Mit Brain Computer Interface , Gelähmte Patienten Steuerungsroboterarmezu erreichen und Grasp

Am 12. April 2011 fast 15 Jahre , nachdem sie gelähmt und unfähig zu sprechen war , kontrollierte eine Frau einen Roboterarm durch das Denken über das Verschieben von Arm und Hand , eine Flasche Kaffee zum Mund heben und werfen Sie einen Drink. Das Erreichen einer der restaurativen Neurotechnologie und unterstützende Robotertechnik in der Zeitschrift Fortschritte in der Gehirn-Computer- Schnittstellen Naturvon der BrainGate2 Zusammenarbeit von Forschern an der Department of Veterans Affairs , Brown University , Massachusetts General Hospital der Harvard Medical School . , und dem Deutschen Zentrum für Luft- (DLR).

Eine 58 -jährige Frau, "S3 ", und ein 66 - jähriger Mann , " T2 ", nahmen an der Studie . Sie waren jeweils von einem Hirnstamm gelähmt Schlaganfall Jahre zuvor , die sie ohne Funktionskontrolle ihrer Glieder verlassen . In der Forschung, nutzten die Teilnehmer die neuronale Aktivität zur direkten Steuerung zwei Roboterarme , ein vom DLR-Institut für Robotik und Mechatronik , der andere von DEKA Forschung und Entwicklung Corp., entwickelt, um durchzuführen Erreichen und Greifen Aufgaben in einem breiten dreidimensionalen Raum . Die BrainGate2 * klinischen Pilotstudie beschäftigt das Prüfpräparat Braingate -System zunächst an der Brown University entwickelt wurde, in der ein Baby Aspirin große Gerät mit einem Raster von 96 kleinen Elektroden wird im motorischen Kortex implantiert - ein Teil des Gehirns , die in willkürlichen Bewegungen beteiligt ist . Die Elektroden sind nahe genug an einzelnen Neuronen des neuronalen Aktivität mit beabsichtigten Bewegung zugeordnet aufzuzeichnen. Ein externer Computer übersetzt die Muster von Impulsen über eine Population von Neuronen in Befehle zu Hilfsgeräten , wie zB die DLR und DEKA Roboterarmen in die Studie nun berichtet, verwendet zu betreiben Nature .

Braingate Teilnehmer haben bisher gezeigt, neural basierend zweidimensionales Point-and -Click- Steuerung eines Cursors auf einem Computerbildschirm und rudimentäre Steuerung einfacher Roboter- Geräte.

Die Studie stellt die erste Demonstration und die erste Peer-Review- Bericht der Menschen mit Tetraplegie mit Gehirn Signale an einen Roboterarm im dreidimensionalen Raum zu kontrollieren , um eine Aufgabe in der Regel durch den Arm durchzuführen . Genauer gesagt, S3 und T2 gesteuert die Arme , um zu erreichen und zu begreifen Schaum Ziele, die vor ihnen mit flexiblen Trägern in Verkehr gebracht wurden . Darüber hinaus verwendet S3 die DLR -Roboter zu holen eine Flasche Kaffee, bringen es auf den Mund, einen Befehl , es zu kippen , mit einem Strohhalm trinken , und kehren Sie die Flasche auf den Tisch. Her Braingate -fähig ist, Roboter -Arm- Kontrolle während des Trink Aufgabe erforderte eine Kombination von zweidimensionalen Bewegungen über eine Tischplatte sowie eine "begreifen " Befehl entweder Griff und heben oder kippen Sie das Roboter-Hand .

"Unser Ziel in dieser Forschung ist die Technologie, die Unabhängigkeit und Mobilität für Menschen mit Lähmungen oder Gliedverlust- Wiederherstellung wird zu entwickeln", sagte führen Autor Dr. Leigh Hochberg , ein neuroengineer und Intensivpflege Neurologe, Termine am Department of Veterans Affairs , Braun hält University, Massachusetts General Hospital und der Harvard . Er ist der Sponsor - Investigator für die BrainGate2 klinischen Pilotstudie . "Wir haben noch viel Arbeit zu tun , aber die ermutigende Fortschritte dieser Forschung ist nicht nur in den Reichweite -and- Griff Daten zeigten , aber mehr noch in Lächeln S3 als sie serviert selbst Kaffee eigenen Wunsch zum ersten Mal in fast 15 Jahre. "

Teilfinanzierung für diese Arbeit stammt aus der VA , die zur Verbesserung des Lebens von verletzten Veteranen verpflichtet. " VA wird geehrt, um eine Rolle in diesem spannenden und vielversprechenden Forschungsgebiet gespielt haben ", sagte VA Generalsekretär Eric Shinseki . "Die heutige Ankündigung ist ein großer Schritt in Richtung Verbesserung der Lebensqualität für die Veteranen und andere, die entweder Gliedmaßen verloren haben oder gelähmt. "

Hochberg fügt hinzu, dass auch nach fast 15 Jahren ein Teil des Gehirns, im wesentlichen von seinem ursprünglichen Ziel von einer Hirnstamm Schlaganfall " getrennt " war immer noch in der Lage, die komplexen , mehrdimensionalen Bewegung eines externen Arm zu lenken - in diesem Fall ein Roboter Extremität. Die Forscher auch festgestellt, dass S3 konnte die Aufgaben mehr durchführen als fünf Jahre nach dem Prüfpräparat Braingate -Elektrodenanordnung implantiert wurde . Dies setzt einen neuen Maßstab für wie lange implantiert Brain-Computer Interface Elektroden lebensfähig blieben und lieferten nützliche Befehlssignale .

John Donoghue , die VA und Brown Neurowissenschaftler, Braingate mehr Pionierarbeit als vor einem Jahrzehnt , und die Co- Senior-Autor der Studie ist es , die das Papier zeigt, wie weit das Feld der Gehirn -Computer-Schnittstellen ist seit den ersten Demonstrationen der Computersteuerung mit kommen Braingate .

" Dieses Papier berichtet einen wichtigen Fortschritt durch eine konsequente Demonstration in mehr als ein Teilnehmer , die präzise dreidimensionale neuronale Steuerung von Roboterarmen ist nicht nur möglich , sondern auch wiederholbar ", sagte Donoghue , der die Braun -Institut für Hirnforschung leitet . "Wir haben deutlich näher an der Rückkehr Alltagsfunktionen, wie die Bedienung selbst einen Schluck Kaffee , in der Regel mühelos durch den Arm und Hand , für Menschen, die nicht in der Lage , ihre eigenen Gliedmaßen bewegen geführt bewegt . Wir werden auch ermutigt, nützliche Steuer mehr als sehen fünf Jahre nach Implantation der Braingate -Array in einem unserer Teilnehmer . Diese Arbeit ist ein entscheidender Schritt in Richtung Realisierung der langfristige Ziel, einen Neuro , die Bewegung , Kontrolle und Unabhängigkeit für Menschen mit Lähmungen oder Verlust des Beines wieder hergestellt werden . "

In der Forschung, fungierte die Roboter als Ersatz für jedes Teilnehmers gelähmten Arm . Die Roboterarme zu der Teilnehmer Absicht reagiert zu bewegen , wie sie es sich vorgestellt griff nach jeder Schaum Ziel . Die Roboterhand ergriff das Ziel , wenn die Teilnehmer stellte sich eine Hand zu drücken . Da der Durchmesser der Targets war mehr als die Hälfte der Breite der Roboterhandöffnungen, die Task benötigt die Teilnehmer präzise Kontrolle auszuüben. ( Filme dieser Maßnahmen sind auch auf der Website der Natur finden Sie hier. )

In 158 Studien über vier Tage , war S3 in der Lage, das Ziel innerhalb einer vorgegebenen Zeit in 48,8 Prozent der Fälle mit dem DLR- Roboterarm und Hand und 69,2 Prozent der Fälle mit der DEKA Arm und die Hand , die den breiteren Verständnis hat zu berühren. In 45 Studien mit Hilfe der DEKA Arm berührte T2 das Ziel von 95,6 Prozent . Der erfolgreichen berührt , ergriff S3 das Ziel von 43,6 Prozent der Zeit mit dem DLR- Arm und 66,7 Prozent der Zeit mit der DEKA Arm. T2 Umklammerung konnte 62,2 Prozent der Zeit .

T2 durch die Sitzung in dieser Studie auf seiner vierten Tag der Interaktion mit dem Arm ; die vor drei Sitzungen wurden auf die Systementwicklung konzentriert. Mit seinen Augen , um jeden Buchstaben zeigen , später beschrieb er seine Kontrolle über den Arm . "Ich stellte mir vor bewegten mein Arm und die [ DEKA ] arm bewegt , wo ich wollte, dass es gehen "

Die Studie verwendet zwei fortgeschrittenen Roboterarme : Der DLR Leichtbau- Roboter- III mit dem DLR Fünf-Finger- Hand und der DEKA Arm System . Das DLR LWR -III, die entworfen, um bei der Wieder Aktionen wie der menschliche Arm und Hand zu unterstützen und mit menschlichen Benutzern interagieren , könnten wertvolle als unterstützende Robotereinrichtung für Menschen mit verschiedenen Behinderungen . Patrick van der Smagt , Leiter des Bionik und Assistenzrobotik des DLR , Leiter des biomimetischen Robotik und maschinelles Lernen Labors des DLR und der Technischen Universität München , und ein Co- Senior- Autor auf dem Papier , sagte : "Das ist das, was wir mit der Hoffnung, dieser Arm . Wir wollten einen Arm , die intuitiv durch Variation Formen der Kontrolle eingesetzt werden könnte. der Arm ist bereits von zahlreichen Forschungslabors auf der ganzen Welt , die ihre einzigartige Interaktions- und Sicherheitsfunktionenzu nutzen. Dies ist eine überzeugende Demonstration des Potenzials Nützlichkeit der Arm von einer Person mit Lähmung. "

DEKA Forschung und Entwicklung entwickelt die DEKA -Arm -System für Amputierte , durch finanzielle Unterstützung von den Vereinigten Staaten Defense Advanced Research Projects Agency ( DARPA ) . Dean Kamen , Gründer der DEKA sagte: " Eines unserer Träume für die Luke Arm [ die DEKA Arm System ist bekannt informell ] seit seiner Gründung war es, ein Glied , das nicht nur von externen Sensoren , sondern auch durch mehr betrieben werden könnten direkt dachte geführte Steuerung . Wir freuen uns über diese Ergebnisse und für die weitere Forschung , die von der Gruppe an der Brown und MGH VA gemacht. " Die Forschung ist auf das Lernen, wie die DEKA Arm könnte direkt vom Gehirn gesteuert werden , beitragen können, dass Amputierte , natürlicher Kontrolle dieser Prothese ab.

Im Laufe der letzten zwei Jahre , VA wurde die Durchführung einer Studie zur Optimierung der DEKA Armprothese an mehreren Standorten , in Zusammenarbeit mit den Veteranen und aktiven Dienst Service-Mitglieder , die einen Arm verloren. Feedback aus der Studie hilft DEKA Ingenieure Design und Funktion der künstlichen Arm zu verfeinern. " Gehirn-Computer- Schnittstellen, wie Braingate , haben das Potenzial, eine bisher unerreichte funktionale Kontrolle über Armprothesen der Zukunft bieten", sagte Joel Kupersmith , MD, VA Chief Research und Development Officer . "Diese Innovation ist ein Beispiel für föderalen Zusammenarbeit auf höchstem Niveau. "

Geschichte Landis , Direktor des Nationalen Instituts für neurologische Erkrankungen und Schlaganfall , die die Arbeit teilweise finanziert , bemerkte: " Diese Technologie wurde möglich durch jahrzehntelange Investitionen und Forschung , wie das Gehirn steuert Bewegung gemacht Es ist schon spannend , um die Technik weiterentwickeln zu sehen . aus Untersuchungen der grundlegenden Neurophysiologie und Umzug in klinischen Studien , in denen es zeigt sehr vielversprechend für Menschen mit Hirnverletzungen und Erkrankungen. "