Interfejs człowiek-maszyna zatrzymuje drżenie mięśni

Miniaturowa implantacja mięśniowa, składająca się z elektrod i elektroniki, ma zaledwie trzy centymetry długości i nieco ponad milimetr grubości. Silikonowa rurka służy do wyciągnięcia implantu po eksperymencie. © Fraunhofer IBMT / The miniaturized muscle implant, consisting of electrode contacts and electronics, is just three centimeters long and barely one millimeter thick. A silicone tube is used to extract the implant after the experiment. © Fraunhofer IBMT

Podstawowa struktura inteligentnej bezprzewodowej sieci z sensorami i aktuatorami. Składa się z wstrzykniętych elektrod, zewnętrznych elektrod tekstylnych i kontrolerów. © Department of Information and Communications Technologies, Universitat Pompeu Fabra, 08018, Barcelona, Hiszpania / Zasada działania inteligentnej bezprzewodowej sieci sensorów i aktuatorów składającej się z wstrzykniętych elektrod i zewnętrznych elektrod tekstylnych oraz kontrolerów. © Department of Information and Communications Technologies, Universitat Pompeu Fabra, 08018, Barcelona, Hiszpania

Naukowcy z Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT wspólnie z międzynarodowymi partnerami opracowali platformę technologiczną, która w przyszłości ma pomóc osobom z drżeniem mięśniowym w zatrzymaniu drżenia. Malutkie biokompatybilne elektrody w mięśniu tworzą razem z elektrodami zewnętrznymi i kontrolerami inteligentną sieć sensorów i aktuatorów, która wykrywa sygnały mięśniowe i w razie potrzeby wysyła impulsy elektryczne. W połączeniu z egzoszkieletami technologia ta mogłaby również wspierać osoby z urazami rdzenia kręgowego.

Kompletny kontroler na pasku lub pod marynarką, kilka dyskretnych tekstylnych elektrod na ramionach i nogach oraz trzycentymetrowe i nieco ponad milimetrowe elektrody, które umieszcza się w mięśniu – to wszystko, co jest potrzebne, aby w przyszłości pomóc osobom z chorobami drżenia. Za każdym razem, gdy zaczyna się drżenie mięśni, system wysyła impulsy elektryczne do mięśnia, które są rejestrowane przez układ nerwowy. Układ nerwowy przestaje wysyłać zakłócające sygnały do mięśni, a te się uspokajają. To jest podstawowa idea technologii, dla której naukowcy z Fraunhofer IBMT wspólnie z partnerami z konsorcjum zaprojektowali, wyprodukowali, zintegrowali i przetestowali zestaw elektrod mięśniowych i zewnętrznych oraz odpowiadający im kontroler w ramach eksperymentów.

Naukowcy mogą już pochwalić się konkretnymi sukcesami. »W próbach z pacjentami udało nam się znacznie zmniejszyć drżenie mięśni«, wyjaśnia Andreas Schneider-Ickert, kierownik projektu Implanty aktywne i menedżer innowacji.

System jest częścią projektu partnerskiego finansowanego przez UE o nazwie „EXTEND”. W sumie dziewięciu partnerów z pięciu krajów wspólnie rozwija wszechstronną platformę rozproszonych interfejsów neuronowych. Technologia ta w przyszłości może pomóc osobom z chorobami neuromięśniowymi, takimi jak drżenie czy objawy paraliżu. Nawet osoby z urazami rdzenia kręgowego mogłyby z tego skorzystać. Technika łączy wszczepione elektrody za pomocą zewnętrznych kontrolerów w inteligentną sieć. Komponenty komunikują się bezprzewodowo, wymieniają dane, wykrywają sygnały mięśniowe i celowo wysyłają impulsy do mięśni. Stymulacja za pomocą wszczepionych systemów jest już stosowana w medycynie. Jednak dotychczasowe metody wiążą się z skomplikowanymi operacjami chirurgicznymi, które stanowią dla pacjentów znaczne obciążenie.

Implanty do interfejsu człowiek-maszyna

Kluczowym elementem projektu EXTEND są implanty. Wykonane są z biokompatybilnego platynowo-irydowego i silikonu. Przez cewnik są wstrzykiwane do mięśnia. Malutki implant o długości trzech centymetrów i nieco ponad milimetrowej średnicy posiada na obu końcach elektrodę, która pełni funkcję czujnika lub aktuatora. Moduł jest zasilany przez zewnętrzne elektrody wszyte w tekstylny pasek. Elektrody te dostarczają pulsujący prąd przemienny przez tkankę mięśniową do implantu. »Innowacyjność polega nie tylko na inteligentnym współdziałaniu elektroniki sterującej, sensorów i aktuatorów, ale także na zasadzie modulacji prądu przemiennego w celu przesyłania danych«, wyjaśnia Schneider-Ickert.

Po wszczepieniu i uruchomieniu, sensory wykrywają pierwsze oznaki drżenia mięśni i przekazują te informacje do zewnętrznych komponentów. Kontroler analizuje dane i wysyła sygnały do stymulacji mięśnia za pomocą tekstylnych elektrod. W ten sposób zamknięty obieg regulacyjny, zbudowany z inteligentnie połączonych sensorów i komponentów aktywacyjnych, przeciwdziała drżeniu.

Stymulujący sygnał nie jest jednak wystarczająco silny, aby bezpośrednio wywołać skurcz mięśnia. Kluczową rolę odgrywa tutaj układ nerwowy. Rejestruje on stymulację w tkance mięśniowej i reaguje na nią, dostosowując polecenia wywołujące drżenie mięśni. Tak przynajmniej brzmi teoria, ponieważ związek między drżeniem a sygnałami układu nerwowego nie jest jeszcze w pełni zbadany. »Jednak nasza metoda działa w klinicznych próbach zaskakująco dobrze. Pierwsze testy pokazały, że wystarczy podać pacjentowi lub pacjentce impulsy przez jeden lub dwa godziny, aby na dłuższy czas zmniejszyć objawy drżenia«, mówi Schneider-Ickert.

Ponieważ drżenie często występuje na obu ramionach i obu nogach, można wszczepić implanty we wszystkich dotkniętych grupach mięśniowych i umieścić zewnętrzne elektrody tekstylne. Powstaje rozproszona sieć sensorów. Kontrolery mają na oku wszystkie wszczepione i zewnętrzne elektrody jednocześnie i mogą nimi sterować w sposób skoordynowany. Wszystko to odbywa się w czasie rzeczywistym, człowiek nie odczuwa opóźnienia.

Technologia projektu EXTEND jest równie funkcjonalna jak klasyczne systemy implantacyjne, ale minimalnie inwazyjna i dlatego łatwiejsza do zaakceptowania i użytkowania na co dzień. Podstawowa koncepcja pochodzi od hiszpańskiego partnera projektu. Na jej podstawie naukowcy z Fraunhofer IBMT zaprojektowali elektrody i komponenty do wszczepienia, wyprodukowali je w własnym czystym pomieszczeniu i zintegrowali. Naukowcy mogą się pochwalić ponad 25-letnim doświadczeniem w dziedzinie neuroprotez i aktywnych implantów.

Egzoszkielety przeciwko porażeniu rdzenia kręgowego

dla pacjentów z drżeniem, EXTEND daje nadzieję na wyraźną poprawę objawów. Platforma technologiczna mogłaby również pomóc osobom z urazami rdzenia kręgowego dzięki napędzanym elektrycznie egzoszkieletom. Wynika to z faktu, że nerwy przy urazach często nie są całkowicie przecięte. Wciąż przewodzą, choć bardzo słabo, impulsy z mózgu. Czujniki rejestrują aktywność i przekazują ją do kontrolera. Ten analizuje wszystkie sygnały, wyciąga wnioski o zamierzonym ruchu osoby i aktywuje dokładnie te protezy, które wspierają mięśnie podczas wykonywania ruchu.

Po pierwszych udanych testach koncepcje i technologie zastosowane w EXTEND były systematycznie rozwijane, miniaturyzowane i optymalizowane, a także przeprowadzono kolejne badania wdrożeniowe. Projekt zakończył się udanym dowodem koncepcji zminiaturyzowanego, zintegrowanego systemu w człowieku. Fraunhofer IBMT zamierza wykorzystać zdobytą wiedzę, aby dalej rozwijać swoje kompetencje w zakresie interfejsów neuromuskularnych i neuronowych.