Plateaux techniques

A. Expérimentation sur animal

Cette première étape de validation sur animal a été importante dans la mesure où elle a permis de réaliser des manipulations fines par une sélection plus facile d'un muscle précis. Les expérimentations ont été réalisées en collaboration avec l'université d'Aalborg au laboratoire SMI (Sensori-Motor Interaction) notamment pour caractériser le muscle jumeau (Gastrocnemius) de la patte du lapin. Les mesures ont été effectuées dans deux conditions :

− Muscle attaché : avant de l'isoler du système biomécanique de l'animal en coupant le lien tendon-squelette, on a mesuré la force produite par le muscle sur l'articulation du genou (figure 5.5).

− Muscle isolé : on a détaché le muscle des os et on a mesuré directement la force aux extrémités du muscle (figure 5.6).

Figure 5.5. Principe de mesure sur muscle attaché.

Les mesures ont été réalisées sur plusieurs lapins (new-Zealand white rabbit) anesthésiés pesant entre 3.5 et 4.5kg. L'anesthésie est assurée avec des doses intramusculaires d'un coktail de 0.15mg/kg Midazolam (Dormicum, alpharma A/S), de 0.03mg/kg Fetangly et de 1mg/kg Fluranison (combiné dans Hypnorm, Janssen Pharmaceutica) [Azevedo 2005b]. La patte gauche du lapin a été vissée au niveau du genou et de la cheville à un système mécanique motorisé (Dual-mode system 310B Aurora Scientific Inc.) à l'aide de vis placées sur les épiphyses distales du fémur et du

tibia. Pour le muscle isolé, le tendon du gastrocnemius a été détaché de l'os et fixé à l’arbre du moteur directement par un fil de polyaramid (figure 5.6).

Figure 5.6. Principe de mesure sur muscle isolé.

Patte du lapin dans la gouttière du système

de mesure

Muscle stimulé, Gastrocnemius Lapin

Figure 5.7. Montage de la manipulation de mesure sur lapin.

Les mesures sont effectuées à l'aide d’un système moteur commandé : la force correspond à l’image de la tension moteur et la position relative de l’arbre moteur est mesurée à l’aide du codeur. Une électrode implantée nous permet d'enregistrer l'activité EMG. La figure 5.8 illustre un relevé effectué sur lapin. L'acquisition de données a été effectuée à l'aide d'un système d’acquisition 8 canaux à une fréquence d'échantillonnage de 48kHz (ADAT-XT, Alesis) [Azevedo 2005b] (voir Annexe B).

i

Figure 5.8. Visual sation des signaux mesurés par les capteurs concernés.

Lapin Système

d'acquisition

Stimulateur

Figure 5.9. Système de stimulation et prototype de mesure sur animal (lapin).

B. Prototype de mesure pour l’homme

De nombreuses études ont été faites pour développer des prototypes similaires d'expérimentation. Par exemple dans [Zhang 1998 et 2001], le système réalisé (figure 5.10) permet l'étude du contrôle statique et dynamique de l'articulation de genou en abduction-adduction dans des conditions actives (muscle contracté) ou passives (muscle relaxé). L'objectif de l'étude est de mesurer les propriétés statiques et dynamiques du genou en estimant la rigidité, la viscosité et l'inertie des membres à différents niveaux de contraction des muscles et pour plusieurs positions.

Figure 5.10. Prototype de mesure développé dans [Zhang 2001].

iener [Riener 2001] propose un appareil qui permet de mesurer en mode isométrique R

les 14 moments des membres inférieurs correspondant aux degrés de liberté des hanches, des genoux et des chevilles. Ce système est utilisé pour le développement de neuro-prothèses contrôlées en boucle fermée (figure 5.11).

Figure 5.11. Prototype de mesure développé dans [Riener 2001].

algré leurs avantages, ces deux systèmes présentent des inconvénients notamment au niveau de la complexité et du coût de réalisation. Nous avons donc conçu et M

développé un prototype qui satisfait le cahier de charge imposé par l'ensemble des contraintes, associées aux expérimentations sur patient paraplégique. Ce prototype a été testé sur l'articulation du genou gauche d'un patient paraplégique (figure 5.13).

La chaise (prototype de mesure) est équipée d'un capteur d'effort pour mesurer le couple au niveau de l'articulation et d'un codeur (codeur rotatif incrémental) pour mesurer l'angle du genou pendant la stimulation. Lors des essais, des électrodes EMG amplifiées mesurent l'activité électrique du muscle (voir Annexe B). L’ensemble des capteurs est relié à un PC via une carte d'acquisition/commande (voir Annexe B). Le muscle sélectionné sur le patient est stimulé par des électrodes de surface avec le stimulateur PROSTIM commandé via une IHM sur PC (figure 5.12).

Electrode épimysiale Electrode EMG

Capteur de position Capteur de

force

Carte de commande et d'acquisition Stimulateur PROSTIM

Figure 5.12. Principe de la chaîne d’acquisition avec le premier prototype de mesure destiné à l’homme

L

ontrent deux mesures effectuées sur le quadriceps d'un paraplégique : la première es figures 5.13 et 5.14 illustrent quelques acquisitions lors d’une stimulation. Elles m

représente le moment au niveau du genou résultant de stimulations impulsionnelles répétitives indépendantes et la deuxième, la réponse à une dent de scie en courant.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1

2 3 4 5 6 7 8

T im e e n s e c o n d e

Moment en N.m

Figure 5.13. Moment du genou en stimulant le muscle quadriceps par des impulsions successives.

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0 4 8 12 16 20 24 28 32

Tim e en s ec onde

Moment en N.m

29.4 N.m

. Figure 5.14. Moment du genou en stimulant le muscle quadriceps par recrutement en courant

Une deuxième version de la chaise de mesure plus ergonomique et plus adaptée à la réalité du patient a été réalisée (figure 5.15). Elle est contrôlée via un PC avec une carte d'acquisition. Elle est équipée également d’un moteur (servomoteur PARVEX) pour contrôler et imposer un couple résistant en mode dynamique (voir Annexe B).

Figure 5.15. Deuxième prototype de mesure humaine.

Ce prototype est prêt à être validé. Un protocole d’expérimentation clinique (CCPPRB : Comité Consultatif de Protection des Personnes se prêtant à des Recherches Biomédicales) est en cours de rédaction pour une campagne systématique de mesures sur patients qui se déroulera en 2006.