Interfaccia uomo-macchina interrompe il tremore muscolare

L'impianto muscolare miniaturizzato, composto da contatti elettrodici ed elettronica, è lungo appena tre centimetri e spesso meno di un millimetro. Un tubo di silicone viene utilizzato per estrarre l'impianto dopo l'esperimento. © Fraunhofer IBMT

La struttura di base della rete wireless intelligente composta da sensori e attuatori. È costituita da elettrodi iniettati, elettrodi tessili esterni e controller. © Dipartimento di Tecnologie dell'Informazione e delle Comunicazioni, Universitat Pompeu Fabra, 08018, Barcellona, Spagna / Principio di funzionamento della rete wireless intelligente di sensori e attuatori composta da elettrodi iniettati, elettrodi tessili esterni e controller. © Dipartimento di Tecnologie dell'Informazione e delle Comunicazioni, Universitat Pompeu Fabra, 08018, Barcellona, Spagna

Gli scienziati dell'Istituto Fraunhofer per la Tecnologia Biomedica IBMT, in collaborazione con partner internazionali, hanno sviluppato una piattaforma tecnologica che in futuro aiuterà le persone con tremore muscolare a fermare il tremore. Piccole elettrodi biocompatibili nella muscolatura formano, insieme a elettrodi esterni e controllori, una rete intelligente di sensori e attuatori che rilevano i segnali muscolari e, se necessario, applicano stimoli elettrici. In combinazione con esoscheletri, questa tecnologia potrebbe anche supportare persone con lesioni del midollo spinale.

Un controllore compatto da cintura o da sotto la giacca, alcuni elettrodi tessili discreti su braccia e gambe e elettrodi lunghi tre centimetri e spessi circa un millimetro, posizionati nel muscolo — non serve altro per aiutare in futuro le persone con disturbi da tremore. Ogni volta che inizia il tremore muscolare, il sistema invia stimoli elettrici nella muscolatura, che vengono registrati dal sistema nervoso. Il sistema nervoso smette di inviare segnali disturbanti ai muscoli e questi si calmano di nuovo. Questa è l'idea di base della tecnologia, per la quale gli scienziati dell'IBMT Fraunhofer, in collaborazione con partner, hanno progettato, prodotto, integrato e testato in esperimenti un set di elettrodi intramuscolari ed esterni, insieme al controllore corrispondente.

Gli scienziati e le scienziate possono già mostrare risultati concreti. «Nei test con pazienti e pazienti è riuscito a ridurre significativamente il tremore muscolare», spiega Andreas Schneider-Ickert, responsabile del progetto Impianti Attivi e Manager dell'Innovazione.

Il sistema fa parte del progetto collaborativo finanziato dall'UE «EXTEND». In totale, nove partner di progetto da cinque paesi sviluppano insieme una piattaforma versatile di interfacce neuronali distribuite. La tecnologia potrà in futuro aiutare persone con malattie neuromuscolari come tremore o anche sintomi di paralisi. Persino persone con lesioni del midollo spinale potrebbero beneficiarne. La tecnologia collega gli elettrodi impiantati tramite controllori esterni in una rete intelligente. I componenti comunicano senza fili tra loro, scambiano dati, rilevano segnali muscolari e inviano stimoli mirati nella muscolatura. La stimolazione tramite sistemi impiantati esiste già in medicina. Tuttavia, i metodi attuali comportano interventi chirurgici complessi, che rappresentano un notevole carico per i pazienti.

Impianti per l'interfaccia uomo-macchina

Un elemento centrale di EXTEND sono gli impianti. Questi sono realizzati in platino-iridio biocompatibile e silicone. Attraverso un catetere vengono iniettati nel muscolo. Il minuscolo impianto, lungo tre centimetri e con un diametro di circa un millimetro, ha alle due estremità un elettrodo che funge rispettivamente da sensore o da attuatore. Il modulo viene alimentato tramite elettrodi tessili esterni cuciti in una fascia di tessuto. Questi forniscono corrente alternata pulsata attraverso il tessuto muscolare all'impianto. «Innovativo non è solo l'interazione intelligente tra elettronica di controllo, sensori e attuatori, ma anche il principio di modulare la corrente alternata per trasmettere dati», spiega Schneider-Ickert.

Una volta impiantato e messo in funzione, i sensori rilevano i primi segni di tremore muscolare e trasmettono queste informazioni ai componenti esterni. Il controllore elabora i dati e invia segnali tramite gli elettrodi tessili per stimolare il muscolo. Il ciclo di controllo così chiuso, con componenti sensoriali e attuatori collegati in rete intelligente, contrasta il tremore.

Il segnale di stimolazione però non è abbastanza forte da provocare una contrazione muscolare diretta. Piuttosto, il sistema nervoso svolge un ruolo decisivo. Rileva la stimolazione nel tessuto muscolare e reagisce regolando i comandi che causano il tremore muscolare. Questa è almeno la teoria, perché il rapporto tra tremore e segnali del sistema nervoso non è ancora stato studiato in dettaglio. «Tuttavia, il nostro metodo funziona sorprendentemente bene anche in studi clinici. I primi test hanno mostrato che basta fornire stimoli al paziente per un o due ore per ridurre i sintomi del tremore per un periodo più lungo», afferma Schneider-Ickert.

Poiché il tremore si manifesta spesso in entrambe le braccia e entrambe le gambe, in tutte le aree muscolari interessate possono essere impiantati impianti e posizionati elettrodi tessili esterni. In questo modo si crea una rete sensoriale distribuita. I controllori tengono sotto controllo tutti gli elettrodi impiantati ed esterni contemporaneamente e possono gestirli in modo coordinato. Tutto ciò avviene in tempo reale, senza che la persona percepisca ritardi.

La tecnologia del progetto collaborativo EXTEND è tanto funzionale quanto i sistemi di impianto classici, ma solo minimamente invasiva e quindi più facile da accettare e adatta alla vita quotidiana. Il concetto di base deriva da un partner spagnolo. Sulla base di questa, i ricercatori dell'IBMT Fraunhofer hanno progettato, prodotto nel proprio ambiente di produzione e integrato gli elettrodi e i componenti impiantabili. Gli scienziati e le scienziate vantano oltre 25 anni di esperienza nel campo della neuroprotesi e degli impianti attivi.

Esoscheletri contro la paraplegia

Per i pazienti con tremore, EXTEND rappresenta la speranza di un sollievo significativo dai sintomi. Tuttavia, la piattaforma tecnologica potrebbe anche aiutare persone con lesioni del midollo spinale grazie a esoscheletri motorizzati. Questo è possibile perché le vie nervose nelle paralisi spesso non sono completamente recise. Continuano a trasmettere, anche se debolmente, gli stimoli dal cervello. I sensori rilevano l'attività e la trasmettono al controllore. Quest'ultimo analizza tutti i segnali, deduce quale movimento la persona vuole eseguire e attiva le protesi che supportano i muscoli durante l'esecuzione del movimento.

Dopo i primi test di successo, i concetti e le tecnologie utilizzate in EXTEND sono stati continuamente sviluppati, miniaturizzati, ottimizzati e sono state condotte ulteriori studi di implementazione. Con questo, il progetto si è concluso con un proof of concept riuscito del sistema integrato miniaturizzato nel corpo umano. L'IBMT Fraunhofer utilizzerà le competenze acquisite in EXTEND per ampliare ulteriormente la propria esperienza nel campo delle interfacce neuromuscolari e neuronali.