Les robots se dirigent pendant le sommeil

En fait, c'est connu depuis longtemps : Si l'on berce un petit enfant dans un berceau, il s'endormira plus facilement. Des mouvements réguliers, par exemple dans un hamac ou dans un train en marche, aident également les adultes à s'endormir. Mais étonnamment, l'effet exact de tels mouvements et la question de savoir s'ils pourraient aider les personnes souffrant de troubles du sommeil n'ont guère été étudiés. Robert Riener, Professeur de systèmes sensori-moteurs,veut maintenant combler cette lacune. En collaboration avec Peter Achermann, qui dirige le groupe de chronobiologie et de recherche sur le sommeil à l'Université de Zurich, il a développé des lits spéciaux avec lesquels il veut étudier le lien entre le mouvement et le sommeil. Un premier lit effectue un doux mouvement de balancier, à la manière d'un berceau. Le deuxième pousse les dormeurs horizontalement d'avant en arrière, au choix dans le sens transversal ou longitudinal, ou se soulève et s'abaisse selon les besoins. Le fait que les mouvements soient clairement séparés a ses raisons, explique Riener : "Si nous mélangeons les trois modèles, nous pouvons moins bien étudier le rapport. Et les sujets se sentent plus vite nauséeux".

Souple et silencieux

Actuellement, les lits sont en phase de test. Dans le laboratoire du sommeil, les personnes testées sont équipées de capteurs de mesure qui donnent des informations sur la profondeur du sommeil. Outre les ondes cérébrales, les chercheurs mesurent également la fréquence respiratoire et cardiaque. Sur la base de ces enregistrements, ils veulent déterminer l'effet des mouvements sur le comportement d'endormissement et la qualité du sommeil. Dans une prochaine étape, le lit sera commandé directement par les données physiologiques. Dès que l'appareil remarque, à l'aide des ondes cérébrales et des fréquences cardiaques, que le sujet dort moins profondément, il essaie d'empêcher le réveil en effectuant les mouvements correspondants. Si cela réussit, cela pourrait aider les personnes souffrant de troubles du sommeil à retrouver un sommeil plus profond et plus réparateur. Riener peut également imaginer d'autres applications : "Il est possible que de tels mouvements pendant le sommeil aient également un effet bénéfique sur les personnes souffrant de troubles psychiques".

Pour Riener, qui s'occupe depuis des années du développement d'appareils médicaux en tant qu'ingénieur, différentes questions techniques se posent également. La construction du lit, par exemple, a constitué un défi qu'il ne faut pas sous-estimer. Les moteurs doivent déplacer le lit - qui pèse plus de 100 kilos avec la personne testée - sans le moindre à-coup et doivent en outre fonctionner pratiquement sans bruit, afin que le sommeil ne soit pas perturbé par ces effets secondaires. Il sera encore plus exigeant de coupler la mécanique à la physiologie humaine. "La profondeur du sommeil n'est en effet pas une grandeur que l'on peut simplement attribuer à une valeur claire", estime Riener.

L'adaptation ciblée à l'individu joue également un r?le central dans un autre projet de l'ingénieur de l'ETH : avec son groupe, il développe une prothèse active qui permet aux patients amputés d'une jambe d'effectuer des mouvements imitant ceux de la jambe saine. "La plupart des prothèses sont des organes de remplacement passifs", explique Riener. "Ce n'est pas le cas de notre modèle : le genou artificiel est équipé d'un moteur qui permet de déplacer la jambe artificielle".

Pour que les mouvements reproduisent encore mieux le modèle naturel, l'articulation est en outre dotée de ressorts mécaniques qui soutiennent le moteur et le protègent contre les chocs soudains. Avec la prothèse active, les personnes concernées peuvent plus facilement monter des escaliers ou marcher sur un plan incliné. Et la prothèse peut faire encore autre chose : elle est équipée de capteurs de pression, de sorte que le patient ressent à chaque fois, via des électrodes fixées dans le dos, la force avec laquelle il appuie sur le sol.

L'homme doit garder le contr?le

Selon Riener, le plus grand défi de ce dispositif est également l'interaction avec l'homme. "La prothèse doit reconna?tre automatiquement les intentions du patient afin que ce dernier puisse vraiment l'utiliser comme s'il s'agissait d'une jambe saine". Pour l'instant, le contr?le fonctionne gr?ce à des capteurs placés sur les vêtements de la jambe saine. Gr?ce à ces capteurs, la prothèse reconna?t le mouvement que le patient veut effectuer. Cette adaptation automatique n'est possible que parce que les chercheurs utilisent des algorithmes de régulation raffinés qui commandent le moteur de manière rapide et flexible. L'élément décisif est que l'homme garde le contr?le. "La prothèse doit s'adapter à l'homme et non l'inverse, sinon elle ne sera pas acceptée par les patients", constate Riener.

La prothèse de genou est également en phase d'essai. "Notre appareillage n'est en fait destiné qu'à un groupe cible limité, à savoir surtout les patients ?gés", explique Riener. Les patients jeunes et forts ont beaucoup moins de mal à monter les escaliers et n'ont donc pas forcément besoin d'un tel appareil. L'exemple de la prothèse active montre justement qu'un développement réussi de tels appareils suppose une étroite collaboration des ingénieurs avec les médecins, le personnel soignant et les patients. "En tant qu'ingénieur, je dois savoir quels sont les problèmes auxquels les patients sont réellement confrontés dans leur vie quotidienne et où se situe le besoin d'une assistance mécanique", estime Riener. "Sinon, nous développons des appareils dont personne n'a besoin".

A l'interface entre les sciences de l'ingénieur et la médecine, Roger Gassert a lui aussi, Professeur assistant en technique de réhabilitation, a situé ses projets. Tout comme Riener, qui a développé des appareils innovants pour les patients victimes d'attaques cérébrales avec les robots moteurs "Armin" et "Lokomat", Gassert s'intéresse également à de nouvelles approches pour la rééducation. Pour l'un de ses projets, il se concentre délibérément sur la main. "Il existe déjà de nombreux appareils qui soutiennent les mouvements des épaules, des coudes et des poignets", explique l'ingénieur. "Mais ce qui fait encore largement défaut, ce sont des robots qui entra?nent les fonctions de la main", ce qui serait pourtant important pour les patients victimes d'une attaque cérébrale, qui ont généralement du mal à ouvrir leurs mains et à saisir des objets. Outre les capacités motrices, les capacités sensorielles sont souvent limitées. Les patients ne sentent plus vraiment la force avec laquelle ils tiennent un objet.

Avec son équipe, Gassert a développé un robot qui favorise l'échange entre la main et le cerveau dans les deux sens. Lors d'un exercice, les patients doivent saisir à l'aveugle des blocs de bois de différentes longueurs avec les doigts, puis reconna?tre de quel bloc il s'agit en fonction de la position de la main. Le robot développé par Gassert simule cet exercice : les patients saisissent les blocs virtuels en pressant l'une contre l'autre deux poignées mobiles. Le robot définit, par le biais de la régulation, la durée pendant laquelle les poignées peuvent être déplacées librement et le point à partir duquel elles sont bloquées. Le patient ressent alors la taille des blocs virtuels.

Le robot permet de mesurer objectivement les capacités sensorielles. "Dans la vie quotidienne, les thérapeutes ont certes une bonne intuition pour savoir si quelqu'un fait des progrès. Mais si nous voulons progresser dans ce domaine spécialisé, nous avons besoin de plus en plus de données de mesure objectives", est convaincu Gassert. Actuellement, l'appareil est testé dans une clinique de rééducation au Tessin. Les premiers résultats sont encourageants : le travail avec le robot thérapeutique semble apporter une amélioration sensible, notamment parce que l'appareil permet d'augmenter progressivement l'intensité de l'exercice.

Couper, piquer, coudre

Un deuxième projet, sur lequel Gassert travaille actuellement de manière intensive, vise en revanche une toute autre direction. Dans le cadre d'un projet de l'UE, il développe avec des chercheurs d'autres universités un robot chirurgical qui devrait plus tard effectuer certaines interventions simples de manière autonome. L'objectif est de décharger les médecins. "Comme pour le pilotage d'un avion, l'homme se chargerait à l'avenir surtout des phases les plus complexes, tandis qu'il n'aurait plus qu'à surveiller la machine pour les éléments les plus simples", explique Gassert. Les scientifiques sont toutefois loin d'en être là : en ce moment, ils construisent le premier prototype. S'il fonctionne comme prévu, il pourra effectuer trois t?ches : Prélever un échantillon de tissu par ponction, suturer une petite plaie et découper du tissu dans une plaie. Pour ce faire, la commande du robot utilise des données collectées avant et pendant l'intervention à l'aide de procédés d'imagerie. Cela permet à la machine de réagir si les organes se déplacent pendant l'intervention.

Concrètement, le robot chirurgical se compose de deux "mains" mobiles qui peuvent chacune saisir quelque chose avec deux "doigts". Les mains sont fixées par des "bras" mobiles à une plaque pivotante, elle-même suspendue à un système de rails. "La construction s'inspire d'un médecin qui se penche sur le patient", explique Gassert. Au total, l'appareil dispose de 18 degrés de liberté - les exigences en matière de régulation sont donc très élevées.

Bien sentir la force

L'une des principales nouveautés est que l'appareil est équipé de capteurs de force. Pendant les interventions, le robot peut détecter la force exercée sur les tissus. Cela permet d'éviter d'éventuels dommages sur les organes. La mesure de la force est également un avantage lors de la suture des plaies par le médecin. Avec les robots chirurgicaux actuels, le médecin voit certes sur l'écran que le fil est tendu. Mais il ne sait pas à quel point il est sollicité.

Les différentes parties du robot, développées dans plusieurs universités, ont été assemblées cet automne dans le laboratoire de Gassert. "A Zurich, nous nous sommes concentrés sur le développement et la régulation du robot", rapporte-t-il. "Les autres équipes ont développé l'acquisition et la surveillance des données". Si tout se déroule comme prévu, les ingénieurs s'entra?neront bient?t aux premières opérations sur des organes animaux avec des médecins de l'H?pital universitaire de Zurich. "Il s'écoulera encore quelques années avant que le robot n'effectue des interventions de manière autonome", déclare Gassert en modérant les attentes trop élevées. "Entre autres, nous devons encore clarifier certaines questions de sécurité - par exemple, ce qu'il advient des patients si une erreur inattendue survient pendant l'opération".