Ember-gép interfész megállítja az izomremegést

A miniaturizált izombeültetés, amely elektródkapcsolatokból és elektronikából áll, mindössze három centiméter hosszú és alig egy milliméter vastag. Egy szilikoncső szolgál az implantátum kivételéhez a kísérlet után. © Fraunhofer IBMT / A miniaturizált izombeültetés, amely elektródkapcsolatokból és elektronikából áll, mindössze három centiméter hosszú és alig egy milliméter vastag. Egy szilikoncső szolgál az implantátum kivételéhez a kísérlet után. © Fraunhofer IBMT

Az intelligens vezeték nélküli hálózat alapvető felépítése érzékelőkből és aktorokból. Szúrható elektródákból, külső textil elektródákból és vezérlőkből áll. © Az Információs és Kommunikációs Technológiák Tanszéke, Universitat Pompeu Fabra, 08018, Barcelona, Spanyolország / Az intelligens vezeték nélküli érzékelők és aktorok hálózatának működési elve, amely szúrható elektródákból, külső textil elektródákból és vezérlőkből áll. © Az Információs és Kommunikációs Technológiák Tanszéke, Universitat Pompeu Fabra, 08018, Barcelona, Spanyolország

A Fraunhofer Intézet Biomedizinikus Technikájának IBMT tudósai nemzetközi partnerszervezetekkel közösen kifejlesztettek egy technológiai platformot, amely a jövőben segíthet az izomrázó embereknek a tremor megállításában. Apró, biokompatibilis elektródák az izomban, külső elektródákkal és vezérlőkkel együtt egy intelligens hálózatot alkotnak, amely érzékeli az izomjelet, és szükség esetén elektromos stimulációkat küld. Az exoszkeletonokkal kombinálva ez a technológia akár gerincvelősérültek támogatására is alkalmas lehet.

Egy kompakt vezérlő a övön vagy a zakó alatt, néhány észrevehetetlen textil elektróda a karokon és lábakon, valamint három centiméter hosszú és mindössze egy milliméter vékony elektródák, amelyeket az izomba helyeznek – ez nem több, mint amire szükség van ahhoz, hogy a jövőben a tremorral küzdő embereknek segítsenek. Amikor az izomrázó kezdődik, a rendszer elektromos stimulációkat küld az izomba, amelyeket az idegrendszer észlel. Az idegrendszer ezután már nem küld zavaró jeleket az izmokba, és azok megnyugszanak. Ez a technológia alapötlete, amelyhez a Fraunhofer IBMT tudósai, partnerszervezetekkel közösen, egy intramuszkuláris és külső elektródákból álló készletet, valamint a hozzá tartozó vezérlőt terveztek, gyártottak, integráltak és kísérletekben teszteltek.

A kutatók már konkrét sikereket tudhatnak maguk mögött. »Kísérletekben betegekkel sikerült jelentősen csökkenteni az izomrázást«, magyarázza Andreas Schneider-Ickert, az Aktív Implantátumok és Innovációs Menedzsment projektvezetője.

A rendszer az EU által támogatott „EXTEND” nevű partnerségi projekt része. Öt ország kilenc projektpartnere közösen fejleszt egy sokoldalúan alkalmazható elosztott idegkapcsolati platformot. A technológia a jövőben segíthet neuromuszkuláris betegségek, például tremor vagy bénulás tüneteinek kezelésében. Még azok az emberek is profitálhatnak belőle, akik gerincvelősérülést szenvedtek. A technika az implantált elektródákat külső vezérlőkkel összekapcsolva egy intelligens hálózatot alkot. A komponensek vezeték nélkül kommunikálnak egymással, adatokat cserélnek, érzékelik az izomjeleket, és célzott stimulációkat küldenek az izomba. Az implantált rendszerek által végzett stimuláció már létezik az orvoslásban. Az eddigi módszerek azonban összetett sebészeti beavatkozásokkal járnak, amelyek jelentős terhet rónak a betegekre.

Implantátumok az ember-gép interfészhez

A EXTEND egyik központi eleme a beültethető eszközök. Ezek biokompatibilis platina-irídiumból és szilikonból készülnek. Egy katéter segítségével injektálják őket az izomba. A három centiméter hosszú és közel egy milliméter átmérőjű apró implantátum mindkét végén elektródával rendelkezik, amelyek érzékelőként vagy aktorként működnek. A modult külső, textilszalagba varrt elektródák látják el energiával. Ezek pulzáló váltakozó áramot juttatnak az izomszöveten keresztül az implantátumba. »Nemcsak az intelligens összhang a vezérlő elektronika, érzékelők és aktorok között innovatív, hanem az is, hogy a váltakozó áram modulálásával adatokat lehet továbbítani«, magyarázza Schneider-Ickert.

Egyszer beültetve és üzembe helyezve az érzékelők az első jeleket rögzítik az izomrázásról, és ezeket az információkat továbbítják a külső komponensek felé. A vezérlő kiértékeli az adatokat, és a textil elektródákon keresztül jeleket küld az izom stimulálására. Így jön létre egy intelligens, hálózatba kötött érzékelő és aktor komponensekből álló szabályozási kör, amely ellensúlyozza a tremort.

Az ingerlő jel azonban nem elég erős ahhoz, hogy közvetlenül összehúzódást váltson ki az izomban. Sokkal inkább az idegrendszer játszik itt a döntő szerepet. Észleli a stimulációt az izomszövetben, és reagál rá azzal, hogy beállítja azokat a parancsokat, amelyek kiváltják a tremort. Legalábbis ez a teória, mivel a tremor és az idegrendszer jelei közötti összefüggés részletesen még nem kutatott. »Azonban módszerünk klinikai kísérletekben meglepően jól működik. Az első próbák azt mutatták, hogy elég egy vagy két órán át stimulációval kezelni a pácienst, hogy hosszabb távon csökkentsük a tremor tüneteit«, mondja Schneider-Ickert.

Mivel a tremor gyakran mindkét karon és mindkét lábon jelentkezik, minden érintett izomcsoportba beültetéseket lehet végezni, és külső textil elektródákat elhelyezni. Így egy elosztott érzékelő hálózat jön létre. A vezérlők minden implantált és külső elektródát egyidejűleg figyelemmel kísérnek, és ezek összehangolt vezérlését végzik. Mindez valós időben történik, az ember nem észlel késleltetést.

A EXTEND nevű partnerségi projekt technológiája ugyanolyan funkcionális, mint a hagyományos implantátum rendszerek, de minimál invazív, így könnyebben elfogadott és mindennapi használatra alkalmas. Az alapötlet egy spanyol partner fejlesztése. Ennek alapján a kutatók az IBMT-nél megtervezték az elektródákat és az implantálható komponenseket, saját tisztatérben gyártották és integrálták. A tudósok több mint 25 éves szakmai tapasztalattal rendelkeznek a neuroprotézis és aktív implantátumok területén.

Exoszkeletonok a gerincvelő-sérültek ellen

A tremorral küzdő betegek számára a EXTEND reményt jelent a tünetek jelentős enyhítésére. A technológiai platform azonban segíthet gerincvelősérülteknek motoros exoszkeletonok révén is. Ez azért lehetséges, mert a bénulásnál gyakran nem teljesen vágják át az idegfonatokat. Ezek még mindig, bár nagyon gyengén, továbbítják az agyból érkező stimulációkat. Az érzékelők észlelik a aktivitást, és továbbítják a vezérlő felé. A vezérlő elemzi az összes jelet, megállapítja, hogy a személy milyen mozgást akar végrehajtani, és aktiválja azokat a protéziseket, amelyek támogatják az izomzatot a mozgás végrehajtásában.

A sikeres első tesztek után az EXTEND-ben alkalmazott koncepciókat és technológiákat folyamatosan fejlesztették, miniaturizálták és optimalizálták, valamint további implementációs vizsgálatokat végeztek. Ezzel a projekttel sikeresen befejeződött a miniaturizált, integrált rendszer emberi alkalmazásának proof of conceptje. Az IBMT a jövőben az EXTEND-ben szerzett tudását felhasználva tovább fejleszti neuromuszkuláris és neuronális interfészek területén szerzett szakértelmét.