Un esoscheletro per i pazienti tetraplegici comandato con il pensiero

Sono stati presentati nei giorni scorsi i risultati di una ricerca che ha portato alla realizzazione di un esoscheletro, comandato attraverso la registrazione e la decodifica di segnali cerebrali, in grado di aiutare un paziente tetraplegico a spostare tutti e quattro i suoi arti paralizzati. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista The Lancet Neurology.

La sperimentazione ha testato con successo un sistema robotico a quattro arti. Gli autori affermano che una volta disponibili alcuni importanti miglioramenti, potrebbe migliorare la qualità di vita e l’autonomia dei pazienti. Per ora rimane però un trattamento sperimentale.

Il primo sistema cervello-computer, wireless, semi-invasivo

“Il nostro è il primo sistema cervello-computer, wireless, semi-invasivo, progettato per l’uso a lungo termine per attivare tutti e quattro gli arti”, afferma il professor Alim-Louis Benabid, presidente del consiglio esecutivo Clinatec e professore Emeritus dell’Università di Grenoble, in Francia. “Precedenti studi cervello-computer hanno utilizzato dispositivi di registrazione più invasivi impiantati sotto la membrana più esterna del cervello, dove alla fine hanno smesso di funzionare. Sono erano collegati con fili, limitati alla creazione di movimento in un solo arto o si sono concentrati sul ripristino del movimento sui muscoli dei pazienti.”

Le lesioni del midollo spinale

Nella lesione del midollo cervicale, la più grave delle lesioni del midollo spinale, circa il 20% dei pazienti rimane tetraplegico, con tutti e quattro gli arti parzialmente o completamente paralizzati. Il paziente di 28 anni che ha partecipato a questo nuovo studio era paralizzato dalle spalle verso il basso, con solo qualche movimento nel bicipite e nel polso sinistro. Era in grado di far funzionare una sedia a rotelle usando un joystick controllato con il braccio sinistro.

I dispositivi di registrazione

In questo soggetto sono stati impiantati due dispositivi di registrazione, ognuno sui due lati della testa, tra il cervello e la pelle, per coprire la corteccia sensomotoria, quell’area del cervello che controlla la sensibilità e la funzione motoria. Ogni registratore conteneva una griglia di 64 elettrodi che raccoglievano segnali cerebrali e li trasmettevano a un algoritmo di decodifica. Questo sistema traduceva i segnali cerebrali nei movimenti a cui il paziente pensava e inviava comandi all’esoscheletro per completarli.

In precedenza, un altro paziente era stato reclutato nello studio ma era stato escluso a causa di un problema tecnico con gli impianti cerebrali.

Durante i 24 mesi dello studio, il secondo paziente ha svolto vari compiti mentali per addestrare l’algoritmo a comprendere i suoi pensieri e aumentare progressivamente il numero di movimenti che poteva fare. Ciò includeva il controllo di un avatar virtuale per giocare a un videogioco, raggiungere obiettivi con un avatar e guidare l’esoscheletro per camminare.

Camminare con l’esoscheletro

I progressi del paziente sono stati misurati in termini di quanti gradi di libertà è stato in grado di raggiungere durante le attività, dall’azionamento di un interruttore alimentato dal cervello per iniziare a camminare, fino al contatto con oggetti bi e tridimensionali. L’esoscheletro aveva 14 articolazioni e 14 gradi di libertà (era in grado di muoversi in 14 modi diversi). IL paziente ha trascorso un totale di 45 giorni a far funzionare l’esoscheletro in laboratorio e le abilità acquisite sono state rafforzate con 95 giorni di allenamento a casa con un ricercatore che utilizzava un avatar e un videogioco.

I compiti più semplici erano accendere l’interruttore del cervello per iniziare una camminata nel videogioco, in cui faceva camminare un avatar, e far avviare l’esoscheletro mentre si reggeva su una imbracatura sospesa. Il suo successo è stato misurato in termini di quante volte è riuscito ad attivare l’interruttore. Due mesi dopo l’intervento chirurgico, ha avuto successo il 73% delle volte, durante sei sessioni con l’esoscheletro. Utilizzando l’avatar, il videogioco e l’esoscheletro combinati, ha percorso un totale di 145 metri con 480 passaggi in 39 sessioni.

“Il nostro paziente considera già gratificante la sua mobilità protesica in rapido aumento, ma i suoi progressi non hanno cambiato il suo stato clinico”, afferma il professor Benabid.

L’utilizzo dell’esoscheletro per compiti più complessi

Il paziente ha usato sia l’avatar che l’esoscheletro per compiti più complessi. Cinque mesi dopo l’intervento chirurgico il paziente è stato in grado di raggiungere obiettivi posizionati su cubi con una mano alla volta (muovendosi in tre dimensioni). A 16 mesi ha utilizzato entrambe le mani per toccare questi obiettivi, con uno spostamento in otto dimensioni, compresa la rotazione di entrambi i polsi. Ha completato cinque compiti a otto dimensioni con un tasso di successo del 71%.

“Sono stati sviluppati algoritmi adattivi innovativi, basati su metodi di intelligenza artificiale, per decodificare un gran numero di gradi di libertà. L’eccezionale qualità dei segnali neurali raccolti ha permesso una decodifica stabile e robusta”, afferma la dott.ssa Tetiana Aksenova, direttrice della ricerca sull’elaborazione del segnale BCI dell’Università di Grenoble, in Francia.

Durante i 24 mesi di prova, non è stato necessario ricalibrare il sistema per un massimo di sette settimane, a dimostrazione del fatto che potrebbe essere adatto all’uso quotidiano per un lungo periodo. La qualità delle registrazioni dagli impianti è rimasta stabile, l’algoritmo ha continuato a decodificare i segnali e il paziente non ha avuto complicanze post-chirurgiche.

Guidare la sedia a rotelle e l’esoscheletro con il pensiero

“Le nostre scoperte potrebbero portarci un passo avanti nell’aiutare i pazienti tetraplegici a guidare i computer utilizzando solo i segnali del cervello, magari iniziando a guidare le sedie a rotelle usando l’attività cerebrale anziché le levette e passando allo sviluppo di un esoscheletro per una maggiore mobilità”, afferma il professor Stephan Chabardes, neurochirurgo del CHU di Grenoble-Alpi, in Francia.

Altri tre pazienti sono stati reclutati e il processo è in corso. Il prossimo obiettivo dei ricercatori è risolvere il problema di consentire a un paziente di camminare ed equilibrarsi in modo autonomo senza utilizzare un sistema di sospensione a soffitto.

Ulteriori studi faranno luce anche sulla funzione cerebrale, fornendo maggiori informazioni su come le cortecce sensomotorie generano i segnali necessari per ottenere movimenti reali e virtuali. Gli autori hanno scoperto che il paziente era in grado di eseguire attività con un successo medio superiore del 10-20% usando l’esoscheletro che con l’avatar. Ciò può essere dovuto al fatto che il feedback con l’avatar è puramente visivo, mentre con l’esoscheletro il paziente ottiene un feedback più ricco dal mondo reale.

Guarda il video che illustra il meccanismo di funzionamento dell’esoscheletro

 

 

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