Todd Kuiken : un bras prothétique qui "ressent"

Aujourd'hui, je voudrais vous parler de bionique, le terme populaire pour la science qui remplace une partie d'un organisme vivant par un appareil mécatronique, ou un robot. C'est essentiellement la rencontre de la matière vivante et de la machine. Je voudrais vous parler spécifiquement de l'évolution de la bionique pour les personnes amputées d'un bras.

C'est ce qui nous motive. L'amputation du bras provoque un handicap énorme. Le handicap fonctionnel est clair. Nos mains sont des instruments étonnants. Quand on en perd une, ou pire encore deux, il est beaucoup plus difficile de faire les choses que nous avons besoin de faire physiquement. Il y a aussi un énorme impact émotionnel. Je passe autant de temps en consultation à gérer l'ajustement émotionnel des patients que leur handicap physique. Finalement, il y a un impact social profond. Nous parlons avec nos mains. Nous saluons avec nos mains. Et nous interagissons avec le monde physique avec nos mains. Quand on ne les a plus, c'est une barrière. L'amputation du bras est en général provoquée par un traumatisme, avec des choses comme des accidents du travail, des collisions de véhicules à moteurs ou, c'est très poignant, la guerre. Il y a aussi des enfants nés sans bras, ce qu'on appelle déficience congénitale au niveau des membres.

Malheureusement, nous ne sommes pas forts pour ce qui est de la prothétique des membres supérieurs. Il y a deux grands types. On les appelle les prothèses classiques, qui ont été inventées juste après la guerre de sécession, affinées lors des deux guerres mondiales. Vous voyez ici un brevet pour un bras en 1912. La prothèse n'est pas très différente de celle que vous voyez sur mon patient. Elles fonctionnent en s'appuyant sur la puissance de l'épaule. Donc quand vous bougez un peu vos épaules, elle tirent sur un câble de vélo. Ce câble de vélo peut ouvrir ou fermer une main ou un crochet ou plier un coude. Nous les employons encore couramment, parce que ce sont des appareils très solides et relativement simples.

Le dernier cri est ce qu'on appelle les prothèses myoélectriques. Ce sont des appareils motorisés qui sont contrôlés par de petits signaux électriques envoyés par votre muscle. Chaque fois que vous contractez un muscle, il émet un peu d'électricité qu'on peut enregistrer avec des antennes ou des électrodes et qu'on peut utiliser pour faire fonctionner la prothèse motorisée. Ils fonctionnent assez bien pour les gens qui viennent juste de perdre leur main, parce que les muscles de la main sont toujours là. Vous serrez la main, ces muscles se contractent. Vous l'ouvrez, ces muscles se contractent. C'est donc intuitif, et ça fonctionne assez bien.

Qu'en est-il de niveaux d'amputation plus élevés? Vous avez perdu un bras juste au-dessus du coude. il vous manque non seulement ces muscles, mais aussi la main et le coude. Que faites-vous? Nos patients doivent utiliser des systèmes très codifiés pour n'employer que les muscles des bras pour faire fonctionner les membres robotisés. Nous avons des membres robotisés. Il y en a plusieurs sur le marché, et vous en voyez quelques-uns ici. Ils comportent simplement une main qui s'ouvre et se ferme, un poignet qui tourne et un coude. Il n'y a pas d'autres fonctions. Si c'était le cas, comment leur dirions-nous quoi faire?

Nous avons construit notre propre bras à l'Institut de Rééducation de Chicago (RIC) et nous avons ajouté la flexion du poignet et des articulations d'épaule pour monter à 6 moteurs, ou 6 degrés de liberté. Nous avons eu l'occasion de travailler avec des bras très avancés qui étaient financés par l'armée des Etats-Unis, en utilisant ces prototypes, qui avaient jusqu'à 10 degrés différentes de liberté y compris des mains mobiles. Mais en fin de compte, comment dire à ces bras robotisés ce qu'ils doivent faire? Comment les contrôlons-nous? Il nous faut une interface neutre, un moyen d'établir la connexion avec notre système nerveux ou nos processus de pensée pour que ce soit intuitif, naturel, comme pour vous et moi.

Le corps fonctionne en lançant une commande motrice dans votre cerveau, qui descend le long de votre moelle épinière, jusqu'aux nerfs et à votre périphérie. Ce que vous ressentez est exactement le contraire. Vous vous touchez, il y a un stimulus qui remonte le long de ces mêmes nerfs jusqu'au cerveau. Quand vous perdez un bras, ce système nerveux fonctionne toujours. Ces nerfs peuvent émettre des signaux de commande. Si je sollicite la terminaison nerveuse d'un vétéran de la deuxième guerre mondiale, il sentira toujours sa main manquante. Alors vous pourriez dire, allons au cerveau et mettons quelque chose dans le cerveau pour enregistrer ces signaux, ou au bout des nerfs périphériques et enregistrons-les là. Ce sont des domaines de recherches très excitants, mais c'est vraiment très difficile. Vous devez mettre des centaines de câbles microscopiques pour enregistrer depuis de minuscules neurones individuels, des fibres ordinaires qui émettent de minuscules signaux, des microvolts. C'est tout bonnement trop difficile à employer pour mes patients aujourd'hui.

Alors nous avons développé une approche différente. Nous utilisons un amplificateur biologique pour amplifier ces signaux nerveux, les muscles. Les muscles vont amplifier les signaux nerveux environ un millier de fois, pour que nous puissions les enregistrer par dessus la peau, comme vous l'avez vu plus tôt. Notre approche est donc ce que nous appelons la réinnervation sélective. Imaginez, avec quelqu'un qui a perdu tout son bras, nous avons encore quatre nerfs principaux qui descendent le long du bras. Nous enlevons le nerf du muscle de votre poitrine et laissons ces nerfs y pousser. Vous pensez, "Fermer la main", et une petite section de votre poitrine se contracte. Vous pensez, "Plier le coude", une section différente se contracte. Nous pouvons utiliser des électrodes ou des antennes pour capter ça et dire au bras de bouger. Voilà l'idée.

Alors voici le premier homme sur qui nous l'avons essayé. Il s'appelle Jesse Sullivan. C'est un saint, un poseur de lignes électriques de 54 ans qui a touché le mauvais câble et a eu les deux bras tellement brûlés qu'il a fallu l'amputer au niveau de l'épaule. Jesse est venu au RIC pour se faire poser ces appareils dernier cri et vous les voyez ici. J'emploie toujours cette vieille technologie avec un câble de vélo sur son côté droit. Il sélectionne l'articulation qu'il veut bouger avec ces interrupteurs au menton. Sur le côté gauche, il a une prothèse motorisée moderne avec ces trois articulations, et il fait fonctionner de petits pavés sur son épaule qu'il touche pour faire bouger le bras. Jesse est un bon opérateur de grue, et il s'en est bien sorti selon nos critères.

Il lui fallait une opération chirurgicale de révision sur sa poitrine. Cela nous a donné la possibilité de faire une réinnervation ciblée. Mon collègue, le docteur Greg Dumanian a pratiqué l'opération D'abord, nous avons coupé le nerf de son propre muscle, puis nous avons pris les nerfs des bras et les avons en quelque sorte basculés sur sa poitrine et nous l'avons refermé. Au bout de trois mois environ, les nerfs ont poussé un petit peu et nous avons pu obtenir un petit soubresaut. Au bout de 6 mois, les nerfs poussaient bien, et on pouvait voir de fortes contractions. Voilà à quoi ça ressemble. Voilà ce qui se passe quand Jesse pense à ouvrir et fermer sa main, ou à plier ou étendre son coude. Vous pouvez voir les mouvements sur sa poitrine, et ces petites marques se trouvent là où nous avons implanté nos antennes, nos électrodes. Je mets quiconque dans cette salle au défi de faire faire ça à sa poitrine. Son cerveau pense à son bras. Il n'a pas appris comment faire ça avec la poitrine. Il n'y a pas de processus d'apprentissage. C'est pour ça que c'est intuitif.

Voici donc Jesse lors de notre premier petit test. A gauche, vous voyez sa prothèse originale, et il utilise ces interrupteurs pour déplacer de petits blocs d'une boite à l'autre. Il a ce bras depuis 20 mois environ, donc il y arrive assez bien. A droite, deux mois après qu'on lui ai posé sa prothèse à réinnervation ciblée, qui d'ailleurs est le même bras physique, juste programmé un peu différemment, vous pouvez voir qu'il est beaucoup plus rapide et bien plus souple quand il déplace ces petits blocs. Nous sommes seulement capables d'utiliser trois des signaux à la fois.

Puis nous avons eu une de ces petites surprises comme la science en réserve. Nous sommes tous motivés pour obtenir des commandes motrices pour piloter des bras robotisés. Après quelques mois, vous touchez Jesse sur la poitrine, et il sentait sa main manquante. La sensation de sa main a de nouveau grandi dans sa poitrine probablement parce que nous avions aussi enlevé beaucoup de graisse, alors la peau était directement sur le muscle et nous avions désinervé, si vous voulez, sa peau. Alors vous touchez Jesse ici, il sent son pouce ; vous touchez ici, il sent son petit doigt. Il sent un toucher léger jusqu'à un gramme force. Il ressent le chaud, le froid, ce qui est pointu ou émoussé, tout dans sa main manquante, ou à la fois dans sa main et sa poitrine, mais il peut réagir à l'une ou l'autre. C'est vraiment excitant pour nous, parce que maintenant nous avons un portail, un portail ou une façon de rendre potentiellement la sensation, pour qu'il puisse ressentir ce qu'il touche avec sa main prothétique. Imaginez les capteurs dans la main qui montent et pressent sur la nouvelle peau de sa main. Alors c'était très excitant.

Nous l'avons aussi fait avec ce qui était initialement notre population d'origine avec des amputations au dessus du coude. Ici nous dénervons, ou nous coupons le nerf, seulement de petits segments de muscle et en laisser d'autres qui nous donnent des signaux alternatifs et deux autres qui nous donneront un signal de main ouverte et fermée. C'était un de nos premiers patients, Chris. Vous le voyez avec son appareillage d'origine à gauche là après 8 mois d'utilisation, et à droite, c'est deux mois. Il est environ 4 ou 5 fois plus vite avec cette simple petite mesure de performance.

Bon. Une des meilleures parties de mon travail est de travailler avec ces patients vraiment géniaux qui sont aussi nos collaborateurs de recherche. Nous avons de la chance aujourd'hui qu'Amanda Kitts qui vienne se joindre à nous. merci d'accueillir Amanda Kitts.

(Applaudissements)

Alors Amanda, voulez-vous nous dire comment vous avez perdu votre bras?

Amanda Kitts : Bien sûr. En 2006, j'ai eu un accident de voiture. Je revenais du travail en voiture, et un camion venant en sens opposé, est venu sur ma voie, a roulé sur le toit de ma voiture et son essieu m'a arraché le bras.

Todd Kuiken : Bon, alors après votre amputation, vous avez récupéré. Vous avez eu un de ces bras conventionnels. Pouvez-vous nous dire comment ça marchait?

AK : Et bien, c'était un peu difficile, parce que tout ce que j'avais pour travailler, c'était un biceps et un triceps. Alors pour des petits gestes comme ramasser quelque chose, je devrais plier mon coude, et puis il faudrait que je cocontracte pour changer de mode. Quand j'ai fait ça, il me fallait utiliser mon biceps pour fermer la main, utiliser mon triceps pour l'ouvrir, cocontracter encore pour faire fonctionner le coude,

TK : C'était donc un peu lent?

AK : Un peu lent, et un peu difficile à faire Il fallait se concentrer beaucoup.

TK : Alors je pense que 9 mois plus tard après votre opération de réinervation ciblée, il a fallu encore 6 mois pour que toute la réinervation soit faite. Ensuite nous l'avons équipée d'une prothèse. Comment ça a marché pour vous?

AK : Bien. J'ai pu me servi de mon coude et de ma main simultanément. J'ai pu les faire fonctionner par mes seules pensées. Pas besoin de cocontraction ni de tout ça.

TK : Un peu plus vite?

AK : Un peu plus vite. et bien plus facile, plus naturel.

TK : C'était mon but. Pendant 20 ans mon but a été de permettre à quelqu'un d'utiliser son coude est sa main de façon intuitive et en même temps. Nous avons maintenant plus de 50 patients dans le monde qui ont subi cette opération, dont plus d'une douzaine de nos soldats blessés de l'armée des Etats-Unis. Le taux de réussite des transferts de nerfs est très élevé. 96%. Parce que nous mettons un bon gros nerfs sur un petit bout de muscle. Et ça donne un contrôle intuitif. Nos test fonctionnels, ces petits tests, montrent tous qu'ils sont bien plus rapides et plus faciles. Le plus important est que nos patients l'apprécient.

Tout ça est donc très excitant. Mais nous voulons faire mieux. Il y a beaucoup d'informations dans ces signaux nerveux, et nous voulions en avoir plus. Vous pouvez bouger chaque doigt. Vous pouvez bouger votre pouce, votre poignet. Pouvons-nous en tirer plus? Alors nous avons fait des expériences au cours desquelles nous avons saturé nos pauvres patients d'électrodes et puis nous leur avons demandé de tenter d'accomplir deux douzaines de taches ; de tortiller un doigt jusqu'à bouger tout un bras pour atteindre quelque chose, et nous avons enregistré ces données. Et puis nous avons utilisé des algorithmes qui ressemblent beaucoup aux algorithmes de reconnaissance vocale. et que l'on appelle reconnaissance de modèles. Voyez.

(Rires)

Ici vous voyez, sur la poitrine de Jesse, quand il essaye de faire trois choses différentes, vous pouvez voir trois modèles différents. Mais je ne peux pas implanter une électrode et dire "Va là." Nous avons donc collaboré avec nos collègues de l’Université du New Brunswick, et nous avons trouvé cet algorithme de contrôle dont Amanda fait à présent la démonstration.

AK : Mon coude monte et descend. J'ai la rotation du poignet et elle est complète. J'ai la flexion et l'extension du poignet. Je ferme et j'ouvre la main.

TK : Merci Amanda. Ce bras est un prototype, mais il est constitué de composants du commerce local et de quelques autres que j'ai empruntés dans le monde entier. Il pèse environ 3,5 kg, probablement ce que pèserait mon bras si je le perdais là tout de suite. Il est évident que c'est lourd pour Amanda. En fait il semble encore plus lourd, parce qu'il n'est pas collé au corps de la même façon. Elle porte tout le poids par le biais de harnais.

Le côté enthousiasmant n'est pas tant la mécatronique, mais le contrôle. Nous avons développé un petit microordinateur qui clignote quelque part derrière son dos et qui opère ce bras en fonction de la façon dont elle l'entraine à utiliser ses signaux musculaires individuels. Amanda, quand vous avez commencé à vous servir de ce bras, combien de temps ça vous a pris?

AK : Probablement 3 ou 4 heures pour l'entrainer. J'ai dû le connecter à un ordinateur, je ne pouvais donc pas l'entrainer n'importe où. Alors s'il arrêtait de fonctionner, je devais l'enlever. Maintenant il est capable de s'entrainer rien qu'avec ce petit équipement sur le dos. Je peux le porter partout. SI pour une raison ou une autre il arrête de fonctionner, je peux le ré-entrainer. Ça prend environ une minute.

TK : Nous sommes donc très enthousiastes, parce que nous arrivons maintenant à un appareil clinique pratique Et c'est là notre but -- avoir une chose qui soit pratique à porter cliniquement. Nous avons aussi donné à Amanda la possibilité d'utiliser certains de nos bras plus avancés que je vous ai montré précédemment. Amanda utilise ici un bras fabriqué par DEKA Research Corporation. Je crois que Dean Kamen l'a présenté à TED il y a quelques années. Vous voyez qu'Amanda le contrôle vraiment bien. Il s'agit de reconnaissance de modèle. Il a désormais une main qui peut saisir avec des pressions différentes. Ce que nous faisons, c'est faire ouvrir complètement la main au patient puis qu'il pense, "Quel modèle de saisie est-ce que je veux?" Il passe dans ce mode, et ensuite vous pouvez avoir 5 ou 6 saisies différentes avec cette main. Amanda, combien avez-vous pu en faire avec le bras DEKA?

AK, j'ai pu en avoir 4. La saisie clé, la saisie rapide, la saisie ferme et la pincée fine. Mais ma préférée c'était quand la main était simplement ouverte, parce que je travaille avec des enfants, et on frappe des mains et on chante tout le temps, et donc j'ai pu faire ça de nouveau, et c'était vraiment bien.

TK : Cette main n'est pas terrible pour applaudir.

AK : Je ne peux pas applaudir avec celle-là.

TK : Bon. Cela laisse bien augurer de vers quoi nous pouvons aller avec une meilleure mécatronique, si nous les réussissons assez bien pour les mettre sur le marché et faire un essai de terrain. Je veux que vous regardiez attentivement.

(Vidéo) Claudia : Oooooh!

TK : Voici Claudia, et c'était la première fois qu'elle avait une sensation de toucher avec sa prothèse. Elle avait un petit capteur au bout de sa prothèse qu'elle frottait sur différentes surfaces et elle pouvait ressentir différentes textures de papier de verre à différentes tailles de grain, de câbles lorsque ça appuyait sur la peau de sa main réinervée. Elle a dit que quand elle le faisait glisser en travers de la table, elle avait l'impression que son doigt se balançait. C'est donc une expérience de laboratoire enthousiasmante sur la manière de rendre potentiellement une certaine sensation cutanée.

Mais voici une autre vidéo qui montre certains de nos problèmes. Voici Jesse. Il presse un jouet en mousse. Plus il presse fermement - vous voyez le petit truc noir au milieu qui pousse contre sa peau proportionnellement à la pression qu'il exerce. Mais regardez toutes les électrodes autour. J'ai un problème d'encombrement. On est censé mettre un tas de ces trucs à cet endroit, mais notre petit moteur fait toutes sortes de bruits juste à côté de mes électrodes. Nous avons donc ici un défi à relever.

Le futur est souriant. Nous sommes enthousiastes d'en être où nous en sommes, et de ce que nous voulons faire. Par exemple, nous voulons entre autre nous débarrasser de mon problème d'encombrement et obtenir de meilleurs signaux. Nous voulons développer ces capsules minuscules d'environ la taille d'un grain de risotto pour pouvoir les implanter dans les muscles et télémétrer les signaux EMG, pour ne pas avoir à se préoccuper de contact d'électrode. Nous pouvons libérer de la place pour avoir plus de retour de sensation. Nous voulons construire un bras meilleur. Ce bras - ils sont toujours fabriqués pour ce 50ème centile masculin - ce qui signifie qu'ils sont trop gros pour les personnes d'1m70 de ce monde. Alors plutôt qu'un bras super fort ou super rapide, nous faisons un bras qui est, nous n'en sommes qu'au début, le 25ème centile femelle - qui aura une main qui enveloppe, qui s'ouvre complètement, deux degrés de liberté dans le poignet et le coude. Ce sera donc le bras le plus petit et le plus léger et le plus intelligent jamais réalisé. Une fois qu'on pourra le faire aussi petit, ce sera plus facile de les faire plus gros.

Voilà donc quelques-uns de nos objectifs. Nous apprécions vraiment que vous soyez tous là aujourd'hui. J'aimerais vous parler un peu du côté obscur, avec le thème d'hier. Amada souffre du décalage horaire, elle se sert de son bras, µ Il y a un bug dans l'ordinateur, un câble est cassé, un convertisseur qui fait des étincelles. Nous avons sorti tout le circuit à l'hôtel et presque déclenché l'alarme incendie. Nous n'aurions pu faire face à aucun de ces problèmes, sauf que nous avons une équipe de recherches particulièrement brillante. Dieu merci, le Docteur Annie Simon était avec nous et a vraiment travaillé dur hier pour tout réparer. C'est ça la science. Et heureusement, ça a marché aujourd'hui.

Merci beaucoup.

(Applaudissements)