Contrôler un bras robotisé avec des Intentions du Patient

28 05 2015

Prothèses neurales implantés dans le centre de mouvement du cerveau, le cortex moteur, peut permettre aux patients avec amputation ou paralysie de contrôler le mouvement d'un membre robotisé — qui peut être connecté à ou distincte de la branche du patient. Cependant, neuroprothèses actuelles produisent mouvement qui est retardée et saccades — pas les gestes doux et apparemment automatiques associés aux mouvements naturels. Maintenant, par neuroprothèses dans une partie du cerveau qui ne contrôle pas le mouvement directement mais plutôt notre intention de déplacer l'implantation, Caltech chercheurs ont mis au point un moyen de produire plus de mouvements naturels et fluides.

Exemple d'une analyse de l'IRMf utilisée afin de cibler le lieu d'implantation périphérique.

Dans un essai clinique, l'équipe du Caltech et collègues de médecine Keck de l'USC ont avec succès un tel un appareil implanté chez un patient atteint de quadriplégie, en lui donnant la possibilité d'effectuer un geste fluid de poignées de main et même jouer “Rock, papier, ciseaux” à l'aide d'un bras robotisé séparé.

Les résultats de l'essai, dirigée par le chercheur principal Richard Andersen, le G de James. Boswell professeur de neurosciences, et y compris les membres de laboratoire de Caltech Tyson Aflalo, Spencer Kellis, Christian Klaes, Brian Lee, Ying Shi et Kelsie Pejsa, sont publiés en mai 22 Numéro de la revue Science.

“Lorsque vous déplacez votre bras, vous mettez vraiment ’ t penser sur laquelle les muscles à activer et les détails du mouvement — tels que lever le bras, Tendez le bras, saisir la coupe, fermer la main autour de la coupe, et ainsi de suite. À la place, vous pensez à l'objectif du mouvement. Par exemple, ‘ je veux prendre cette tasse de l'eau,’” Andersen dit. “Ainsi, dans cet essai, Nous étions avec succès capables de décoder ces intentions réelles, en posant l'objet simplement imaginer le mouvement dans son ensemble, plutôt que de la décomposant en composantes multiples.”

Par exemple, le processus de voir une personne et puis secouant sa main commence par un signal visuel (par exemple, reconnaissant quelqu'un que vous connaissez) qui est d'abord transformé en zones visuelles du cortex cérébral. Le signal se déplace alors vers le haut à une zone de haut niveau cognitive appelée le cortex pariétal postérieur (PPC). Ici, l'intention initiale de faire un mouvement est formée. Ces intentions sont ensuite transmises au cortex moteur, par le biais de la moelle épinière, et sur les bras et les jambes, où le mouvement est exécuté.

Haut de la moelle épinière peut causer quadriplégie chez certains patients parce que les signaux de mouvement ne peut pas obtenir du cerveau à bras et des jambes. Comme une solution, plus tôt NEUROPROTHÉTIQUES implants utilisés minuscules électrodes pour détecter et enregistrer les signaux de mouvement à leur dernière étape avant d'atteindre la moelle épinière: le cortex moteur.

Le signal enregistré est ensuite réalisé via des faisceaux de fils du patient ’ cerveau s vers un ordinateur, où il est traduit en une instruction pour une branche robotique. Cependant, car c'est le cortex moteur contrôle normalement beaucoup de muscles, les signaux ont tendance à être détaillées et précises. Le groupe de Caltech a voulu voir si la simple intention de serrer la main pourrait être utilisée pour contrôler le membre, au lieu de demander le sujet de se concentrer sur chaque composant de la poignée de main — une approche plus laborieuse et moins naturelle.

Andersen et ses collègues ont voulu améliorer la polyvalence du mouvement qu'un NEUROPROTHÉTIQUES peut offrir par enregistrement des signaux provenant d'une région du cerveau différentes — la PPC. “Le PPC est plus tôt dans la voie, signaux il sont plus associées à la planification de mouvement — ce que vous en fait l'intention faire — plutôt que les détails de l'exécution du mouvement,” il dit. “Nous espérions que les signaux émis par le PPC serait plus faciles pour les patients à utiliser, en fin de compte faire le processus de mouvement plus intuitive. Nos futures études étudiera des façons de combiner les signaux de cortex de moteur détaillé avec des signaux PPC cognitives plus à tirer profit de chaque zone ’ spécialisations s.”

Dans l'essai clinique, conçu pour tester l'innocuité et l'efficacité de cette nouvelle approche, l'équipe de Caltech a collaboré avec des chirurgiens à médecine Keck de l'USC et l'équipe de réadaptation au Rancho Los Amigos National Rehabilitation Center. Les chirurgiens implanté une paire de tableaux de petites électrodes en deux parties de la PPC d'un patient tétraplégique. Chaque tableau contient 96 électrodes actives qui, à son tour, chaque enregistrement de l'activité d'un seul neurone du CPP. Les baies ont été reliés par un câble à un système informatique de traitement des signaux, décodé l'intention du sujet, et les périphériques de sortie contrôlée qui comprenait un curseur d'ordinateur et un bras robotisé mis au point par des collaborateurs de l'Université Johns Hopkins.

Image de prévisualisation YouTube

Après avoir récupéré de la chirurgie, le patient a été formé pour contrôler le curseur d'ordinateur et le bras robotique avec son esprit. Une fois que la formation a été complète, les chercheurs ont vu juste ce qu'ils espéraient: mouvement intuitif du bras robotisé.

“Pour moi, le moment le plus excitant du procès était lorsque le participant d'abord déplacé la branche robotique avec ses pensées. Il avait été paralysé pour plus de 10 années, et c'était la première fois depuis sa blessure qu'il pouvait déplacer un membre et tendre la main à quelqu'un. Ce fut un moment passionnant pour nous tous,” Andersen dit.

“C'était une grande surprise que le patient a réussi à contrôler la branche le premier jour, le premier jour, il a essayé,” Il ajoute. “Cela témoigne comment intuitive le contrôle est lorsque vous utilisez l'activité PPC.”

Le patient, Erik G. Sorto, a été aussi heureux avec les résultats rapides: “J'ai été surpris à quel point il était facile,” il dit. “Je me souviens juste avoir cette expérience hors du corps, et je voulais juste courir et Saluez tout le monde.”

Au fil du temps, Sorto a continué à affiner sa maîtrise de son bras robotisé, fournissant ainsi les chercheurs avec plus d'informations sur le fonctionne de la PPC. Par exemple, “Nous avons appris que si il pensait, ‘ je devrais passer ma main vers à l'objet d'une certaine manière ’ — essayant de contrôler la branche — ce n ’ travail t,” Andersen dit. “La pensée devait en fait être plus cognitive. Mais si il a juste pensé que, ‘ je veux saisir l'objet,’ Il a été beaucoup plus facile. Et c'est exactement ce que nous attendons de cette région du cerveau.”

Cette meilleure compréhension de la PPC aideront les chercheurs à améliorer les dispositifs de NEUROPROTHÉTIQUES de l'avenir, Andersen dit. “Ce que nous avons ici est une fenêtre unique sur le fonctionnement d'une zone cérébrale complexe de haut niveau, alors que nous travaillons en collaboration avec notre sujet pour parfaire son habileté à contrôler des appareils externes.”

“La mission première de l'USC Neurorestoration Center consiste à tirer parti des ressources de nos programmes cliniques pour créer une occasion unique de transformer les découvertes scientifiques, telles que celles du laboratoire Andersen à Caltech, aux patients humains, tournant finalement découvertes transformatives en matière de traitements efficaces,” dit le directeur du Centre Charles Y. Liu, professeur de chirurgie neurologique, neurologie, et génie biomédical à l'USC, dans la collaboration, qui a dirigé la procédure d'implantation chirurgicale et l'équipe de l'USC/Rancho Los Amigos.

“En prenant soin de patients atteints de lésions neurologiques et maladies — et en connaissant les limites significatives des stratégies actuelles de traitement — il est clair que complètement nouvelles approches sont nécessaires pour rétablir la fonction aux patients paralysés. Directe cerveau contrôle des robots et des ordinateurs a le potentiel de changer radicalement la vie de nombreuses personnes,” Liu ajoute.

Dr. Mindy Aisen, le médecin hygiéniste en chef à Rancho Los Amigos qui a dirigé l'étude ’ équipe de réadaptation s, dit que progrès de prothèses comme celles-ci sont prometteurs pour l'avenir de la réadaptation de patients. “Nous à Rancho sommes déterminés à faire avancer la réhabilitation par le biais de nouvelles technologies d'aide, comme les interfaces cerveau-machine et robotique. Nous avons créé un environnement unique qui peut rassembler toute transparence réhabilitation, médecine, et la science comme exemplifié dans cette étude,” dit-elle.

Si tâches que serrer la main et jouer “Rock, papier, ciseaux” sont importants pour démontrer la capacité de ces dispositifs, l'espoir est que neuroprothèses permettront à terme les patients effectuer des tâches plus pratiques qui leur permettra de retrouver une partie de leur indépendance.

“Cette étude a été très utile pour moi. Autant que le projet avait besoin de moi, J'ai eu besoin du projet. Le projet a fait une énorme différence dans ma vie. J'ai le grand plaisir de faire partie de la solution pour l'amélioration des patients paralysés’ vit,” Sorto dit.”Je plaisanter avec les gars que je veux être capable de boire ma bière — pour pouvoir prendre un verre à mon propre rythme, quand je veux prendre une gorgée de ma bière et ne pas avoir à demander à quelqu'un de me le donner. Je m'ennuie vraiment cette indépendance. Je pense que si c'était assez sûr, Je serais vraiment profiter de toilettage moi-même — rasage, brossage des dents propres. Ce serait fantastique.”

À cette fin, Andersen et ses collègues travaillent déjà sur une stratégie qui pourrait permettre aux patients d'effectuer ces habiletés motrices fines. La clé est d'être en mesure de fournir des types particuliers de rétroaction sensorielle du bras robotisé au cerveau.

Bien que Sorto ’ s implant lui a permis de contrôler de grands mouvements avec rétroaction visuelle, “pour vraiment amende contrôle agile, vous devez également les commentaires des touch,” Andersen dit. “Sans qu'il, Il ’ s comme aller chez le dentiste et avoir la bouche engourdie. Il ’ est très difficile de parler sans rétroaction somatosensorielle.” Les plus récents en cours d'élaboration par Andersen et ses collègues offrent un mécanisme aux signaux de relais du bras robotique dans la partie du cerveau qui donne la perception du toucher.

“La raison pour laquelle nous élaborons ces dispositifs est que normalement un couldn patient tétraplégique ’ t, dire, chercher un verre d'eau à boire, il, ou se nourrir. Ils peuvent ’ t rien faire même si leur nez me démange. Apparemment ce genre de choses triviales sont très frustrantes pour les patients,” Andersen dit. “Ce procès est une étape importante vers l'amélioration de leur qualité de vie.”

Les résultats de l'essai ont été publiés dans un livre intitulé, “Décodage imagerie motrice du Cortex pariétal postérieur d'un homme tétraplégique.” Le dispositif implanté et processeurs de signaux utilisés pour l'essai clinique dirigée par Caltech étaient le tableau NeuroPort et processeurs de signaux NeuroPort Bio-potentiel développé par Blackrock Microsystems à Salt Lake City, Utah. Le bras robotisé utilisé dans l'essai était la branche Prothèse modulaire, mis au point dans le laboratoire de physique appliquée à l'Université Johns Hopkins. Sorto a été recruté à l'essai par des collaborateurs au Rancho Los Amigos National Centre de réhabilitation et à la médecine Keck de l'USC. Cette étude a été financée par les National Institutes of Health, la Fondation de Boswell, le ministère de la défense, et le centre de Neurorestoration de l'USC.

Écrit par Jessica Stoller-Conrad

Contact: 

Deborah Williams-haies

(626) 395-3227

debwms@Caltech.edu

 

 

Caltech.edu [en línea] Pasadena, CA (USA): Caltech.edu 28 de mayo de 2015 [Réf. 21en mai dee 2015] Disponible sur Internet:http://www.Caltech.edu/news/Controlling-Robotic-ARM-patients-intentions-46786


Actions

Informations

Laisser un commentaire

Vous pouvez utiliser ces balises html : <« a href = »" titre = "" ""> <abbr titre = ""> <Acronym title = ""> <(b)> <BLOCKQUOTE cite = ""> <citer> <code> <le DateTime = ""> <EM> <J'ai> <citer q = ""> <grève> <forte>