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Comment fonctionne le pilotage d'un exosquelette par la pensée ?

Reportage Une neuroprothèse, mise au point par le centre de recherche biomédicale Clinatec du CEA, permet à un patient tétraplégique de 28 ans de se déplacer en contrôlant un exosquelette par la pensée. Comment cela fonctionne ? Nous avons rencontré les experts à l’origine de cette prouesse.
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Comment fonctionne le pilotage d'un exosquelette par la pensée ?
Comment fonctionne le pilotage d'un exosquelette par la pensée ? © Juliette Treillet

Depuis deux ans, Thibaut apprend à maîtriser un exosquelette par sa pensée. Ce patient tétraplégique de 28 ans, atteint d’une lésion de la moelle épinière, a pu faire quelques pas et contrôler ses deux membres supérieurs à l'aide de ce dispositif robotisé. Cette prouesse a été possible grâce à l’implantation de deux neuroprothèses qui lui permettent de contrôler l’exosquelette. Et un long apprentissage : trois jours par semaine, à domicile, le jeune homme s’est entraîné à le piloter dans des environnements virtuels. Une fois par mois, il s’est rendu à Clinatec pour s’entraîner sur l’exosquelette.

 

Ces résultats d’étude clinique réalisée par Clinatec dans le cadre du projet Brain Computer Interface (BCI), dont l’objectif est de redonner de la mobilité aux personnes souffrant d’un handicap moteur lourd, ont été publiés le 4 octobre dans la revue The Lancet Neurology.

 

Une neuroprothèse semi-invasive

Deux neuroprothèses Wimagine, mises au point par le Professeur Alim-Louis Benabid, fondateur de Clinatec, ont été implantées en juin 2017, de façon bilatérale et définitive, sur les zones sensorimotrices supérieures du cerveau de Thibaut, au-dessus de la dure-mère. Elles permettent de mesurer les signaux électriques émis lors d’intentions de mouvement, et de les transmettre en temps réel et sans fil à un ordinateur qui les décode afin de contrôler l’exosquelette. C’est dans cette capacité que repose l’innovation.

 

 

"Lorsqu’un patient est installé dans un exosquelette, on va lui demander de réaliser des tâches mentales qu’il souhaite réaliser, comme bouger son bras. On est capable d’enregistrer son activité électrique cérébrale au niveau de son cortex, grâce aux implants. Les données sont ensuite transférées sans fil dans le dos de l’exosquelette, où un ordinateur récolte les données et les traite en temps réel pour déclencher les différents mouvements du robot. Que ce soit bras et jambes" précise Guillaume Charvet, chef du projet BCI à Clinatec.

 

Plus précisément, la neuroprothèse mesure les électrocorticogrammes (ECoG) grâce à une matrice de 64 électrodes en contact avec la dure-mère, la membrane fibreuse qui entoure le cerveau et la moelle épinière. Chaque implant est doté d’un circuit intégré spécialisé (Asic), développé par le CEA Leti, qui permet d’amplifier et de mesurer les signaux de faible amplitude (entre 10 et 100 microvolts) de l’activité cérébrale.

 

 

Il embarque également de quoi transmettre les données sans fil. Pour pouvoir alimenter l’implant qui ne possède pas de batterie, il suffit d’apposer une antenne à proximité grâce à un système de téléalimentation, basée sur le principe de l’induction. C’est pour cette raison que Thibaut, lorsqu’il réalise les tests avec l’exosquelette, doit porter un casque qui intègre des antennes. Si les implants ne sont pas alimentés, ils ne fonctionnent pas.

 

Un apprentissage individuel

Le traitement des signaux cérébraux en temps réel est réalisé par des algorithmes basés sur des méthodes d’intelligence artificielle (machine learning). Thibaut réalise des tâches mentales selon des consignes précises et connues du système de décodage, comme "atteindre cette cible avec le bras". La combinaison des signaux et des consignes de mouvement forment les données labellisées. Celles-ci permettant de créer un modèle de décodage.

 

 

Chaque modèle est individuel et non transposable : l’activité cérébrale est spécifique à chaque patient. De plus, sa construction se fait de manière progressive : "On travaille degré de liberté par degré de liberté pour arriver à contrôler le bras dans une dimension, puis deux, jusqu’à arriver à la démonstration du contrôle des deux bras en trois dimensions, plus la rotation des poignets" détaille Guillaume Charvet. Une fois le modèle établi, le sujet peut ensuite réaliser la tâche mentale qu’il souhaite.

L’exosquelette EMY

 

L’exosquelette utilisé dans cette étude clinique est un dispositif mis au point par les roboticiens du CEA List. Baptisé EMY, pour Enhancing MobilitY, il a été développé spécifiquement pour le projet et est dédié à la preuve de concept. Il ne fonctionne que dans un environnement clinique (ici à Clinatec) et est maintenu par un système de rails puisque dépourvu d’équilibre. La machine de 60 kg fabriquée en impression 3D est dotée de 14 moteurs permettant le contrôle des 4 membres (2 bras avec 4 degrés de liberté chacun et 2 jambes avec 3 degrés de liberté). L’exosquelette embarque les ordinateurs dédiés au traitement du signal et son contrôle. Il fonctionne sur batterie et est protégé par 14 brevets.

 

Vers un usage domestique

Ces résultats ne sont pour le moment qu’une preuve de concept. Le jeune tétraplégique continue de contribuer aux futurs développements de la plateforme pendant deux ans, notamment sur la robustesse et la précision des algorithmes pour réaliser des tâches complexes et l’augmentation de la résolution du signal. Car le Professeur Benabid l’affirme : "Thibaut est devenu un chercheur à part entière du laboratoire."

 

Du côté de l’exosquelette, mis au point spécifiquement pour la preuve de concept, "les futurs challenges vont être la capacité d’être utilisé n’importe où, à terme à la maison, et de compléter le mouvement des bras par la capacité à utiliser ses mains pour saisir des objets" ajoute Yann Pérault, responsable des activités développement de l’exosquelette au sein du CEA List. L’objectif est de redonner aux tétraplégiques de l’autonomie dans la vie de tous les jours. Selon Clinatec, la paraplégie et tétraplégie touche 50 000 personnes en France dont 70 % de moins de 30 ans et 1200 nouveaux cas accidentels sont recensés chaque année.

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