Brevet FR2873017A1 — publié le 20060120

Prothèse myoélectrique à retour sonore La présente invention se rapporte à une prothèse d'un membre du corps d'un être humain, pouvant être mue par l'être humain, par exemple une prothèse de bras, de main, de coude ou analogue, utilisant la technologie myoélectrique pour commander le mouvement de la prothèse. Ce mode de commande utilise la différence de potentiel qui est produite par la contraction musculaire. Les cellules musculaires comportant des anions et des cations, une contraction d'un muscle sain (stimulis) a pour conséquence le déplacement de ces derniers, ce qui provoque une différence de potentiel de l'ordre du microvolt. Cette différence de potentiel est alors recueillie par une ou plusieurs électrodes disposée (s) sur la peau du patient, au niveau du muscle sain. Après éventuelle amplification et analyse par un relais (puce électronique programmable), il est alors décidé d'alimenter le moteur de la prothèse, par exemple du bras, du coude, du poignet ou de la main en fonction du muscle sain qui a été contracté et de l'amplitude de la contraction. Ainsi, une prothèse de ce genre comporte un corps de prothèse, destiné à remplacer au moins en partie le membre, un moteur monté de manière à impartir un mouvement au corps de prothèse, au moins un capteur de tension électrique destiné à être disposé de manière à capter une tension créée par la contraction d'un muscle du corps de l'être humain; et une unité de commande qui commande le moteur pour donner un mouvement au corps de la prothèse en fonction de la valeur de la tension détectée ou d'une valeur liée à celle-ci. Ces prothèses "myoélectriques" de l'art antérieur présentent notamment l'inconvénient suivant. Pour faire réaliser un mouvement donné à la prothèse, le porteur de la prothèse doit contracter un muscle sain, sur lequel a été posée une électrode de détection, avec une intensité donnée. En fonction du muscle contracté ou de l'intensité de la contraction, le mouvement sélectionné (parmi un ensemble de mouvements possibles pré enregistré dans la carte de commande de la prothèse) n'est pas le même. Si le porteur de la prothèse ne parvient pas à réaliser une contraction du muscle qu'il convient de contracter pour réaliser le mouvement qu'il souhaite réaliser ou s'il ne parvient pas à maîtriser suffisamment l'amplitude de sa contraction, la prothèse ne va pas réaliser le mouvement que souhaite réaliser le porteur de la prothèse. Or celui-ci n'a aucun moyen de comprendre son erreur éventuelle ou de s'en rendre compte. II tente en vain de contracter un muscle qu'il croit contracter à une amplitude qu'il croit bonne et rien ne se passe ou un mouvement brusque de trop grande amplitude se passe ou un autre mouvement que celui qu'il souhaite a lieu. Pour parvenir à maîtriser parfaitement ses contractions, il faut de longs mois d'apprentissage dans des centres spécialisés et une fois rentré chez lui, le porteur de la prothèse n'a plus aucune aide. Certains jours, il parvient bien à réaliser les mouvements qu'il souhaite et d'autres jours rien ne marche, alors même qu'il a le sentiment de faire la même contraction que les jours où cela marche. En outre, en fonction de la température extérieure, de la pression atmosphérique et du taux d'humidité, la microtension créée par la contraction d'un muscle n'est pas la même. II en résulte qu'il convient également de tenir compte de ces caractéristiques lorsque l'on effectue une contraction pour réaliser un mouvement. De même, l'humeur du patient n'est pas toujours la même et il peut arriver qu'il soit plus contracté que d'autres jours, plus énervé que d'autres jours, plus "électrifié" que d'autres jours et dans ces cas là, la contraction à réaliser n'est pas nécessairement la même que dans les jours où il est très calme. La présente invention vise à surmonter les inconvénients mentionnés cidessus en proposant une prothèse d'un membre du corps d'un être humain fonctionnant avec la technologie myoélectrique qui est plus facile à utiliser pour le porteur de la prothèse, notamment nécessite moins de temps pour l'apprentissage de son utilisation et lui assure la possibilité d'utiliser sa prothèse en lui donnant le mouvement qu'il souhaite lui donner avec une plus grande régularité au cours du temps, notamment de manière plus indépendante de certaines conditions atmosphériques ou de conditions psychologiques du porteur de la prothèse. Suivant l'invention, la prothèse telle que décrite ci-dessus est caractérisée en ce qu'il est prévu un dispositif d'information destiné à envoyer un signal d'information à l'être humain porteur de la prothèse, signal d'information qui est fonction de l'écart ou des écarts entre la ou les valeurs détectées de la tension ou des tensions ou de la ou des valeurs liées à celles- ci et une ou plusieurs valeurs de consigne. Ainsi, lorsque le porteur de la prothèse va réaliser une contraction, il va être informé en ce qui concerne la valeur de l'amplitude de sa contraction et notamment savoir si elle est trop faible ou trop grande et il lui sera ainsi possible de modifier cette contraction en fonction de l'information pour la rendre cohérente avec ses attentes de mouvement ou de sélection de mouvements. Par exemple, si pour réaliser une flexion du coude gauche pour déplacer l'avant bras gauche vers le haut puis vers la droite, le système est pré enregistré de sorte que le porteur de la prothèse doit réaliser une contraction, par exemple de la cuisse droite, puis une contraction de la cuisse gauche, une information en provenance du système d'information concernant les valeurs des contractions détectées par les électrodes qui seront implantées au niveau de sa cuisse gauche et de sa cuisse droite seront envoyées au porteur de la prothèse. Si par exemple il réalise une contraction trop faible de la cuisse droite, le dispositif d'information va l'en informer. Il pourra ainsi corriger sa contraction jusqu'à obtenir le mouvement qu'il souhaite obtenir avec une contraction d'amplitude normale. Précédemment, si le système avait été réglé pour que le mouvement du coude n'ait lieu que lorsque l'amplitude est normale, c'est-à-dire ni trop petite, ni trop grande, il n'aurait pas, avec une contraction trop faible, réussi à faire pivoter son avant bras vers le haut, alors même qu'il croyait bien effectuer les contractions et il aurait pu penser qu'il y avait un problème lié au système et non pas un problème lié à l'amplitude de sa contraction. En outre, même si les contractions qu'il réalise varient, par exemple en fonction du taux d'humidité, du champ électrique ou magnétique externe ou de ses propres conditions psychologiques ou physiques, il va pouvoir en tenir compte pour réaliser le pivot du coude qu'il souhaite. Suivant un mode de réalisation particulièrement préféré, le signal d'information est un signal auditif, et notamment sous la forme de notes 30 de musique en fonction de l'information à transmettre. Suivant un mode de réalisation encore plus préférentiel, et notamment permettant une grande discrétion vis-à-vis des autres personnes, la prothèse comporte une oreillette reliée au dispositif d'information auditif. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, les valeurs de consigne sont constituées d'une ou plusieurs valeurs minimales de contraction et d'une ou plusieurs valeurs maximales de contraction, le signal pouvant prendre alors trois formes suivant que la valeur détectée est inférieure à la valeur minimum, supérieure à la valeur maximum ou comprise à l'intérieur de l'intervalle valeur minimum/valeur maximum. On décrit maintenant à titre d'illustration uniquement, un mode de réalisation d'une prothèse "myoélectrique" suivant l'invention, en se reportant aux dessins dans lesquels: la figure 1 est un schéma synoptique d'une prothèse suivant l'invention; la figure 2 représente un schéma synoptique de la carte de contrôle de la figure 1; la figure 3 représente un schéma de câblage du microcontrôleur de la prothèse des figures 1 et 2; la figure 4 est une vue d'ensemble d'une prothèse de coude; et la figure 5 représente dans un système à coordonnées tension-temps des stimulis possibles dus à une contraction d'un muscle et la manière dont on peut déterminer qu'ils sont à considérer comme des stimulis forts ou des stimulis faibles. A la figure 4, il est représenté suivant une vue en perspective un exemple de prothèse de coude. Une emboîture 1 permet la jonction de cette prothèse au porteur de la prothèse. La prothèse comporte également un corps 2 de prothèse à l'intérieur duquel se trouvent d'une part des moteurs 7 pour déplacer la main, le poignet et le coude suivant différents mouvements de rotation ou de translation possibles, un interrupteur 3, une batterie 4 d'alimentation en courant, une carte de contrôle 5. Des capteurs 6 (non représentés à la figure) sont reliés d'une part à la carte de contrôle et d'autre part à des muscles sains de la personne qui porte la prothèse, en étant reliés à ces muscles sains de manière à pouvoir capter l'amplitude de la contraction du muscle en question, notamment par l'intermédiaire de la différence de potentiel provoquée par le déplacement des anions et des cations dans les cellules musculaires. La figure 1 représente un schéma synoptique représentant le fonctionnement de la prothèse suivant l'invention. Les capteurs 6 myotiques ou électrodes envoient des signaux après être passés dans un bloc 10 de mise en forme des signaux capteurs au microcontrôleur. La carte de contrôle peut être mise en marche ou fermée par l'intermédiaire de l'interrupteur 3 et reçoit une alimentation en énergie par l'intermédiaire de la batterie 4, ici une pile à 7 V. En outre, le microcontrôleur ou la carte de contrôle 5 peut être relié par exemple à un ordinateur de type PC par l'intermédiaire d'une liaison série permettant sa programmation, en particulier la programmation d'informations telles que des valeurs de seuil. En outre, le microcontrôleur 5 envoie en sortie des sons après amplification et passage par le bloc 11 d'amplification et création de son à une oreillette 12 reliée à la personne portant la prothèse. Enfin, le microcontrôleur est relié aux moteurs qui font fonctionner les différentes parties de la prothèse par l'intermédiaire du bloc 13 de mesure du courant des moteurs. Le microcontrôleur est représenté à la figure 2. Le microcontrôleur ici décrit est un microcontrôleur ST52X430 de la société STMicroelectronics. II comporte un module de logique floue qui permet de réaliser le module d'adaptation des seuils. Il s'agit d'un contrôleur de 8 bits de la famille FIVE fabriqué par STMicroelectronics qui possède un coeur booléen et un coeur de logique floue. Il possède en outre un convertisseur analogique numérique, des synchronisateurs, un module de communication série et un mode veille qui permet de minimiser l'énergie consommée. Le microcontrôleur comprend 28 pattes, PCl/MOS1, PCOIC4 et B7, PB6, PB5, PB4, PB3, PB2, PB1, PC2, PC3, PC4, PC5, PA7, PA6, PAS, PA4, PA3, PA2, PA1, PAO, RESET VSS, VPP, OS IN, OS OUT et VDD. Les étapes de procédé effectuées par le microcontrôleur sont introduites par l'intermédiaire de l'ISP. Les données liées au traitement des données, par exemple les valeurs de seuil, sont fournies par l'intermédiaire de la liaison série. Par exemple dans le cas représenté à la figure, des signaux des capteurs 6 sont prélevés à deux pattes intitulées capteur 2 et capteur 1. Ces données sont envoyées en entrée dans le microcontrôleur 5 qui, en fonction des valeurs reçues, et après traitement des signaux capteurs en vue de leur comparaison avec des valeurs seuils, comparaison avec des valeurs seuils fournit des valeurs de commande pour par exemple le moteur de commande du poignet, le moteur de commande de la main et le moteur de commande du coude. On prévoit ainsi deux moteurs pour le poignet, deux moteurs pour la main et deux moteurs pour le coude pour pouvoir les faire tourner dans un sens ou dans l'autre. Une première possibilité concernant le traitement des signaux provenant des électrodes myoélectriques consiste à introduire, par l'intermédiaire de la liaison série, deux valeurs seuil minimales, une pour chaque capteur et deux valeurs seuils maximales, une pour chaque capteur. Chaque signal de capteur est ensuite comparé à la valeur seuil minimum et à la valeur seuil maximum respectives. Si le signal du capteur se trouve en dessous de la valeur seuil minimum, il est envoyé la note de musique do au porteur de la prothèse par l'intermédiaire de l'oreillette. Si au contraire, le signal de capteur est supérieur aux valeurs de seuil, il est envoyé la note de musique sol. Dans le cas où le signal des capteurs se trouve dans le domaine compris entre la valeur minimum et la valeur maximum de seuil, il est envoyé une note de musique, par exemple mi, ou bien même il n'est rien envoyé et en outre, le poignet, la main et le coude sont commandés conformément à la séquence des signaux capteurs reçus. Un stimulus a généralement la forme sensiblement d'une courbe croissante, puis décroissante pendant une petite durée. On peut voir par exemple à la figure 5 les stimulus dont la forme a été approximée par des triangles. Suivant le système décrit ci-dessus, pour déterminer si un signal est fort ou faible, on mesure sa valeur maximum, c'est-à-dire la pointe du triangle. Si elle dépasse le seuil haut, il s'agit d'un signal faible. Si elle ne dépasse pas le seuil bas, il s'agit d'un signal faible. L'inconvénient de ce type de mesure est qu'il faut attendre assez longtemps que le stimulus ait été totalement mesuré pour obtenir une commande du poignet, du coude, ainsi que les notes de musique. Le temps de latence ou d'inertie du système peut être désagréable pour le porteur de la prothèse. Une autre manière de déterminer des signaux forts, des signaux faibles et des signaux convenables, consiste à prévoir à l'avance une pente limite forte et une pente limite faible en plus d'un seuil haut et d'un seuil bas. Dans le cas où la pente de départ du signal (c'est-à-dire la partie avant le sommet du stimulis), se trouve à gauche de la pente limite forte, il est déterminé qu'il s'agit d'un signal fort quel que soit finalement la valeur finalement prise par le sommet. S'il se trouve à droite de la pente limite faible, il s'agit d'un signal faible quel que soit finalement la valeur finalement prise par le sommet. On part ainsi du principe que statistiquement, dans le cas d'une pente forte (à gauche de la pente limite forte) le sommet sera la plupart des cas au delà de la valeur seuil maximale, et inversement dans la cas d'une pente faible. Entre les deux, il s'agit d'un signal acceptable. Ensuite, on peut en outre raffiner cette détermination en utilisant le seuil haut et le seuil bas et en décidant que si le seuil bas n'est pas dépassé dans le cas d'une pente comprise entre la pente limite forte et la pente limite faible, il s'agit d'un signal trop faible et si le seuil haut est dépassé, il s'agit d'un signal trop fort. Une fois la "force" du signal déterminée, on commande ensuite l'envoi des notes de musique en fonction de cette force. Plusieurs types d'information peuvent être fournis par le système suivant l'invention. Par exemple, un premier type d'information peut aider le patient à comprendre le fonctionnement de la prothèse et quel mouvement ou action il a sélectionné. En supposant que le patient doit faire une combinaison de contractions pour sélectionner un mouvement particulier (par exemple la montée de l'avant bras gauche puis sa rotation vers la droite), il pourra être informé que la carte de commande a bien compris son message par l'envoi d'un signal sonore lui indiquant, par exemple, quel mouvement il souhaite effectuer. Pour ce faire, des notes de musiques peuvent être attribuées à chaque mouvement donné. Sinon, on peut simplement faire envoyer par la carte de commande des signaux de paroles enregistrées tels que "rotation vers le haut de l'avant bras gauche, puis rotation vers la gauche". Un second type d'information permet au patient de dialoguer avec la carte de commande. II peut par exemple réaliser une série de contractions pour sélectionner une fonction. Ce dialogue peut également permettre au patient de réaliser un réglage de ses électrodes en fonction de ses capacités. Un troisième type d'information est la plus importante pour les porteurs de la prothèse ayant du mal à régler les contractions et qui ne comprennent pas pourquoi leur prothèse ne marche pas bien. Dans ce cas, le patient réalise une contraction, le système lui retourne une information lui donnant une indication sur l'intensité du signal (trop fort, trop faible ou bon) sur chaque capteur. Si la contraction est trop forte ou trop faible, il a l'information et il peut tenter de modifier cette contraction pour en faire une contraction d'amplitude acceptable pour le mouvement ou la sélection de mouvements qu'il souhaite réaliser. REVENDICATIONS 1. prothèse d'un membre du corps de l'être humain comportant un corps (2) de prothèse, destiné à remplacer au moins en partie le membre, au moins un moteur (7) monté de manière à impartir au moins un mouvement au corps (2) de prothèse, au moins un capteur (6) de tension électrique, destiné à être disposé de manière à capter au moins une tension créée par la contraction d'un muscle du corps de l'être humain; et une unité (5) de commande qui commande le ou les moteurs pour donner un mouvement au corps (2) de la prothèse en fonction de la valeur de ladite au moins une tension détectée ou d'une valeur liée à celle-ci, caractérisée en ce qu'il est prévu un dispositif d'information destiné à envoyer au moins un signal d'information à l'être humain porteur de la prothèse, ledit au moins un signal d'information qui étant fonction de l'écart ou des écarts entre la valeur détectée de ladite au moins une tension ou de la valeur liée à celle-ci et une ou plusieurs valeurs de consigne. 2. Prothèse suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le signal d'information est un signal auditif, et notamment sous la forme de notes de musique en fonction de l'information à transmettre. 3. Prothèse suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la prothèse comporte une oreillette reliée au dispositif d'information auditif. 4. Prothèse suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les valeurs de consigne sont constituées d'une ou plusieurs valeurs minimales de contraction et d'une ou plusieurs valeurs maximales de contraction, le signal pouvant prendre alors trois formes suivant que la valeur détectée est inférieure à la valeur minimum, supérieure à la valeur maximum ou comprise à l'intérieur de l'intervalle valeur minimum/valeur maximum. 5. Prothèse suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les valeurs seuils sont constituées d'une valeur de pente forte limite et d'une valeur de pente faible limite, la pente initiale de la contraction ou de la courbe de tension détectée étant comparée à ces deux valeurs de pente limites forte et faible, et le signal d'information prenant une première forme si cette pente initiale est supérieure à la pente limite forte, une deuxième forme si cette pente initiale est inférieure à la pente limite faible et une troisième forme dans le cas d'une pente initiale comprise entre les deux valeurs de pente limites faible et forte. 6. Prothèse suivant la revendication 5, caractérisé en ce que pour déterminer ladite troisième forme, la valeur du sommet est comparée avec deux valeurs de seuil fort et faible et la première forme de signal est également envoyée si la valeur seuil fort est dépassée et la deuxième forme de signal étant envoyée si la valeur seuil faible n'est pas dépassée et une troisième forme de signal, notamment un signal nul (pas de signal) étant envoyée si la valeur du sommet est comprise entre les deux valeurs seuils fort et faible.