Prothèses contrôlées par microprocesseur

Les prothèses contrôlées par microprocesseur sont des membres artificiels dont le comportement est régulé en temps réel par un ordinateur embarqué. Des capteurs mesurent en continu la charge, l'angle articulaire et le mouvement ; le microprocesseur interprète ce flux de données et ajuste la résistance du membre ou, dans les conceptions motorisées, sa puissance de sortie pour s'adapter à l'activité de l'utilisateur. Cette catégorie s'étend des genoux contrôlés par microprocesseur qui modulent l'amortissement tout au long du cycle de marche, aux chevilles et genoux motorisés qui ajoutent de l'énergie nette, jusqu'aux systèmes pour membres supérieurs contrôlés par des signaux provenant des propres muscles et nerfs de l'utilisateur.

Definition

Une prothèse contrôlée par microprocesseur est un membre artificiel dans lequel un processeur embarqué utilise des données de capteurs en temps réel pour moduler la résistance ou la puissance de sortie actionnée du dispositif, adaptant ainsi le comportement articulaire au mouvement et à l'activité de l'utilisateur.

Scope

Ce sujet couvre les principes, les types de dispositifs et les entrées de commande des membres prothétiques informatisés — genoux et chevilles à microprocesseur pour le membre inférieur et systèmes myoélectriques pour le membre supérieur — ainsi que les preuves les concernant. Il exclut les exosquelettes corporels complets et les orthèses, traités dans des sujets connexes. Il a une visée éducative et de référence et ne fournit pas de conseils sur la sélection, l'ajustement ou le financement d'une prothèse.

Core questions

• Que contrôle le microprocesseur et à partir de quelles entrées de capteurs ?
• En quoi les conceptions passives (modulant l'amortissement) et motorisées (ajoutant de l'énergie) diffèrent-elles ?
• Comment les prothèses de membre supérieur sont-elles commandées à partir des signaux musculaires et nerveux ?
• Quels résultats ont été associés aux membres contrôlés par microprocesseur ?

Key concepts

• Genou contrôlé par microprocesseur (MPK)
• Amortissement variable versus actionnement motorisé
• Détection de la phase de marche et des trébuchements
• Contrôle myoélectrique (EMG)
• Réinnervation musculaire ciblée
• Contrôle à états finis et basé sur l'intention
• Stabilité en phase d'appui et contrôle en phase d'oscillation

Mechanisms

Dans un genou contrôlé par microprocesseur, des capteurs suivent l'angle du genou et la charge traversant le membre ; le processeur identifie la phase de la marche et ajuste en continu la résistance de l'articulation — la rigidifiant pour soutenir la phase d'appui et la relâchant pour permettre la phase d'oscillation — de sorte que le membre s'adapte à la vitesse de marche, au terrain et aux trébuchements. Les prothèses motorisées vont plus loin en ajoutant de l'énergie nette au niveau de l'articulation, et leurs contrôleurs utilisent des schémas à états finis ou basés sur l'intention, structurés de manière similaire à d'autres dispositifs actifs [tucker-2015]. Les prothèses myoélectriques pour membres supérieurs décodent l'activité électrique des muscles résiduels pour actionner les moteurs de la main et du bras ; la réinnervation musculaire ciblée chirurgicale redirige les nerfs amputés vers des muscles épargnés afin de créer des signaux de commande plus riches et plus intuitifs [kuiken-2009], et des signaux de transfert nerveux ont également été décodés pour contrôler une jambe motorisée [hargrove-2013].

Clinical relevance

Les membres contrôlés par microprocesseur sont étudiés pour leurs effets sur la stabilité, les chutes, la marche sur des terrains variés et l'intuitivité du contrôle. Une revue systématique des genoux contrôlés par microprocesseur chez les personnes ayant subi une amputation transfémorale a rapporté des associations avec des mesures telles que le risque de trébuchement et de chute, ainsi que certains résultats liés à la marche et à l'activité [sawers-2013]. Cette entrée résume le fonctionnement de ces dispositifs et ce qui a été étudié ; elle ne constitue pas une base pour la prescription d'une prothèse spécifique, laquelle dépend d'une évaluation individuelle et de nombreux facteurs propres à la personne.

Evidence & guidelines

La synthèse la plus solide est une revue systématique des genoux contrôlés par microprocesseur, qui a trouvé des associations avec une réduction des trébuchements et des chutes et certains bénéfices fonctionnels, tout en notant l'hétérogénéité et les limites méthodologiques des études sous-jacentes [sawers-2013]. Les méthodes de contrôle sont résumées dans des revues d'ingénierie [tucker-2015], et les démonstrations de contrôle neural restent des études de petite envergure et spécialisées [kuiken-2009][hargrove-2013]. Les critères de couverture et de prescription diffèrent selon les systèmes de santé, il convient donc de consulter directement les directives actuelles des payeurs et les recommandations cliniques.

History

La régulation par microprocesseur est entrée dans le domaine des prothèses dans les années 1990 avec des genoux informatisés qui variaient l'amortissement hydraulique ou magnétorhéologique tout au long du cycle de marche. Au cours des années 2000 et 2010, des chevilles et genoux motorisés ajoutant de l'énergie sont apparus, parallèlement aux avancées dans le contrôle myoélectrique des membres supérieurs. La réinnervation musculaire ciblée a étendu le contrôle myoélectrique intuitif des bras multifonctionnels [kuiken-2009], et les mêmes idées de décodage de signaux ont ensuite été appliquées au contrôle des membres inférieurs motorisés [hargrove-2013].

Debates

Les genoux contrôlés par microprocesseur justifient-ils leur coût par rapport aux genoux non microprocesseurs ?

Les preuves issues des revues systématiques suggèrent des bénéfices tels qu'une réduction des trébuchements et des chutes pour certains utilisateurs, mais la qualité des études est mitigée et les bénéfices varient selon le niveau d'activité, de sorte que la rentabilité et l'éligibilité restent débattues.

Dans quelle mesure le contrôle neural et myoélectrique est-il fiable et intuitif ?

La réinnervation ciblée et le décodage avancé améliorent l'intuitivité et le nombre de commandes disponibles, mais la robustesse dans les conditions quotidiennes et la nécessité d'une intervention chirurgicale et d'un entraînement maintiennent ces approches sous investigation active.

Seminal works

• sawers-2013
• kuiken-2009
• hargrove-2013

Frequently asked questions

Que contrôle réellement le microprocesseur dans un genou prothétique ?

Il lit les capteurs d'angle articulaire et de charge, déduit la phase de la marche et ajuste en continu la résistance du genou afin que le membre soutienne l'utilisateur pendant la phase d'appui et oscille librement pendant la phase d'oscillation, s'adaptant à la vitesse, aux pentes et aux trébuchements.

Quelle est la différence entre une prothèse motorisée et un genou contrôlé par microprocesseur ?

Un genou contrôlé par microprocesseur module principalement la résistance — il contrôle la manière dont l'articulation cède — sans ajouter d'énergie nette. Une prothèse motorisée contient un moteur qui ajoute activement de l'énergie au niveau de l'articulation, par exemple pour aider à se lever ou à monter.