As interfaces cérebro-computador podem devolver às pessoas paralisadas alguma da sua mobilidade através do controlo de exoesqueletos. No entanto, os sinais de controlo mais complexos não podem ser lidos a partir da superfície da cabeça porque os sensores convencionais não são suficientemente sensíveis para o efeito. Este desafio foi aceite por um consórcio constituído por Fraunhofer IAF, Charité - Universitätsmedizin Berlin, Universidade de Estugarda e parceiros industriais: No recém-lançado projeto-farol do BMBF "NeuroQ", os parceiros do projeto estão a desenvolver sensores quânticos altamente sensíveis baseados em diamantes que permitirão a pessoas paralisadas controlar exoesqueletos neurais com maior precisão.
Para as pessoas que, por exemplo, não conseguem mexer as mãos ou as pernas devido a uma lesão na espinal medula, a um acidente vascular cerebral ou a outra doença, as chamadas interfaces cérebro-computador (BCI) representam uma grande esperança: Estas interfaces cérebro-computador permitem que um dispositivo seja controlado apenas pela atividade cerebral - por exemplo, um exoesqueleto pode ser controlado apenas pela imaginação do movimento. As BCI oferecem assim às pessoas paralisadas a possibilidade de recuperar o controlo de parte da sua capacidade de movimento.
Um doente testa uma interface cérebro-computador desenvolvida pela Charité para controlar uma mão em exoesqueleto.
As BCI que medem a atividade cerebral a partir da superfície da cabeça têm a vantagem de poupar aos doentes uma intervenção cirúrgica dispendiosa e arriscada no cérebro. "Já desenvolvemos um sistema BCI não invasivo que permite às pessoas com paraplegia alta agarrar objectos do quotidiano através de alterações arbitrárias das suas ondas cerebrais", relata o Prof. Dr. Surjo R. Soekadar, Professor Einstein de Neurotecnologia Clínica no Charité, acrescentando: "Apesar dos progressos consideráveis, ainda não foi possível controlar movimentos complexos da mão com um sistema não invasivo deste tipo." Por exemplo, é possível reconhecer a intenção de se mover, mas não exatamente qual o movimento a executar. Para o conseguir, a sensibilidade dos sensores teria de ser significativamente aumentada.
Sensores quânticos medem as ondas cerebrais
Nove parceiros assumiram agora esta tarefa e lançaram o projeto "Laser Threshold Magnetometer for Neuronal Communication Interfaces", ou "NeuroQ". No âmbito deste projeto, financiado pelo Ministério Federal da Educação e Investigação (BMBF), os parceiros desenvolvem sensores quânticos tão sensíveis que podem medir os mais pequenos campos magnéticos gerados pelas ondas cerebrais. Estes magnetómetros quânticos deverão ser integrados num sistema BCI, permitindo assim que pessoas paralisadas controlem um exoesqueleto de mão com muito mais precisão do que acontece atualmente.
Os campos magnéticos fornecem sinais mais claros
Nos BCIs não invasivos, a medição da atividade neuronal tem sido feita até agora principalmente através de campos eléctricos. Neste caso, a medição dos campos magnéticos apresenta vantagens consideráveis: "Os campos magnéticos penetram na pele e no crânio sem distorções e fornecem, assim, sinais muito mais claros do que os campos eléctricos, uma vez que estes são fortemente atenuados no percurso da fonte até ao sensor. Assim, a magneto-encefalografia (MEG) tem vantagens significativas sobre a eletroencefalografia (EEG), mas raramente é utilizada devido a obstáculos técnicos", explica o Dr. Jan Jeske, chefe do projeto "NeuroQ" e investigador do Fraunhofer IAF.
Os obstáculos técnicos dos MEGs devem-se às tecnologias de sensores utilizadas: os sensores SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices) são altamente precisos, mas requerem um arrefecimento a baixa temperatura, o que torna a sua utilização extremamente dispendiosa e complexa. Os magnetómetros opticamente bombeados (OPM) baseados em células de vapor ultrapassam mesmo a sensibilidade dos SQUID, mas só funcionam no campo zero absoluto - o que significa que, para o seu funcionamento, todos os campos magnéticos de fundo (incluindo o campo magnético da Terra) têm de ser completamente protegidos, o que também implica um enorme esforço de construção.
"Até agora, não foram realizados magnetómetros que atinjam uma sensibilidade em condições ambientais - ou seja, em ambientes não blindados - que seja adequada para a deteção de campos neuromagnéticos. O projeto 'NeuroQ' ultrapassa consideravelmente o estado da arte", resume o Prof. Dr. Jörg Wrachtrup, diretor do 3º Instituto de Física da Universidade de Estugarda.
O sensor à base de diamante permite a sua utilização no ambiente quotidiano
A particularidade dos magnetómetros quânticos a desenvolver no âmbito do projeto "NeuroQ" é o seu material de base: baseiam-se nos centros NV (centros de vacância de azoto) do diamante e possuem, por isso, propriedades únicas: Os magnetómetros quânticos de diamante são os únicos magnetómetros altamente sensíveis que funcionam à temperatura ambiente ou à temperatura corporal. Também medem na presença de um campo magnético de fundo e podem determinar a direção exacta de um campo magnético (ou seja, as três componentes do vetor). Além disso, são biocompatíveis e podem ser aproximados da fonte, o que, por sua vez, permite obter sinais mais fortes.
Tudo isto leva à perspetiva de que os magnetómetros quânticos de diamante poderiam ser utilizados em clínicas, cirurgias, ambientes de reabilitação, mas também em casa e na vida quotidiana para melhorar significativamente a qualidade de vida das pessoas com paralisia e dar um contributo importante para a sua inclusão na sociedade.
Projeto conjunto multidisciplinar
Uma vez que os magnetómetros de diamante desenvolvidos até à data ainda não atingem a sensibilidade necessária, serão primeiro realizados novos magnetómetros quânticos altamente sensíveis baseados num novo laser de diamante NV no âmbito do "NeuroQ". O sistema de medição será então desenvolvido com a interface de comunicação necessária para um sistema BCI e utilizado para demonstração, avaliação e desenvolvimento posterior no ambiente clínico do Charité em Berlim. As empresas em fase de arranque e as pequenas e médias empresas (PME) participantes estão não só a dar um contributo significativo para o desenvolvimento, mas também para a exploração subsequente da tecnologia, promovendo assim a transferência dos resultados para produtos e aplicações comercializáveis.
O BMBF financia o projeto de colaboração de cinco anos no âmbito da medida "Projectos-farol em tecnologia de medição de base quântica para responder aos desafios da sociedade" com um total de quase 9 milhões de euros.
Os parceiros do projeto em resumo:
- Instituto Fraunhofer de Física Aplicada ao Estado Sólido IAF
- Vinte e um Semicondutores
- Universidade de Estugarda, 3º Instituto de Física
- Sacher Laser Technology GmbH
- Advanced Quantum GmbH
- W+R Shielding Technology GmbH
- Charité - Medicina Universitária de Berlim
- neuroConn GmbH
- NIRx Medical Technology GmbH
Fonte: Fraunhofer IAF
Contacto profissional:
Prof. Dr. Jörg Wrachtrup, Universidade de Estugarda, 3º Instituto de Física, Tel. +49 711 685 65278, Correio eletrónico
Fonte: Controlo mais preciso de exoesqueletos neurais com sensores de diamante | Notícias | 24.01.2023 | Universität Stuttgart (uni-stuttgart.de) (26.01.2022)
