La technologie des membres prothétiques a progressé à pas de géant, donner aux amputés une gamme d'options bioniques, y compris les genoux artificiels contrôlés par des puces électroniques, des pieds chargés de capteurs pilotés par l'intelligence artificielle, et des mains robotiques qu'un utilisateur peut manipuler avec son esprit. Mais de telles conceptions de haute technologie peuvent coûter des dizaines de milliers de dollars, les rendant inaccessibles pour de nombreux amputés, notamment dans les pays en développement.

Maintenant, les ingénieurs du MIT ont développé un simple, à bas prix, pied prothétique passif qu'ils peuvent adapter à un individu. Compte tenu du poids corporel et de la taille d'un utilisateur, les chercheurs peuvent ajuster la forme et la rigidité du pied prothétique, telle que la marche de l'utilisateur est similaire à une démarche valide. Ils estiment que le pied, s'il est fabriqué à grande échelle, pourrait coûter un ordre de grandeur inférieur aux produits existants.

Les prothèses conçues sur mesure sont basées sur un cadre de conception développé par les chercheurs, qui fournit un moyen quantitatif de prédire les performances biomécaniques d'un utilisateur, ou comportement de marche, basé sur la conception mécanique du pied prothétique.

"[Marcher] est quelque chose de si essentiel pour nous en tant qu'humains, et pour ce segment de la population ayant subi une amputation d'un membre inférieur, il n'y a juste aucune théorie à dire, 'voici exactement comment nous devrions concevoir la rigidité et la géométrie d'un pied pour vous, pour que tu marches comme tu veux, '" dit Amos Winter, professeur agrégé de génie mécanique au MIT. "Maintenant, nous pouvons le faire. Et c'est super puissant."

Winter et l'ancienne étudiante diplômée Kathryn Olesnavage rapportent les détails de ce cadre dans Transactions de l'IEEE sur les systèmes neuronaux et la réhabilitation . Ils ont publié leurs résultats sur leur nouveau pied prothétique dans l'ASME Journal of Mechanical Design, avec l'étudiant diplômé Victor Prost et l'ingénieur de recherche William Brett Johnson.

En 2012, peu de temps après que Winter ait rejoint la faculté du MIT, il a été approché par Jaipur Foot, un fabricant de membres artificiels basé à Jaipur, Inde. L'organisme fabrique un pied prothétique passif, destiné aux amputés des pays en développement, et en donne plus de 28, 000 modèles chaque année aux utilisateurs en Inde et ailleurs.

"Ils fabriquent ce pied depuis plus de 40 ans, et c'est robuste, afin que les agriculteurs puissent l'utiliser pieds nus à l'extérieur, et c'est relativement réaliste, donc si les gens vont dans une mosquée et veulent prier pieds nus, ils sont susceptibles de ne pas être stigmatisés, " dit Winter. " Mais c'est assez lourd, et la structure interne est faite tout à la main, ce qui crée une grande variation dans la qualité du produit."

L'organisation a demandé à Winter s'il pouvait concevoir un meilleur pied plus léger qui pourrait être produit en série à faible coût.

"À ce moment, nous avons commencé à nous demander, 'comment devrions-nous concevoir ce pied en tant qu'ingénieurs ? Comment prédire la performance, compte tenu de la rigidité du pied, de la conception mécanique et de la géométrie ? Comment devrions-nous régler tout cela pour qu'une personne marche de la façon dont nous voulons qu'elle marche ?' » se souvient Winter.

L'équipe, dirigé par Olesnavage, a d'abord cherché un moyen de relier quantitativement les caractéristiques mécaniques d'une prothèse aux performances de marche d'un utilisateur, une relation fondamentale qui n'avait jamais été entièrement codifiée auparavant.

Alors que de nombreux développeurs de pieds prothétiques se sont concentrés sur la reproduction des mouvements de pieds et de chevilles valides, L'équipe de Winter a adopté une approche différente, sur la base de leur réalisation que les amputés qui ont perdu un membre sous le genou ne peuvent pas ressentir ce que fait un pied prothétique.

"L'une des idées critiques que nous avons eues était que, à un utilisateur, le pied est un peu comme une boîte noire - il n'est pas connecté à leur système nerveux, et ils n'interagissent pas intimement avec le pied, ", dit l'hiver.

Au lieu de concevoir une prothèse de pied pour reproduire les mouvements d'un pied valide, lui et Olesnavage ont cherché à concevoir un pied prothétique qui produirait des mouvements du bas de la jambe similaires à ceux du bas de la jambe d'une personne valide lorsqu'elle marche.

"Cela nous a vraiment ouvert l'espace de conception, " Winter dit. "Nous pouvons potentiellement changer radicalement le pied, tant que nous faisons faire au bas de la jambe ce que nous voulons qu'il fasse, en termes de cinématique et de chargement, car c'est ce que perçoit un utilisateur."

En pensant au bas de la jambe, l'équipe a cherché des moyens d'établir un lien entre la mécanique du pied et la façon dont le bas de la jambe bouge lorsque le pied est en contact avec le sol. Pour faire ça, les chercheurs ont consulté un ensemble de données existant comprenant des mesures de pas effectués par un marcheur valide avec une taille et un poids donnés. À chaque étape, des chercheurs précédents avaient enregistré les forces de réaction au sol et le changement de centre de pression subi par le pied d'un marcheur lorsqu'il se balançait du talon aux orteils, ainsi que la position et la trajectoire du bas de la jambe.

Winter et ses collègues ont développé un modèle mathématique d'un pied prothétique passif, qui décrit la rigidité, mouvement éventuel, et la forme du pied. Ils ont branché au modèle les forces de réaction au sol de l'ensemble de données, qu'ils pourraient résumer pour prédire comment le bas de la jambe d'un utilisateur se traduirait en une seule étape.

Avec leur modèle, ils ont ensuite ajusté la rigidité et la géométrie du pied prothétique simulé pour produire une trajectoire du bas de la jambe proche du swing des personnes valides, une mesure qu'ils considèrent comme une "erreur de trajectoire du bas de la jambe" minimale.

"Idéalement, nous ajusterions parfaitement la rigidité et la géométrie du pied afin de reproduire exactement le mouvement du bas de la jambe, " dit Winter. " Dans l'ensemble, nous avons vu que nous pouvons nous rapprocher du mouvement et du chargement des personnes valides, avec une structure passive."

Évoluer sur une courbe

L'équipe a ensuite cherché à identifier une forme idéale pour un pied prothétique monobloc qui serait simple et abordable à fabriquer, tout en produisant une trajectoire de jambe très similaire à celle des marcheurs valides.

Pour identifier une forme de pied idéale, le groupe a exécuté un "algorithme génétique" - une technique courante utilisée pour éliminer les options défavorables, à la recherche des conceptions les plus optimales.

"Tout comme une population d'animaux, nous avons fait une population de pieds, tous avec différentes variables pour faire différentes formes de courbes, " dit Winter. "Nous les avons chargés dans la simulation et calculé leur erreur de trajectoire de jambe inférieure. Ceux qui ont eu une erreur élevée, nous avons tué."

Ceux qui ont eu une erreur inférieure, les chercheurs ont en outre mélangé et associé à d'autres formes, faire évoluer la population vers une forme idéale, avec l'erreur de trajectoire de jambe inférieure la plus faible possible. L'équipe a utilisé une large courbe de Bézier pour décrire la forme du pied en utilisant seulement quelques variables sélectionnées, qui étaient faciles à faire varier dans l'algorithme génétique. La forme du pied résultante ressemblait à la vue latérale d'un toboggan.

Olesnavage et Winter ont compris que, en adaptant la rigidité et la forme de cette courbe de Bézier au poids corporel et à la taille d'une personne, l'équipe devrait être capable de produire un pied prothétique qui génère des mouvements de jambe similaires à la marche pour des personnes valides. Pour tester cette idée, les chercheurs ont produit plusieurs pieds pour des volontaires en Inde. Les prothèses étaient en nylon usiné, un matériau choisi pour sa capacité de stockage d'énergie.

"Ce qui est cool, c'est cela ne ressemble en rien à un pied valide - il n'y a pas de cheville ni d'articulation métatarsienne - c'est juste une grosse structure, et tout ce qui nous importe, c'est de savoir comment le bas de la jambe se déplace dans l'espace, " dit Winter. " La plupart des tests ont été effectués à l'intérieur, mais un gars a couru dehors, il aimait tellement ça. Cela met un ressort dans votre démarche."

Aller de l'avant, l'équipe s'est associée à Vibram, une entreprise italienne qui fabrique des semelles extérieures en caoutchouc, des bottes de randonnée flexibles et des chaussures de course qui ressemblent à des pieds. L'entreprise conçoit un revêtement réaliste pour la prothèse de l'équipe, cela donnera également au pied une certaine traction sur des surfaces boueuses ou glissantes. Les chercheurs prévoient de tester les prothèses et les revêtements sur des volontaires en Inde ce printemps.

Winter dit que la conception simple du pied prothétique peut également être une option beaucoup plus abordable et durable pour les populations telles que les soldats qui souhaitent reprendre le service actif ou les anciens combattants qui souhaitent mener une vie active.

"Un pied passif commun sur le marché américain coûtera 1 $, 000 à 10 $, 000, fabriqué en fibre de carbone. Imaginez que vous alliez chez votre prothésiste, ils prennent quelques mesures, ils nous les renvoient, et nous vous renvoyons un pied en nylon sur mesure pour quelques centaines de dollars. Ce modèle est potentiellement révolutionnaire pour l'industrie, parce que nous pouvons quantifier pleinement le pied et le régler pour les particuliers, et utiliser des matériaux moins chers."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.