Exoesqueleto controlado pelo cérebro ajuda a andar na tetraplegia

Um homem de 28 anos com limitação do movimento dos membros após uma grave lesão na coluna cervical agora pode andar e mover os braços em várias direções usando um exoesqueleto suspenso no teto.

O implante bilateral de gravadores sem fio acima dos córtices sensitivo e motor no cérebro do paciente e a decodificação dos dados gerados na eletrocorticografia epidural possibilitaram esse feito.

O paciente reaprendeu a mover os braços e as pernas utilizando uma interface entre o cérebro e um computador, inicialmente por meio de jogos de computador, a seguir, movendo um avatar e finalmente evoluindo para o exoesqueleto.

“Foi a primeira vez que um paciente tetraplégico conseguiu andar e controlar os dois braços usando esta prótese neural, que grava, transmite e decodifica em tempo real os sinais emitidos pelo cérebro para controlar o exoesqueleto”, disse ao Medscape o Guillaume Charvet, autor do estudo e chefe de projeto da Brain Computer Interface Project na Clinatec, na França.

Ele participa de um estudo em andamento sobre a viabilidade dessa estratégia. Os desfechos do estudo em dois anos foram publicados on-line em 03 de outubro no periódico Lancet Neurology.

“O projeto, chamado Brain Computer Interface, pretende provar que, com treinamento, uma pessoa com deficiência motora grave consegue controlar complexos dispositivos de substituição funcional – como um exoesqueleto com quatro membros – por meio da decodificação da sua atividade elétrica cerebral”, disse Guillaume.

Este não é o primeiro estudo a usar um exoesqueleto para reabilitação ou recuperação neurológica após um acidente vascular cerebral (AVC) ou uma lesão medular grave. No entanto, os trabalhos anteriores miraram em exoesqueletos de órteses de mão ou naqueles que são fixados em torno de algum dos membros superiores ou inferiores. A estratégia de Guillaume e colaboradores contemplou todo o corpo.

Nas pesquisas anteriores, o controle de muitos movimentos foi obtido por meio de registros de microeletrodos com fios, embora “ainda não exista nenhuma solução clínica compatível para compensar os déficits motores”, disseram Guillaume e colaboradores.

Os pesquisadores do estudo em tela projetaram o dispositivo WIMAGINE. O dispositivo é inteiramente implantável e com compatibilidade biológica, o que permite o uso prolongado.

Para determinar o melhor local para cada implante com seus 64 eletrodos, os pesquisadores pediram ao paciente para fazer movimentos reais ou imaginários com os braços e as pernas. O paciente repetia estes movimentos enquanto os pesquisadores faziam imagens de seu cérebro por magnetoencefalografia (MEG) e ressonância magnética funcional (fMRI, do inglês functional Magnetic Resonance Imaging). Estes exames de imagem permitiram a identificação do centro do córtex sensitivo e motor do paciente possibilitando um implante cirúrgico preciso.

Movimentos voluntários e virtuais

A tetraplegia do paciente resultou de uma lesão medular a nível de C4-C5. Ele conseguia contrair o bíceps para mover os braços até o cotovelo e conseguia mover o punho esquerdo. Fora isso, seu déficit sensorial e motor era completo.

No início do estudo, a única tecnologia que ele usava era uma cadeira de rodas controlada por um joystick no braço esquerdo. Ele era um bom candidato para o estudo porque seus exames MEG e fMRI mostraram a produção de sinais corticais ao imaginar mover todos os membros.

O paciente realizava tarefas progressivamente mais difíceis. Como exemplo, em um jogo de videogame tipo o Pong, ele controlou mentalmente uma raquete para interceptar uma bola caindo. Ele também estendeu a mão para tocar um alvo durante um jogo bidimensional (2D) e usou a ponta dos dedos para interagir com um painel tridimensional (3D) com oito diodos de emissão de luz.

A descodificação por eletrocorticografia (ECoG) epidural dos sinais emitidos pelo cérebro permitiram que o paciente controlasse o exoesqueleto de 65 kg.

Ultrapassando fronteiras

O paciente teve 54% de acertos em 19 experimentos no jogo de videogame tipo o Pong usando a mão esquerda.

Ao realizar tarefas 2D com a mão esquerda, ele acertou 80% do tempo. E com a mão direita, acertou 82% do tempo.

Ao utilizar o avatar para executar tarefas, o paciente completou tarefas 3D 57% do tempo com a mão esquerda e 53% do tempo com a mão direita.

Nas tarefas de alcance-e-toque usando o exoesqueleto, o paciente concluiu com êxito as tarefas 3D com a mão esquerda 69% do tempo e com a mão direita 62% do tempo.

Nas tarefas iniciais de deambulação realizadas utilizando o videogame, o paciente obteve um percentual de verdadeiro positivo de 83% e de falso positivo de 13%. Quando instruído a caminhar usando o avatar, ele alcançou um percentual de verdadeiro positivo de 92% e de falso positivo de 5% por minuto.

Ao vestir o exoesqueleto suspenso, seu verdadeiro positivo foi de 73% e seu percentual de falsos positivos foi de 7%, dois meses após a cirurgia. Este vídeo mostra o paciente caminhando. Ele percorreu uma distância total de 145 metros (480 passos em 39 períodos de caminhada).

O paciente também fez a multiativação dos membros do exoesqueleto para gerar modelos que controlassem simultaneamente vários graus de liberdade em tarefas combinadas. Por exemplo, ele teve 84% de sucesso executando uma tarefa 2D com as duas mãos e 71% de sucesso na conclusão de uma tarefa 3D com as duas mãos.

Várias “primeiras vezes”

O implante é o único dispositivo aprovado para um ensaio clínico prolongado, permitindo gravações em 64 canais – que é o maior número de contatos reportados por lado, disse Guillaume.

“Esta é a primeira demonstração de um alto controle dimensional de uma prótese neural bimanual com oito graus de liberdade, usando um sistema de gravação de população neural que é seguro e compatível com a utilização clínica regular”, acrescentou o pesquisador.

O estudo é também o primeiro a reunir todos os elementos necessários para uso clínico prolongado em humanos, como gravação epidural, emissão e energia sem fio, decodificação de vários canais de ECoG via internet, e ser inteiramente incorporado, indicaram os pesquisadores.

“Nossa intervenção não mostrou degradação do sinal, efeitos colaterais e/ou tolerância de longa duração”, escreveram os autores.

O paciente de 28 anos de idade do estudo foi a segunda pessoa na qual o sistema foi implantado. O primeiro participante foi excluído porque os gravadores pararam de se comunicar logo após o implante, então os dispositivos foram removidos. Os pesquisadores identificaram o problema técnico e o corrigiram antes de implantar o sistema no segundo paciente.

“O paciente já considera gratificante o rápido aumento de mobilidade adquirido com a prótese neural”, disseram os pesquisadores. Há, entretanto, uma ressalva: “Este progresso não mudou o quadro clínico do paciente. O principal objetivo deste trabalho é mostrar que os implantes bilaterais, semi-invasivos, epidurais de longa permanência que permitem o controle dos quatro membros de um exoesqueleto, nos aproxima de alcançar os progressos esperados no campo da compensação dos déficits.”

“Outros três pacientes tetraplégicos serão incluídos no estudo em tela nos próximos anos. Essa prova de conceito irá abrir as portas para novas formas de uso desta prótese neural pelos pacientes no seu dia a dia em casa”, disse Guillaume.

“A equipe Clinatec está trabalhando na integração de novos efetores, como uma cadeira de rodas, e na criação de algoritmos ainda mais robustos e precisos para executar movimentos mais complexos, com a esperança de mais tarde possibilitar tarefas como a manipulação de objetos”, acrescentou.

O controle consciente é necessário?

“Um caráter original deste estudo é mostrar o controle dos quatro membros, enquanto na maioria dos estudos anteriores apenas um membro foi controlado. No entanto, caminhar de modo autônomo mantendo o equilíbrio ainda não é possível”, escreveu o Dr. Tom Shakespeare, Ph.D., do Departamento de Pesquisa Clínica da London School of Hygiene and Tropical Medicine, no Reino Unido, no comentário que acompanha o estudo.

“Embora este estudo apresente um bem-vindo e emocionante avanço, devemos lembrar que uma prova de conceito está bem longe da possibilidade de utilização clínica. Sempre existe risco de frenesi neste campo.”

“As pessoas com tetraplegia já têm soluções utilizáveis, como cadeiras de rodas leves com baterias de última geração e controles que permitem que os usuários possam dirigir assoprando e aspirando, com micromovimentos de uma das mãos e por outros meios”, observou o comentarista.

“Embora este estudo sugira a possibilidade de substituir o joystick pelo controle consciente, o porquê de isso ser uma melhora prática não é óbvio.”

Embora um paciente recém-paralisado “de fato sonhe em voltar a andar, a pessoa que se adaptou à situação pode ter outras prioridades – como, por exemplo, o controle vesical ou intestinal, o controle da dor e a prevenção de escaras”, escreveu o Dr. Tom.

“Na verdade, as pessoas com lesão medular geralmente desfrutam de uma boa qualidade de vida, independentemente do nível e do grau de lesão.”

“Entender os objetivos de vida desse grupo de pacientes seria um passo importante no sentido de colaborar para um progresso médico ou avanço tecnológico verdadeiramente útil”, acrescentou o editorialista.

Fonte: Medscape

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