Cervello al robot: "Per favore, muoviti!".
Usare i pensieri per controllare un robot che guida la mano paralizzata: Un progetto del l'ETH Laboratory for Rehabilitation Technology potrebbe cambiare radicalmente la terapia e la vita quotidiana dei pazienti colpiti da ictus.
Ictus. Questo colpo di fortuna colpisce una persona su sei nel corso della sua vita. Solo in Svizzera colpisce 16.000 persone ogni anno. Due terzi delle persone colpite subiscono la paralisi del braccio. A seconda della gravità del danno cerebrale, i pazienti possono riacquistare il controllo del braccio e della mano in una certa misura grazie a un allenamento intensivo. Si può ricorrere alla fisioterapia tradizionale e alla terapia occupazionale, ma anche ai robot.
Roger Gassert, professore di tecnologia della riabilitazione presso l'ETH di Zurigo, ha sviluppato diversi robot di questo tipo per la terapia delle funzioni della mano e li considera un buon mezzo per supportare i pazienti durante la terapia. Tuttavia, sia che si tratti di fisioterapia che di terapia con robot, entrambe le forme sono di solito limitate a una o due sessioni di allenamento al giorno e richiedono tempo ai pazienti che devono recarsi alla terapia.
Esoscheletro come robot da addestramento
"La mia visione è che i pazienti non facciano più gli esercizi in una situazione astratta in clinica, ma a casa nella vita di tutti i giorni, e che un robot possa supportarli a seconda della gravità del danno", dice Gassert, presentando un esoscheletro per la mano. Ha sviluppato l'idea di questo robot insieme al professore Jumpei Arata dell'Università di Kyushu (Giappone), che ha lavorato nel laboratorio di Gassert durante un anno sabbatico nel 2010.
"Gli esoscheletri esistenti sono pesanti, il che rappresenta un problema per i nostri pazienti perché non possono sollevare la mano", afferma Gassert, spiegando il concetto. I pazienti faticano anche a sentire qualcosa e a esercitare la giusta forza. "Per questo volevamo un modello che toccasse appena il palmo della mano, in modo da poter svolgere le attività quotidiane che non solo supportano le capacità motorie ma anche le funzioni sensoriali", spiega. Arata ha sviluppato un meccanismo per il dito con tre molle a balestra sovrapposte. Un motore muove la molla centrale, che trasmette la forza attraverso le altre due molle alle varie sezioni del dito. Le dita si adattano così automaticamente all'oggetto che la mano vuole afferrare.
Tuttavia, con i motori integrati, l'esoscheletro pesava 250 grammi, che si sono rivelati troppo pesanti per i pazienti nei test clinici. La soluzione è stata quella di rimuovere i motori dalla mano e attaccarli alla schiena. L'energia viene trasmessa all'esoscheletro tramite un cavo del freno della bicicletta. Il modulo della mano pesa ora poco meno di 120 grammi ed è abbastanza forte da sollevare una bottiglia di acqua minerale da un litro.
Esplora i processi cerebrali
Ciò che interessa veramente Gassert al momento, tuttavia, è la questione di ciò che accade nel cervello e di come i comandi del cervello raggiungano gli arti dopo un ictus: "Soprattutto nei pazienti gravemente colpiti, il collegamento tra il cervello e la mano è gravemente o completamente interrotto", spiega Gassert. "L'intenzione del paziente di muovere la mano dovrebbe essere rilevata dal cervello e trasmessa direttamente all'esoscheletro. Questo dovrebbe portare a un beneficio terapeutico. Secondo Gassert, diversi studi dimostrano che le connessioni nervose esistenti tra il cervello e la mano possono essere rafforzate attraverso una pratica regolare. Il prerequisito è che il cervello riceva un feedback sensoriale dalla mano quando impartisce un comando di movimento.
Per capire cosa succede nel cervello, Gassert collabora con clinici, neuroscienziati e terapisti per ricercarne le basi. A tal fine, gli scienziati hanno a disposizione diverse tecniche di imaging, come la risonanza magnetica funzionale (fMRI), che può essere utilizzata per visualizzare le attività dell'intero cervello. Ciò consente di ottenere approfondimenti fondamentali, ma la tecnologia non è molto adatta alla terapia: la fMRI è molto costosa ed enormemente complessa. "E naturalmente non è sostenibile", aggiunge Gassert a proposito del suo progetto. Si sta quindi concentrando su metodi più semplici come l'elettroencefalografia (EEG) e in particolare la spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS), la più economica di queste tecnologie. Gassert sta attualmente collaborando con un gruppo dell'Ospedale Universitario per capire se e come la fNIRS possa essere utilizzata in modo robusto. Ha esperienza nell'applicazione clinica di questa tecnologia.
Risultati fondamentali
Anche la questione di come il cervello controlli gli arti che interagiscono con l'ambiente non è ancora stata completamente chiarita. "In questo caso, la robotica offre un contributo prezioso alla ricerca fondamentale, perché è ideale per catturare un movimento, disturbarlo e misurarne la reazione", spiega Gassert. Ad esempio, i robotici hanno sviluppato un esoscheletro, l'esoscheletro della mano, con motori che vengono sponsorizzati sulla schiena: Un cavo del freno della bicicletta trasmette la forza sufficiente a sollevare una bottiglia d'acqua da un litro. con cui il ginocchio può essere bloccato per 200 millisecondi e deviato di oltre 5 gradi quando si cammina. Gli scienziati utilizzano sensori per misurare le forze in gioco e da questi dati possono dedurre come il cervello modula la rigidità del ginocchio. Queste scoperte possono essere utilizzate, ad esempio, per il controllo di nuovi tipi di protesi attive.
Se i ricercatori riusciranno a stabilire la connessione tra il cervello e l'esoscheletro, sarà deciso un dispositivo ideale per la terapia. Tuttavia, se i deficit sono permanenti, il robot potrebbe anche offrire un supporto a lungo termine, in alternativa ai metodi invasivi, anch'essi oggetto di ricerca. Questi prevedono, ad esempio, l'impianto di elettrodi nel cervello e l'attivazione di stimolatori nei muscoli. Tuttavia, finché un paziente colpito da ictus può ritenere di potersi ancora riprendere, preferirebbe sicuramente il robot.