Sites Inria

Neurosciences

Françoise Breton - Laurent Bougrain - 17/05/2012

Un bras artificiel commandé par la pensée

Olivier Rochel Olivier Rochel et le bras artificiel - © Inria

Créer des prothèses commandées par le cerveau ? C’est le projet de longue haleine auquel les chercheurs d’Inria participent et qui commence a porté ses fruits. Laurent Bougrain, de l’équipe Cortex, a d’ores et déjà réussi à décoder les signaux du cortex moteur correspondant à la direction du mouvement des doigts et à la force associée. Combiner au décodage de la direction du mouvement, ce travail permettra, à terme, d’actionner un bras robotisé

Comment restaurer le fonctionnement d’un membre suite à une lésion de la moelle épinière ou à une maladie neurodégénérative, ou du moins y pallier partiellement ? « Nous cherchons à réaliser une deuxième voie de commande qui permette d’utiliser l’activité du cortex moteur pour stimuler le membre atteint ou bien pour activer un bras artificiel » , explique Laurent Bougrain, chercheur de l’équipe Cortex, à Nancy.

Quelle que soit l’application visée, sa réalisation nécessite en premier lieu d’établir des correspondances entre des gestes et l’activité cérébrale afin d’être en mesure de prédire ensuite le mouvement voulu à partir de cette activité. «  On sait associer la direction du bras ou la main utilisée à des signaux particuliers recueillis par des capteurs placés sur le cuir chevelu (électroencéphalographie) , souligne Laurent Bougrain, mais déterminer les mouvements des doigts et la force associée au geste nécessite de placer les capteurs plus près de l’endroit où les signaux sont émis. Ainsi les signaux sont moins déformés, donc de meilleure qualité et plus spécifiques.  » Pour cela, il faut implanter des électrodes directement sur ou dans la matière grise, une intervention qui se pratique dans des situations pathologiques particulières, notamment en neurologie pour identifier un foyer épileptogène avant son ablation. Grâce à la participation de patients volontaires et d’expériences similaires réalisées sur le singe par une équipe londonienne, Laurent Bougrain a pu identifier avec une bonne précision les signaux correspondant aux mouvements des doigts, à leur amplitude et à la force exercée.  Il a déjà remporté en 2008 une compétition internationale visant à décoder la flexion des doigts de la main à partir de signaux électrocorticographiques, c’est-à-dire enregistrés à la surface du cortex.

Inria

L’autre versant du problème consiste à utiliser ces signaux pour piloter une prothèse. Le bras artificiel Jaco, financé à cette fin par Inria et la Région Lorraine dans le cadre d’un pôle de recherche scientifique et technologique, s’intègre à une plateforme nancéenne supportée également par l’action d’envergure PAL (Personally assisted living ) correspondant à un appartement équipé de capteurs et de robots destinés à assister les personnes dans leur vie quotidienne. Le bras sera, à terme, fixé sur un fauteuil roulant et les logiciels intégrés dans le bras pourront être testés en situation. Pour l’heure, l’objectif est de décoder à partir de l’activité cérébrale les informations nécessaires au mouvement du bras artificiel et des doigts. « Nous modélisons les liens entre activité cérébrale et mouvement du bras artificiel et nous faisons des simulations pour évaluer leur capacité à reproduire l’action  », précise Laurent Bougrain. Mais pour que cela fonctionne effectivement, il faut savoir gérer les contraintes mécaniques et électroniques imposées par le bras Jaco. C’est indispensable pour avoir un contrôle précis du mouvement des doigts et de la force à mettre dans les doigts . » Une partie du contrôle des mouvements se fait cependant au niveau du bras lui-même, afin que, par exemple, le bras s’arrête automatiquement s’il envahit l’espace personnel de l’utilisateur ou entre en contact avec un objet avant que la personne ait eu le temps de rectifier.

« Nous préparons également, avec le CEA-List, un projet1 destiné à mettre en œuvre la commande cérébrale sur des personnes volontaires , précise Laurent Bougrain. Une première opération est prévue à la fin de l’année.  » Les capteurs implantés sur le cortex moteur enregistreront l’activité électrique cérébrale et communiqueront par ondes radio les signaux pertinents à un bras artificiel ou bien piloteront un exosquelette qui enrobe le bras ou, comme l’envisage à plus long terme le CEA, les quatre membres afin d’assister les personnes dans leurs déplacements.

Ces applications ne sont pas pour demain et sont lourdes à réaliser. Les chercheurs visent ainsi une application plus limitée mais qui peut néanmoins rendre des services à des gens qui ne peuvent manipuler un joystick mais pourraient actionner le bras artificiel grâce à l’identification de signaux électroencéphalographiques. « Nous réalisons aussi des interfaces cerveau-machine basées sur ces signaux. Leur faible qualité ne permet de contrôler que successivement la direction du bras, la position du poignet et l’ouverture/fermeture des doigts mais cela peut suffire pour des gestes simples et améliorer l’autonomie et la qualité de vie de ces personnes  », conclut Laurent Bougrain.

1 Ce projet est réalisé dans le cadre de Clinatec, le centre de recherche biomédicale dédié aux applications des micro et nanotechnologies pour la santé regroupant le CEA, l’université de Grenoble, L’Inserm et l’université Joseph Fournier.

Un travail d’équipe

Ingénieur de recherche sur la plateforme expérimentale de Nancy, Olivier Rochel  est très investi dans le projet de bras artificiel pour lequel ses connaissances en robotique et en neurosciences sont un précieux atout. « Chacun de ces domaines est très complexe. Mettre les deux ensemble est d’autant plus compliqué !  » s’exclame Olivier Rochel. Le travail d’équipe commence dès la phase de lancement du projet afin d’en assurer la cohérence à tous les niveaux. « Je travaille en interaction permanente avec Laurent Bougrain pour qu’il prenne en compte dans ses recherches les contraintes liées au matériel. De mon côté je dois être au courant des objectifs et des verrous scientifiques à lever afin de penser des stratégies et les développements nécessaires pour faire fonctionner le matériel dans ce contexte particulier.  » Il faut ainsi tenir compte des imprécisions des capteurs, des contraintes électriques, mécaniques, etc. liées au fonctionnement du membre artificiel. Ces caractéristiques peuvent entraîner, par exemple, des délais entre l’ordre et sa prise en compte qui nécessite d’adapter le logiciel. L’équipe bénéficie aussi de son expertise sur l’ensemble des matériels et des logiciels développés sur la plateforme. « Connaître l’historique de ces matériels facilite leur mutualisation et leur adaptation pour d’autres projets. Je cherche aussi des outils qui peuvent être utilisés par tout le monde.  » 

Mots-clés : Equipe Cortex Université de Grenoble Ingénieur de recherche Laurent Bougrain Bras artificiel Centre de recherche Inria Nancy - Grand Est CEA Signaux électrocorticographiques Neurosciences

Haut de page

Suivez Inria tout au long de son 50e anniversaire et au-delà !