Un genou bionique intégré aux tissus peut restaurer le mouvement naturel

Dans une petite étude clinique, les utilisateurs de cette prothèse se déplaçaient plus facilement et ont déclaré que le membre ressemblait davantage à une partie de leur corps.

Un sujet porteur d'une prothèse mécano-neurale ostéo-intégrée surmonte un obstacle placé sur son parcours en fléchissant et en étendant volontairement son genou fantôme. Les signaux de contrôle des muscles résiduels du genou sont utilisés pour produire le mouvement de la prothèse motorisée reproduisant le genou fantôme. Crédit : Avec l'aimable autorisation des chercheurs

Des chercheurs du MIT ont développé un nouveau genou bionique qui peut aider les personnes amputées au-dessus du genou à marcher plus vite, à monter les escaliers et à éviter les obstacles plus facilement qu'avec une prothèse traditionnelle.

Contrairement aux prothèses où le membre résiduel est logé dans une emboîture, le nouveau système est directement intégré aux tissus musculaires et osseux de l'utilisateur. Cela permet une plus grande stabilité et un meilleur contrôle des mouvements de la prothèse.

Les participants à une petite étude clinique ont également signalé que le membre ressemblait davantage à une partie de leur propre corps, par rapport aux personnes ayant subi des amputations plus traditionnelles au-dessus du genou.

« Une prothèse intégrée aux tissus – ancrée à l'os et directement contrôlée par le système nerveux – n'est pas simplement un dispositif inerte et isolé, mais plutôt un système soigneusement intégré à la physiologie humaine, offrant un niveau supérieur d'incarnation prothétique. Ce n'est pas simplement un outil que l'être humain utilise, mais plutôt une partie intégrante de lui-même », explique Hugh Herr, professeur d'arts et de sciences médiatiques, codirecteur du K. Lisa Yang Center for Bionics au MIT, membre associé du McGovern Institute for Brain Research du MIT et auteur principal de la nouvelle étude.

Tony Shu, PhD '24, est l'auteur principal de l' article , qui paraît aujourd'hui dans Science .

Un meilleur contrôle

Au cours des dernières années, le laboratoire de Herr a travaillé sur de nouvelles prothèses capables d'extraire des informations neuronales des muscles laissés après une amputation et d'utiliser ces informations pour aider à guider un membre prothétique.

Lors d'une amputation traditionnelle, des paires de muscles qui s'étirent et se contractent à tour de rôle sont généralement sectionnées, perturbant ainsi la relation agoniste-antagoniste normale des muscles. Cette perturbation rend très difficile pour le système nerveux de détecter la position d'un muscle et sa vitesse de contraction.

Grâce à la nouvelle approche chirurgicale développée par Herr et ses collègues, appelée interface myoneuronale agoniste-antagoniste (AMI), les paires de muscles sont reconnectées pendant l'intervention afin qu'elles continuent de communiquer dynamiquement entre elles au sein du membre résiduel. Ce retour sensoriel aide le porteur de la prothèse à décider comment bouger son membre et génère également des signaux électriques permettant de contrôler la prothèse.

Dans une  étude de 2024 , les chercheurs ont montré que les personnes amputées sous le genou qui ont subi une chirurgie AMI étaient capables de marcher plus vite et de contourner les obstacles beaucoup plus naturellement que les personnes amputées traditionnellement sous le genou.

Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont étendu leur approche afin de mieux accompagner les personnes amputées au-dessus du genou. Ils souhaitaient créer un système capable non seulement de lire les signaux musculaires grâce à l'AMI, mais aussi d'être intégré à l'os, offrant ainsi une plus grande stabilité et un meilleur retour sensoriel.

Pour y parvenir, les chercheurs ont mis au point une procédure permettant d'insérer une tige en titane dans l'os résiduel du fémur, au niveau du site d'amputation. Cet implant offre un meilleur contrôle mécanique et une meilleure capacité de charge qu'une prothèse traditionnelle. De plus, il contient 16 fils qui collectent des informations à partir d'électrodes situées sur les muscles AMI, ce qui permet une transduction plus précise des signaux provenant des muscles.

Ce système intégré à l'os, appelé e-OPRA, transmet les signaux AMI à un nouveau contrôleur robotique développé spécifiquement pour cette étude. Ce contrôleur utilise ces informations pour calculer le couple nécessaire au déplacement de la prothèse selon les souhaits de l'utilisateur.

« Tous les composants fonctionnent ensemble pour optimiser l'entrée et la sortie des informations dans le corps et assurer une meilleure interface mécanique avec l'appareil », explique Shu. « Nous sollicitons directement le squelette, la partie du corps censée être sollicitée, au lieu d'utiliser des emboîtures, ce qui est inconfortable et peut entraîner de fréquentes infections cutanées. »

Dans cette étude, deux sujets ont reçu le système combiné AMI et e-OPRA, appelé prothèse mécano-neurale ostéo-intégrée (PMO). Ces patients ont été comparés à huit patients ayant subi une chirurgie AMI sans implant e-OPRA, et à sept patients n'ayant subi ni AMI ni e-OPRA. Tous les patients ont utilisé à tour de rôle une prothèse de genou motorisée expérimentale développée par le laboratoire.

Les chercheurs ont mesuré la capacité des participants à effectuer plusieurs types de tâches, notamment plier le genou à un angle spécifié, monter des escaliers et franchir des obstacles. Dans la plupart de ces tâches, les utilisateurs du système OMP ont obtenu de meilleurs résultats que les sujets ayant subi une intervention chirurgicale pour infarctus aigu du myocarde (AMI) sans implant e-OPRA, et bien meilleurs que les utilisateurs de prothèses traditionnelles.

« Cet article représente la concrétisation d'une vision que la communauté scientifique nourrissait depuis longtemps : la mise en œuvre et la démonstration d'une jambe robotisée entièrement intégrée physiologiquement et contrôlée par la volonté », déclare Michael Goldfarb, professeur de génie mécanique et directeur du Centre de mécatronique intelligente de l'Université Vanderbilt, qui n'a pas participé à la recherche. « C'est un travail extrêmement difficile, et les auteurs méritent d'être félicités pour les efforts qu'ils ont déployés pour atteindre un objectif aussi ambitieux. »

Un sens de l'incarnation

En plus de tester la démarche et d'autres mouvements, les chercheurs ont également posé des questions conçues pour évaluer le sens de l'incarnation des participants, c'est-à-dire dans quelle mesure leur membre prothétique leur donnait l'impression d'être une partie de leur propre corps.

Les questions portaient notamment sur la sensation des patients d'avoir deux jambes, sur l'intégration de la prothèse à leur corps et sur leur sentiment de contrôle de celle-ci. Chaque question visait à évaluer le sentiment d'autonomie, d'appropriation du dispositif et de représentation corporelle des participants.

Les chercheurs ont constaté qu’au fur et à mesure que l’étude avançait, les deux participants atteints du PMO montraient une augmentation beaucoup plus importante de leur sentiment d’autonomie et de propriété que les autres sujets.

« L'importance de cette étude réside également dans le fait qu'elle aborde ces questions d'incarnation et montre des améliorations significatives dans cette sensation d'incarnation », explique Herr. « Quel que soit le niveau de sophistication des systèmes d'IA d'une prothèse robotique, l'utilisateur la percevra toujours comme un outil, comme un dispositif externe. Mais avec cette approche d'intégration tissulaire, lorsqu'on demande à l'utilisateur humain ce qu'est son corps, plus il est intégré, plus il dira que la prothèse fait partie intégrante de lui-même. »

La procédure AMI est désormais pratiquée systématiquement chez les patients amputés sous le genou au Brigham and Women's Hospital, et Herr s'attend à ce qu'elle devienne bientôt la norme pour les amputations au-dessus du genou. Le système OMP combiné nécessitera des essais cliniques à plus grande échelle pour obtenir l'autorisation de la FDA pour une utilisation commerciale, ce qui, selon Herr, pourrait prendre environ cinq ans.

https://news.mit.edu/2025/bionic-knee-integrated-into-tissue-can-restore-natural-movement-0710