Las interfaces cerebro-ordenador pueden devolver a las personas paralizadas parte de su movilidad mediante el control de exoesqueletos. Sin embargo, las señales de control más complejas no pueden leerse desde la superficie de la cabeza porque los sensores convencionales no son lo suficientemente sensibles para ello. Este reto ha sido asumido por un consorcio formado por Fraunhofer IAF, Charité - Universitätsmedizin Berlin, la Universidad de Stuttgart y socios industriales: En el proyecto faro del BMBF "NeuroQ", lanzado recientemente, los socios del proyecto están desarrollando sensores cuánticos altamente sensibles basados en diamantes que permitirán a las personas paralíticas controlar con mayor precisión los exoesqueletos neuronales.
Para las personas que, por ejemplo, no pueden mover las manos o las piernas debido a una lesión medular, un derrame cerebral u otra enfermedad, las llamadas interfaces cerebro-ordenador (BCI) representan una gran esperanza: Estas interfaces cerebro-ordenador permiten controlar un dispositivo únicamente mediante la actividad cerebral; por ejemplo, un exoesqueleto puede controlarse simplemente imaginando el movimiento. Las BCI ofrecen así a las personas paralizadas la posibilidad de recuperar el control sobre parte de su capacidad de movimiento.
Un paciente prueba una interfaz cerebro-ordenador desarrollada por Charité para controlar una mano exoesquelética.
Las BCI que miden la actividad cerebral desde la superficie de la cabeza tienen la ventaja de evitar a los pacientes una costosa y arriesgada intervención quirúrgica en el cerebro. "Ya hemos desarrollado un sistema BCI no invasivo que permite a las personas con paraplejia alta agarrar objetos cotidianos mediante cambios arbitrarios en sus ondas cerebrales", informa el profesor Dr. Surjo R. Soekadar, catedrático Einstein de Neurotecnología Clínica en la Charité, y añade: "Sin embargo, a pesar de los considerables avances, aún no ha sido posible controlar movimientos complejos de la mano con un sistema no invasivo de este tipo." Por ejemplo, es posible reconocer la intención de moverse, pero no exactamente qué movimiento debe realizarse. Para lograrlo, habría que aumentar considerablemente la sensibilidad de los sensores.
Los sensores cuánticos miden las ondas cerebrales
Nueve socios han asumido ahora esta tarea y han puesto en marcha el proyecto "Magnetómetro de umbral láser para interfaces de comunicación neuronal", o "NeuroQ" para abreviar. En el proyecto, financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF), los socios están desarrollando sensores cuánticos tan sensibles que pueden medir los campos magnéticos más pequeños generados por las ondas cerebrales. Estos magnetómetros cuánticos se integrarán en un sistema BCI y permitirán así a las personas paralíticas controlar un exoesqueleto de mano con mucha más precisión que en la actualidad.
Los campos magnéticos proporcionan señales más claras
En las ICB no invasivas, la medición de la actividad neuronal se ha realizado hasta ahora principalmente a través de campos eléctricos. En este caso, la medición de los campos magnéticos presenta ventajas considerables: "Los campos magnéticos penetran en la piel y el cráneo sin distorsión y, por tanto, proporcionan señales mucho más claras que los campos eléctricos, ya que éstos se atenúan fuertemente en el trayecto de la fuente al sensor. Así pues, la magnetoencefalografía (MEG) tiene ventajas significativas sobre la electroencefalografía (EEG), pero rara vez se utiliza debido a los obstáculos técnicos", explica el Dr. Jan Jeske, jefe de proyecto de "NeuroQ" e investigador del Fraunhofer IAF.
Los obstáculos técnicos de los MEG se deben a las tecnologías de sensores utilizadas: los sensores SQUID (dispositivos superconductores de interferencia cuántica) son muy precisos, pero requieren una refrigeración a baja temperatura, lo que hace que su uso sea extremadamente caro y complejo. Los magnetómetros bombeados ópticamente (OPM) basados en celdas de vapor superan incluso la sensibilidad de los SQUID, pero sólo funcionan en el campo cero absoluto, lo que significa que para su funcionamiento todo campo magnético de fondo (incluido el campo magnético terrestre) debe estar completamente blindado, lo que también supone un enorme esfuerzo de construcción.
"Hasta ahora no se ha realizado ningún magnetómetro que alcance una sensibilidad en condiciones ambientales -es decir, en entornos sin apantallamiento- adecuada para detectar campos neuromagnéticos. El proyecto 'NeuroQ' supera considerablemente el estado de la técnica", resume el Prof. Dr. Jörg Wrachtrup, director del III Instituto de Física de la Universidad de Stuttgart.
Un sensor con base de diamante permite su uso en el entorno cotidiano
Lo especial de los magnetómetros cuánticos que se van a desarrollar en el proyecto "NeuroQ" es su material de partida: se basan en los centros NV (centros de vacantes de nitrógeno) del diamante, por lo que tienen propiedades únicas: Los magnetómetros cuánticos de diamante son los únicos magnetómetros altamente sensibles que funcionan a temperatura ambiente o corporal. También miden en presencia de un campo magnético de fondo y pueden determinar la dirección exacta de un campo magnético (es decir, los tres componentes del vector). Además, son biocompatibles y pueden acercarse a la fuente, lo que a su vez permite obtener señales más fuertes.
Todo esto nos lleva a la perspectiva de que los magnetómetros cuánticos de diamante podrían utilizarse en clínicas, consultorios, un entorno de rehabilitación, pero también en casa y en la vida cotidiana para mejorar significativamente la calidad de vida de las personas paralizadas y contribuir de forma importante a su inclusión en la sociedad.
Proyecto conjunto multidisciplinar
Dado que los magnetómetros de diamante desarrollados hasta ahora aún no alcanzan la sensibilidad necesaria, en el marco de "NeuroQ" se realizarán primero nuevos magnetómetros cuánticos de alta sensibilidad basados en un novedoso láser de diamante NV. A continuación, se desarrollará el sistema de medición con la interfaz de comunicación necesaria para un sistema BCI y se utilizará para su demostración, evaluación y posterior desarrollo en el entorno clínico de la Charité de Berlín. Las empresas de nueva creación y las pequeñas y medianas empresas (PYME) participantes no sólo contribuyen de forma significativa al desarrollo, sino también a la posterior explotación de la tecnología, fomentando así la transferencia de los resultados a productos y aplicaciones comercializables.
El BMBF financia el proyecto de colaboración, de cinco años de duración, en el marco de la medida "Proyectos faro en tecnología de medición cuántica para afrontar los retos de la sociedad" con un total de casi 9 millones de euros.
Los socios del proyecto de un vistazo:
- Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido IAF
- Veintiún semiconductores
- Universidad de Stuttgart, 3er Instituto de Física
- Tecnología láser Sacher GmbH
- Advanced Quantum GmbH
- W+R Tecnología de apantallamiento GmbH
- Charité - Medicina Universitaria de Berlín
- neuroConn GmbH
- NIRx Medical Technology GmbH
Fuente: Fraunhofer IAF
Contacto profesional:
Prof. Dr. Jörg Wrachtrup, Universidad de Stuttgart, 3er Instituto de Física, Tel. +49 711 685 65278, Correo electrónico
Fuente: Controlar con mayor precisión los exoesqueletos neuronales con sensores de diamante | Noticias | 24.01.2023 | Universität Stuttgart (uni-stuttgart.de) (26.01.2022)
