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CYBATHLON 2016

Marine Loyen - 26/09/2016

Projet Freewheels : la performance technologique clé d’accès à la compétition sportive !

Préparatifs techniques - © Inria / Photo C. Morel

Le 8 octobre, Jérôme Parent participera à une compétition sportive un peu particulière : le Cybathlon.

Objectif pour ce quadragénaire sportif, paraplégique depuis plus de vingt ans, parcourir 750 m sur un vélo actionné par ses jambes grâce à la stimulation électrique.

Le résultat de près d’une année de travail acharné et de choix techniques difficiles.

Depuis des mois, l’équipe du projet Freewheels affine sa stratégie technico-sportive avant la compétition du Cybathlon. L’objectif de ce travail minutieux : permettre à Jérôme Parent de ne faire qu’un avec son vélo. Et pour cela, Christine Azevedo et Benoît Sijobert, de l’équipe de recherche CAMIN du centre Inria Sophia Antipolis- Méditerranée et du Laboratoire LIRMM (Montpellier),  ne partaient pas de rien. En effet, leur équipe de recherche développe des dispositifs de stimulation électrique, pour assister des personnes ayant des déficiences motrices (hémiplégie, maladie de Parkinson, lésion médullaire…).. Les chercheurs de l’équipe CAMIN travaillent depuis de nombreuses années avec le docteur Charles Fattal, chef de service au CRF DIVIO de Dijon, mais ils ne s’étaient jusqu’alors jamais intéressés au cyclisme

Une adaptation constante des outils

 « La société BerkelBike est l’une des rares entreprises à proposer des vélos à assistance électrique fonctionnelle. Un nouveau stimulateur programmable est en cours de développement et notre expertise en automatique les intéresse. C’est pourquoi nous avons établi un partenariat » explique Christine Azevedo. « Cette entreprise propose des produits haut de gamme, destinés principalement à la rééducation. Pour Freewheels on souhaitait plutôt adapter un système de stimulation électrique à un tricycle meilleur marché. Nous avons donc choisi d’adapter le stimulateur électrique BerkelBike à un vélo couché à trois roues issu du commerce, dont la baume, la hauteur des roues et le mode de pédalage ont été réglés précisément pour Jérôme. Le vélo, conçu pour des personnes valides, devait répondre à plusieurs critères à la fois ergonomiques et techniques. Le tricycle a été sélectionné comme offrant un transfert aisé depuis le fauteuil roulant via des poignées escamotables, avec une position évitant au maximum le risque de chutes ou d’escarres, tout en limitant au maximum la résistance au roulement (pneus lisses à carcasse souple et cadre léger en aluminium) .» L’équipe du projet Freewheels a notamment fait le choix de transformer la roue libre en pignon fixe : le vélo s’arrête dès que les pédales cessent de tourner. Cela permet d’utiliser la force inertielle des roues afin d’aider Jérôme Parent à remonter les pédales et à passer des points morts difficiles à franchir avec ses seuls quadriceps et ischio-jambiers.

Développer un patron de stimulation

Ensuite, le programme de stimulation a été adapté : l’objectif est que les muscles de Jérôme Parent se fatiguent le moins possible durant toute la course, afin qu’ils soient assez endurants pour tenir sur 750 m. La solution retenue divise la stimulation en six canaux. « Nous ne pouvons réaliser qu’une stimulation externe des muscles, ce qui nous empêche de stimuler tous ceux impliqués dans le pédalage d’une personne valide. Par ailleurs, les fessiers de Jérôme ne peuvent être utilisés, ce qui donne une contrainte supplémentaire » explique Christine Azevedo. Deux canaux de stimulation seront placés sur chaque groupe de quadriceps afin d’éviter une fatigue précoce et répartir les sollicitations sur différents muscles et un autre canal activera les ischio-jambiers. Un capteur repère la position du pédalier et envoie l’information au stimulateur. En fonction du patron de stimulation programmé, les différents groupes musculaires sont stimulés pour déclencher leur contraction à un certain angle de pédalage. Il aura fallu des mois pour affiner ce patron de stimulation, afin d’obtenir le mouvement le plus fluide possible, sans fatiguer à outrance les jambes du coureur. Le premier critère d’évaluation était le retour de Jérôme : « Pendant les entraînements, j’indiquais à l’équipe s’il y avait un défaut dans mon pédalage. Parfois, j’avais des sensations anormales, comme si je basculais en arrière ou bien je voyais que mes mouvements étaient saccadés : nous avons donc modifié les patrons au jour le jour.  »

Plusieurs capteurs ont été intégrés afin de suivre de façon plus quantitative les performances du pilote, au travers d’un logiciel créé spécialement pour le projet Freewheels par Benoît Sijobert dans le cadre de sa thèse. Des centrales inertielles (HIKOB, start-up Inria), une ceinture de monitoring cardiaque (technologie ANT+) et des pédales de puissance (Powertap) ont permis de suivre la cadence, la vitesse, la distance ou encore l’angle de pédalage obtenus pendant l’entrainement. A l'origine les paramètres du stimulateur devaient pouvoir être modulés en temps réel, mais les délais avant la compétition n’ont pas permis l’évolution technologique requise pour intégrer ces données dans la boucle de commande.  Outre le patron d’activation associé à l’angle du pédalier, la stimulation électrique est définie par trois paramètres principaux : l’intensité du courant, la durée des impulsions et leur fréquence. Jérôme peut modifier le premier paramètre pendant qu’il pédale afin de maintenir des contractions musculaires efficaces malgré l’installation progressive de la fatigue, les autres paramètres sont établis à l’avance.

Un entraînement au long cours

Pendant près d’un an, le Dr. Fattal, assisté de la kinésithérapeute Anne Daubigney, ont préparé les muscles de Jérôme à la stimulation. Pendant toutes les séances d’entraînement, le rythme cardiaque, la pression artérielle du pilote et la durée maximum avant que la fatigue apparaisse ont été enregistrés. « Nous avons constaté une amélioration très importante de l’endurance, il peut désormais tenir 7 minutes complètes,  explique le médecin. « Nous avons considéré Jérôme, non pas comme un patient mais comme un membre de l’équipe à part entière et ses remarques sont très importantes pour nous faire avancer », rapporte Christine Azevedo. « Charge à lui également de comprendre comment être dans les meilleures dispositions possibles au moment du départ : « je crois que le jour de la compétition, il faudra que je fasse un échauffement assez court, juste de quoi mettre mes muscles à température  », conclut Jérôme. Après la compétition, des examens permettront de déterminer si la densité osseuse s’est accrue et si la composition des muscles de Jérôme Parent a «évolué favorablement . » « L’objectif du projet Freewheels va au-delà de la compétition , explique Charles Fattal. Nous voulons permettre à d’autres personnes paraplégiques ou tétraplégiques de recourir à ce type d’outils. Une fois la preuve de concept et la faisabilité établies grâce à Jérôme, nous pourrons travailler avec un plus grand nombre de patients.  »

La compétition

Pour l’ensemble de l’équipe, la difficulté essentielle aura été de se préparer à une compétition. Jérôme Parent devra donner le meilleur de lui-même à un moment précis. Il n’aura pas l’occasion de recommencer. « C’est un gros changement dans nos habitudes : dans le cadre de nos autres expériences, le patient peut être fatigué un jour, il revient à un autre moment pour recommencer et cela n’a pas trop d’importance. Dans ce cas précis, nous devons comprendre parfaitement comment réagit Jérôme et quel est le programme d’entraînement le mieux adapté pour lui  », explique Christine Azevedo. Son équipe a également cherché à adopter la solution la plus robuste possible, afin qu’elle soit opérationnelle à coup sûr le jour J, les « choix ont parfois été difficiles car ils allaient à l’encontre de notre envie de raffinement technique et scientifique pour garantir l’opérationnalité dans le contexte d’une course

Et Christine Azevedo de conclure

Participer tous ensemble au Cybathlon est la récompense des mois de préparation et de travail, nous considérons que notre équipe a gagné le défi qu’elle s’était proposé de relever quelle que soit l’issue de cette course.

Un dernier impondérable

Le dernier impondérable est celui du revêtement du sol, le jour de la compétition. Selon son degré de résistance, Jérôme aura besoin de plus ou moins de force pour pédaler. L’équipe au complet n’y aura accès que quarante-cinq minutes juste avant le départ de la course.

Mots-clés : Stimulation électrique Freewheels Cybahlon Cyborg Déficiences motrices LIRMM Inria - Centre de Recherche Sophia Antipolis - Méditerranée

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