Kai Pruyn ajuste l’exosquelette sur un participant à l’étude. Crédit : Dan Hixson, Price College of Engineering.
L’hémiplégie, une affection caractérisée par des troubles moteurs, une faiblesse musculaire et une spasticité affectant un côté du corps, est l’une des principales causes d’invalidité aux États-Unis. Touchant 80 % des personnes ayant survécu à un AVC, la réduction de la mobilité et la diminution de la qualité de vie constituent des difficultés qui affectent des millions de personnes.
La marche peut paraître une activité simple, mais elle repose sur une biomécanique complexe. Même une légère perte de force d’un côté du corps a un impact considérable, car les muscles de l’autre côté se contractent pour compenser. De ce fait, les personnes hémiplégiques dépensent 60 % d’énergie en plus en marchant que celles qui ont une démarche normale. Cela se traduit par une vitesse de marche réduite, une endurance diminuée, des douleurs plus intenses et un risque accru de chutes.
Des chercheurs de la faculté d’ingénierie John et Marcia Price de l’Université de l’Utah testent actuellement un dispositif capable de rétablir l’équilibre. Dans le cadre d’une étude menée en collaboration avec la faculté des sciences de la santé, l’équipe a démontré que leur exosquelette de hanche portable et léger peut réduire de près de 20 % l’énergie nécessaire à la marche chez les personnes hémiplégiques suite à un AVC. Les résultats sont publiés dans la revue Nature Communications .
Crédit : Université de l’Utah
Ce dispositif de 2,5 kg se porte autour des hanches et se fixe aux cuisses. Des moteurs à batterie assistent le mouvement des jambes à chaque pas, pour une démarche plus efficace. Le niveau d’assistance est personnalisé pour chaque utilisateur et un système de contrôle intelligent se synchronise en temps réel, fournissant un soutien précis au moment où la hanche doit se soulever ou prendre appui.
« Améliorer la qualité de vie après un AVC est l’un des plus grands défis non relevés en matière de soins de santé aujourd’hui », a déclaré Tommaso Lenzi, professeur agrégé au département de génie mécanique et auteur principal de l’étude. « Nous démontrons à présent que la robotique peut avoir un impact mesurable dans ce domaine. »
D’autres types d’exosquelettes motorisés ont été explorés lors de précédentes tentatives de résolution de ce problème. Ayant identifié le pied tombant et la propulsion altérée de la cheville comme des facteurs clés de ce problème, ces prototypes ont été conçus pour améliorer la mobilité de la cheville.
« Les exosquelettes portables pour la cheville n’ont pas permis de réduire l’énergie nécessaire aux patients victimes d’un AVC pour marcher, nous avons donc proposé une approche différente », explique Kai Pruyn, auteur principal de l’étude et doctorant au laboratoire HGN de Lenzi, spécialisé en ingénierie bionique. « Les patients souffrant de faiblesse de la cheville compensent souvent avec leurs articulations de la hanche, ce qui exige davantage d’énergie. »
« Notre objectif était de développer un exosquelette de hanche puissant et entièrement portable. Les exosquelettes de hanche peuvent également être extrêmement légers car ils sont portés plus près du centre de gravité de l’utilisateur et nécessitent un couple moindre que les exosquelettes de cheville. Nous avons constaté que l’assistance de la hanche compensait efficacement la propulsion réduite de la cheville. »
Le laboratoire de Lenzi est spécialisé dans la robotique portable et avait déjà fait les gros titres avec la jambe bionique de l’Utah, nommée parmi les meilleures inventions de 2023 par le magazine Time.
D’autres groupes de recherche ont également expérimenté des exosquelettes de hanche, montrant généralement qu’ils pouvaient améliorer l’efficacité de la marche chez les populations saines, mais le groupe de Lenzi est le premier à démontrer leur efficacité chez les patients atteints d’hémiplégie.
L’étude a utilisé des techniques de capture de mouvement précises pour analyser la démarche de sept patients hémiplégiques marchant sur un tapis roulant instrumenté, avec et sans exosquelette. Les participants portaient également un dispositif permettant d’estimer leur dépense calorique. À partir de ces données, les chercheurs ont calculé le coût métabolique de la marche dans les deux conditions.
Les résultats ont été substantiels : l’utilisation de l’exosquelette a permis de réduire de près de 30 % le travail des articulations de la hanche, ce qui s’est traduit par une diminution de 18 % du coût métabolique global de la marche.
« Pour une personne ayant une démarche normale, ce serait comme se débarrasser d’un sac à dos de 15 kilos », explique Bo Foreman, co-auteur de l’étude et professeur de physiothérapie et d’entraînement sportif. « Pour une personne hémiplégique, c’est une différence qui change sa vie. »
Les participants à l’étude ont fait état d’améliorations significatives de leur mobilité. « Au début, je ne pouvais pas bouger ma jambe », a déclaré Lidia, une participante ayant survécu à un AVC. « Mais grâce à ce dispositif, c’est beaucoup mieux maintenant. »
« D’une certaine manière, l’exosquelette effectuait certains de ces mouvements à sa place », a ajouté Marcellus, son mari. « Plus nous l’utilisions, mieux elle se portait lorsqu’elle ne l’utilisait pas. »
Les prochaines étapes pour l’équipe de recherche consistent à garantir la sécurité et l’efficacité de l’exosquelette de hanche à domicile et dans la vie quotidienne. Cela nécessitera des améliorations au niveau de la mécanique et des commandes du dispositif afin de permettre des activités autres que la marche. Le laboratoire collabore avec des experts en prothèses et orthèses pour transformer cette technologie en un produit accessible à tous.
« Notre objectif est de faire en sorte qu’un AVC ne définisse pas les limites de ce qu’une personne peut faire ou de la façon dont elle peut vivre », a déclaré Lenzi.
