Controlar um braço robótico com intenções de um paciente

28 05 2015

Próteses neurais implantados no centro do movimento do cérebro, o córtex motor, pode permitir que pacientes com amputações ou paralisia controlar o movimento de um membro robótico — que pode ser ligado a ou separado no membro do paciente. No entanto, neuroprosthetics atuais produzir movimento que está atrasado e seca — não os gestos suaves e aparentemente automáticos associados com movimento natural. Agora, Implantando o neuroprosthetics numa parte do cérebro que controla o movimento de não diretamente, mas prefiro nossa intenção de mover, Caltech pesquisadores desenvolveram uma forma de produzir movimentos mais naturais e fluidos.

Exemplo de uma varredura de fMRI, usado para o direcionamento do local de implantação do dispositivo.

Em um ensaio clínico, a equipe de Caltech e colegas da medicina Keck da USC com sucesso tem implantado apenas como um dispositivo em um paciente com tetraplegia, dando-lhe a capacidade de executar um gesto fluido de aperto de mão e até mesmo jogar “rocha, papel, tesoura” usando um braço robótico separado.

Os resultados do julgamento, liderada pelo investigador principal Richard Andersen, o James G. Boswell Professor de neurociência, e incluindo Caltech laboratório Membros Tyson Aflalo, Spencer Kellis, Christian Klaes, Brian Lee, Ying Shi e Gabi Pejsa, são publicados em maio 22 edição da revista Ciência.

“Quando você move seu braço, Você realmente não ’ t pensa que os músculos para ativar e os detalhes do movimento — tais como levantar o braço, estender o braço, Segure o copo, Feche a mão ao redor da Copa, e assim por diante. Em vez disso, Você pensa sobre o objetivo do movimento. Por exemplo, ‘ eu quero pegar aquele copo de água,’” Andersen diz. “Então neste julgamento, conseguimos com sucesso decodificar esses propósitos reais, pedindo o assunto simplesmente imaginar o movimento como um todo., ao invés de quebrando-o em inúmeros componentes.”

Por exemplo, o processo de ver uma pessoa e então apertando sua mão começa com um sinal visual (por exemplo, alguém que sabe reconhecer) que primeiro é processada nas menores áreas visuais do córtex cerebral. O sinal em seguida, move-para uma área cognitiva de alto nível, conhecida como o córtex parietal posterior (PPC). Aqui, a intenção inicial de tornar-se um movimento é formada. Estas intenções são então transmitidas para o córtex motor, através da medula espinhal, e para os braços e pernas, onde o movimento é executado.

Lesão medular alta pode causar tetraplegia em alguns pacientes, porque os sinais de movimento do cérebro para os braços e pernas. Como uma solução, anteriores neuroprosthetic implantes utilizados eletrodos minúsculos para detectar e registar sinais de movimento em sua última parada antes de alcançar a medula espinhal: o córtex motor.

O sinal gravado então é realizado através de feixes de fios do paciente ’ cérebro s para um computador, Onde é traduzido para uma instrução para um membro robótico. No entanto, Porque o córtex motor normalmente controla muitos músculos, os sinais tendem a ser detalhadas e específicas. O grupo Caltech queria ver se a simples intenção de apertar a mão poderia ser usada para controlar o membro protético, em vez de pedir o assunto para se concentrar em cada componente do handshake — uma abordagem mais minuciosa e menos natural..

Andersen e seus colegas queriam melhorar a versatilidade de movimento que um neuroprosthetic pode oferecer por gravação de sinais de uma região diferente do cérebro — o PPC. “O PPC é anterior na via, Então sinais lá estão mais relacionados ao planejamento do movimento — o que você realmente a intenção fazer — em vez dos detalhes da execução do movimento,” ele diz. “Esperávamos que os sinais do PPC seria mais fácil para os pacientes a usar, em última análise, tornando o processo de movimento mais intuitivo. Nossos futuros estudos vão investigar maneiras de combinar os sinais o córtex motor detalhado com mais sinais PPC cognitivos para tirar proveito de cada área ’ especializações em s.”

Em ensaio clínico, concebido para testar a segurança e a eficácia desta nova abordagem, a equipe de Caltech colaborou com médicos em medicina Keck da USC e a equipe de reabilitação no centro de reabilitação do Rancho Los Amigos nacional. Os cirurgiões implantaram um par de matrizes de eletrodo pequeno em duas partes do PPC de um paciente tetraplégico. Cada matriz contém 96 eletrodos ativos que, por sua vez, cada registro da atividade de um único neurônio no PPC. As matrizes foram conectadas por um cabo a um sistema de computadores que processou os sinais, decodificado a intenção do sujeito, e dispositivos de saída controlado que incluiu um cursor de computador e um braço robótico desenvolveram por seus colaboradores na Universidade Johns Hopkins.

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Depois de se recuperar da cirurgia, o paciente foi treinado para controlar o cursor do computador e o braço robótico com a mente. Uma vez que a formação estava completa, os pesquisadores viram só o que eles estavam esperando: movimento intuitivo do braço robótico.

“Para mim, do julgamento, o momento mais emocionante foi quando o participante mudou o membro robótico com os pensamentos dele. Ele tinha sido paralisado por mais de 10 anos, e esta foi a primeira vez desde sua lesão que ele poderia mover um membro e estender a mão a alguém. Foi um momento emocionante para todos nós,” Andersen diz.

“Foi uma grande surpresa que o paciente era capaz de controlar o membro no primeiro dia — o primeiro dia que ele tentou,” Ele acrescenta. “Isso atesta a intuitiva como o controle é quando usando a atividade PPC.”

O paciente, Erik G. Sorto, também ficou contente com os resultados rápidos: “Fiquei surpreso com o quão fácil era,” ele diz. “Lembro-me apenas ter esta experiência fora do corpo, e eu queria andar por aí e toca aqui toda a gente.”

Ao longo do tempo, Sorto continuou a refinar o seu controle do braço robótico, propiciando os pesquisadores com mais informações sobre como funciona o PPC. Por exemplo, “aprendemos que se pensava, ‘ eu deveria passar minha mão em direção ao objeto de uma certa maneira ’ — tentando controlar o membro — que não ’ trabalho t,” Andersen diz. “O pensamento realmente precisava ser mais cognitiva. Mas se ele achou que, ‘ eu quero agarrar o objeto,’ era mais fácil. E isso é exatamente o que esperaríamos desta área do cérebro.”

Este melhor entendimento do PPC vai ajudar os pesquisadores a melhorar dispositivos neuroprosthetic do futuro, Andersen diz. “O que temos aqui é uma janela única para o funcionamento de uma área do cérebro complexo de alto nível como trabalhamos em colaboração com o nosso assunto para aperfeiçoar suas habilidades no controle de dispositivos externos.”

“A principal missão do centro de Neurorestoration USC é tirar proveito dos recursos de nossos programas clínicos para criar oportunidades únicas para traduzir as descobertas científicas, como os do laboratório Andersen Caltech, para pacientes humanos, em última análise, transformando descobertas transformadoras em terapias eficazes,” diz o diretor do centro Charles Y. Liu, professor de cirurgia neurológica, Neurologia, e Engenharia Biomédica na USC, Quem levou o procedimento de implante cirúrgico e a equipe da USC/Rancho Los Amigos na colaboração.

“Em cuidar de pacientes com lesões neurológicas e doenças — e sabendo as limitações significativas das estratégias de tratamento atual — é claro que completamente novas abordagens são necessárias para restaurar a função de pacientes paralisados. Controle do cérebro direto de robôs e computadores tem o potencial de mudar radicalmente a vida de muitas pessoas,” Liu adiciona.

Dr. Mindy ais, o oficial médico chefe no Rancho Los Amigos, que liderou o estudo ’ s equipe de reabilitação, diz que os avanços em próteses como estes segura promessa para o futuro da reabilitação do paciente. “Estamos no Rancho são dedicados ao avanço de reabilitação através das novas tecnologias assistivas, como interfaces cérebro-máquina e robótica. Nós criamos um ambiente único que pode perfeitamente unir reabilitação, medicina, e a ciência como exemplificado neste estudo,” Ela diz.

Embora as tarefas como apertar a mão e jogar “rocha, papel, tesoura” são importantes para demonstrar a capacidade desses dispositivos, a esperança é que o neuroprosthetics eventualmente irá permitir pacientes realizar tarefas mais práticas que lhes permitam recuperar algumas das sua independência.

“Este estudo tem sido muito significativo para mim. Como o projeto precisava de mim, Eu precisava do projeto. O projeto tem feito uma diferença enorme na minha vida. Me dá muito prazer em ser parte da solução para melhorar a pacientes paralisados’ vidas,” Sorto diz.”Eu brincar com os caras que eu quero ser capaz de beber a minha própria cerveja — para ser capaz de tomar uma bebida no meu próprio ritmo, Quando quiser tomar um gole da minha cerveja e não tenho que pedir a alguém para me entregar. Sinto muito a falta que a independência. Eu acho que se era seguro o suficiente, Adoro enfeitando-me — barbear, escovando meus dentes. Isso seria fantástico.”

Para o efeito, Andersen e seus colegas já estão trabalhando em uma estratégia que poderia permitir que os pacientes realizar estas habilidades motoras mais finas. A chave é ser capaz de fornecer tipos particulares de feedback sensorial de braço robótico para o cérebro.

Embora Sorto ’ s implante lhe permitiu controlar movimentos maiores com feedback visual, “realmente ficar bem hábil controle, Você também precisa de feedback de toque,” Andersen diz. “Sem ele, ’ é como ir ao dentista e ter sua boca anestesiada. ’ é muito difícil falar sem feedback somatossensorial.” Os mais recentes dispositivos sob desenvolvimento por Andersen e seus colegas dispõem de um mecanismo para retransmissão de sinais de braço robótico volta para a parte do cérebro que dá a percepção do toque.

“A razão pela qual desenvolvemos estes dispositivos que normalmente é uma tetraplégica paciente podia ’ t, dizer, pegar um copo de água para sorvê-lo, ou alimentar-se. Eles podem ’ t nem fazer nada, se está coçando o nariz. Aparentemente triviais coisas como esta são muito frustrantes para os pacientes,” Andersen diz. “Este julgamento é um passo importante para melhorar a sua qualidade de vida.”

Os resultados do ensaio foram publicados em um estudo intitulado, “Decodificação imagética motora do córtex Parietal Posterior de um tetraplégico humano.” O dispositivo implantado e processadores de sinal usados em ensaio clínico Caltech-levou foram a matriz NeuroPort e processadores de sinal NeuroPort Bio-potencial desenvolvido pela Blackrock Microsystems em Salt Lake City, Utah. O braço robótico usado no julgamento foi o membro Prótese Modular, desenvolvido no laboratório de física aplicada na Universidade Johns Hopkins. Sorto foi recrutado para o julgamento pelos colaboradores no Rancho Los Amigos centro nacional de reabilitação e na medicina Keck da USC. Este julgamento foi financiado pelo National Institutes of Health, a Fundação de Boswell, o departamento de defesa, e o centro de Neurorestoration do USC.

Escrito por Jessica Stoller-Conrad

Contato: 

Deborah Williams-Hedges

(626) 395-3227

debwms@Caltech.edu

 

 

Caltech.edu [en línea] Pasadena, CA (ESTADOCaltech.edu AMÉRICA): caltech.edu 28 de mayo de 2015 [Ref. 21 em maio de 2015] Disponible en Internet:http://www.Caltech.edu/News/Controlling-robotic-arm-patients-Intentions-46786


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