Разработана система восстановления движений с помощью интерфейса мозг-компьютер у людей со спинальной травмой
Восстановление способности к ходьбе у пациентов с травмами и заболеваниями спинного мозга является целью многих исследовательских групп во всем мире, причем в большинстве случаев упор делается на восстановление поврежденных нервов или поиск путей для нервных импульсов в обход места повреждения. Исследователи Калифорнийского университета в Ирвайне и Медицинского центра по делам ветеранов в Лонг-Бич (Калифорния, США) решили пойти другим путем, разработав систему управления движениями с помощью виртуального аватара, основанного на использовании интерфейса «мозг-компьютер». Результаты исследования были опубликованы в журнале ArXiv Корнельского университета.
Авторы исследования надеются на то, что предложенная ими достаточно простая и неинвазивная методика восстановления движений в нижних конечностях у пациентов со спинальной травмой поможет огромному числу людей подняться из инвалидной коляски и самостоятельно ходить.
Работа системы основана на использовании интерфейса «мозг-компьютер». Команды на ортез (был использован роботизированный ортез Lokomat, Hocoma, Volketswil, Швейцария) подаются с компьютера, который ранее был запрограммирован с использованием информации о командах, поступающих из головного мозга здоровых людей путем считывания его активности на основе электроэнцефалограммы.
Сначала исследователи разработали алгоритм использования сигналов электроэнцефалограммы для управления процессом ходьбы в виртуальной среде, основываясь на ЭЭГ здоровых людей. Таким образом была создана модель процесса ходьбы, включающая в себя набор команд, которые передаются на мышцы и приводящие их в движение. Но если у здорового человека эти команды передаются на мышцы через многочисленные нервные волокна в спинном мозге, то при их повреждении в результате травмы этот путь передачи оказывается заблокированным, а потому исследователи решили его обойти. В ходе данного исследования команды передавались на роботизированный ортез Lokomat. Помимо сигналов ЭЭГ использовался также гироскоп, который позволял поддерживать тело в вертикальном положении.
В исследовании участвовал здоровый человек, который подавал сигналы к началу и остановке движения, ориентируясь по представленным на мониторе компьютера красным и зеленым участкам, отображающим активность головного мозга. Обучиться использованию системы участнику этого исследования удалось всего за 10 минут, хотя справедливости ради стоит отметить, что ранее этот человек около 5 часов работал с виртуальным аватаром этой системы.
Особое внимание исследователи обратили на кросс-кореляционный анализ задержек, ложных срабатываний и неконтролируемых движений, что крайне важно для безопасности потенциального пользователя, который будет задействовать эту систему в режиме реального времени. Согласитесь, вернуть себе возможность ходить, конечно же, чрезвычайно заманчивая перспектива, но если этот процесс будет неконтролируемым, то его ценность выглядит довольно сомнительной. Исследователи отметили, что в работе системы удалось избежать непреднамеренных шагов, ложных срабатываний и неконтролируемых движений, была, правда, 5-7-секундная задержка в выполнении команд, но это было обусловлено задержкой в запуске и выключения цикла в Lokomat.
Говорить о практическом применении этой разработки, конечно же, слишком рано, еще предстоят испытания с участием пациентов со спинальной травмой и многочисленные клинические исследования, но и сами исследователи, и многие эксперты убеждены в том, что данное исследование – это первый шаг на пути восстановления способности ходить у пациентов со спинальной травмой и различными заболеваниями спинного мозга. Однако уже сегодня авторы данного исследования утверждают, что благодаря полученным результатам удалось доказать принципиальную возможность восстановления контролируемых движений у пациентов со спинальной травмой.
Использованы материалы medGadget, Technology Review, официального веб-сайта Калифорнийского университета в Ирвайне и журнала ArXiv Корнельского университета
9 сентября, 2012