Controllo di un braccio robotico con le intenzioni di un paziente

28 05 2015

Neurale dispositivi protesici impiantati nel centro del movimento del cervello, la corteccia motoria, può permettere ai pazienti con amputazioni o paralisi di controllare il movimento di un arto robotico — uno che può essere collegato con o separato dall'arto del paziente. Tuttavia, corrente neuroprotesi producono moto che è in ritardo e a scatti — non i gesti lisci e apparentemente automatici associati al movimento naturale. Ora, impiantando neuroprotesi in una parte del cervello che controlla il movimento di non direttamente, ma piuttosto il nostro intento a muoversi, I ricercatori del Caltech hanno sviluppato un modo per produrre movimenti più fluidi e naturali.

Esempio di una scansione fMRI utilizzato per individuare la posizione di impianto del dispositivo.

In una sperimentazione clinica, il team di Caltech e i colleghi di medicina Keck di USC hanno impiantato con successo proprio tale dispositivo in un paziente con tetraplegia, dandogli la possibilità di eseguire un gesto fluido scuote la mano e anche giocare “roccia, carta, forbici” utilizzo di un braccio robotico separato.

I risultati della sperimentazione, guidati dal ricercatore principale Richard Andersen, il James G. Boswell professore di neuroscienze, e tra cui membri del laboratorio di Caltech Tyson Aflalo, Spencer Kellis, Christian Klaes, Brian Lee, ying Shi e Kelsie Pejsa, sono pubblicati nel maggio 22 edizione della Gazzetta Scienza.

“Quando si sposta il braccio, davvero don ’ t pensare che i muscoli per attivare e i dettagli del movimento — come ad esempio sollevare il braccio, allungare il braccio, afferrare la tazza, chiudere la mano intorno alla tazza, E così via. Invece, Pensi che l'obiettivo del movimento. Per esempio, ‘ voglio prendere quella tazza di acqua,’” Andersen dice. “Quindi, in questa prova, Siamo riusciti con successo a decodificare questi intenti effettivi, chiedendo al soggetto di immaginare semplicemente il movimento nel suo complesso, piuttosto che scomponendola in innumerevoli componenti.”

Per esempio, inizia il processo di vedere una persona e poi agitando la mano con un segnale visivo (per esempio, riconoscere qualcuno che conosci) che viene elaborato prima nelle aree della corteccia cerebrale visive inferiore. Il segnale si sposta poi fino a un'alto livello zona conoscitiva conosciuta come la corteccia parietale posteriore (PPC). Qui, l'intenzione iniziale di fare un movimento è formata. Queste intenzioni sono poi trasmessi alla corteccia motoria, attraverso il midollo spinale, e sopra le braccia e le gambe dove viene eseguito il movimento.

Lesioni alte del midollo spinale possono causare quadriplegia in alcuni pazienti, in quanto segnali di movimento non possono ottenere dal cervello a braccia e gambe. Come soluzione, gli impianti più in anticipo di neuroprosthetic usato minuscoli elettrodi per rilevare e registrare i segnali di movimento alla loro ultima fermata prima di raggiungere il midollo spinale: la corteccia motoria.

Il segnale registrato è quindi trasportato tramite fasci di filo dal paziente ’ cervello s a un computer, dove si è tradotto in un'istruzione per un arto robotico. Tuttavia, perché la corteccia motoria normalmente controlla molti muscoli, i segnali tendono ad essere dettagliate e specifiche. Il gruppo del Caltech ha voluto vedere se il semplice intento di stringergli la mano potrebbe essere utilizzato per controllare l'arto protesico, invece di chiedere al soggetto di concentrarsi su ogni componente dell'handshake — un approccio più scrupoloso e meno naturale.

Andersen e i suoi colleghi ha voluto migliorare la versatilità di movimento che un neuroprosthetic può offrire di registrazione di segnali da una regione del cervello differenti — il PPC. “Il PPC è all'inizio della via, così i segnali ci sono più legate alla pianificazione del movimento — quello che in realtà intendo fare — piuttosto che i dettagli dell'esecuzione del movimento,” Egli dice. “Abbiamo sperato che i segnali dal PPC sarebbe più facili per i pazienti di utilizzare, in ultima analisi, rendendo il processo di movimento più intuitiva. I nostri studi futuri indagherà modi per combinare i segnali di corteccia motoria dettagliata con ulteriori segnali PPC cognitivi di approfittare di ogni zona ’ specializzazioni s.”

Nella sperimentazione clinica, progettato per testare la sicurezza e l'efficacia di questo nuovo approccio, il team di Caltech ha collaborato con i chirurghi presso medicina Keck di USC e il team di riabilitazione presso il centro di riabilitazione di Rancho Los Amigos National. I chirurghi impiantato un paio di matrici piccolo elettrodo in due parti della PPC di un paziente tetraplegico. Ogni matrice contiene 96 elettrodi attivi che, a sua volta, ogni record l'attività di un singolo neurone nel PPC. Le matrici erano collegate da un cavo ad un sistema di computer che ha elaborato i segnali, decodificato l'intento del soggetto, e dispositivi di uscita controllata che comprendeva un cursore di computer e di un braccio robotico sviluppato da collaboratori presso la Johns Hopkins University.

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Dopo il recupero dall'ambulatorio, il paziente è stato addestrato per controllare il cursore del computer e il braccio robotico con la sua mente. Una volta che la formazione è stata completa, i ricercatori hanno visto solo quello che loro speravano per: intuitivo movimento del braccio robotico.

“Per me, il momento più emozionante della sperimentazione è stato quando il partecipante mosso prima l'arto robotico con i suoi pensieri. Egli era stato paralizzato per oltre 10 anni, e questa era la prima volta dal suo infortunio che poteva muovere un arto e arrivare a qualcuno. E ' stato un momento emozionante per tutti noi,” Andersen dice.

“Fu una grande sorpresa che il paziente era in grado di controllare l'arto giorno uno — il primo giorno ha cercato,” Egli aggiunge. “Ciò attesta come intuitivo controllo è quando si utilizza l'attività PPC.”

Il paziente, Erik G. Sorto, era anche entusiasta con i risultati rapidi: “Ero sorpreso di quanto fosse facile,” Egli dice. “Mi ricordo solo che hanno questa esperienza fuori dal corpo, e volevo solo correre e batto il cinque tutti.”

Nel corso del tempo, Sorto ha continuato a perfezionare il suo controllo del braccio robotico, fornendo in tal modo i ricercatori con ulteriori informazioni su come funziona il PPC. Per esempio, “abbiamo imparato che se pensava che, ‘ Dovrei passare la mano verso l'oggetto in un certo modo ’ — cercando di controllare l'arto — che didn ’ lavoro t,” Andersen dice. “Il pensiero in realtà doveva essere più cognitiva. Ma se pensava che solo, ‘ voglio afferrare l'oggetto,’ e ' stato molto più facile. E questo è esattamente ciò che ci si aspetterebbe da questa zona del cervello.”

Questa migliore comprensione della PPC aiuterà i ricercatori migliorare neuroprosthetic dispositivi del futuro, Andersen dice. “Quello che abbiamo qui è una finestra unica nel funzionamento di una zona del cervello complesso di alto livello come lavoriamo in collaborazione con il nostro soggetto per perfezionare la sua abilità nel controllare dispositivi esterni.”

“La missione primaria del USC Neurorestoration Center è quello di sfruttare le risorse dai nostri programmi clinici per creare opportunità uniche per tradurre le scoperte scientifiche di, come quelli del laboratorio Andersen al Caltech, ai pazienti umani, in definitiva trasformare trasformative scoperte in terapie efficaci,” dice il direttore del centro Charles Y. Liu, professore di chirurgia neurologica, Neurologia, e ingegneria biomedica presso USC, Chi ha condotto la procedura chirurgica implantare e la squadra USC/Rancho Los Amigos in collaborazione.

“Nel prendersi cura dei pazienti con lesioni neurologiche e malattie — e conoscendo le limitazioni significative delle attuali strategie di trattamento — è chiaro che completamente nuovi approcci sono necessari per ripristinare la funzione di pazienti paralizzati. Controllo diretto del cervello del robot e computer ha il potenziale per cambiare drasticamente la vita di molte persone,” Liu aggiunge.

Dr. Mindy Aisen, l'ufficiale medico capo a Rancho Los Amigos, che ha condotto lo studio ’ team di riabilitazione s, dice che gli avanzamenti nella protesi come questi promettono per il futuro della riabilitazione di pazienti. “Siamo al Rancho impegnati a far progredire la riabilitazione attraverso nuove tecnologie assistive, come interfacce cervello-macchina e robotica. Abbiamo creato un ambiente unico che può perfettamente riunire riabilitazione, medicina, e la scienza, come esemplificato in questo studio,” Lei dice.

Sebbene compiti come stringe la mano e giocando “roccia, carta, forbici” sono importanti per dimostrare la capacità di questi dispositivi, la speranza è che neuroprotesi alla fine permetterà ai pazienti di eseguire compiti più pratici che permetteranno loro di ritrovare la loro indipendenza.

“Questo studio è stato molto significativo per me. Per quanto riguarda il progetto aveva bisogno di me, Mi serviva il progetto. Il progetto ha fatto una grande differenza nella mia vita. Mi dà grande piacere di essere parte della soluzione per il miglioramento dei pazienti paralizzati’ vive,” Sorto dice.”Io scherzare con i ragazzi che voglio essere in grado di bere la mia birra — per poter prendere un drink al mio ritmo, Quando voglio un sorso dalla mia birra e non dover chiedere a qualcuno di dare a me. Mi manca davvero quella indipendenza. Penso che se era abbastanza sicuro, Mi piacerebbe davvero governare me stesso — rasatura, lavavo i denti proprio. Sarebbe fantastico.”

A tal fine, Andersen e i suoi colleghi stanno già lavorando su una strategia che potrebbe permettere ai pazienti di eseguire queste abilità motorie più fini. La chiave deve essere in grado di fornire particolari tipi di feedback sensoriale dal braccio robotico per il cervello.

Sebbene Sorto ’ s impianto gli ha permesso di controllare i movimenti più grandi con feedback visivo, “per davvero ottimi abile controllo, è inoltre necessario feedback da tocco,” Andersen dice. “Senza di essa, esso ’ s come andare dal dentista e avendo la bocca intorpidita. Esso ’ s molto difficile parlare senza feedback somatosensoriale.” I più recenti dispositivi in fase di sviluppo da Andersen e i suoi colleghi dispongono di un meccanismo a relè segnali dal braccio robotico nuovamente dentro la parte del cervello che dà la percezione del tocco.

“Il motivo che stiamo sviluppando questi dispositivi che normalmente è un tetraplegico couldn paziente ’ t, dire, prendere un bicchiere d'acqua da sorseggiare e, o nutrirsi. Essi possono ’ t fare nulla se loro naso prude. Apparentemente le cose banali come questo sono molto frustrante per i pazienti,” Andersen dice. “Questa prova è un passo importante verso il miglioramento della loro vita di qualità.”

I risultati della sperimentazione sono stati pubblicati in un libro intitolato, “Decodifica Motor Imagery dalla corteccia parietale posteriore di un essere umano tetraplegici.” Il dispositivo impiantato e processori di segnale utilizzati nella sperimentazione clinica ha portato Caltech furono la matrice NeuroPort e processori di segnale NeuroPort Bio-potenziale sviluppato da Blackrock Microsystems a Salt Lake City, Utah. Il braccio robotico utilizzato nel trial è stato l'arto protesico modulare, sviluppato presso il laboratorio di fisica applicata alla Johns Hopkins. Sorto è stato reclutato per la prova di collaboratori presso centro di riabilitazione di Rancho Los Amigos National e medicina Keck di USC. Questo studio è stato finanziato dal National Institutes of Health, la Fondazione di Boswell, il dipartimento della difesa, e il centro Neurorestoration di USC.

Scritto da Jessica Stoller-Conrad

Contatto: 

Deborah Williams-siepi

(626) 395-3227

debwms@Caltech.edu

 

 

Caltech.edu [en línea] Pasadena, CA (STATI Caltech.eduRICA): caltech.edu 28 de mayo de 2015 [Ref. 21 nel maggio del 2015] Disponibile su Internet:http://www.Caltech.edu/News/Controlling-Robotic-Arm-patients-Intentions-46786


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