Control d'un braç robòtic amb intencions dels pacients

28 05 2015

Dispositius neuronals implantats al centre de moviment del cervell, el còrtex motor, pot permetre pacients amb amputacions o paràlisi controlar el moviment d'una extremitat robòtic — que pot ser connectat a o separat de l'extremitat del propi pacient. No obstant això, neuroprosthetics actuals produir moviment que s'ha endarrerit i desigual — no la suaus i aparentment automàtics gestos associats amb el moviment natural. Ara, per implantar neuroprosthetics en una part del cervell que controla directament no del moviment però més aviat la nostra intenció per moure, Caltech investigadors han desenvolupat una manera de produir més moviments naturals i fluids.

Exemple d'un escàner fMRI utilitzat per a la ubicació del dispositiu implantació d'orientació.

En un assaig clínic, l'equip de Caltech i col·legues de Medicina Keck de la USC han implantat amb èxit només un dispositiu en un pacient amb quadriplegia, donant-li l'habilitat per realitzar un gest de mà-tremolant fluida i fins i tot jugar “Roca, paper, tisores” utilitzant un braç robòtic separada.

Els resultats de la prova, liderat per l'investigador principal Richard Andersen, El James G. Boswell Professor de neurologia, i incloent-hi membres de laboratori de Caltech Tyson Aflalo, Spencer Kellis, Christian Klaes, Brian Lee, Ying Shi i Kelsie Pejsa, es publiquen en el maig 22 edició de la revista Ciència.

“Quan et mourà el braç, realment don ’ t pensar que els músculs per activar i els detalls del moviment — com aixecar el braç, estendre el braç, copsar la Copa, tancar la mà al voltant de la Copa, i així successivament. En el seu lloc, es pensa en l'objectiu del moviment. Per exemple, ‘ vull recollir aquesta Copa d'aigua,’” Diu Andersen. “En aquest judici, érem reeixidament capaços de descodificar aquestes intencions reals, demanant el tema simplement imaginar el moviment en el seu conjunt, en lloc de dividir-la en innombrables components.”

Per exemple, comença el procés de veure una persona i després, sacsejant la mà amb un senyal visual (per exemple, algú que sap reconèixer) primer que es processa en les zones més baixes visuals del còrtex cerebral. El senyal llavors puja per una zona d'alt nivell cognitiu conegut com l'escorça parietal posterior (PPC). Aquí, la intenció inicial de fer un moviment està formada. Aquestes intencions es transmeten al còrtex motor, a través de la medul la espinal, i en els braços i cames, on el moviment és executat.

Medul·lar alta pot causar quadriplegia en alguns pacients perquè moviment senyals no pot arribar des del cervell a braços i cames. Com a solució, els implants neuroprosthetic anteriors utilitza petits elèctrodes per detectar i enregistrar senyals de moviment a la seva última parada abans d'arribar a la medul·la espinal: el còrtex motor.

El senyal enregistrat llavors es realitza mitjançant paquets de filferro del pacient ’ cervell s a un ordinador, on es tradueix a una instrucció per una extremitat robòtic. No obstant això, perquè el còrtex motor normalment controla molts músculs, els senyals tendeixen a ser detallades i específiques. El grup de Caltech volia veure si la simple intenció a tremolar la mà podria ser utilitzat per controlar l'extremitat pròtesi, en lloc de demanar el tema a concentrar-se en cada component de l'handshake — una aproximació més acurada i menys natural.

Andersen i els seus col·legues volia millorar la versatilitat del moviment que una neuroprosthetic pot oferir per enregistrar senyals d'una regió cerebral diferent — el PPC. “El PPC és anterior a la Via, així hi ha senyals estan més relacionats amb el moviment planificació — el que realment la intenció fer — més que els detalls de l'execució del moviment,” diu. “Ens esperava que els senyals de la PPC seria més fàcil als pacients a utilitzar, en última instància, fer el procés de moviment més intuïtiva. Els nostres futurs estudis a investigar maneres de combinar les senyals de còrtex motor detallada amb més senyals PPC cognitives per aprofitar cada àrea ’ especialitzacions s.”

En l'assaig clínic, dissenyats per a avaluar la seguretat i eficàcia d'aquest nou enfocament, l'equip de Caltech col·laborat amb cirurgians de Medicina Keck de la USC i l'equip de rehabilitació al Rancho Los Amigos Nacional centre de rehabilitació. Els cirurgians implantat un parell de panells petit elèctrode en dues parts de la PPC d'un pacient tetraplègic. Cada matriu conté 96 elèctrodes actius que, al seu torn, cadascun dels registres de l'activitat d'una única neurona en el PPC. Les matrius estaven connectats per un cable a un sistema d'ordinadors que processen els senyals, desxifrat la intenció de l'assignatura, i dispositius de sortida controlada que incloïa un cursor ordinador i un braç robòtic desenvolupat pels col·laboradors a la Universitat Johns Hopkins.

YouTube Preview Image

Després de la recuperació de la cirurgia, el pacient va ser entrenat per a controlar el cursor d'ordinador i el braç robòtic amb la seva ment. Una vegada que la formació era completa, els investigadors van veure només el que estaven esperant: intuïtiva moviment del braç robòtic.

“Per a mi, era el moment més emocionant del judici quan el participant en primer lloc es va traslladar l'extremitat robòtic en els seus pensaments. Ell havia estat paralitzat durant més 10 anys, i aquesta era la primera vegada des de la seva lesió que va poder moure una extremitat i arribar a algú. Va ser un moment emocionant per a tots nosaltres,” Diu Andersen.

“Va ser una gran sorpresa que el pacient va ser capaç de controlar l'extremitat d'un dia — el primer dia va tractar,” Afegeix. “Això testifica a intuïtiu com el control és quan s'utilitza l'activitat PPC.”

El pacient, Erik G. Sorto, també estava molt emocionat amb resultats ràpids: “Em va sorprendre el fàcil que era,” diu. “Recordo tenir aquesta experiència fora del cos, i volia només córrer i high-five tothom.”

Amb el temps, Sorto continuar perfeccionant la seva control de braç robòtic, facilitant els investigadors amb més informació sobre com funciona el PPC. Per exemple, “hem après que si ell pensava, ‘ que hauria de moure la mà cap a l'objecte d'una manera determinada ’ — tractant de controlar l'extremitat — aquell didn ’ t treballen,” Diu Andersen. “El pensament en realitat havia de ser més cognitiu. Però si només pensava, ‘ vull agafar l'objecte,’ era molt més fàcil. I això és exactament què esperaríem d'aquesta zona del cervell.”

Aquesta major comprensió de la PPC ajudarà els investigadors millorar neuroprosthetic mecanismes del futur, Diu Andersen. “El que tenim aquí és una única finestra en el funcionament d'una àrea complexa d'alt nivell cerebral com treballem conjuntament amb el nostre tema per perfeccionar la seva habilitat en el control de dispositius externs.”

“La missió principal del centre Neurorestoration USC és aprofitar recursos dels nostres programes clínics a crear oportunitats úniques per traduir descobriments científics, com els del laboratori Andersen al Caltech, als pacients humans, en última instància, convertir transformadors descobriments en teràpies eficaces,” diu el director del centre Charles Y. Liu, Catedràtic de cirurgia neurològica, Neurologia, i Enginyeria Biomèdica a USC, que va dirigir el procediment d'implant quirúrgic i l'equip USC/Rancho Los Amigos de la col·laboració.

“En la cura dels pacients amb lesions neurològiques i malalties — i sabent les limitacions importants d'estratègies de tractament actual — és clar que completament nous enfocaments són necessaris per restaurar funció als pacients paralitzada. Control directament al cervell de robots i ordinadors té el potencial de canviar dràsticament la vida de moltes persones,” Liu afegeix.

Dr.. Mindy Aisen, el cap oficial mèdic al Rancho Los Amigos que ha liderat l'estudi ’ l'equip rehabilitador s, diu que els avenços en pròtesis com aquests mantenir promesa per al futur de la rehabilitació de pacient. “Som al Rancho una empresa dedicada a promoure la rehabilitació a través de noves tecnologies d'assistència, com ara interfícies robòtica i cervell-màquina. Hem creat un ambient únic que pot perfectament reuneixen rehabilitació, Medicina, i ciència, exemplificat en aquest estudi,” ella diu.

Encara que les tasques com les mans tremoloses i jugant “Roca, paper, tisores” són importants demostrar la capacitat d'aquests dispositius, l'esperança és que neuroprosthetics permetrà finalment els pacients per dur a terme tasques més pràctics que permeti recuperar alguns de la seua independència.

“Aquest estudi ha estat molt significatiu per mi. Tant com el projecte em necessitava, Necessitava el projecte. El projecte ha fet una gran diferència en la meva vida. Em dóna gran plaer per a formar part de la solució per millorar paralitzada pacients’ vides,” Sorto diu.”Jo broma al voltant amb els nois que volen ser capaç de prendre la meva pròpia cervesa — per poder prendre una copa al meu propi ritme, Quan vull prendre un glop de la meva cervesa i per no haver de demanar a algú per donar-me. Realment trobo a faltar que la independència. Crec que si era prou segur, Gaudiria realment raspallant-me — afaitat, Raspallar-se les meves dents. Seria fantàstic.”

Amb aquesta finalitat, Andersen i els seus companys ja estan treballant en una estratègia que podria permetre els pacients per dur a terme aquestes motricitat fina. La clau és ser capaç de proporcionar la particulars tipus de resposta sensorial des del braç robòtic al cervell.

Encara que Sorto ’ s implant ajudada controlar els moviments més grans amb la resposta visual, “per realment multar control perpetuïtat, vostè també necessita resposta de Tacte,” Diu Andersen. “Sense que això, es ’ s com anar al dentista i tenir la boca adormida. Es ’ s molt difícil parlar sense somatosensorial retroalimentació.” Els nous dispositius en desenvolupament per Andersen i els seus col·legues presenten un mecanisme als relleus senyals des del braç robòtic nou en la part del cervell que dóna la percepció de Tacte.

“La raó estem desenvolupant aquests dispositius que normalment és un couldn pacient tetraplègic ’ t, dir, recollir un got d'aigua per el glop, o alimentar-se. Es pot ’ t fins i tot fer res si pica el nas. Aparentment les coses trivials com aquest són molt frustrants per a pacients,” Diu Andersen. “Aquesta prova és un pas important cap a la millora de la qualitat de vida.”

Els resultats de la prova van ser publicats en un article titulat, “Descodificació Motor imatges de l'escorça Parietal Posterior d'un humà tetraplègic.” El dispositiu implantat i processadors de senyal utilitzats en el judici clínic dirigit Caltech van ser la varietat NeuroPort i processadors de senyal NeuroPort Bio-potencial desenvolupat per Blackrock Microsystems a Salt Lake City, Utah. El braç robòtic utilitzat en el judici va ser l'extremitat pròtesis Modular, desenvolupat en el laboratori de Física Aplicada a la Johns Hopkins. Sorto va ser reclutat pel judici pels col·laboradors al Rancho Los Amigos Nacional centre de rehabilitació i de Medicina Keck de la USC. Aquest assaig va ser finançat per instituts nacionals de salut, la Fundació Boswell, el Departament de defensa, i el centre de Neurorestoration de USC.

Han escrit per Jessica Stoller-Conrad

Contacte: 

Deborah Williams-tanques

(626) 395-3227

debwms@Caltech.edu

 

 

Caltech.edu [en línia] Pasadena, CA (EUA): Caltech.edu 28 de mayo de 2015 [Ref. 21 el maig d ' 2015] Disponible en la Internet:http://www.Caltech.edu/News/controlling-Robotic-ARM-patients-Intentions-46786


Accions

Informacions

Deixa el teu comentari

Vostè pot utilitzar aquestes etiquetes : <a href = "" title = ""> <abbr title = ""> <títol de l'acrònim = ""> <b> <blockquote citar = ""> <Cite> <codi> <del datetime = ""> <em> <jo> <citar q = ""> <vaga> <Fort>