Amélioration de l'agentivité et de l'acceptation de prothèses par retour sensitif, tactile et visuel en utilisant la tomographie multispectrale et l'apprentissage machine

Improving the sense of agency and acceptance of prostheses through sensory, tactile, and visual feedback using multispectral tomography and machine learning

• Auteur / Autrice : Juan Maubras
• Direction : Alexandre Pitti
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Stic - ed em2psi
• Date : Inscription en doctorat le 03/11/2025
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Économie, Management, Mathématiques , Physique et Sciences Informatiques (EM2PSI)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ETIS - Equipes Traitement de l'Information et Systèmes

Mots clés

Mots clés libres

Prothèse

Retour sensoriel

Tomographie d'impédance électrique

Apprentissage machine

Peau artificielle

Agentivité

Prosthesis

Sensory feedback

Electrical impedance tomography

Machine learning

Artificial skin

Sense of agency

Résumé

Chaque année, environ 1,5 million de personnes subissent une amputation, dont 15 % concernent le membre supérieur (ATscale, 2020). 65 millions de personnes vivent amputées. Les principales causes sont vasculaires (54 %), traumatismes (45 %), et cancers (<2 %) (Advanced solution, 2022). Dans les pays à faible revenu, seuls 5 à 15 % des amputés accèdent à une prothèse (OMS). En France, environ 40 500 personnes amputées pourraient profiter d'une meilleure technologie prothétique (Cofemer, 2016). Plus de 94 % des amputés utilisent une prothèse après amputation, mais seuls 25 % l'utilisent toute la journée, les autres finissant souvent inutilisées (« prothèse placard »). Ceci n'est pas uniquement lié aux limites technologiques (poids, inconfort, autonomie), mais aussi à une difficulté d'appropriation liée à l'absence de retours sensoriels tactiles et proprioceptifs (Gouzien, 2017). Malgré les progrès technologiques, les défis restent nombreux : interaction physique, décodage des intentions motrices, retour sensoriel, et intégration/acceptation du membre artificiel. Le rapport bénéfice/risque est toujours discuté, du fait des coûts financiers, physiques, et cognitifs élevés. L'institut Robert Merle d'Aubigné souhaite développer une prothèse avec retour sensoriel, notamment tactile (température, texture, pression, proprioception) et visuel pour améliorer l'appropriation psychologique et l'agentivité de la prothèse. Un tel retour sensoriel faciliterait la rééducation, l'apprentissage et augmenterait l'acceptabilité à long terme, améliorant la qualité de vie des amputés. Le laboratoire ETIS (CY Cergy-Paris Université/CNRS) a développé une peau artificielle innovante utilisant la Tomographie d'Impédance Électrique (TIE). Cette technologie mesure les variations d'impédance via des électrodes appliquées sur un matériau piézo-résistif (ex. Velostat, feuilles souples, économiques, basse consommation). Cette technique, non invasive et à faible coût, permet une mesure fiable de pression, température, et identification du type de matériau en contact (brevet Abdelwahed 2022). ETIS utilise des algorithmes d'intelligence artificielle (réseaux de neurones auto-organisateurs) pour reconstruire l'information tactile mesurée. Comparée aux techniques classiques, cette approche réduit considérablement les temps de calcul (x10), améliore la précision (x2) et s'adapte dynamiquement aux déformations sans pré-calibration (Pugach, 2016). Objectifs scientifiques : - Adaptation du capteur tactile aux prothèses Tester la robustesse du matériau Velostat sous contraintes mécaniques réelles (étirements, cisaillements). Si nécessaire, utiliser des tissus alternatifs (ex. Eontex). Adapter la forme du capteur (phalanges, paume) avec placement optimisé des électrodes, et utiliser des modèles neuronaux (supervisés/non supervisés) pour prédire les déformations spatiales et catégoriser les contacts (température, matériau, topologie). - Interaction apprentissage-retour sensoriel et visuel Le modèle neuronal servira également à fournir un retour visuel (sur écran) et sensoriel (vibrations ou électrotactile), aidant à la proprioception indirecte et au contrôle postural de la prothèse. Ces retours permettront au patient d'avoir une sensation d'effort cohérente avec ses mouvements et faciliteront le travail clinique. - Étude clinique : acceptabilité et agentivité Évaluer cliniquement l'intérêt du retour sensoriel dans l'acceptation et l'incorporation (embodiment) de la prothèse pendant la rééducation. L'objectif à long terme est une réduction des douleurs fantômes, une amélioration de l'image corporelle, et une diminution de la charge cognitive nécessaire à la rééducation (Lotze, 1999). Ce projet vise une technologie accessible à grande échelle, intégrable à différents types de prothèses existantes, et respectant les recommandations de coût, invasivité, intégration mécanique, et facilité d'utilisation préconisées par l'OMS.

Each year, approximately 1.5 million people undergo amputation globally, 15% of which involve upper limbs (ATscale, 2020). Currently, 65 million people worldwide live with an amputation. The main causes are vascular diseases (54%), trauma (45%), and cancer (<2%) (Advanced Solution, 2022). In low- and middle-income countries, only 5–15% of amputees have access to prostheses (WHO). In France, around 40,500 amputees could benefit from improved prosthetic technologies (Cofemer, 2016). Over 94% of individuals receive a prosthesis after amputation, yet only 25% of upper-limb amputees use their prostheses throughout the entire day, with many ending up unused. This issue is not just related to technological limitations (weight, discomfort, battery life) but also stems from difficulties in fully integrating the artificial limb due to the lack of tactile and proprioceptive sensory feedback (Gouzien, 2017). Despite technological advancements, significant challenges remain, including physical interaction, decoding motor intentions, sensory feedback, and integration of artificial limbs. The benefit-risk balance remains controversial because of high financial, physical, and cognitive costs. The Robert Merle d'Aubigné Institute seeks to develop prostheses providing sensory feedback (touch, temperature, texture, pressure, proprioception) and visual cues to enhance psychological acceptance and embodiment. Such sensory feedback would facilitate rehabilitation, improve learning, and increase prosthesis acceptance and usability long-term, thus improving amputees' quality of life. The ETIS laboratory (CY Cergy-Paris University/CNRS) has developed an innovative artificial skin using Electrical Impedance Tomography (EIT). This technique measures impedance variations using electrodes placed on a flexible piezo-resistive material (Velostat sheets, affordable, low-power consumption). This low-cost, non-invasive technology reliably detects pressure, temperature, and identifies the material in contact (patented: Abdelwahed, 2022). ETIS employs artificial intelligence (AI) algorithms (self-organizing neural networks) to reconstruct tactile information. Compared to classical methods, this approach drastically reduces computation time (×10), improves precision (×2), and dynamically adapts to material deformation without pre-calibration (Pugach, 2016). Scientific objectives: - Adapting tactile sensors to prostheses Test Velostat sensor performance under realistic mechanical conditions (stretching, shear). If necessary, alternative materials (e.g., Eontex) will be evaluated. The sensor shape (finger phalanges, palm) and electrode placement will be optimized, using supervised/unsupervised neural models to predict spatial deformation and classify tactile characteristics (temperature, material type, topology). - Learning interactions and visual/sensory feedback The neural network model will also provide visual feedback (displayed remotely) and sensory feedback (via vibration or electrotactile methods), enhancing indirect proprioception and prosthetic posture control. These signals will help users sense applied effort, assisting clinical rehabilitation. - Clinical study: acceptability and embodiment Clinically assess the benefit of sensory feedback for prosthesis acceptance, embodiment, and integration during rehabilitation. Long-term goals include reducing phantom-limb pain, improving body image reconstruction, and lowering cognitive load during therapy (Lotze, 1999). Ultimately, the goal is to develop accessible technology deployable widely, integrable with various existing prostheses, respecting WHO recommendations on cost, invasiveness, mechanical integration, and usability.