Rozhraní člověk-stroj zastavuje svalové třesení

Miniaturní svalová implantace, sestávající z kontaktních elektrod a elektroniky, je dlouhá pouhé tři centimetry a tlustá necelý milimetr. Silikonová trubice slouží k vytažení implantátu po experimentu. © Fraunhofer IBMT / Miniaturní svalová implantace, sestávající z kontaktních elektrod a elektroniky, je dlouhá pouhé tři centimetry a tlustá necelý milimetr. Silikonová trubice slouží k vytažení implantátu po experimentu. © Fraunhofer IBMT

Základní struktura inteligentní bezdrátové sítě senzorů a aktorů. Skládá se z injektovaných elektrod, externích textilních elektrod a řídicích jednotek. © Department of Information and Communications Technologies, Universitat Pompeu Fabra, 08018, Barcelona, Španělsko / Pracovní princip inteligentní bezdrátové sítě senzorů a aktorů sestávající z injektovaných elektrod, externích textilních elektrod a řídicích jednotek. © Department of Information and Communications Technologies, Universitat Pompeu Fabra, 08018, Barcelona, Španělsko

Vědci z Fraunhoferova institutu pro biomedicínskou techniku IBMT společně s mezinárodními partnery vyvinuli technologickou platformu, která by měla lidem s třesem svalů v budoucnu pomoci zastavit třes. Malé biokompatibilní elektrody v svalové tkáni společně s externími elektrodami a ovladači tvoří inteligentní síť senzorů a aktorů, která detekuje svalové signály a v případě potřeby vysílá elektrické stimuly. Ve spojení s exoskeletony by tato technologie mohla také pomoci lidem s poraněním míchy.

Kompaktní ovladač na opasku nebo pod sakem, několik nenápadných textilních elektrod na pažích a nohou a tři centimetry dlouhé a necelý milimetr tenké elektrody, které jsou umístěny ve svalu – to je vše, co je potřeba k tomu, aby v budoucnu pomohli lidem s třesem. Kdykoli začne svalový třes, systém vysílá elektrické stimuly do svalové tkáně, které jsou zaznamenány nervovým systémem. Nervový systém pak již neposílá rušivé signály do svalů a ty se uklidní. To je základní myšlenka této technologie, pro kterou vědci z Fraunhofer IBMT společně s partnery navrhli, vyrobili, integrovali a testovali v experimentech sadu intramuskulárních a externích elektrod a s tím související ovladač.

Vědci již mohou uvést konkrétní úspěchy. »V pokusech s pacienty se nám podařilo výrazně snížit svalový třes«, vysvětluje Andreas Schneider-Ickert, vedoucí projektu Aktivní implantáty a manažer inovací.

Systém je součástí projektu financovaného EU s názvem »EXTEND«. Celkem devět projektových partnerů ze pěti zemí společně vyvíjí univerzální platformu rozptýlených neuronálních rozhraní. Technologie by mohla v budoucnu pomoci lidem s neuromuskulárními onemocněními, jako je například třes nebo příznaky ochrnutí. Dokonce i lidé s poraněním míchy by z toho mohli těžit. Technikou jsou implantované elektrody propojeny s externím ovladačem do inteligentní sítě. Komponenty komunikují bezdrátově, vyměňují si data, detekují svalové signály a cíleně vysílají stimuly do svalové tkáně. Stimulace pomocí implantovaných systémů již v medicíně existuje. Dosavadní metody však vyžadují složité chirurgické zákroky, které představují pro pacienty značnou zátěž.

Implantáty pro rozhraní člověk-stroj

Klíčovým prvkem projektu EXTEND jsou implantáty. Ty jsou vyrobeny z biokompatibilního platino-iridia a silikonu. Pomocí katetru jsou zaváděny do svalu. Malé implantáty o délce tří centimetrů a průměru necelého milimetru mají na obou koncích elektrodu, která funguje buď jako senzor nebo jako aktor. Modul je napájen z externích elektrod, které jsou přišity do textilního pásku. Ty dodávají pulzní střídavý proud přes svalovou tkáň do implantátu. »Inovativní není jen chytrá spolupráce mezi řídicí elektronikou, senzory a aktory, ale také princip modulace střídavého proudu pro přenos dat«, vysvětluje Schneider-Ickert.

Po implantaci a uvedení do provozu senzory zaznamenávají první známky svalového třesu a předávají tyto informace externím komponentám. Ovladač vyhodnocuje data a pomocí textilních elektrod vysílá signály ke stimulaci svalu. Tento uzavřený regulační okruh, složený z inteligentně propojených senzorických a aktorických komponent, působí proti třesu.

Stimulující signál však není dost silný na to, aby přímo vyvolal kontrakci svalu. Klíčovou roli zde hraje nervový systém. Ten zaznamenává stimulaci ve svalové tkáni a na ni reaguje tím, že upravuje příkazy, které spouštějí třes svalů. Alespoň taková je teorie, protože vztah mezi třesem a signály nervového systému dosud není úplně podrobně prozkoumán. »Nicméně naše metoda v klinických pokusech funguje překvapivě dobře. První pokusy ukázaly, že stačí, když pacient nebo pacientka dostává stimulaci po dobu jedné nebo dvou hodin, aby se symptomy třesu na delší dobu snížily«, říká Schneider-Ickert.

Protože třes se často vyskytuje na obou pažích a obou nohou, mohou být implantáty zavedeny do všech postižených svalových skupin a externí textilní elektrody umístěny na všech postižených místech. Tím vzniká rozptýlená síť senzorů. Ovladače mají na dosah všechny implantované i externí elektrody současně a mohou je řídit v souladu s tímto nastavením. To vše probíhá v reálném čase, člověk nezaznamená žádné zpoždění.

Technologie projektu EXTEND je stejně funkční jako klasické implantabilní systémy, ale je pouze minimálně invazivní a proto snáze akceptovatelná a použitelná v běžném životě. Základní koncept pochází od španělského partnera projektu. Na jeho základě navrhli vědci z Fraunhofer IBMT elektrody a implantabilní komponenty, vyrobili je ve vlastním čistém prostředí a integrovali. Výzkumníci mají za sebou více než 25 let zkušeností v oblasti neuroprotéz a aktivních implantátů.

Exoskeletony proti paraplegii

Pro pacienty s třesem znamená projekt EXTEND naději na výrazné zmírnění symptomů. Platforma by však mohla pomoci také lidem s poraněním míchy prostřednictvím motorických exoskeletonů. To je možné proto, že nervové dráhy při paraplegii často nejsou úplně přerušeny. Přestože jsou slabě, stále vedou stimuly z mozku. Senzory zaznamenávají aktivitu a předávají ji řídicímu systému. Ten analyzuje všechny signály, odhadne, jaký pohyb člověk chce vykonat, a aktivuje právě ty protézy, které podporují svalstvo při provádění pohybu.

Po prvních úspěšných testech byly koncepty a technologie používané v EXTEND postupně dále rozvíjeny, miniaturizovány a optimalizovány a byly provedeny další implementační studie. Díky tomu byl projekt ukončen úspěšným důkazem funkčnosti miniaturizovaného integrovaného systému u člověka. Fraunhofer IBMT využije získané know-how k dalšímu rozvoji svých expertíz v oblasti neuromuskulárních a neuronálních rozhraní.