement de la contraction musculaire dans le temps.
Dans ce cas, il est devenu possible de suivre, enregistrer et transformer en signal de contrôle «le mouvement même du muscle» dans le temps, alors que les méthodes connues de suppression des biopotentiels d'un muscle à l'aide de myo-capteurs n'enregistrent que le début de la contraction.
Pour le contrôle, deux systèmes d'électrodes sont utilisés, qui sont situés sur le moignon dans la projection des muscles antagonistes, tout comme dans une prothèse myoélectrique. Ainsi, la technologie prothétique établie n'est pas violée.
Un signal d'impédance électrique est utilisé comme signal électrophysiologique.
La figure supérieure montre l'enregistrement synchrone d'un signal électrophysiologique - impédance électrique et un signal d'électromyogramme (EMG) d'électrodes situées à la surface de la peau au-dessus du muscle fléchisseur des doigts lors de l'exécution du mouvement de «prise de main». Les développeurs de l'Université technique d'État de Moscou ont réussi à obtenir un signal si clair qu'il permet de réaliser des mouvements anthropomorphiques.
Pour mettre en œuvre le procédé, les auteurs ont développé un schéma bloc du dispositif illustré ci-dessus, où TE est une électrode de courant, IE est une électrode de mesure et MT est un transducteur de mesure.
Les auteurs ont également développé des systèmes d'électrodes, qui sont une base (en caoutchouc ou en plastique), sur laquelle quatre électrodes sont fixées. Grâce à ces électrodes, le courant est fourni (électrodes de courant) et la tension est mesurée comme la différence de potentiel entre les électrodes (électrodes de potentiel). Cette méthode est mise en œuvre conformément au schéma structurel présenté ci-dessous.
Le signal EMG est séparé du signal d'impédance électrique par un filtre passe-bande avec une bande passante de 50 Hz à 400 Hz (filtre de canal EMG). Le signal d'impédance électrique modulé en amplitude est séparé du signal EMG par un filtre passe-bande avec une bande passante de 10 kHz à 1 MHz (filtre de canal d'impédance) et détecté par un détecteur synchrone. Pour faire fonctionner le détecteur synchrone comme fréquence de référence porteuse, le microprocesseur génère le même signal de référence que pour la source de courant correspondante. Après une amplification supplémentaire, les deux canaux sont numérisés par un convertisseur analogique-numérique (ADC). C'est ainsi qu'un signal de contrôle est reçu d'un muscle.
Cependant, afin d'obtenir un signal de commande meilleur et plus stable pour un appareil technique, le deuxième canal de l'appareil doit être utilisé, qui, fonctionnant de manière similaire, enregistre le signal d'impédance électrique et le signal EMG du deuxième muscle - le muscle antagoniste.
Pour éliminer l'influence mutuelle des deux canaux d'impédance électrique, une séparation de phase ou temporelle des canaux est utilisée.
L'une des options possibles pour utiliser le procédé proposé est un dispositif de contrôle bionique d'une prothèse de main, qui se compose de: deux systèmes d'électrodes tétrapolaires; transducteur de mesure d'impédance à deux canaux; unité de traitement; unité de commande et actionneur - prothèse de main, comme indiqué sur la figure.
Cette approche sans altération peut être utilisée non seulement pour contrôler le membre supérieur, mais aussi le membre inférieur.
Autres perspectives
Une autre direction de recherche dans ce domaine est la mise en œuvre de mouvements anthropomorphiques complexes (par exemple, saisie et rotation simultanées de la main). Dans le même temps, le nombre de systèmes d'électrodes et la zone de leur emplacement doivent rester les mêmes afin de ne pas perturber la technologie prothétique établie.