1) Histoire de la prothèse

b. Evolution

- 1500-1000 avant notre ère : Selon un livre sacré hindou, Vishpala avait été amputée de la jambe après s’être fait blesser pendant une bataille. Elle fut équipée d’une jambe de fer qui lui permettait de marcher.

- 1000 avant notre ère : Les Egyptiens pouvaient amputer et concevoir des prothèses. La momie d’une femme morte il y a 3000 ans a été retrouvée avec une prothèse en bois sculpté à l’orteil droit. Elle fut amputée et sa prothèse était en bois sculpté et composée de 3 parties. Elle était maintenue par une gaine en cuir cousue ainsi que du textile.

Une des plus anciennes prothèses au monde.

- IVe s avant notre ère : En 1858, sur le site romain de Capua, au sud de l’Italie, on découvre un membre artificiel en bois et en cuivre. Il était destiné à un individu amputé en dessous du genou.

- Moyen-Age : Pour les jambes : pillons en bois, cuir, fer. "Mains : crochets". Seuls les riches pouvaient s’offrir des prothèses sophistiquées mais lourdes et encombrantes. Les amputés étaient vus sous un angle de pitié à cause du contexte religieux. C’est pour cela que les prothèses n’ont pas évoluer à cette époque.

- XVIe s : Ambroise Paret (1509-1590) met au point des membres artificiels cherchant à reproduire le mouvement naturel grâce à la mécanique.

- 1861-1865 Guerre de Sécession : Grâce à l’apparition de l’anesthésie, on peut réaliser des opérations plus longues. Le domaine prothétique fait des progrès grâce au soutien financier du gouvernement.

- 1922 : Les premières prothèses de hanches sont créées en France par Robert et jean Judet. Ces prothèses connaissent un très grand succès en Angleterre.

- 1950 : Le pied SACH est inventé aux E-U. c’est un pied en caoutchouc sans articulation

- 1960 : Invention de la première prothèse articulée du genou

- 1970 : Invention du genou hydraulique. Il projette la jambe vers l’avant grâce à un cylindre hydraulique qui contient un liquide propulsé par des valves.

- 1974 : Mittelmeier invente une prothèse de hanche en céramique.

- 1997 : Invention d’une prothèse de jambe commandée par micro-processeurs. Ses capteurs permettent d’ajuster ses mouvements en temps réel. Aujourd’hui, elle peut être utilisée pour faire du vélo.

- 1998 : Aimee Mullins, amputée des 2 jambes à l’âge de 1 an bat le record du monde au 100 et 200m.

- 2005 : Jess Sulivan teste le premier bras bionique au monde inventé par le Rehab Institute of Chicago.

- 2012 : Oscar Pistorius est le premier coureur paralympique à courir aux côtés des coureurs valides aux JO de Londres.

c. Exemples de prothèses utilisées dans le sport

- Prothèse Cheetah Flex Foot dans la course utilisée dans les cas d’amputation du tibia. Quelques athlètes utilisent ces prothèses pour le sprint comme Marlon Shirley, Oscar Pistorius ou encore April Holmes. Cheetah : qui signifie guépard en anglais, c’est animal terrestre le plus rapide du monde. la prothèse Cheetah Flex Foot a donc pour but de reproduire  son mouvement. La patte arrière du guépard s’étend pour atteindre le sol tandis que les muscles puissants de sa cuisse tirent son corps en avant. Sa masse est de 512g et peut supporter jusqu’à 147 kg. La taille de celle-ci est de 411mm.

- Prothèses palmées pour la natation : les Neptunes utilisées par Philippe Croizon.

- Prothèses utilisées pour l’escalade : Aron Ralston en forme de piolet.

Prothèse utilisée par Aron pour l'escalade.

Pour que la prothèse reste un progrès pour le sport, CIP (Comité International Paralympique) a dû instaurer des règles pour que ces mêmes prothèses ne deviennent pas une tricherie.

2) Le cas de la prothèse de Pistorius

Oscar Pistorius est le premier coureur paralympique à courir aux côtés des coureurs valides aux JO de Londres. Mais sa prothèse lui donne-t-il un réel avantage ?

Les différentes parties d’une prothèse sportive : Cheetah Flex Foot :

Emboiture
Manchon intermédiaire
Pied prothétique
Semelle pad

-Emboiture : elle sert à fixer le moignon sur le reste de la prothèse. Elle contribue au confort et à l’appui de l’utilisateur (transmission des forces au cours de l’appui, suspension)
-Manchon : il sert à éviter le contact direct de l’emboiture avec le moignon. Il est fait en silicone. Un manchon de mauvaise qualité sera à l’origine de perte de contrôle. Il facilite la mise en place du moignon dans l’emboiture et améliore la performance.
-Pied prothétique : il assure le contact au sol. L’extrémité du pied du pied est constituée de crampon pour l’adhérence. La longueur, la largeur et la disposition des lames en carbone permettent la restitution d’énergie lors du pas prothétique.
-Pad : semelle à crampons détachables.

Les forces qui s'appliquent à la prothèse:

Les transferts d'énergie dans la lame

Tout d'abord, lors de la compression de la lame, l'énergie s'accumule.
Ensuite, l'énergie se déplace. (La forme en "J" de la lame facilite le déplacement de l'énergie dans la lame.)
Lorsque l’énergie arrive à l’extrémité de la lame, elle est libérée et le coureur est projeté vers l’avant. Quand elle se libère, la prothèse agit comme un ressort et pousse l’athlète vers l’avant.
Au contact du sol, l’angle de la lame absorbe 97% de l’impact et se réduit.
Les fessiers et les quadriceps du coureur fournissent la quasi-totalité de son déplacement. Ces derniers ainsi que les ischio-jambiers doivent travailler 2 à 3 fois plus pour que le coureur atteigne la même vitesse que les valides.

Les différents matériaux utilisés : caractéristiques et propriétés

Carbone :

fibre de carbone
Épaisseur : 5 à 15 micromètres de diamètre (10^-6 m)
Elle est composée d’atomes de carbone. La fibre de carbone est fabriquée à partir de fibres synthétiques constituées de PolyAcryloNitrile (PAN)
Caractéristiques :  
-Faible densité : 1,7 à 1,9 ( cad masse volumique de 1,7g /cm^ 3 à 1,9g/cm^3)
-Résistance élevée à la traction
-résistance élevée à la compression
-fléxibilité
-bonne conductivité électrique et thermique
-tenue en température
-bonne inertie chimique (sauf à l’oxydation)

Kevlar :

C’est une fibre synthétique fabriquée à bas de fibre d’aramide
Propriétés mécaniques :
-rigidité : grâce à un réseau de liaisons hydrogènes entre les chaines polymères.
Exemples : kevlar 29, kevlar 49 (le kevlar 49 est utilisé dans le renforcement des coques de bateaux, dans la fabrication de certaines pièces d’avions et de cadres de vélos).

Le kevlar est utilisé dans : l’industrie aéronautique, l’industrie aérospatiale, les automobiles de compétition, l’industrie textile (renfort de vêtements, voiles de bâteau) et dans le matériel sportif : ski, snowboard, escrime, raquettes, cordages…et pour le renforcement des pneus et caoutchoucs.

Kevlar 29 :

Propriétés :
-forte résistance à la traction
-forte résistance aux chocs
-forte résistance à l’usure
-forte résistance à l’élongation
-faible densité
-capacité d’absorption des vibrations
Il est utilisé dans la fabrication de câbles, casques, gilets pare-balles, doublures de freins, et pour le renforcement des coques de bateaux.

Fibre de verre :

Elle est composée de filaments de verres.
Propriétés :
-réduction de poids (allègement des structures d’environ 30% par rapport à l’acier)
-isolation
-inertie chimique (absence de réaction chimique en présence d’une substance)
-résistance aux chocs
-matériaux peu cher

La fibre de carbone, le kevlar et le kevlar 29 sont des matériaux très chers contrairement à la fibre de verre. Cela justifie donc les prix élevés (20 000 € / prothèse) pour un poids le plus minime : 512 g pour chaque prothèse.

Comparaison entre jambe saine et prothèse

Lois de Newton : « tout corps reste en état de mouvement rectiligne uniforme si les forces qui s’exercent sur lui se compensent à moins qu’une force extérieure n’agissent sur lui. » et « L’accélération d’un corps est proportionnelle à la force qui la produit et suis la même direction que cette force. »
D’après les lois de Newton évoquées précédemment, on peut voir que :
-le phénomène de ressort est présent chez le coureur valide et celui équipé de prothèses
-chez le coureur valide, l’énergie cinétique est absorbée par les muscles. Elle va être libérée pour ainsi projeter le coureur vers l’avant. Lors de la propulsion, c’est l’énergie des muscles de toute la jambe qui est libérée.
-chez le coureur équipé de prothèses sportives, l’énergie s’accumule dans la prothèse, se déplace et est libérée pour projeter l’athlète vers l’avant. Comme il n’a pas de mollets, ce sont les muscles fessiers qui travaillent le plus et produisent l’énergie nécessaire au déplacement du coureur.
Les concepteurs des prothèses ont fait en sorte que la foulée d’un coureur équipé de prothèses et celle d’un coureur valide soit la même.
Le coureur a un temps plus long de 14% de contact au sol par rapport à un coureur valide. En revanche, Oscar Pistorius a un temps de suspension plus faible de 20% par rapport a un valide. De plus, le pied prothétique ne renvoie que 80% de l’énergie stockée lors de la compression alors que le système « pied, cheville, mollet » renvoie 249% de l’énergie stockée.

2. alors avantage ou pas ?

Résultats de l’enquête du professeur Brüggemann:

Pistorius peut courir à la même vitesse que les sprinteurs valides mais avec une dépense d’énergie inférieure de 25%. Il est plus lent au démarrage mais termine avec des foulées plus amples.

Il n’est pas sujet à la montée d’acide lactique qui gêne les sportifs en fin de course et son potentiel physiologique est inférieur à celui des autres athlètes témoins pour des performances similaires.

Analyse biomécanique : différences dans le mécanique du sprint d’un athlète valide par rapport à un amputé sous le genou, les forces maximales verticales de réaction au sol et les impulsions verticales sont différentes. L’énergie renvoyée par la prothèse est 3 fois supérieure à celle de l’articulation d’une cheville valide.

Conclusion du professeur :

le professeur rend son verdict : « la course rapide avec les prothèses Cheetah est un type de locomotion différent du sprint avec des jambes naturelles. Cette locomotion bondissante est liée à un moindre coût métabolique. »

Suite aux rapport du professeur IAAF interdit donc à Pistorius de participer aux compétitions avec les valides. Pistorius fait appel à cette décision auprès du tribunal arbitral du sport.
Celui-ci donne lui raison: « il a été décidé qu’en l’état des connaissances scientifiques actuelles, il n’était pas possible de prouver que Monsieur Pistorius détenait un avantage en utilisant ses prothèses. »
Le seul avantage de l’athlète sur ses concurrents est qu’il est impossible pour lui de subir des lésions musculaires aux tendons d’Achille et aux mollets qui perturbent souvent la préparation des coureurs. Il n’est pas sujet à d’éventuelles remontées d’acide lactique qui peuvent gêner les coureurs en fin de course.

Mais il y a des régles a respecter par rapport à la prothése. Ses régles sont fixé par le comités International Paralympique :
La dimension des prothèses doit être proportionnelle à la taille du corps de l’athlète. Il s’agit d’un calcul complexe qui prend en compte la longueur de l’avant-bras du sportif et la distance qui sépare la poitrine (sternum) de l’extrémité du moignon. Chaque athlète a donc une taille limite à ne pas dépasser lorsqu’il a ses prothèses qui est controlés avant chaque course.