Dans une première, un membre prothétique peut détecter la température comme une main vivante | Science

2024-02-09 19:24:05

Fabrizio Fidati, amputé de 57 ans, utilise l’appareil MiniTouch avec sa prothèse pour trier avec précision des cubes de différentes températures. EPFL Caillet

L’espoir des amputés de ressentir la sensation du contact humain grâce à leurs prothèses se rapproche de plus en plus de la réalité. Aujourd’hui, une nouvelle technologie leur permet de ressentir la température, même dans les membres qui ne font plus partie de leur corps.

Pour la première fois, un membre artificiel fonctionnel a été équipé de capteurs du bout des doigts qui permettent à une main prothétique ordinaire de détecter et de réagir à la température, tout comme le fait une main vivante. L’appareil procure une sensation réaliste de chaud et de froid dans la main « fantôme » manquante en transmettant des informations thermiques aux zones nerveuses du membre résiduel de la personne amputée qui, selon le cerveau, sont toujours connectées à la main manquante. Le MiniTouch, décrit dans un étude publiée vendredi dans Aveca été créé avec des composants électroniques disponibles dans le commerce à un prix abordable, ne nécessite aucune intervention chirurgicale et peut être installé sur des mains prothétiques commerciales existantes en quelques heures.

“Grâce à ces nouvelles technologies, je peux mieux comprendre ce que je touche”, explique Fabrizio Fidati, un homme de 57 ans qui a été amputé du bras sous le coude il y a 37 ans et qui a récemment testé l’appareil. “Certes, ma priorité serait de l’utiliser dans une cuisine pour cuisiner !”

La capacité de détecter les températures chaudes et froides constitue une avancée importante pour la fonctionnalité des membres prothétiques, mais c’est aussi bien plus. La température ajoute un élément humain au toucher. Ressentir de la chaleur crée un sentiment d’incarnation plus fort, la conviction qu’une prothèse n’est pas seulement un outil artificiel mais une partie du corps d’une personne.

“Nous avons un collègue qui dit que le toucher sans température est comme une vision sans couleur”, déclare l’auteur principal Solaiman Shokur, neuro-ingénieur à l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. Shokur note que les chercheurs améliorent la capacité des prothèses à ressentir les textures. Ils s’intéressent également à la proprioception, la capacité du cerveau à savoir où se trouve une partie du corps et comment elle bouge. La température, note-t-il, est une troisième sensation importante. “La prochaine étape serait de les assembler tous ensemble, et c’est là que vous aurez tout le palais des sensations”, dit-il.

En mai 2023, les mêmes chercheurs a publié une étude révélant que lorsqu’ils plaçaient des électrodes thermiques sur les bras résiduels des amputés, puis les stimulaient en touchant des objets chauds ou froids avec un capteur connecté, les sujets pensaient ressentir ces contacts de température chaude ou froide dans leur main manquante. Les petites zones de peau qui produisent ces sensations thermiques fantômes sont différentes selon les amputés, ce qui suggère que les nerfs coupés lors de l’amputation restent à divers endroits de la peau du bras. Lorsque cette zone de peau est stimulée par des objets chauds ou froids, elle envoie des signaux au cerveau par cette voie qui provenaient de la main, ce qui amène la personne amputée à ressentir ces sensations dans la main manquante.

“C’était la première fois en 20 ans que je pouvais réellement ressentir la chaleur d’une autre personne avec ma main fantôme”, a déclaré Roberto Renda, de Rome, après un essai lié à l’étude de 2023. « C’est comme avoir une connexion avec quelqu’un. J’aimerais sentir les mains de mes deux enfants lorsque je marche dans la rue avec eux, en leur tenant la main. Ce serait bien.

Ces sensations thermiques fantômes, ressenties par 17 des 27 personnes participant à l’étude originale, étaient essentielles à la viabilité du système MiniTouch. MiniTouch est un capteur fin et portable qui se glisse facilement sur un doigt prothétique existant et est relié aux points de la peau du membre résiduel connus pour produire des sensations comme s’ils se trouvaient dans la main manquante. Alors que l’étude de 2023 a montré que le capteur pouvait aider les amputés à détecter la température, l’étude actuelle a été la première à l’utiliser sur une prothèse fonctionnelle.

Coauteur Francesco Ibérite, doctorant en biorobotique à l’École d’études avancées Sant’Anna de Pise, en Italie, a récemment soumis le système à des tests réels. “Les expériences portaient toujours sur le sujet explorant le monde qui l’entourait de manière active, libre de toucher des objets et d’interpréter les choses sans aucune formation”, explique-t-il, “et c’est très proche de ce qui se passe avec une main naturelle.”

Fidati s’est porté volontaire pour tester le système sur sa prothèse existante. On lui a présenté trois bouteilles identiques contenant de l’eau froide (53 degrés Fahrenheit), fraîche (75 degrés Fahrenheit) ou chaude (104 degrés Fahrenheit). Sans cet appareil, il ne pouvait distinguer les bouteilles que 33 % du temps. Grâce au MiniTouch, la précision de Fabrizio était de 100 pour cent.

Fidati a ensuite été chargé de trier des cubes métalliques identiques qui avaient été chauffés ou refroidis à différentes températures. L’utilisation de prothèses sensibles à la température a considérablement augmenté son taux de réussite. En fait, Fidati a rapporté que les sensations de chaud et de froid étaient en réalité plus intenses dans sa main fantôme que dans sa main naturelle.

Enfin, l’équipe a testé la capacité d’un Fidati aux yeux bandés à savoir s’il touchait une autre main prothétique ou la main d’Iberite. La chaleur de la main humaine permettait à Fidati de la distinguer plus souvent, même si son succès restait inférieur à sa capacité à le faire avec son bras indemne. Les auteurs suggèrent que d’autres entrées, notamment les textures et la douceur, amélioreraient probablement cette capacité. Cette expérience illustre comment la température, bien qu’importante, n’est qu’une partie d’un ensemble sensoriel du toucher humain qui, espérons-le, pourra être intégré à des prothèses se rapprochant davantage d’une main humaine.

En permettant à une personne amputée de ressentir la température, le dispositif MiniTouch aide l’homme à différencier les mains prothétiques d’une véritable main humaine. EPFL Caillet

Les prothèses ont parcouru un long chemin. Ces appareils existent depuis des milliers d’années et sont utilisés à des fins esthétiques et fonctionnelles avec plus ou moins de succès. Dans une ancienne chambre funéraire égyptienne, les restes d’une femme ont été retrouvés avec une création en bois et en cuir surnommée « l’orteil du Caire », une prothèse artistiquement fabriquée qui, il y a 3 000 ans, a été minutieusement ajustée à son pied. Vers 300 avant notre ère, le «Jambe de Capoue» a été créé en bois et gainé de bronze pour un propriétaire qui vivait au nord de l’actuelle Naples, en Italie. Au moment de la guerre de Trente Ans (1618-1648), les gens étaient équipés de mains de fer : pour tenter d’assurer leur fonction, des câbles, des ressorts et d’autres moyens étaient utilisés pour aider les membres à se plier ou les doigts à saisir des objets, bien qu’imparfaitement. .

Aujourd’hui, des dizaines de millions de personnes dans le monde ont été amputés d’un membre, et les scientifiques et les ingénieurs biomédicaux améliorent constamment les prothèses pour ces patients. La plupart des projets visent à redonner des sensations aux amputés impliquer des implants dans le corps, qui présentent des avantages mais créent également des obstacles. La chirurgie est invasive et le processus ainsi que les dispositifs avancés qu’il permet sont coûteux. Ce n’est pas le cas du capteur MiniTouch, qui peut simplement être intégré à une prothèse existante en quelques heures et s’appuie sur des technologies grand public largement disponibles. « La raison pour laquelle les téléphones portables sont si bon marché est que leur technologie peut être reproduite à grande échelle. C’est exactement la même chose pour notre capteur, qui est la seule pièce personnalisée dans l’ensemble du processus », explique Iberite.

Lee Fisher, un ingénieur biomédical de l’Université de Pittsburgh non affilié à la recherche, affirme que les efforts visant à ajouter une sensation de toucher aux prothèses se concentrent généralement sur des sensations tactiles comme la pression. “Il est moins courant avec la stimulation électrique de produire des sensations proches de la température, et c’est extrêmement important, car une grande partie de notre façon d’interagir avec le monde passe par cette sensation de température”, dit-il.

Nous pouvons différencier des matériaux comme le métal et le plastique, par exemple, moins par leur sensation que par leur température. Les humains, qui ne disposent pas de récepteurs cutanés spécialisés pour l’humidité, savent également quand les objets sont mouillés, en grande partie grâce à la façon dont le liquide éloigne la température de leur peau.

Mais la détection de la température va au-delà de l’amélioration des performances d’une prothèse. « En tant qu’ingénieurs, nous avions au début une perspective purement fonctionnelle », explique Shokur. Des témoignages comme celui de Renda ont rapidement ajouté un autre aspect à la recherche. “C’est un peu plus intangible et plus difficile à mesurer, mais nous essayons d’étudier les aspects sociaux du toucher.”

Fisher, dont l’équipe implants d’électrodes récemment utilisés près de la moelle épinière pour restaurer la sensation des pieds manquants des amputés porteurs de prothèses, indique que la composante émotionnelle du toucher est forte. «Cela fait partie de la façon dont nous interagissons avec les autres, et cela fait également partie de la façon dont nous reconnaissons nos membres comme les nôtres», dit-il. “Ce sont des moyens d’espérer que les membres prothétiques ressemblent davantage à une partie du corps qu’à un outil que quelqu’un porte.”

Pour Francesca Rossi de Bologne, en Italie, une autre amputée qui a participé à cette étude de 2023 et a ressenti un contact avec de la température dans sa main manquante, cette expérience commence déjà à devenir une réalité.

«Ressentir les variations de température est une chose différente, quelque chose d’important… quelque chose de beau», dit-elle. « Cela ne semble plus fantôme, car votre membre est de retour. »

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