Interfejs człowiek-maszyna, aby zatrzymać drganie mięśni

Naukowcy z Instytutu Inżynierii Biomedycznej Fraunhofera IBMT współpracują z międzynarodowymi partnerami w celu opracowania platformy technologicznej, która pomoże złagodzić objawy skurczów mięśni. Małe, biokompatybilne elektrody w mięśniach wraz z zewnętrznymi elektrodami i kontrolerami tworzą inteligentną sieć czujników i siłowników do wykrywania sygnałów mięśniowych i dostarczania bodźców elektrycznych w razie potrzeby. Wraz z egzoszkieletami technologia ta może również pomóc osobom z urazami rdzenia kręgowego.

Kontroler przypięty do paska lub pod kurtką, dwie dyskretne elektrody tkankowe na rękach i nogach oraz elektrody o długości trzech centymetrów i niewiele ponad milimetr wbite w mięsień to wszystko, czego potrzeba, aby w przyszłości pomóc ludziom z zaburzeniami drżenia. Kiedy zaczynają się drżenie mięśni, system wysyła bodźce elektryczne do mięśni; Bodźce te są rejestrowane przez układ nerwowy. Wtedy układ nerwowy przestaje wysyłać sygnały zakłócające do mięśni, które ponownie się stabilizują. Jest to podstawowa idea stojąca za technologią, nad którą naukowcy z Fraunhofer IBMT pracowali wraz z partnerami projektu, opracowując, wytwarzając, integrując i testując szereg elektrod domięśniowych i zewnętrznych oraz związanych z nimi kontrolerów.

Naukowcy dokonali już kilku namacalnych osiągnięć. „W badaniach z udziałem pacjentów byliśmy w stanie znacznie zmniejszyć drganie mięśni” — wyjaśnia Andreas Schneider-Ickert, kierownik projektu Active Implants i dyrektor ds. innowacji.

System jest częścią wspólnego przedsięwzięcia rozciąga się. W sumie dziewięciu partnerów projektu z pięciu różnych krajów pracuje wspólnie nad opracowaniem wszechstronnej platformy rozproszonych interfejsów neuronowych. Technologia ta będzie w stanie pomóc osobom z zaburzeniami nerwowo-mięśniowymi, takimi jak drżenie czy objawy paraliżu. Mogą z niego skorzystać nawet osoby z urazami rdzenia kręgowego.

Technologia wykorzystuje zewnętrzne kontrolery do podłączenia wszczepionych elektrod do inteligentnej sieci. Komponenty komunikują się ze sobą bezprzewodowo, wymieniają dane, wykrywają sygnały mięśniowe i wysyłają ukierunkowane bodźce do mięśni. Systemy implantowane medycznie są już wykorzystywane do stymulacji, ale obecne metody wymagają skomplikowanych operacji, które powodują znaczny stres u pacjentów.

Jest wszczepiony do interfejsu człowiek-maszyna

Podstawowym składnikiem EXTEND są biokompatybilne implanty platynowo-irydowo-silikonowe, które są wstrzykiwane do mięśnia przez cewnik. Maleńki implant ma zaledwie trzy centymetry długości i zaledwie milimetr średnicy, a na każdym końcu znajduje się elektroda, która działa jak czujnik lub siłownik. Zewnętrzne elektrody wszyte w pasek tkaniny zasilają urządzenie. To wysyła pulsujący prąd przemienny przez tkankę mięśniową do implantu. „Innowacyjnością jest nie tylko inteligentna interakcja między elektroniką sterującą, czujnikami i siłownikami, ale także zasada modulacji prądu przemiennego do transmisji danych”, wyjaśnia Schneider-Eckert.

Po wszczepieniu i uruchomieniu czujniki rejestrują pierwsze oznaki drżenia mięśni i przekazują informacje do komponentów zewnętrznych. Kontroler ocenia dane i wysyła sygnały przez elektrody tkankowe w celu stymulacji mięśni. Powoduje to zamknięcie obwodu sterującego inteligentnie połączonych w sieć elementów czujnika i siłownika, które przeciwdziałają wstrząsowi.

Sygnał bodźca nie jest wystarczająco silny, aby bezpośrednio stymulować skurcz mięśni. Decydującą rolę odgrywa tu układ nerwowy. Rejestruje ten bodziec w tkance mięśniowej i reaguje, zatrzymując polecenia wywołujące drżenie mięśni. Przynajmniej taka jest teoria – drobne szczegóły związku między drżeniem a sygnałami z układu nerwowego nie zostały jeszcze zbadane. „W badaniach klinicznych nasza metoda działa zdumiewająco dobrze”, mówi Schneider-Eckert. „Wstępne próby wykazały, że dostarczanie pacjentowi bodźców przez godzinę lub dwie wystarcza do zmniejszenia objawów drżenia na dłuższy okres czasu”.

Ponieważ drżenie często występuje zarówno w rękach, jak i nogach, można wstrzyknąć implanty i umieścić zewnętrzne elektrody tkankowe we wszystkich dotkniętych grupach mięśni. Tworzy to rozproszoną sieć czujników. Kontrolery mogą jednocześnie śledzić wszystkie wszczepione i zewnętrzne elektrody oraz sterować nimi w koordynacji. Wszystko to dzieje się w czasie rzeczywistym, a osoba nie doświadcza żadnych opóźnień.

Technologia opracowywana w ramach wspólnego projektu EXTEND jest tak samo funkcjonalna jak konwencjonalne systemy implantologiczne, ale jest minimalnie inwazyjna, a przez to łatwiejsza do zaakceptowania i lepsza w codziennym użytkowaniu. Podstawowa koncepcja pochodzi od hiszpańskiego partnera projektu. W oparciu o tę koncepcję naukowcy z Fraunhofer IBMT zaprojektowali, wyprodukowali i zintegrowali elektrody i wszczepialne komponenty w wewnętrznych pomieszczeniach czystych. Naukowcy mają 25 lat doświadczenia w dziedzinie neuroprotez i aktywnych implantów.

Egzoszkielety w zapobieganiu paraplegii

Dla pacjentów z chorobą Parkinsona program EXTEND daje nadzieję na znaczną ulgę w objawach. Platforma technologiczna może jednak pomóc także osobom z urazami rdzenia kręgowego dzięki zrobotyzowanym egzoszkieletom. Jest to możliwe, ponieważ w przypadkach porażenia włókna nerwowe często nie są całkowicie zerwane. Nadal mogą przekazywać bodźce z mózgu, choć bardzo słabo. Czujniki rejestrują aktywność i przekazują ją do jednostki sterującej, która analizuje wszystkie sygnały, określa, jaki ruch dana osoba chce wykonać i aktywuje protezy, które są idealnie dopasowane do wspierania mięśni w wykonywaniu ruchu.

Po udanych wstępnych testach koncepcje i technologie stosowane w EXTEND były stale rozwijane, minimalizowane, ulepszane i poddawane dalszym badaniom wdrożeniowym. W rezultacie projekt został zakończony pomyślnym dowodem słuszności koncepcji mini-kompletnego systemu u ludzi. Fraunhofer IBMT wykorzysta wiedzę zdobytą w projekcie EXTEND do rozwijania swojej wiedzy specjalistycznej w dziedzinie interfejsów nerwowo-mięśniowych i neuronalnych.