Первый в истории роботизированный протез руки, управляемый без мозговых имплантов

24 июня 2019

Группа исследователей из Университета Карнеги-Меллон в сотрудничестве с коллегами из Университета Миннесоты совершили прорыв в области контроля роботизированных устройств. Используя неинвазивный интерфейс мозг-компьютер (BCI), ученые впервые в истории разработали эффективный роботизированный протез руки, контролируемый  мозгом и способный, в частности, управлять курсором мышки на мониторе компьютера.

Возможность неинвазивного, сугубо мысленного контроля роботизированных устройств должна получить самое широкое применение, в первую очередь повысив качество жизни парализованных людей и лиц с расстройствами моторики.

В свое время BCI продемонстировали хорошую эффективность и управляемость,  когда устройство контролировалось исключительно сенсорными сигналами от мозговых имплантов. Если подобный механизм обладает достаточными степенями свободы и высокой точностью движений, он уже может быть использован для решения множества повседневных задач. До сих пор, однако, применение интерфейсов BCI с необходимостью предполагало сложную инвазивную операцию по внедрению интрацеребральных имплантов. Такая имплантация требовала существенного объема общеклинических и нейрохирургических экспертиз для осуществления корректной инсталляции и управления, – не говоря уже о высокой стоимости операции и потенциальных рисках для пациента, – в связи с чем подобные вмешательства были реализованы лишь в нескольких клинических случаях.

Главной целью создателей BCI является разработка малоинвазивных или вовсе неинвазивных технологий, которые позволяли бы парализованным пациентам контролировать свою среду или роботизированные протезы конечностей, используя для этого только мысленное усилие. В случае достаточной эффективности такая неинвазивная BCI-технология принесла бы значительное облегчение большому числу инвалидов и, в перспективе, генеральной популяции в целом.

Препятствием является то, что BCI с использованием внешних, неинвазивных сенсоров (вместо мозговых имплантов) снимает более слабый и «грязный» сигнал, что в свою очередь ведет к более низкому разрешению и худшей контролируемости. Таким образом, неинвазивные BCI не могли конкурировать с имплантированными устройствами. И все же разработчики смогли продвинуться к преодолению этой проблемы, создав достаточно управляемую систему.

Бин Хи, попечительный профессор и заведующий кафедрой биомедицинской инженерии в Университете Карнеги-Меллон: «В управлении роботизированными устройствами с помощью мозговых имплантов были достигнуты значительные успехи, и это очень важный опыт. Но конечной целью является полная неинвазивность. Достижения в области нейродекодирования и практическое применение неинвазивных роботизированных протезов окажет огромное влияние на возможное развитие неинвазивной нейророботики».

Используя инновационные технологии сенсоров и машинного обучения, сотрудники лаборатории профессора Б.Хи добились надежного приема глубоких мозговых сигналов и, как следствие, высокого разрешения в контроле роботизированной руки. Соотношение сигнал/шум удалось изменить в пользу первого, что привело к существенному повышению качества нейродекодирования, основанного на данных ЭЭГ, и разработке 2D-контролируемого роботизированного устройства. В частности, раньше контролируемая человеческим мозгом искусственная рука могла следовать за курсором компьютерной мыши лишь прерывистыми, дискретными движениями, – поскольку вся производительность роботизированной «начинки» уходила на попытки уловить команды, поступающие от мозга. В недавней презентации учеными была продемонстрирована способность руки-протеза к плавному, непрерывному движению.

Статья опубликована в «Science Robotics». Показано, что удалось добиться почти 60-процентного улучшения управляемости и точности движений, а непрерывное отслеживание стало лучше более чем на 500%. К настоящему времени технология протестирована 68 физически здоровыми добровольцами (до десяти сеансов в каждом случае). В ближайшем будущем исследовательский коллектив планирует начать полномасштабные подтверждающие клинические испытания.

«Несмотря на постоянно возникающие технические проблемы, мы добились определенных успехов, и сейчас со всей решимостью намерены донести эту безопасную и экономичную технологию к тем людям, которые особенно в ней нуждаются. А однажды, в недалеком будущем, она может вылиться в создание столь же привычных, распространенных и доступных каждому искусственных ассистентов, как, например, смартфоны».

 

По материалам сайтов Science Daily и Medical News Today