« C’est incroyable », dit Larry Hayes-Richards en regardant les doigts de son bras bionique se plier, une prouesse qu’il réalise par la seule pensée.
À 72 ans, cet ancien combattant de Sherwood Park, en Alberta, est un pionnier de l’utilisation des prothèses de bras myoélectriques au Canada. Nous nous trouvons au laboratoire Bionic Limbs for Improved Natural Control (BLINC) de l’Université de l’Alberta à Edmonton, où le prothésiste Mike Stobbe et la docteure Jacqueline Hebert rajus-tent l’emboiture de sa prothèse.
L’étonnant, c’est à quel point la science a avancé depuis que son bras droit a été amputé, en 2005. Il est passé d’une prothèse retenue par un harnais de sécurité, qu’il contrôlait par les mouvements de son torse et de son épaule, à une prothèse qui s’ajustait sur son moignon et contrôlée par les flexions musculaires de ce dernier et maintenant, à un bras expérimental qui réagit à ses pensées.
Il essaie un prototype qui « apprend » ses mouvements afin de les rendre plus fluides, moins robotiques. Et il attend avec impatience de mettre à l’essai un modèle de pointe dont les capteurs placés au bout des doigts lui permettront, espère-t-il, de sentir les objets qu’il touche.
« Nous sommes à l’avant-garde, aux balbutiements de l’intégration des sensations », déclare la Dre Hebert, elle-même pionnière de la technologie médicale qui rend possibles les prothèses commandées par la pensée. Elle est également directrice du laboratoire BLINC. « Ça se passe encore entièrement dans le laboratoire. »
En fait, c’est dans de nombreux laboratoires que cela se passe. La docteure travaille avec des équipes de recherches dirigées par Jon Sensinger de l’Institute of Biomedical Engineering de l’Université du Nouveau-Brunswick et par Paul Marasco du Lerner Research Institute de la Cleveland Clinic. Ils font tous partie d’un vaste effort international qui a pour objet de créer un meilleur remplacement du bras humain, des recherches mobilisant beaucoup de matière grise. Reproduire les fonctions de la main, dit-elle, « c’est extrêmement difficile ».
Une foule d’obstacles ont été surmontés pour produire des prothèses myoélectriques commandées par la pensée humaine, notamment la manière dont le cerveau communiquerait avec un bras artificiel, la conception d’une prothèse pouvant capter ces messages et les traduire en action, et le fonctionnement du « partenariat »entre la personne amputée et la prothèse. Et ce n’est là qu’un début.
Le prochain grand défi consistera à restaurer le sens du toucher dans un bras artificiel, étape nécessaire pour « faire en sorte que les personnes amputées arrivent au point où elles sentent que leur
prothèse fait partie de leur corps. »
Cela nécessite le développement de techniques chirurgicales :la réinnervation musculaire ciblée (TMR ou Targeted Muscle Reinnervation) pour la commande de la prothèse et la réinnervation sensorielle ciblée (TSR ou Targeted Sensory Reinnervation) pour la transmission du sens du toucher provenant de la prothèse.
Tout cela, c’était de la science-fiction quand M. Hayes-Richards a rejoint le Black Watch (Royal Highland Regiment) au milieu des années 1960, des années avant que La Guerre des étoiles popularise l’idée des bras de rechange parfaits.
Son service militaire de huit années lui a donné confiance en lui, le gout de l’athlétisme et un sentiment d’engagement. Mais il a aussi causé des problèmes de santé persistants à cause de l’exposition à l’agent Orange, une névrose posttraumatique et des blessures morales lors de son affectation à Chypre, et des blessures physiques qui ont endommagé ses articulations. Les opérations chirurgicales qui ont suivi ont créé les conditions propices à une infection staphylococcique résistante aux antibiotiques qui a abouti à l’amputation de son bras droit, et lui ont coûté le plein usage sans douleur de ses jambes et de son dos. En tout, M. Hayes-Richard a subi plus de douze opérations, dont celles qui ont servi à remplacer les articulations du coude et du genou, puis à les enlever quand elles se sont infectées et bien sûr, une amputation.
En 2006, l’année suivant celle où M. Hayes-Richards a perdu le bras, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) des États-Unis a entrepris de créer un bras prothétique commandé par le cerveau qui fonctionnerait comme un vrai.
« Les technologies qui s’en dégageront pourraient améliorer la réhabilitation des combattants, rétablir la fonction et l’indépen-dance […] et offrir aux soldats blessés la perspective de porter
à nouveau l’uniforme », lit-on sur le site Web de la DARPA à propos du programme Revolutionizing Prosthetics [révolutionner les prothèses, NDT]. Un de ses programmes finance maintenant des recherches « pour créer une prothèse de main qui bouge et procure des sensations comparables à
celles d’une main naturelle ».
Les injections de fonds de la DARPA ont stimulé les recherches, souvent coopératives, dans les domaines des neurosciences, de l’ingénierie, de la conception, de la chirurgie et de la réadaptation. Chacun de ces domaines se penche sur une pièce d’un casse-tête très complexe. « Nous essayons de collaborer entre plusieurs sites, déclare la Dre Hebert, parce que nous avons tous de très petites populations. »
En dix ans, le bras myoélectrique commandé par la pensée est passé de la planche à dessin à la fabrication. Ces prothèses révolutionnaires ont d’abord été adaptées à d’anciens combattants américains en 2017, et plusieurs modèles sont maintenant en vente ou en cours de développement. Les anciens combattants et militaires ne représentent qu’une petite partie des 100 000 amputés en Amérique du Nord (dont quelque 10 000, au Canada), mais la commercialisation profitera également aux milliers de civils qui ont perdu un bras à cause d’une maladie vasculaire, du diabète, du cancer, d’un traumatisme ou d’une infection.
La Dre Hebert a parlé à M. Hayes-Richards des prothèses opérées par la pensée peu de temps après son amputation, ainsi que de la technique chirurgicale mise au point par Todd Kuiken à l’Université Northwestern de Chicago qui les rend possibles. Le Dr Kuiken cherchait des volon-taires pour des essais cliniques.
M. Hayes-Richards et l’agent forestier Rob Anderson de Grande Prairie, en Alberta, qui avait perdu un bras et une jambe en 2006 dans un accident d’hélicoptère, se sont portés volontaires. En 2008, ils étaient les premiers Canadiens à subir une intervention chirurgicale de TMR servant à détourner les nerfs du bras amputé pour leur permettre de fléchir leurs muscles de manière à commander des prothèses spécialement conçues à cet effet.
Après l’amputation d’un bras, le cerveau continue d’envoyer des signaux au bras et à la main, mais les nerfs qui transmettent les commandes étant tronqués, ces signaux aboutissent à une impasse. La chirurgie de TMR redirige les nerfs tronqués vers les muscles du haut du bras ou de la poitrine. En quelques mois, les nerfs se développent dans les nouveaux muscles, et ces derniers réagissent aux commandes du cerveau comme s’ils déplaçaient la main, le poignet, les doigts ou le coude.
Les muscles répondant à chaque nerf sont localisés individuellement et cartographiés, et les électrodes sont placées sur la prothèse en conséquence. « Lorsque la cartographie est faite correctement, dit M. Hayes-Richards, on peut installer l’emboiture de manière à ce que ces électrodes s’alignent parfaitement. »
Quand M. Hayes-Richards pense à « fermer la main, » le cerveau envoie un signal au nerf qui actionne le muscle correspondant, ce qui produit un petit signal électrique qui est capté par les électrodes de la prothèse, amplifié, et transmis par un processeur aux moteurs qui commandent la prothèse, et la main artificielle se ferme, le tout en un clin d’œil.
M. Hayes-Richards a participé à des essais de logiciels qui peuvent reconnaître les signaux nerveux modulés d’un mouvement particulier et qui peuvent les « apprendre » afin que l’utilisateur n’ait pas à toujours penser au fonctionnement de la main.
Ces logiciels fonctionnent de la même manière que le processus d’apprentissage chez les humains quand ils apprennent, par exemple, à jouer d’un instrument de musique ou à maitriser la dactylographie. Au début, nous devons réfléchir à la façon de bouger les mains et les doigts, mais avec la pratique, ces mouvements deviennent automatiques et notre attention se porte sur la musique, ou sur les mots à l’écran, et non pas sur la façon dont chaque doigt bouge.
Les logiciels de reconnaissance de formes reproduisent cet apprentissage par répétition, ce qui permet aux utilisateurs d’« enseigner » des mouvements à leurs bras. Le logiciel enregistre la manière dont les muscles bougent pour produire un certain geste, et quand cette séquence est reconnue, le logiciel dirige la prothèse pour poursuivre le mouvement sans que l’utilisateur soit obligé de penser à chaque étape.
« La reconnaissance de forme me permet de faire fonctionner le bras plus facilement, dit M. Hayes-Richards. Et si ça ne fonctionne pas correctement, je peux rectifier les choses en quelques secondes. »
Bien que Hayes-Richards ait pris part aux essais de cette nouvelle technologie, sa prothèse n’en est pas encore équipée, car elle n’est disponible au Canada que depuis peu.
Chaque nouveau développement nous rapproche d’une prothèse qui ressemblera au bras naturel et se comportera comme lui. La Dre Hébert ne pense pas qu’on arrivera un jour à l’idéal de La Guerre des étoiles, où le bras artificiel est impossible à distinguer du vrai, « mais il y a un point où l’on a l’impression qu’il fait partie de soi, » dit-elle.
Nous savons que nos doigts font partie de nous parce que notre cerveau détecte où ils sont et comment ils bougent, même dans l’obscurité ou lorsque nous ne les regardons pas. Cela nous permet, par exemple, de nous toucher le bout du nez avec un doigt dans le noir. Nous savons que nous sommes responsables du mouvement de la main. Notre cerveau commande, et la rétroaction sensorielle nous renseigne sur les mouvements. On sent que le doigt touche la peau du nez.
Les amputés savent qu’ils sont responsables de la façon dont le bras bouge, mais il n’y a pas de sensation leur indiquant la position ni le mouvement. C’est un peu comme utiliser un outil, un crayon, une scie, une souris d’ordinateur : nous les commandons, mais ils ne font pas vraiment partie de nous.
La réinnervation sert à produire cette rétroaction sensorielle. En chirurgie TSR, les nerfs sensoriels tronqués du membre amputé sont acheminés vers des nerfs situés dans la peau du bras ou de la poitrine. Lorsque l’on touche la peau à cet endroit, on a l’impression qu’on nous touche la main (manquante).
Une fois les terminaisons nerveuses correspondant à chaque doigt cartographiées, un stimulateur tactile (dispositif ressemblant à une antenne qui transmet la sensation tactile) peut être placé sur la peau réinnervée pour relayer au cerveau l’information transmise par les capteurs situés dans la main prothétique. Lorsque la main prothétique touche un objet, les sensations transmises donnent l’impression à la personne amputée qu’elle fait partie de son corps. Les chercheurs appellent cela l’« incarnation ».
Les chercheurs peuvent aussi procurer une sensation de mouvement en faisant vibrer le muscle environnant, ce qui donne l’impression que les doigts et la main fantômes bougent. Lorsque la personne amputée fait fonctionner le bras myoélectrique en même temps, la sensation correspondante est transférée à l’action, ce qui leur fait savoir qu’ils sont les auteurs de cette action.
Dans les essais, les amputés ont pu réaliser des saisies complexes avec une prothèse, aussi bien que des gens utilisant leurs propres membres, dit la Dre Hebert.
M. Anderson compare l’utilisation de son bras prothétique, avant les essais des prothèses myoélectriques, à l’utilisation d’une paire de pinces longues. Il y a un décalage entre
« ce que vous êtes en train de toucher physiquement et ce que votre corps est en train de faire », a-t-il dit lors d’un entretien accordé à CBC News.
« C’était un peu surréaliste, dit-il au sujet de l’essai. Je pouvais voir la main se tendre. Je touchais quelque chose, je la serrais et j’avais l’impression que ma main fantôme se fermait sur quelque chose qu’elle la serrait […]. C’était très étrange d’avoir cette sensation, parce que je ne l’avais pas sentie depuis 10 ans ».
« Il y a un point où l’on en arrive à avoir l’impression qu’il fait partie de soi. »
L’incarnation est importante, dit M. Sensinger, parce que « cela vous permet d’accomplir beaucoup plus de choses et de prendre con-fiance beaucoup plus vite, ce qui augmente la probabilité que vous continuiez d’utiliser l’appareil. »
Environ un quart des personnes amputées abandonnent leur prothèse à cause de la douleur résiduelle ou fantôme du membre, de l’inconfort, ou de la déconnexion psychologique. D’autres préfèrent les appareils plus rudimentaires parce que les modèles plus avancés ne conviennent pas à leur mode de vie (par exemple, ils ne sont pas pratiques pour un agriculteur qui aurait du mal à tenir sa prothèse loin de l’eau ou des salissures) ou parce qu’ils ne reproduisent pas assez fidèlement les mouvements naturels, ce qui cause des frustrations.
Les recherches à l’Université Case Western Reserve de Cleveland, en Ohio, indiquent que les amputés utilisent les prothèses qui reproduisent le sens du toucher plus souvent et plus longtemps que les autres types de prothèses.
Prouver que la technologique fonctionne et démontrer qu’elle améliore la vie des amputés est important, dit la Dre Hebert. « Tout ce que nous faisons s’applique à une population relativement peu nombreuse et il y a souvent une certaine réticence à offrir des dispositifs avancés aux gens parce qu’ils n’en voient pas les avantages. »
Les régimes de santé publics ou privés ne couvrent habituel-lement pas les prothèses de pointe, ou limitent leur accès, à cause de leur coût et des scénarios fantaisistes d’Hollywood.
« Nous pensons que les Canadiens seraient choqués d’apprendre que si vous perdez un membre, les prothèses nécessaires au rétablissement des fonctions ne sont pas adéquatement couvertes », déclare Mme Alexis McConachie, responsable de la communication et gestionnaire de cas chez les Amputés de guerre. « Pour les civils, la différence entre ce qui est couvert et ce dont ils ont besoin peut varier entre quelques centaines et quatre-vingt-mille dollars. »
Une des prothèses de membre supérieur que la DARPA finance est nommée Life Under Kinetic Evolution (vie sous évolution cinétique, NDT) formant l’acronyme LUKE en référence au héros de La Guerre des étoiles Luke Skywalker, dont le bras est tranché par un méchant et remplacé par une prothèse qui fonctionne exactement comme l’original. LUKE a des articulations motorisées, y compris une articulation de l’épaule qui permet aux amputés de saisir des objets au-dessus de leur tête, et une articulation du poignet qui leur permet de maintenir la main à l’horizontale. Les doigts ont de multiples positions de saisie complexes afin de se conformer à différents objets. Elle procure une sensation tactile limitée.
Et elle coute à peu près 150 000 $.
Au Canada, un bras cosmétique coute moins de 5 000 $, et le prix d’un bras équipé d’une pince double est d’environ 10 000 $. « Pour le dispositif myoélectrique le plus simple, dit la Dre Hebert,
la main coute probablement 20 000 $, le membre entre 50 000 $ et 60 000 $ et le coude peut couter jusqu’à 80 000 $. Le prix monte rapidement quand on ajoute
des parties. »
Même si davantage d’unités sont vendues et que les progrès technologiques, tels que l’impression 3D, réduisent les couts de fabrication, les prothèses myoélectriques sont faites sur mesure pour chaque amputé, alors elles coutent très cher.
Les assureurs et les régimes d’avantages sociaux tentent de maitriser leurs couts en imposant certaines limites : remboursement au pourcentage, types de prothèses couvertes ou restriction du nombre et de la fréquence des remplacements. Les prothèses myoélectriques sont souvent totalement exclues. Certains régimes ne couvrent qu’un seul membre à vie, bien qu’« en moyenne, une personne amputée nécessite une nouvelle prothèse tous les trois à cinq ans », dit Mme McConachie, car les composants vieillissent et le corps change.
De plus, la publicité faite à la recherche de pointe et les repré-sentations fictives à la télévision et au cinéma donnent l’impression que les prothèses peuvent faire beaucoup plus que ce qu’elles peuvent faire en réalité. Même les prothèses les plus perfectionnées sont encore loin de reproduire exactement les fonctions d’une main humaine, mais les assureurs n’approuvent souvent que les « prothèses de base », comme le simple bras équipé d’une pince double et actionné par le corps. On est loin de la dextérité nécessaire pour accomplir aisément des tâches quotidiennes comme attacher ses lacets ou boutonner sa chemise.
À ce jour, les prothèses ne permettent aux amputés que de ressentir un nombre restreint de sensations : chaud et froid, rugo-sité de surface, douleur « bien que nous ne provoquions pas celle-là intentionnellement, plaisante M. Sensinger. Nous ne sommes toujours pas au point où les sensations sont à 100 pour 100 naturelles », même si certains amputés disent qu’elles le sont. Mais « c’est beaucoup mieux que la stimulation électrique, par exemple, ou qu’un bourdonnement. Il y a encore beaucoup de détails pratiques à régler, mais les fondements scientifiques semblent robustes ».
En plus d’améliorer immédia-tement la qualité de vie, une prothèse réduit l’incidence d’autres pathologies qui risquent de se manifester après une amputation. Selon une recherche américaine récente, les amputés sans prothèse de bras surchargent le bras qu’il leur reste, ce qui mène à un surmenage qui leur cause des blessures comme l’arthrose, les tendinites, les entorses et les fractures de stress. L’utilisation d’une prothèse appropriée réduit le cout de tels traitements, réduisant ainsi les charges du système de soins de santé. « C’est une bonne mesure économique », dit
Mme McConachie.
Les régimes publics de soins de santé couvrent le cout total du remplacement du genou et de la hanche, « de véritables prothèses internes », déclare-t-elle, mais les amputés doivent « assumer les charges financières, les problèmes de santé et de fonctionnalité ». Les amputés du Canada, peu nombreux, pourraient acquérir des membres artificiels appropriés, précise-t-elle, pour « beaucoup moins que ce que coute le remplacement des genoux et des hanches. »
Pourtant, une étude réalisée par le ministère américain des Anciens combattants estime que le cout des prothèses, pendant toute une vie, pour un seul bras amputé à la guerre en Irak ou en Afghanistan s’élève à 823 299 $ US.
« Je me suis toujours senti chanceux », déclare M. Hayes-Richards, dont les prothèses ont été payées par Anciens Combattants Canada. « Chanceux qu’à mon âge, on m’ait permis d’avoir un bras, et qu’on ait permis de l’améliorer. Le bras et la main que j’ai maintenant coutent 150 000 $. C’est comme si on m’avait donné une Lamborghini. »
« Bien que leur cout initial soit élevé, les membres artificiels ne sont pas des articles de luxe », ajoute Mme McConachie.
Entre 2013 et 2018, Anciens Combattants Canada a fourni des prothèses à 35 anciens combattants, qui ont couté 617 000 $ en tout. Il n’y a aucune limite sur le prix des prothèses, nous dit Emily Gauthier des relations avec les médias d’ACC.
Les anciens combattants dont l’amputation est liée au service ont droit à un dispositif principal pour usage quotidien, à un membre de secours, à des dispositifs particuliers concernant les activités de la vie quotidienne (comme la douche) et à des dispositifs leur permettant « de participer à des activités sportives, récréatives, de loisirs, etc. ». ACC prend en charge les frais de réparation et de remplacement, estimant la durée de vie des prothèses de bras à cinq ans, pourvu qu’il n’y ait pas de dommages ni de perte.
Les prothèses de M. Hayes-Richards ont été remplacées à plusieurs reprises au fil des années, avec une amélioration régulière de leurs fonctions. Il mentionne par exemple le fait de ramasser le courrier. Une fois qu’on l’a en main, si on a un membre naturel, on cesse de penser qu’on l’a dans la main. Mais « avec mon premier bras myoélectrique … il fallait rester concentré ». Avec le dernier bras « je n’avais pas peur de laisser tomber les choses que je ramassais. Je savais que je les tenais assez serrées rien qu’en pensant à fermer la main ».
Des centaines de millions de dollars ont été dépensés pour le développement de prothèses de bras ultra sophistiquées actuellement à l’essai; une somme qu’on ne pourrait peut-être pas justifier en ne tenant compte que du petit nombre de personnes qui en bénéficieront, mais il s’agit aussi de l’engagement des gouvernements à faire de leur mieux pour les militaires blessés, et du fait que les nombreuses percées scientifiques auront d’autres applications, civiles ou militaires.
« Il n’y a pas que les utilisateurs de prothèse qui bénéficient de ces nouvelles connaissances sur la façon d’intégrer cette technologie au fonctionnement du cerveau, dit la Dre Hebert. Les exosquelettes motorisés pour les lésions de la moelle épinière, la roboti-que à distance et les systèmes virtuels pourraient bénéficier de la rétroaction sensorielle. »
Les innovations pour un meilleur contrôle des prothèses grâce à des interfaces cerveau/machine, par exemple, font avancer les recherches sur la technologie qui pourrait aider à rétablir la mobilité et le sens du toucher chez les victimes de lésion cérébrale, d’accident vasculaire cérébral ou de paralysie, à contrôler des robots qui font un travail trop dangereux pour l’homme, comme le déminage, à améliorer la communication silencieuse au champ de bataille ou les expériences de réalité virtuelle pour le vaste secteur des jeux sur console ou ordinateur et, bien entendu, à améliorer la formation militaire.
Tandis que l’équipe de la Dre Hebert cherche à intégrer un mécanisme de vibration dans les emboitures de prothèse pour améliorer la sensation et l’incarnation chez les amputés, des chercheurs suédois essaient de créer des nerfs artificiels qui amélioreraient les capteurs tactiles dans les prothèses pour enrichir les sensations en y incluant celles de la texture et de la pression, et pour communiquer ces renseignements au cerveau de manière à ce qu’il les reconnaisse.
Une technique chirurgicale qui consiste à transplanter des greffons musculaires autour de terminaisons nerveuses à l’endroit de l’amputation, moins invasive que celle qui consiste à relocaliser ces dernières, est en cours d’essai.
Une autre technique consiste à greffer des muscles opposés autour du nerf, de façon à ce que lorsque l’un se contracte, envo-yant un message à la prothèse, l’autre s’étire, envoyant un signal au cerveau. En prime, les muscles émettent des signaux électriques proportionnels à la stimulation, ce qui se traduit par des sensations plus intenses selon à la position, la vitesse et la force, et par une plus grande précision des mouvements pour l’amputé.
« L’extraction des signaux est l’autre défi majeur », nous dit la Dre Hebert. On utilise actuellement des électrodes cutanées, mais à l’horizon de la recherche se profilent des électrodes pouvant être implantées autour des nerfs, dans les muscles, ou même dans le cerveau.
Les recherches enrichissent les fonctions des bras et des mains prothétiques, et peut-être arrivera-t-on un jour à créer des mains articulées ou chaque doigt peut bouger individuellement, à des poignets plus souples et à l’intégration véritable de la rétroaction sensorielle.
Des chercheurs au Royaume-Uni sont en train d’intégrer la visionique aux prothèses de main. Lorsque la main prothétique se rapproche d’un objet, une caméra montée sur le poignet envoie des informations à un ordinateur qui évalue la meilleure façon de le saisir, puis il prépare la main en conséquence.
Des techniques d’insertion de greffons osseux auxquels des membres artificiels permanents pourraient être attachés sont à l’étude dans l’espoir d’obtenir une communication supérieure entre les muscles, les tendons et le système nerveux pour aider les amputés à situer leur membre artificiel dans l’espace. De nombreux défis restent à relever, comme la régénérescence des os et de la peau dans le matériau de l’implant et l’étanchéité du point de contact entre la peau et la partie saillante de l’implant, ce qui est crucial pour prévenir les infections.
Des chercheurs aux États-Unis tentent de développer une peau artificielle pour les prothèses afin d’améliorer la sensation tactile et de communiquer diverses sensations au cerveau. Cette technologie améliorerait le sens du toucher chez l’amputé, et pourrait servir à la création de capteurs portatifs qui détecteraient des choses comme la pression artérielle ou le rythme cardiaque.
M. Hayes-Richards est un bénévole enthousiaste. « Je me suis senti chanceux tout le long. Chanceux d’avoir l’opération [TMR], chanceux d’avoir pu aller à Chicago pour apprendre comment faire fonctionner le bras. Et puis je me suis mis à penser, eh bien, ce n’est pas vraiment de moi qu’il s’agit. Il s’agit de tous les gens qui auront le même problème à l’avenir et qui pourront obtenir un bras tout de suite et l’utiliser dès le début. »
Il y a dix ans, les anciens combattants amputés ne pouvaient que rêver à des prothèses aussi performantes que celles qui existent aujourd’hui. Pour atteindre le résultat imaginé par La Guerre des étoiles, il va falloir poursuivre des idées dont on n’a pas encore rêvé.
Comments are closed.