Robotics and Exoskeletons

Robotique et exosquelettes

Ces dernières décennies, les progrès de la robotique ont permis des avancées significatives dans le domaine de la santé, notamment dans les domaines liés à l'amélioration de la mobilité et à la réadaptation. Les exosquelettes robotiques portables, autrefois relégués au domaine de la science-fiction, sont désormais activement utilisés pour aider les individus à retrouver ou à améliorer leur mobilité. De même, les dispositifs de réadaptation assistée par robot élargissent les possibilités thérapeutiques pour les patients en convalescence ou en situation de handicap. Cet article offre un aperçu complet de l'application de la robotique dans le domaine de la santé, en se concentrant sur deux domaines principaux : (1) les dispositifs d'assistance au mouvement pour une mobilité accrue et (2) la robotique de réadaptation pour soutenir les processus de récupération.

1. L'évolution de la robotique et des exosquelettes

1.1 Développement précoce

Le concept d'un dispositif mécanique augmentant la force et la mobilité humaines remonte à plusieurs décennies. Les premières recherches militaires des années 1960 et 1970 ont exploré la possibilité de construire des exosquelettes motorisés permettant aux soldats de transporter de lourdes charges sur de longues distances (Herr, 2009). Bien que ces premières tentatives aient été limitées par des conceptions encombrantes et des sources d'énergie insuffisantes, elles ont jeté les bases de la technologie moderne des exosquelettes.

1.2 Progrès technologiques

Au fil du temps, les améliorations apportées aux moteurs, aux batteries, aux capteurs et aux algorithmes de contrôle ont propulsé le développement des exosquelettes. Des moteurs électriques plus performants et des matériaux légers, comme la fibre de carbone et les alliages d'aluminium de haute qualité, ont réduit le poids des exosquelettes et les ont rendus plus pratiques au quotidien (Gandhi et al., 2021). Parallèlement, des capteurs, tels que les centrales inertielles (IMU), les capteurs de force et les capteurs d'électromyographie (EMG), ont permis de détecter en temps réel l'intention de l'utilisateur, offrant un contrôle plus fluide et plus intuitif (Yeung et al., 2017).

1.3 Applications modernes de l'exosquelette

Les exosquelettes modernes existent sous diverses formes :

Exosquelettes des membres inférieurs:Conçu pour aider à la marche, à la station debout et à la montée des escaliers (par exemple, ReWalk, Ekso Bionics, Indego).

Exosquelettes des membres supérieurs:Souvent utilisé dans des contextes thérapeutiques pour restaurer ou aider les mouvements des bras chez les patients en convalescence après un accident vasculaire cérébral ou d'autres lésions neurologiques (par exemple, MyoPro de Myomo).

Exosquelettes industriels:Utilisé pour réduire la charge des tâches répétitives et diminuer le risque de troubles musculo-squelettiques pour les travailleurs (par exemple, les exosquelettes de soutien des épaules de SuitX).

2. Dispositifs d'assistance au mouvement : améliorer la mobilité

2.1 Présentation

Les dispositifs d'assistance à la mobilité sont des technologies robotiques spécialement conçues pour améliorer ou restaurer la capacité de mouvement d'une personne. Ils visent à accroître l'autonomie, à réduire le risque de complications secondaires (par exemple, escarres, atrophie musculaire) et à améliorer la qualité de vie globale. Les exosquelettes des membres inférieurs comptent parmi les dispositifs les plus remarquables, offrant souvent des solutions de mobilité aux personnes atteintes de lésions médullaires (LME), de sclérose en plaques ou de déclin de la mobilité lié à l'âge (Sale et al., 2012).

2.2 Mécanismes et avantages

Actionnement motorisé
De nombreux exosquelettes utilisent des moteurs électriques au niveau des articulations de la hanche et/ou du genou pour faciliter la marche. Des capteurs intégrés détectent la posture de l'utilisateur ou ses tentatives de mouvement, déclenchant des actionneurs qui fournissent le couple nécessaire (Dollar et Herr, 2008). Cette assistance en temps réel permet de marcher sur des surfaces planes ou même de monter des escaliers, selon la conception de l'appareil.

Support du poids corporel
Certains dispositifs d’assistance au mouvement soutiennent partiellement le poids corporel de l’utilisateur, réduisant ainsi la charge physique du mouvement.Ceci est utile pour les personnes suivant un entraînement à la marche ou celles dont la force musculaire est limitée.

Personnalisation et adaptabilité
Des algorithmes avancés permettent aux exosquelettes de s'adapter aux conditions changeantes des utilisateurs, qu'il s'agisse de variations de vitesse, de direction ou d'inclinaison de la marche. Ces adaptations contribuent à maximiser le confort, la sécurité et l'efficacité énergétique (Zhang et al., 2017).

Amélioration des résultats en matière de santé
L'utilisation régulière d'un exosquelette peut contribuer à réduire les complications secondaires liées à l'immobilité, telles que l'atrophie musculaire, la perte de densité osseuse ou une mauvaise santé cardiovasculaire. Plusieurs études ont rapporté des améliorations de l'équilibre, de la force musculaire et du bien-être général de l'utilisateur (Kressler et al., 2013).

2.3 Défis d'une adoption généralisée

Malgré leurs promesses, les exosquelettes à mouvement assisté se heurtent également à des obstacles :

Coût élevé:Les coûts de développement et de fabrication entraînent des prix d’achat ou de location élevés, limitant l’accessibilité.

Exigences de formation:Les utilisateurs et les soignants ont besoin d’une formation spécifique pour utiliser en toute sécurité les exosquelettes robotiques.

Approbation réglementaire:Chaque appareil doit répondre à des normes et certifications cliniques strictes (par exemple, FDA aux États-Unis, marquage CE en Europe), ce qui peut ralentir l'entrée sur le marché.

Limitations environnementales:Les exosquelettes fonctionnent mieux sur des surfaces relativement planes, ce qui rend la navigation sur des terrains accidentés ou extérieurs plus difficile.

3. Robotique de réadaptation : soutenir les processus de récupération

3.1 Rôle dans la réadaptation

Les robots de rééducation sont conçus pour faciliter le processus thérapeutique des patients se remettant de blessures physiques, d'un accident vasculaire cérébral (AVC) ou de troubles neurologiques. Souvent utilisés en milieu clinique, ces appareils offrent un entraînement intensif, répétitif et spécifique à une tâche, sous la supervision de thérapeutes, essentiel à la neuroplasticité et à la récupération fonctionnelle (Mehrholz et al., 2018).

3.2 Domaines clés de la robotique de réadaptation

Rééducation des membres supérieurs
De nombreux patients victimes d'AVC souffrent d'hémiparésie (faiblesse d'un côté du corps), ce qui rend difficile l'accomplissement des tâches quotidiennes. Les robots de rééducation des membres supérieurs utilisent souvent des systèmes à câbles, des bras robotisés ou des solutions à base d'exosquelette pour assister ou résister aux mouvements des articulations de l'épaule, du coude et du poignet (Kwakkel et al., 2017). Parmi ces robots, on peut citer l'Armeo Power (Hocoma) et le bras robotisé MIT-Manus (Krebs et al., 2003).

Rééducation des membres inférieurs
Les appareils d'entraînement à la marche robotisés, tels que le Lokomat (Hocoma), utilisent une configuration semblable à celle d'un tapis roulant avec un actionnement robotisé au niveau des articulations de la hanche et du genou. Les patients sont suspendus à un harnais qui supporte partiellement leur poids. Les jambes robotisées guident les membres du patient selon une démarche naturelle, favorisant ainsi le réapprentissage de la marche.

Rééducation de la main et des doigts
Les exosquelettes pour les doigts ou les mains ciblent la dextérité et la motricité fine, utilisant souvent des actionneurs et des capteurs légers pour faciliter les mouvements de préhension et de relâchement (Li et al., 2011). Ils peuvent être particulièrement bénéfiques pour les patients se remettant d'un AVC ou d'une blessure à la main.

Intégration de la réalité virtuelle (RV)
De nombreux robots de rééducation avancés intègrent la réalité virtuelle ou des interfaces ludiques pour motiver les patients et leur fournir un retour d'information en temps réel. L'utilisation d'environnements de réalité virtuelle peut améliorer l'engagement, l'observance et les résultats fonctionnels (Deutsch et al., 2020).

3.3 Avantages et preuves cliniques

Répétition et intensité élevées
Les dispositifs robotiques peuvent offrir des séances de thérapie cohérentes et de haute intensité, un facteur crucial dans la conduite des changements neuroplastiques (Langhorne et al., 2009).

Évaluation objective
Des capteurs intégrés aux robots de rééducation mesurent des paramètres tels que la force produite, l'amplitude des mouvements et l'activation musculaire. Ces données permettent un suivi personnalisé des progrès et des ajustements thérapeutiques adaptatifs (Bernhardt et al., 2017).

Cohérence et fiabilité
Comparé à la thérapie manuelle seule, un robot peut fournir des trajectoires de mouvement très cohérentes et contrôler le niveau d'assistance ou de résistance appliqué au patient. Cela réduit la fatigue du thérapeute et la variation des protocoles d'exercice (Mehrholz et al., 2018).

Autonomiser les thérapeutes
Plutôt que de remplacer les thérapeutes humains, les robots agissent comme des outils qui augmentent leurs capacités. Ils gèrent les tâches répétitives, permettant aux thérapeutes de se concentrer sur la prise de décisions stratégiques et les interactions personnalisées avec les patients.

3.4 Défis de la robotique de réadaptation

Coût et complexitéLes systèmes robotiques sophistiqués peuvent être coûteux pour les cliniques. L'entretien, les réparations et la formation du personnel représentent des charges financières supplémentaires.

Besoins spécifiques des patients:Les besoins thérapeutiques des individus varient considérablement, ce qui nécessite une personnalisation des appareils et des programmes.

Limitations technologiques:Les appareils actuels ne peuvent pas reproduire toute la complexité du mouvement normal, ce qui souligne la nécessité de poursuivre les recherches sur la conception biomimétique et le contrôle intelligent.

Questions réglementaires et d'assuranceL'obtention des autorisations réglementaires et des remboursements par les assurances peut être longue. Les données cliniques doivent démontrer la rentabilité de ces technologies pour qu'elles soient largement adoptées (Bertani et al., 2021).

4. Orientations futures et tendances émergentes

Exosquelettes souples
Les cadres rigides peuvent limiter le confort et l'amplitude des mouvements de l'utilisateur. Les exosquelettes souples, composés de textiles, de câbles et d'actionneurs légers, visent à fournir une assistance sans l'encombrement des exosquelettes traditionnels (Cao et al., 2020).

Interfaces cerveau-ordinateur (ICO)
Dans certains prototypes, les BCI permettent aux personnes atteintes de paralysie sévère de contrôler des membres robotisés ou des exosquelettes grâce à des signaux provenant directement du cerveau (Ang et al., 2010). Cela pourrait ouvrir de nouveaux horizons aux personnes atteintes de lésions médullaires graves ou de maladies neurodégénératives avancées.

Intelligence artificielle (IA) et apprentissage automatique
L'intégration d'algorithmes d'IA permet aux exosquelettes et aux robots de rééducation d'apprendre et de s'adapter aux schémas de marche uniques de l'utilisateur ou à la progression de la thérapie. Cette adaptabilité peut conduire à des interventions plus personnalisées et plus efficaces (Orekhov et al., 2021).

Capteurs et surveillance portables
Des capteurs portables intégrés aux vêtements ou aux exosquelettes peuvent recueillir des données biomécaniques et physiologiques approfondies. Grâce à des analyses basées sur le cloud, ces données peuvent aider les cliniciens à ajuster le traitement en temps réel, améliorant ainsi les résultats (Artemiadis, 2014).

Télé-réadaptation et télésurveillance
Grâce à une connectivité accrue, les exosquelettes et les dispositifs de réadaptation peuvent être utilisés à domicile, tandis que les cliniciens suivent les progrès à distance. Cette approche peut étendre la portée des soins spécialisés aux communautés éloignées ou mal desservies (Tyagi et al., 2018).

Les technologies de la robotique et de l'exosquelette ont inauguré une nouvelle ère en matière d'amélioration de la mobilité et de soins de réadaptation. Qu'il s'agisse d'aider les personnes atteintes de lésions de la moelle épinière ou d'améliorer les résultats thérapeutiques des survivants d'un AVC, ces dispositifs démontrent le pouvoir transformateur de la convergence de l'ingénierie et de la médecine.Bien que des obstacles subsistent, tels que le coût, les défis réglementaires et les limitations technologiques, les recherches et innovations en cours en matière de conception, de contrôle et d'IA laissent entrevoir un avenir prometteur. À mesure que ces appareils deviennent plus sophistiqués et accessibles, ils promettent d'améliorer considérablement la qualité de vie de millions de personnes dans le monde.

Références

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Artemiadis, PK (2014). Robotique portable : des exosquelettes aux vêtements intelligentsPresses académiques.
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Clause de non-responsabilitéCet article vise à fournir des informations générales sur la robotique et la technologie des exosquelettes pour l'amélioration de la mobilité et la rééducation. Il ne remplace pas l'avis, le diagnostic ou le traitement d'un professionnel de la santé. Consultez toujours un professionnel de la santé qualifié pour connaître les besoins spécifiques de votre patient.

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