30845 Suppl Giot.pdf - Giornale Italiano di Ortopedia e Traumatologia

G.I.O.T. 2010;36(suppl. 1):S312-S317
Interfaccia intraneurale di nuova generazione impiantata sui nervi mediano ed ulnare
di un amputato per il controllo di una protesi robotica di mano
P.M. rossini * , G. Di Pino
rIaSSuNTO
Background: malgrado la riorganizzazione neurale dovuta ad una
amputazione, le vie nervose mantengono parzialmente la loro funzione
potendo esser utilizzate da interfacce per il controllo di protesi.
Obiettivi: questo studio valida un nuovo tipo di multielettrodo
intra-nervo periferico per il controllo di una protesi ad elevata
destrezza e per la trasmissione di feedback sensoriale e stima la
riorganizzazione corticale dovuta al suo utilizzo.
Metodi: quattro multi-elettrodi intrafascicolari (tf-LIFE4) sono stati
impiantati per 4 settimane nei nervi mediano ed ulnare di un amputato.
Un classificatore ad intelligenza artificiale (AI) ha analizzato
offline i segnali registrati durante lo svolgimento di tre prese.
Risultati: è stato realizzato un soddisfacente controllo real-time.
Il classificatore ha innalzato la percentuale di prese correttamente
eseguite sopra l’85%. Inoltre differenti pattern di stimolazione hanno
evocato sensibilità stabile e riproducibile. La riorganizzazione
corticale, valutata attraverso TMS ed EEG, si è accompagnata ad
un miglioramento della sindrome da arto fantasma.
Conclusioni: i tf-LIFE4s hanno registrato segnali neurali per le
4 settimane d’impianto, mentre la capacità di stimolare si è persa
dopo 10 giorni. Registrare da molti siti su diversi nervi ha permesso
di aumentare la percentuale di corrette classificazioni. Il miglioramento
nei sintomi d’arto fantasma assieme alla riorganizzazione
corticale benigna sono ulteriori effetti terapeutici ottenuti.
Parole chiave: interfacce intraneurali, amputazione d’arto, dolore
d’arto fantasma, plasticità neurale, stimolazione magnetica
transcranica, protesi di mano
SuMMary
Background: despite nervous reorganization following amputation,
original pathways and CNS relays partially maintain their
function and can be exploited for interfacing prostheses.
Objectives: aim of this study is to evaluate a novel peripheral
intraneural multielectrode for multi-movement prosthesis control
and for sensory feed-back, while assessing following cortical reorganization.
Methods: four intrafascicular multielectrodes (tf-LIFE4) were
implanted in the median and ulnar nerves of an amputee for 4 weeks.
Neurology, University Campus Bio-Medico, Rome (Italy); * IRCCS S.Raffaele Pisala
e Casa di Cura S. Raffaele, Cassino, Italy
S312
Artificial intelligence classifiers were used off-line to analyse signals
recorded during three distinct hand voluntary movements.
Results: real-time control of motor output was achieved for the
three actions. When applied off-line artificial intelligence reached
> 85% real-time correct classification of trials. Moreover, different
types of current stimulation allowed reproducible and localized
hand/fingers sensations. Cortical organization was observed via
TMS and EEG in parallel with partial resolution of symptoms due
to the phantom-limb syndrome.
Conclusions: tf-LIFE4s recorded output signals in human nerves
for 4 weeks, though the efficacy of sensory stimulation decayed
after 10 days. Recording from a number of fibres permitted a high
percentage of distinct actions to be classified correctly. Reversal
of plastic changes and alleviation of PLS represent potential therapeutic
benefit.
Keywords: intraneural interface, limb amputation, phantom-limb
syndrome, neural plasticity, transcranial magnetic stimulation,
hand prosthesis
INTrODuzIONE
Gli amputati, fin dai tempi più remoti, hanno tentato di arginare
la perdita di un arto con l’utilizzo di protesi estetiche e funzionali.
Malgrado le antiche origine delle protesi d’arto e lo sviluppo che le
scienze biomediche hanno vissuto negli ultimi decenni, ciò che oggi
il mercato può offrire ad un amputato è poco più che delle semplici
pinze ad un unico grado di libertà, che presentano una capacità di
sostituzione funzionale veramente molto limitata, incapaci di fornire
feedback sensitivo. Lo sviluppo di sistemi protesici innovativi ha
comportato l’utilizzo di dispositivi meccatronici, motori ad elevato
rapporto potenza/peso e sensori integrati che raccolgono informazioni
da utilizzar per feedback sensitivo, ma il collo di bottiglia di
tali sistemi resta l’interfaccia tra utente e protesi 1 2 .
L’amputazione di un arto comporta la completa sezione delle fibre
nervose afferenti ed efferenti e conseguenti modificazioni del sistema
nervoso centrale e periferico che controlla l’arto 3-5 . Malgrado
ciò le vie ed i centri sensorimotori non perdono del tutto le loro
funzioni 6-8 , e possono fungere da target di interfacce per il controllo
di protesi 9 .
Lo sviluppo di nuove vie di interfacciamento per protesi di mano
si è indirizzato recentemente verso interfacce elettromiografiche
dopo trasposizione dei nervi che innervano la mano verso i muscoli
pettorali 10 11 o verso l’utilizzo di interfacce neurali col nervo periferico
12 13 . Le interfacce su nervo periferico hanno dimostrato di
esser in grado di registrare attività elettrica neurale e stimolare i
nervi con un buon livello di selettività 14 17 . A questa ultima classe