Les nouvelles technologies en matière de prothèses révolutionnent le handisport

Septembre 2021

Maja Hoock, directrice de la recherche et du développement et de la propriété intellectuelle en communications d’entreprise, Ottobock (Allemagne)

Les Jeux paralympiques de Tokyo 2020 se sont déroulés à Tokyo du 24 août au 5 septembre 2021. Quelque 4400 athlètes en situation de handicap ont rivalisé dans 22 disciplines pour décrocher l’or. Les prothèses de sport protégées par des droits de propriété intellectuelle ont été l’un des principaux dispositifs utilisés pour atteindre leurs objectifs. La recherche et le développement ont aidé les athlètes à tirer le meilleur parti de leurs capacités athlétiques.

Le 25 juin, Johannes Floors (26 ans) a battu son propre record du monde du 200 mètres en utilisant des prothèses de sport – et a remporté l’or aux Jeux paralympiques de Tokyo en août 2021. (Photo : avec l’aimable autorisation d’Ottobock)

Johannes Floors sprinte sur sa piste de Leverkusen jusqu’à six heures par jour. En août, il s’est envolé pour le Japon afin de se mesurer à des athlètes venus des quatre coins du monde. “Dans les faits, je me prépare pour les Jeux paralympiques depuis 2016”, explique le jeune homme de 26 ans. L’athlète allemand a décroché la médaille d’or en athlétisme aux Jeux paralympiques de Tokyo. M. Floors est actuellement l’homme équipé de prothèses le plus rapide du monde. Il a battu son propre record du monde du 200 mètres à la fin du mois de juin et est également le plus rapide de sa catégorie (T62) sur les 100 et 400 mètres. Ses performances sont néanmoins le fruit d’un travail acharné. M. Floors est né avec un défaut génétique du péroné. Il lui manquait les deux os du péroné et ses pieds étaient déformés. Devenir sprinter n’était par conséquent pas envisageable. “La douleur était trop forte”, a-t-il expliqué. Il prend alors la décision de se faire amputer de la partie inférieure de ses deux jambes il y a maintenant 10 ans. “J’étais encore dans mon lit d’hôpital lorsque j’ai décidé de m’inscrire au programme sportif de l’école”, se souvient-il. Les prothèses qu’il utilise au quotidien lui permettent désormais de marcher normalement – et il peut sprinter grâce à des lames de course en fibres de carbone. “La sensation de vitesse est indescriptible”, dit-il.

Il n’y a pas si longtemps, les athlètes paralympiques portaient leurs prothèses de tous les jours lors des compétitions sportives. Ce n’est qu’à partir des années 1980 que l’utilisation de prothèses spécialement conçues pour le sprint s’est démocratisée. Contrairement à la jambe naturelle ou aux prothèses de sport actuelles, les prothèses classiques ne se plient pas aussi facilement et rendent difficile l’exécution des mouvements requis pour des sports spécifiques. “Tout a changé le jour où nous avons eu accès à des prothèses de sport”, déclare M. Floors.

Actuellement, Ottobock détient 1886 brevets délivrés dans plus de 540 familles de brevets – dont de nombreuses innovations techniques pour les sports paralympiques.

Les prothèses de sport encouragent la pratique handisport

Ottobock est un fabricant de prothèses de sport et de fauteuils roulants largement utilisés et partenaire d’athlètes paralympiques depuis plus de 30 ans. La firme allemande, chef de file de la technologie bionique humaine portable, fabrique des prothèses depuis plus de 100 ans. À ses débuts, elle fabriquait des prothèses en bois pour les blessés de la Première Guerre mondiale. Aujourd’hui, ses produits comprennent des prothèses fonctionnant à l’aide de l’intelligence artificielle, comme la main bionique, qui ont établi de nouvelles normes technologiques.

Ottobock détient actuellement 1886 brevets délivrés dans plus de 540 familles de brevets – dont de nombreuses innovations techniques pour les sports paralympiques.

Sa prothèse de pied à réaction dynamique 1E95, par exemple, est utilisée pour la pratique de sports tels que le basket-ball et le volley-ball. La structure simple de cette prothèse de pied facilite la marche, la course à pied et les changements de direction soudains. La lame de course brevetée 1E91 Runner d’Ottobock a été spécialement conçue pour les sprinters et les sauteurs en longueur. De nombreuses légendes paralympiques portent cette prothèse de pied, qui peut être facilement adaptée pour répondre aux besoins de différentes personnes. De plus, sa ligne de force est plus proche du centre de gravité du corps, ce qui rend l’utilisation de la lame en carbone plus efficace.

Vidéo : Fabrication d’une lame de course en fibre de carbone

Julian Napp, orthoprothésiste, faisait partie de l’équipe de développement. Depuis 2012, il est à la tête du Technical Repair Service Center d’Ottobock aux Jeux paralympiques. Les athlètes déposent leurs prothèses et leurs fauteuils roulants à l’atelier pour les faire réparer. Le technicien a intégré ses expériences pratiques dans le processus de développement : “Il faut travailler de manière très précise pour que le pied soit correctement aligné avec le corps”, explique-t-il.

Le concept de la populaire lame de course 1E90 Sprinter d’Ottobock portée par l’athlète Johannes Floors, 26 ans, est presque aussi vieux que lui. Le modèle Sprinter a été développé aux États-Unis d’Amérique dans les années 1990, avant qu’Ottobock ne le rachète et n’en améliore la conception.

Le pied en carbone est porté avec une emboîture en fibre de carbone comprenant une valve de dépressurisation et un manchon. Le membre résiduel est enfermé et protégé par une sorte de bas en polymère. L’adaptateur 1E90 situé entre l’emboîture et le pied prothétique, dont le dessin est protégé, permet de réajuster facilement la position de la prothèse. “Je peux ajuster parfaitement l’alignement statique avec l’adaptateur, et c’est ce qui permet de courir sans aucune limite”, explique M. Napp.

Il fabrique des prothèses sur mesure pour divers sports et athlètes, dont les célèbres sprinters et sauteurs en longueur Heinrich Popow et Léon Schäfer : “Je suis très fier de les voir battre un record du monde après l’autre”, déclare M. Napp. Il travaille également en étroite collaboration avec l’actuel détenteur du record du monde, Johannes Floors. “J’essaie d’adapter la technologie pour qu’elle convienne de mieux en mieux aux athlètes – elle évolue en même temps qu’eux”, explique M. Napp. “Je ne pourrais pas équiper d’une prothèse conçue pour Johannes Floors un autre athlète comme Léon Schäfer. Il ne pourrait probablement pas courir très vite avec. L’alignement statique est différent pour tout le monde.”

L’orthoprothésiste Julian Napp (au centre) ajuste la prothèse que l’athlète paralympique Léon Schäfer (à gauche) utilise au quotidien avec l’ancien détenteur du record du monde Heinrich Popow (à droite) au Technical Repair Service Center d’Ottobock. (Photo : avec l’aimable autorisation d’Ottobock)

Brevet pour la première articulation mécanique de genou de sport

Malgré l’invention du pied de sport prothétique, les athlètes ayant subi une amputation transfémorale au-dessus du genou rencontraient encore des difficultés. Certains d’entre eux portaient le pied en carbone directement sur leur membre résiduel et assemblaient eux-mêmes leur prothèse. Nous pouvons en observer le résultat grâce à des vidéos sportives montrant le mouvement de pivotement caractéristique de la jambe lorsqu’elle est étendue. Ce mouvement permet aux coureurs qui ne portent pas de genouillères de sport d’éviter une phase d’oscillation trop longue. D’autres athlètes ont couru avec des prothèses du quotidien et des articulations polycentriques, qui, de fait, ne sont pas adaptées. La première prothèse de sport monocentrique au monde leur offrait une solution. Ottobock l’a développée sur la base de l’articulation 3R80, dont le principe unique d’hydraulique rotative a fait l’objet d’une demande de brevet initialement accordée en Allemagne en 1995*.

Dotée d’un verrouillage manuel et de caractéristiques d’amortissement réglables individuellement, la 3R80 est particulièrement compacte et robuste : “Lorsque l’on court, le poids du corps reposant sur la prothèse est doublé. Lors d’un sprint, il est multiplié par cinq, et par six ou sept pour les sauteurs en longueur”, explique Julian Napp. Les genoux artificiels pour le sport doivent pouvoir supporter cette pression tout en restant suffisamment souples pour permettre les accélérations. En d’autres termes, ce type d’articulation sportive est adapté aux athlètes et non l’inverse, comme c’était le cas auparavant.

Martina Caironi, ancienne détentrice du record du monde du saut en longueur et médaillée d’argent aux Jeux paralympiques de Tokyo 2020, utilise une prothèse au-dessus du genou avec une articulation de genou de sport et un pied en carbone. (Photo : avec l’aimable autorisation d’Ottobock)

L’athlète paralympique Martina Caironi porte ce type de prothèse de genou sportive. Originaire d’Italie, a remporté une médaille d’argent au saut en longueur et au 100 mètres lors des Jeux paralympiques de Tokyo 2020.

En 2007, elle a perdu sa jambe gauche dans un accident de moto. Elle a réalisé qu’elle avait un don pour le sport pendant sa rééducation. Trois ans plus tard, elle établissait ses premiers records. “Je n’ai jamais souhaité devenir une athlète professionnelle”, déclare Mme Caironi. “J’ai réalisé après mon accident que j’étais capable de courir vite avec des prothèses. Il aurait été dommage de ne pas cultiver mon talent.”

Mme Caironi a d’abord pratiqué le sport avec sa prothèse du quotidien avant de passer à la prothèse de genou 3S80 et à la lame de course en carbone 1E91. “J’ai pu me rendre directement compte des progrès technologiques réalisés en matière de prothèses”, déclare la jeune femme de 31 ans. “Je vis le progrès.”

Le Comité international paralympique a établi des règles claires qui tiennent compte du degré d’impact du handicap des athlètes sur leurs performances. Pour cette raison, seules les prothèses passives sans électronique sont autorisées.

Elle dit avoir eu du mal à s’habituer à la prothèse sportive au début, car l’articulation est plus souple et offre moins de stabilité lors des accélérations. Mme Caironi a décroché la médaille d’or avec cette prothèse aux Jeux paralympiques de Londres en 2012, en terminant le 100 mètres en 14,65 secondes – elle était la seule athlète féminine à terminer la course en moins de 15 secondes.

En 2013, Mme Caironi est devenue double championne du monde du saut en longueur et du 100 mètres. En 2015, elle établit le record du monde du 200 mètres et remporte l’or aux championnats du monde d’athlétisme handisport à Doha.

Les nouvelles prothèses ont également amélioré sa qualité de vie. Mme Caironi porte la prothèse Genium X3 au quotidien; cette articulation du genou intelligente s’adapte automatiquement à diverses situations. “J’ai gagné en mobilité”, affirme-t-elle. “Je peux prendre les escaliers ou m’entraîner à la salle de sport sans y réfléchir à deux fois, ce qui a également un impact positif sur ma carrière d’athlète.”

Vidéo : Passion pour les Jeux paralympiques de Tokyo 2020

Faire du sport avec des prothèses ne relève pas du dopage technologique

Il convient de noter que Mme Caironi n’a pas été autorisée à utiliser sa prothèse mécatronique du quotidien lors des Jeux paralympiques. Le Comité international paralympique a établi des règles claires qui tiennent compte du degré d’impact du handicap des athlètes sur leurs performances. Pour cette raison, seules les prothèses passives sans électronique sont autorisées. La longueur autorisée des prothèses est déterminée sur la base d’une formule complexe qui tient compte de la taille de l’utilisateur et de la longueur du fémur. Pourtant, l’image des “humains améliorés” véhiculée par les médias est difficile à modifier.

Johannes Floors affirme qu’il serait riche si on lui donnait cinq euros à chaque fois que quelqu’un lui demande s’il peut courir plus vite que les athlètes professionnels valides avec ses prothèses. Il trouve difficile à avaler tous les discours sur les surhommes aux membres bioniques. “Ces histoires dénigrent mes performances et sous-entendent que je ne suis rien de plus que ma prothèse”, s’insurge-t-il. “C’est comme si les six heures que je passe à m’entraîner chaque jour ne valaient rien! Et mes prothèses de sport ne sont même pas de haute technologie si on les compare à mes prothèses de tous les jours – elles n’ont pas changé depuis les années 1990.”

Rapport de l’OMPI sur les tendances technologiques en 2021

En mars 2021, l’OMPI a publié son dernier rapport sur les tendances technologiques, qui examine les technologies d’assistance – des innovations qui aident les personnes ayant des limitations fonctionnelles liées à la mobilité ou à la vision, par exemple, à participer à tous les aspects de la vie et à réaliser leur potentiel.

Ce rapport fait partie d’une série qui établit les tendances technologiques par l’analyse des données relatives aux brevets et d’autres données pour mettre à disposition des informations fiables et concrètes sur l’innovation dans des domaines spécifiques.

Plus d’un milliard d’utilisateurs ont actuellement besoin de technologies d’assistance – ce chiffre devrait doubler au cours de la prochaine décennie, en raison du vieillissement de la population – le Rapport 2021 conclut que la propriété intellectuelle favorise l’innovation dans le domaine des technologies d’assistance. Les experts qui ont contribué au Rapport soulignent toutefois la nécessité d’élargir l’accès aux produits de cette innovation à ceux qui en ont besoin. Dans le monde, seule une personne sur 10 a actuellement accès aux produits d’assistance dont elle a besoin.

Le Rapport vise à fournir la base de connaissances nécessaire pour appuyer les discussions mondiales visant à promouvoir un meilleur accès aux technologies d’assistance.

Principales conclusions :

  • Les innovations, qu’il s’agisse de petites améliorations apportées aux produits existants ou des derniers progrès des technologies de pointe, peuvent grandement améliorer la vie des personnes ayant des limitations fonctionnelles, en leur permettant de vivre, de communiquer et de travailler de manière indépendante.
  • Les technologies d’assistance ont connu une croissance à deux chiffres ces dernières années et sont de plus en plus intégrées dans les biens de consommation.
  • La Chine, les États-Unis d’Amérique, l’Allemagne, le Japon et la République de Corée sont les cinq sources d’innovation principales dans le domaine des technologies d’assistance.
  • Le nombre de demandes de brevet déposées pour les technologies d’assistance émergentes, notamment pour les robots d’assistance, les applications domestiques intelligentes, les vêtements pour malvoyants et les lunettes intelligentes, augmente trois fois plus vite que pour les technologies classiques, qui proposent des améliorations et des accessoires pour fauteuils roulants, des alarmes pour l’environnement et des dispositifs en braille.
  • S’agissant des technologies émergentes, les deux domaines les plus actifs sont ceux de l’environnement (aides à la navigation dans les espaces publics, robots d’assistance, etc.) et la mobilité (fauteuils roulants autonomes, prothèses avancées).
  • Les technologies d’assistance convergent désormais avec le marché de l’électronique grand public et les technologies médicales, ce qui se traduit par une augmentation des produits d’assistance moins invasifs (grâce à des capteurs de plus en plus sophistiqués) et des solutions plus invasives telles que les implants pour le tronc cérébral pour retrouver l’audition, la vision et la mobilité. Les technologies développées pour les personnes ayant des limitations fonctionnelles sont de plus en plus souvent appliquées à des produits grand public. Par exemple, la technologie de conduction osseuse, qui peut aider les personnes souffrant de déficience auditive, peut également être appliquée aux casques des coureurs.
  • De nouveaux produits d’assistance avancés sont disponibles grâce au développement et à l’utilisation de technologies habilitantes telles que l’intelligence artificielle, l’Internet des objets, les nouveaux matériaux et la robotique avancée.
  • Les grandes entreprises jouent un rôle de premier plan dans le développement des technologies d’assistance, notamment les entreprises spécialisées dans les technologies d’assistance telles que WS Audiology, Cochlear, Sonova, Second Sight, Ottobock et Össur. Les fabricants de produits électroniques grand public (notamment Panasonic, Samsung, IBM, Google et Hitachi) et les constructeurs automobiles (Toyota et Honda par exemple) jouent également un rôle important compte tenu de l’intégration croissante des technologies d’assistance dans les produits électroniques grand public.
  • Les universités et les organismes publics de recherche occupent une place importante s’agissant des données relatives aux technologies émergentes. Ils dominent notamment le domaine de la mobilité.

En dépit des progrès réalisés en matière de prothèses, la majorité des coureurs paralympiques sont également plus lents que les athlètes olympiques. Alors que l’athlète paralympique Johannes Floors peut parcourir 200 mètres en 21,04 secondes, il ne faut que 19,19 secondes à Usain Bolt, l’athlète valide le plus rapide au monde, pour faire de même. Tout au long de l’histoire de l’athlétisme paralympique, seule une poignée d’athlètes ont égalé les performances des athlètes valides de classe mondiale; parmi lesquels le sprinter Johannes Floors et le sauteur en longueur Markus Rehm. Le champion Oscar Pistorius, surnommé “Blade Runner”, est controversé pour diverses raisons.

Tout au long de l’histoire de l’athlétisme paralympique, seule une poignée d’athlètes, parmi lesquels le sprinter Johannes Floors et le sauteur en longueur Markus Rehm, ont égalé les performances des athlètes valides de classe mondiale.

“Les athlètes qui portent des prothèses sont toujours désavantagés lors des phases qui nécessitent une accélération”, explique Thomas Schmalz, expert en analyses biomécaniques des athlètes amputés de haut niveau. Les athlètes paralympiques ont survécu à des accidents traumatiques, à des cancers, à des amputations et à d’autres événements difficiles de la vie. “Ils restent des athlètes avec un handicap. Les amputés unilatéraux doivent compenser les asymétries du système musculosquelettique. Il y a un manque d’effets de rétroaction proprioceptive dans le système nerveux et musculaire. Les réflexes clés déclenchés par des capteurs dans la musculature et les tendons sont absents”, explique le M. Schmalz.

Les pieds prothétiques n’ont pas d’énergie intrinsèque pendant les premiers pas et, qui plus est, l’utilisateur ne les perçoit pas comme faisant partie de son corps. La recherche dans le domaine des prothèses tente de remédier à cet inconvénient. “Idéalement, l’utilisateur devrait avoir le sentiment que la prothèse fait partie de son propre corps – une extension naturelle du corps”, explique Andreas Goppelt, directeur de la technologie chez Ottobock. Son équipe de recherche et développement mène des projets visant à faire de cet objectif une réalité, par exemple avec des prothèses à rétroaction.

Johannes Floors affirme que considérer la prothèse comme une partie de son corps serait la prochaine grande étape vers une vie normale. “J’ai la sensation que ma prothèse fait partie de moi, mais j’aimerais la considérer comme un de mes membres naturels”, dit-il. “Mais il ne faut pas se laisser abattre, il faut poursuivre ses objectifs. Et puis la prothèse n’est désormais plus un obstacle!” Tous ses efforts ont été récompensés aux Jeux paralympiques de Tokyo 2020 lorsqu’il a remporté la médaille d’or.

Notes de bas de page

*Le brevet a expiré en 2014.

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