(Crédito: Brown University)
Em 12 de abril de 2011, quase 15 anos depois que ela ficou paralisado e incapaz de falar, uma mulher controlada por um braço robótico pensando em mudar-lhe o braço ea mão para levantar uma garrafa de café para a boca e tomar uma bebida , utilizando o neural BrainGate interface do sistema.
Essa conquista é um dos avanços em interfaces cérebro-computador e neurotecnologia restaurador e tecnologia assistiva robô pela colaboração BrainGate2 de pesquisadores do Departamento de Assuntos de Veteranos, Brown University , Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, eo Centro Aeroespacial Alemão ( DLR).
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O BrainGate2 Neural Interface System: uma rede de microeletrodos implantados detecta sinais do cérebro, que são convertidos por um computador em instruções de máquina, permitindo o controle de dispositivos robóticos pelo pensamento (Crédito: Brown University)
Uma mulher de 58 anos de idade e um homem de 66 anos de idade participaram do estudo. Eles haviam sido cada paralisado por um acidente vascular cerebral de tronco cerebral ano anterior, que os deixou sem controle funcional dos seus membros.
Na pesquisa, os participantes usaram a atividade neural para controlar diretamente duas diferentes braços robóticos, um desenvolvido pelo Instituto DLR de Robótica e Mecatrônica e outro pela DEKA Research Corp e Desenvolvimento, para executar tarefas alcançar e agarrar em uma ampla tridimensional espaço.
O estudo piloto BrainGate2 clínico emprega o sistema BrainGate investigação desenvolvida inicialmente na Universidade Brown, em que um bebê dispositivo aspirina porte, com uma grade de 96 pequenos eletrodos é implantado no córtex motor - uma parte do cérebro que está envolvida no movimento voluntário.
Os eletrodos estão perto o suficiente para os neurônios individuais para registrar a atividade neural associada com o movimento pretendido. Um computador externo traduz o padrão de impulsos através de uma população de neurónios em comandos para operar os dispositivos de apoio, tais como o DLR e os braços Deka robô utilizados no estudo.
Participantes BrainGate já demonstrou neuralmente base bidimensional ponto-e-clique controle de um cursor numa tela de computador e controle rudimentar de simples dispositivos robóticos.
O estudo representa a primeira demonstração eo relatório peer-reviewed, antes de as pessoas com tetraplegia com sinais cerebrais para controlar um braço robótico no espaço tridimensional para completar uma tarefa geralmente realizada por seu braço.
"Nosso objetivo nesta pesquisa é desenvolver tecnologia que irá restaurar a independência e mobilidade para pessoas com paralisia ou perda de membros", disse o autor principal Dr. Leigh Hochberg, neurologista e um neuroengineer cuidados intensivos que prende nomeações no Departamento de Assuntos de Veteranos, Brown Universidade, Massachusetts General Hospital e Harvard.
Hochberg acrescenta que, mesmo após quase 15 anos, uma parte do cérebro, essencialmente, "desconectado" do seu alvo original por um acidente vascular cerebral de tronco cerebral ainda era capaz de dirigir o movimento, complexo e multidimensional de um braço externo - neste caso, um membro robótico. Os pesquisadores também observaram que um paciente era capaz de realizar as tarefas mais de cinco anos após o conjunto de eletrodos de investigação BrainGate foi implantado. Isso define um novo marco para quanto tempo implantados eletrodos de interface cérebro-computador ter permanecido viável e desde sinais de comando úteis.
John Donoghue, o neurocientista VA e Brown, que foi pioneira BrainGate mais de uma década atrás e que é co-autor sênior do estudo, disse que o trabalho mostra o quanto o campo de interfaces cérebro-computador vem desde as primeiras manifestações de controle de computador com BrainGate.
"Este trabalho relata um avanço importante por demonstrar rigorosamente em mais de um participante que o controle tridimensional precisa neural dos braços do robô é não só possível, mas também repetível", disse Donoghue, que dirige o Instituto Brown para a Ciência do Cérebro .
"Nós movemo-nos muito mais perto de retornar funções cotidianas, como servir-se um gole de café, geralmente realizado sem esforço pelo braço e mão, para pessoas que são incapazes de mover seus próprios membros. Nós também são incentivados a ver controle útil mais de cinco anos após o implante da matriz BrainGate em um dos nossos participantes. Este trabalho é um passo fundamental para concretizar o objectivo a longo prazo de criar um neurotecnologia que irá restaurar o movimento, controle e independência às pessoas com paralisia ou perda de membros. "
Na pesquisa, os robôs agiram como um substituto para o braço paralisado de cada participante. Os braços robóticos respondeu a intenção dos participantes de se mover como eles imaginavam atingir para cada alvo de espuma. A mão robô agarrou o alvo quando os participantes imaginaram um aperto de mão. Porque o diâmetro dos alvos foi mais do que metade da largura das aberturas mão do autómato, a tarefa necessária aos participantes para exercer um controlo preciso.
Em 158 ensaios, durante quatro dias, S3 sujeitos foi capaz de tocar o alvo dentro de um tempo atribuído em 48,8 por cento dos casos, utilizando o braço robótico e DLR mão e 69,2 por cento dos casos, com o braço DEKA e mão, que tem a maior aperto . Em 45 ensaios, usando o braço DEKA, T2 tocado o alvo 95,6 por cento do tempo. Dos toques de sucesso, S3 agarrou o alvo 43,6 por cento do tempo com o braço DLR e 66,7 por cento do tempo com o braço DEKA. Compreensão T2 conseguiu 62,2 por cento do tempo.
T2 realizada a sessão neste estudo em seu quarto dia de interagir com o braço, os anteriores três sessões se concentraram no desenvolvimento do sistema. Usando seus olhos para indicar cada letra, ele descreveu mais tarde o seu controle do braço: "Eu apenas imaginei passar meu próprio braço ea [DEKA] braço se movia onde eu queria ir."
O estudo utilizou dois avançados braços robóticos: o DLR Leve-Robot III com DLR de cinco dedos das mãos e do Sistema de Braço DEKA. O DLR LWR-III, que é projetado para ajudar a recriar ações como o braço humano e mão e interagir com usuários humanos, pode ser valioso como um dispositivo de assistência robótica para pessoas com deficiências diversas.
Patrick van der Smagt, chefe da biônica e robótica de apoio no DLR, diretor de robótica biomiméticos e laboratórios de aprendizagem de máquina em DLR eo Technische Universität München, e um co-autor sênior do estudo disse: "Isto é o que esperávamos com este braço. Queríamos criar um braço que poderia ser usado intuitivamente por diferentes formas de controle. O braço já está em uso por vários laboratórios de pesquisa ao redor do mundo que usam a sua interacção única e capacidades de segurança. Esta é uma demonstração convincente da utilidade potencial do braço, por uma pessoa com paralisia. "
DEKA Pesquisa e Desenvolvimento desenvolveu o Sistema de Braço DEKA para amputados, através do financiamento dos Estados Unidos Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Dean Kamen, fundador da DEKA disse: "Um dos nossos sonhos para o braço de Lucas [como o sistema de braço DEKA é conhecido informalmente] desde a sua criação foi a de fornecer um membro que pode ser operado não apenas por sensores externos, mas também por mais diretamente pensou-driven controle.
"Estamos satisfeitos com estes resultados e para a continuação da investigação que está sendo feito pelo grupo no, VA Brown e MGH." A pesquisa visa aprender o braço DEKA pode ser controlado diretamente do cérebro, potencialmente permitindo que os amputados a mais controlar naturalmente esse membro protético.
Nos últimos dois anos, VA tem vindo a realizar um estudo de otimização do braço protético DEKA em vários locais, com a colaboração de veteranos e membros do serviço activas dever que perderam um braço. Gabarito do estudo está ajudando engenheiros Deka para refinar o design do braço artificial e função. "Interfaces cérebro-computador, tais como BrainGate, têm o potencial para fornecer um nível sem precedentes de controle funcional sobre os braços protéticos do futuro", disse Joel Kupersmith, MD, VA chefe de pesquisa e desenvolvimento. "Esta inovação é um exemplo de colaboração federal, no seu melhor."
Story Landis, diretor do Instituto Nacional de Distúrbios Neurológicos e Derrames, que financiou o trabalho, em parte, observou: "Essa tecnologia foi possível graças a décadas de investimentos e pesquisas sobre como o cérebro controla o movimento. Tem sido emocionante ver a tecnologia evoluir a partir de estudos de neurofisiologia básica e mover-se em ensaios clínicos, onde ele está mostrando a promessa significativa para pessoas com lesões cerebrais e distúrbios. "
Ref:.. Leigh Hochberg R. et al, alcançar e agarrar por pessoas com tetraplegia usando um braço robótico controlado neuralmente, Nature , 2012, DOI: 10.1038/nature11076
(Vídeos adicionais disponíveis na Natureza website)
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