Comprendre les prothèses de main : types, fonctionnement et inconvénients

Dans la science-fiction, les prothèses sont très souvent présentes, et on les décrit généralement comme des dispositifs bien meilleurs que nos bras biologiques. Pourtant, il s'agit d'une idée reçue. Les prothèses existant aujourd'hui dans le monde réel sont loin de remplacer réellement un bras. Le plus souvent, ce sont des outils servant à accomplir des gestes simples. 

Avant de voir ce que peuvent réellement faire les prothèses, quelles existent sur le marché et quelles difficultés elles présentent, il faut comprendre les types d'amputation existants : doigts, main, avant-bras et bras. Selon le type d'amputation, une prothèse adaptée est nécessaire. Remplacer des doigts est le plus simple, mais l'amputation de l'avant-bras pose de sérieux problèmes. 

La pose d'une prothèse peut être motivée non seulement par des accidents et autres incidents ayant entraîné l'amputation de membres, mais aussi par diverses malformations congénitales entraînant la déformation d'une partie de la main. Aujourd'hui, il existe trois principaux types de prothèses :

• de traction (mécaniques)
• bioélectriques (fonctionnant grâce à des capteurs bioélectriques, les plus avancées)
• cosmétiques

Le sens des prothèses cosmétiques réside dans leur nom : elles rendent simplement l'amputation moins visible, sans offrir aucune fonction. Une personne équipée d'une prothèse cosmétique peut tout au plus soutenir un objet, mais aucune action courante du quotidien. 

Prothèses mécaniques

Les premières prothèses de traction ou mécaniques sont apparues avec la main en acier de l'Allemand Götz von Berlichingen : elle avait des fonctions limitées, mais permettait de tenir des objets et, peut-être, d'écrire avec une plume. Le dispositif se commandait à l'aide d'un bouton situé sur le dos de la paume. 

Avec le début de la révolution industrielle, les prothèses ont commencé à se perfectionner et à atteindre les solutions existantes. La prothèse mécanique se compose d'une armature avec de nombreux câbles (tirants) fixés à certaines zones du membre restant. Sous l'effet de la traction, les câbles se tendent et la prothèse bouge ou se plie. Ces prothèses conviennent à tous les types d'amputation, même à la perte complète de la main. 

Les prothèses de traction conviennent mieux que les bioélectriques lorsque l'amputation concerne l'épaule, en raison des particularités des capteurs bioélectriques. La prothèse comprend non seulement une armature, un emboîtement et une main, mais aussi un câble fixé à l'épaule saine, grâce auquel la commande s'effectue (flexion et extension de la main). La commande au niveau du coude n'est possible qu'à l'aide du bras sain, ou en projetant la prothèse avec le torse. 

Principaux avantages des prothèses de traction :

• absence d'électronique (cela réduit le coût et augmente la résistance aux dommages)
• possibilité d'installation en cas d'amputation de l'épaule
• masse plus faible, comparée aux prothèses bioélectriques

Cependant, ces prothèses ne disposent que d'un seul type de préhension ; elles sont donc destinées à une fonction étroite, ce qui n'est pas toujours utile au quotidien. 

Prothèses bioélectriques

Les prothèses bioélectriques ont un principe de fonctionnement et une conception plus complexes. Leur fonctionnement repose sur la lecture du potentiel électrique des muscles résiduels. Explications : vous décidez de bouger la main ; depuis le cerveau, une impulsion descend dans la moelle épinière, puis atteint les nerfs liés aux fibres musculaires ; le signal est amplifié et se répartit sur certains groupes de fibres musculaires ; un nerf peut activer plusieurs cellules musculaires. 

Dans une main saine, le signal, par exemple, atteint la paume, et vous la serrez. En revanche, dans une main amputée sous le coude, le signal part « nulle part », c'est-à-dire qu'il se disperse. Si l'on installe des capteurs spéciaux qui enregistrent le signal avant sa dispersion, il est possible de l'exploiter d'une manière ou d'une autre. Les capteurs bioélectriques n'ont pas besoin d'être implantés dans la main : il suffit de porter la prothèse. 

Une fois le signal capté, il parvient au processeur, où il est traité. Les servomoteurs sont alors actionnés, après quoi la prothèse effectue un mouvement. Les servomoteurs sont de petites unités motrices qui peuvent recevoir un signal, le comparer aux données du programme et exécuter un mouvement. 

L'avantage de ces prothèses par rapport aux mécaniques réside dans l'électronique. On peut programmer le mouvement des servomoteurs et définir de nombreux types de préhension pour la prothèse. Les prothèses à tirage ne peuvent que serrer et desserrer la main, tandis que les bioélectriques permettent de faire des gestes, de faire pivoter le poignet et bien d'autres mouvements. Elles disposent de 18 à 22 types de préhension. 

Cependant, ces préhensions doivent être sélectionnées manuellement. Il ne suffit pas de vouloir faire un mouvement pour que la prothèse l'exécute. Le fonctionnement de la prothèse repose sur les capteurs, et elle n'a pas de lien avec le cerveau ni avec les processus mentaux. On peut changer de mode grâce à un écran ou à un bouton sur la prothèse, ou à une application sur le téléphone. Comme avec une prothèse mécanique, il faut contracter en permanence une partie des muscles pour réaliser la préhension, ce qui peut fatiguer lors d'une utilisation prolongée. 

L'utilisateur ne pourra pas commander chaque doigt séparément, mais il peut effectuer les mouvements programmés dans le code des servomoteurs. Il existe un type de prothèse permettant de commander chaque doigt séparément. Elle fonctionne selon le principe du balayage ultrasonore des muscles, mais il ne s'agit que d'un prototype unique. 

Amputation au-dessus de l'avant-bras et avenir

Les difficultés de l'amputation au-dessus de l'avant-bras tiennent au fait qu'il n'y a tout simplement pas de signal à lire. La main est entièrement absente, il n'y a donc nulle part où placer les capteurs, mais les ingénieurs ont trouvé deux échappatoires :

1. Développement de la société Ottobock intitulé DynamicArm. L'emboîture s'enfile là où se trouve l'épaule et lit le signal pour la commande. La flexion du coude est l'une des préhensions possibles, le coude se redresse aussi automatiquement sous charge. 
2. Développement de l'université Johns Hopkins. Le patient n'a plus les deux mains, l'amputation étant située au-dessus de l'avant-bras. Les scientifiques ont placé des capteurs sur la poitrine. Les prothèses sont mobiles et offrent une large amplitude de mouvements, mais leur vitesse et leur facilité de contrôle sont limitées, car il est difficile de commander les bras à l'aide de la poitrine. 

Malgré le haut niveau technologique des prothèses existantes, il reste à progresser. Les patients privés d'un bras ou ayant subi une amputation double peuvent se rééduquer et élargir leur champ d'action grâce aux prothèses. Toutefois, ces dispositifs restent limités. Ces résultats pourraient être améliorés grâce à la neuroprothèse ou aux réseaux de neurones, avec une augmentation du nombre de capteurs bioélectriques. 

Il convient de noter que le prix des prothèses reste élevé, de 20 000 à 100 000 dollars. Les fabricants tentent de les rendre moins chères grâce à l'impression 3D, mais cela ne se fera sans doute pas sentir à court terme. La science-fiction est encore loin, mais ce secteur de la robotique ne stagne pas, on peut donc espérer un miracle à l'avenir.