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Wearable exoskeleton for knee rehabilitation with Functional Electrical Stimulation

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Un exosquelette intelligent améliore la rééducation du genou

Les blessures au genou nécessitent souvent une rééducation plus longue que prévu, avec des résultats décevants. BELK a créé une solution portable, utilisable à domicile pendant la marche normale et activée uniquement en cas de besoin.

Santé

Les blessures au genou, l’un des problèmes articulaires les plus courants, peuvent être causées par le sport, les accidents de la route, les lésions cérébrales, l’arthrite et d’autres maladies dégénératives liées à l’âge. La rééducation vise généralement à récupérer le degré de flexion du genou mais s’arrête une fois que les 100 º de flexion sont atteints, ce qui ne tient pas compte du schéma de marche et du mouvement naturel du genou. Le projet BELK, soutenu par l’UE, a mis au point un exosquelette «d’assistance au besoin» qui applique un couple proportionnel uniquement lorsqu’un patient s’écarte du modèle de mouvement souhaité préprogrammé. Le dispositif est basé sur un algorithme qui pilote simultanément le programme d’assistance au besoin et sur un réseau d’électrodes d’électrostimulation fonctionnelle (FES pour «functional electro stimulation») qui induit une contraction musculaire. «Ce contrôle du champ de force avec FES intégrée produit un modèle de marche naturel», explique Carlos Fernandez, coordinateur du projet. «Le système assiste le mouvement uniquement lors d’un étirement, lorsque les patients ne peuvent pas le faire eux‑mêmes, ce qui permet une rééducation plus intentionnelle et intuitive. Aucune alternative commerciale ne propose cela.»

La solution de l’exosquelette à articulation unique

Gogoa Mobility Robots, l’hôte du projet, a entrepris de mettre au point un dispositif portable de rééducation du genou utilisable à la fois par les kinésithérapeutes et les patients eux‑mêmes, à domicile ou dans la rue. La solution qui en résulte se compose de trois éléments principaux: un exosquelette robotique, une télécommande et un collecteur de données. Cet exosquelette léger est conçu pour être facilement et rapidement adapté à l’anatomie du patient et peut être utilisé en position couchée, assise ou en marche. Alimenté par une batterie au lithium, pouvant supporter jusqu’à quatre heures de mouvement continu, BELK peut générer jusqu’à 35 Nm (newton mètre) dans l’articulation du genou. L’appareil lui‑même pèse 3 kg et peut être utilisé avec des patients mesurant entre 1,50 m et 1,95 m, et pesant jusqu’à 100 kg. Utilisant la technologie Bluetooth, la télécommande fonctionne grâce à une application Android installée sur une tablette fournie avec l’appareil. Celle‑ci affiche des alarmes en cas de force excessive, ainsi que l’état de l’appareil, comme la charge restante de la batterie. Les modes de fonctionnement permettent aux utilisateurs de contrôler des paramètres tels que la vitesse, le couple et l’amplitude du mouvement. Un algorithme intègre à l’exosquelette des capacités FES qui modulent la résistance mécanique exercée sur la jambe. Le collecteur de données affiche les informations fournies par les jauges de contrainte de l’exosquelette et l’encodeur qui mesure l’angle de l’articulation. Elles permettent d’évaluer le processus de rééducation et d’ajuster la configuration du dispositif. Le système BELK a été soumis avec succès à des essais cliniques dans les hôpitaux de Cruces et de Santiago. Les 20 patients ont déclaré se sentir à l’aise avec le système et ne présenter aucune réaction indésirable. Il a été constaté que les schémas de marche des participants s’étaient améliorés à la fin du traitement, et que la durée de la rééducation avait été réduite de 12 à 9 séances.

Rentabilité et gain de temps

«Comme notre solution peut être utilisée à domicile, elle permet d’économiser le temps de déplacement vers un centre de rééducation et le coût associé», ajoute Carlos Fernandez. «De plus, notre système breveté de transmission par câble rend la production rentable, la plaçant à un prix similaire aux alternatives, mais avec des fonctions plus avancées.» Gogoa attend actuellement que son exosquelette obtienne le marquage CE ainsi que l’autorisation de la part de l’agence médicale responsable en Espagne. Ensuite, l’entreprise l’introduira sur le marché européen avant de soumettre des demandes à la Food and Drug Administration pour le marché américain.

Mots‑clés

BELK, articulation, blessure, genou, rééducation, exosquelette, portable, marche

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