Première mondiale au Clinatec de Grenoble : comment fonctionne le pilotage d'un exosquelette par la pensée ?

C’est l’information technologique la plus reprise de ce début d’automne : une neuroprothèse, mise au point par le centre de recherche biomédicale Clinatec du CEA à Grenoble, permet à un patient tétraplégique de se déplacer en contrôlant un exosquelette par la pensée.

Les médias de la France entière et étrangers ont salué la performance et la première mondiale qui a été largement commentée.

Intéressons-nous ici au dispositif créé et son fonctionnement. En clair : comment fonctionne-t-il ?

La grande innovation de ce dispositif est de pouvoir mesurer de manière chronique en haute résolution l’activité électrique dans le cerveau correspondant à des intentions de mouvement du patient puis de les transmettre en temps réel et sans fil vers un ordinateur pour les décoder afin de contrôler les mouvements des 4 membres de l’exosquelette.

Pour ce faire, l’équipe du Professeur émérite à l’Université Grenoble Alpes, Alim-Louis Benabid, premier auteur de la publication dans la revue The Lancet Neurology et président du directoire de Clinatec, a conçu un dispositif implantable (WIMAGINE®) qui permet de recueillir, au niveau du cortex sensorimoteur, les signaux cérébraux émis lors des intentions de mouvements d’une personne. Sans besoin de commande extérieure pour provoquer le mouvement, la personne tétraplégique peut se mouvoir grâce au pilotage mental de l’exosquelette.

Le patient est âgé de 28 ans. A la suite d’un accident, il est tétraplégique, atteint d’une lésion de la moelle épinière. Deux dispositifs WIMAGINE® ont été implantés, en juin 2017, de façon bilatérale au niveau des zones sensorimotrices supérieures du cerveau.
Suite à l’opération, le patient effectue depuis 27 mois différents types d’exercices pour s’entrainer à contrôler l’exosquelette. Trois jours par semaine, depuis son domicile, il s’entraine au pilotage d’environnements virtuels, comme l’avatar de l’exosquelette et une semaine par mois il se rend à Clinatec pour travailler directement avec l’exosquelette. Équipé de l’exosquelette suspendu, il est aujourd’hui capable d’enchaîner quelques pas et de contrôler ses deux membres supérieurs dans trois dimensions, tout en ayant la maîtrise de la rotation de ses poignets, en position assise ou debout. 
Ces capteurs fonctionnent depuis plus de deux ans, fait exceptionnel au vu de la plasticité du cerveau qui rend la stabilité de l’information très difficile et complexe.

 

Capteurs, algorithmes, IA et mécatronique

Capter l’activité électrique au niveau du cortex moteur a nécessité de développer un dispositif médical implantable unique au monde : WIMAGINE®. Ce dispositif a été spécifié pour être implanté de manière semi-invasive sur la boîte crânienne, afin de mesurer les électrocorticogrammes (ECoG) grâce à une matrice de 64 électrodes en contact avec la dure-mère, et ce sur le long terme. 

Des cartes électroniques regroupent les briques d’acquisition et de numérisation des électrocorticogrammes conçues grâce aux experts en microélectronique du CEA-Leti, ainsi que des briques de télé-alimentation et de transmission des données sans fil par liaison radio sécurisée vers un terminal externe.

Les électrocorticogrammes ainsi captés sont ensuite décodés en temps réel afin de prédire le mouvement volontaire imaginé par le patient. Ce dernier peut ensuite piloter par exemple la trajectoire du membre de l’exosquelette correspondant. Le décodage des électrocorticogrammes a nécessité de développer des algorithmes très sophistiqués, basés sur des méthodes d’Intelligence Artificielle (Machine Learning) et des logiciels permettant un contrôle en temps réel des mouvements de l’exosquelette. Ce dispositif a mobilisé les ingénieurs chercheurs du CEA-List, institut dédié aux systèmes numériques intelligents. Ceux-ci ont développé l’exosquelette : quatre membres basés sur leurs briques d’actionnement réversible et de contrôle-commande. Cette conception a spécifiquement pris en compte l’interaction d’une personne tétraplégique avec l’exosquelette pour pouvoir la mobiliser en toute sécurité.
L’ambition, à terme, est de décliner les champs d’utilisation de l’interface cerveau-machine pour compenser différents types de handicap moteur et redonner davantage d’autonomie aux patients dans leur vie quotidienne par le pilotage par exemple d’un fauteuil roulant ou d’un bras articulé.
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.

 

A propos de 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.

Date : 22/10/2019