Revista >> Iulie - August 2023 [Nr. 256] >> Cercetare & Invatamant superior

IMT București conduce un nou proiect european de avangardă. Dr. Carmen Moldovan: „NerveRepack va introduce o nouă paradigmă în domeniul dispozitivelor implantabile și a elementelor robotice”

Alexandru Batali

01 August 2023

Institutul Național de Cercetare și Dezvoltare în Microtehnologii - IMT București se află de la 1 Iunie la conducerea consorțiului european NerveRepack (http://nerverepack.eu), finanțat cu peste 17 milioane de euro pentru a dezvolta o nouă generație de dispozitive implantabile pentru proteze, în cadrul unui proiect de avangardă ce va avea un important impact social, economic, medical și tehnologic. NerveRepack își propune schimbarea paradigmei asistenței pentru persoanele cu dizabilități, prin dezvoltarea în următorii patru ani a unei noi generații de electrozi implantabili bidirecționali, care vor conecta sistemul nervos uman cu dispozitive externe mecatronice, cum ar fi exoscheletele și exoprotezele. Noile proteze controlate de creierul pacientului prin intermediul sistemului nervos vor ajuta persoanele cu amputații ale brațelor sau paralizii ale picioarelor să-și recapete funcțiile motorii și senzoriale. Principala interfață cu nervii va fi reprezentată de electrozi și de modulul electronic implantabil. Toate componentele vor fi proiectate, fabricate și testate prin intermediul unor demonstratoare care vizează categorii diferite de pacienți: cu amputații ale antebrațului sau cu paralizii ale membrelor inferioare.
„Proiectul NerveRepack a fost creat pentru a răspunde unei nevoi stringente de a sprijini persoanele cu leziuni severe ale nervilor, care le afectează membrul superior sau inferior. Aceste persoane suferă amputații sau paralizii, iar abilitățile lor de a se mișca, de a lucra, de a se îngriji sunt grav diminuate sau pierdute. NerveRepack va avea un impact semnificativ asupra calității vieții și sănătății oamenilor”, afirmă dr. Carmen Moldovan (foto), coordonatorul proiectului, și cel mai potrivit interlocutor al unui interviu menit să descopere complexitatea și frumusețea acestei inițiative unice în cercetarea biomedicală.

Cum a luat naştere ideea proiectului?
Ideea proiectului NerveRepack „Intelligent neural system for bidirectional connection with exoprostheses and exoskeletons” a apărut în urmă cu câţiva ani. În timpul cercetările noastre legate de dispozitive nanoelectronice cu aplicaţii biomedicale, desfășurate împreună cu colaboratori de la Universitatea Politehnica din Bucureşti specializaţi în dispozitive robotice şi inteligenţă artificială, a apărut un pacient cu amputaţie de antebraţ. Persoana a descris foarte clar limitările şi dificultăţile pe care le are în a găsi un loc de muncă şi a se descurca în activităţile cotidiene.Cunoscând situaţia pe plan mondial a dispozitivelor de protezare utilizate pe piaţă şi limitările acestora în termeni de mişcări posibile şi de recâştigare a funcţiilor motorii pierdute prin amputaţie, am început să gândim un sistem implantabil care să comunice Wi-Fi cu o proteză de antebraţ şi care să-i permită utilizatorului să controleze proteza prin semnale neuronale, să poată mişca prin control cerebral toate cele 5 degete ale protezei şi în acelaşi timp să primească semnale de feedback tactil de la senzorii de pe degetele protezei. Feedbak-ul tactil îi va permite utilizatorului să controleze mișcările degetelor de la proteză. Controlul unei proteze prin semnale neuronale nu a fost realizat cu succes şi finalizat printr-o dezvoltare industrială nicăieri în lume.Protezele care există în acest moment pe piaţă sunt acţionate cu semnale de la muşchii rămaşi în bontul de amputaţie, nu pot efectua decât câteva mişcări predefinite, nu pot prelua semnale specifice pentru degetele protezei şi nu pot efectua mişcări complexe şi de fineţe.
În plus, odată ce am început să dezvoltăm aplicaţia pentru persoane cu amputaţie de antebraţ, am realizat că o abordare similară din punct de vedere conceptual şi tehnologic este cea a unui implant în nervul sciatic, capabil să asigure conectarea nervilor din măduva spinării cu exoscheletoane, adresat persoanelor cu paralizie a membrelor inferioare, ajutându-i să controleze mişcarea membrelor inferioare prin control cerebral.
Identificând nevoia şi o posibilă soluţie am început să construim întregul concept, astfel încât realizarea noastră să satisfacă nevoile pacienţilor în cel mai înalt grad posibil. Astfel, am gândit o soluţie complexă care implică: realizarea de microcipuri dedicate aplicaţiei, extrem de miniaturizate pentru a fi minim invazive, microelectrozi ataşabili fasciculelor nervoase motorii şi senzitive ale nervilor amputaţi sau deterioraţi, alimentare inductivă (baterie externă, reîncărcabilă, plasată în palma exoprotezei sau pe exoscheleton), comunicare Wi-Fi bidirecţională între electrozii implantaţi şi structurile robotice.

Ce expertiză are IMT în cercetarea şi inovarea biomedicală? Cum a ajuns să deţină poziţia de coordonator într-un proiect european atât de complex?
Laboratorul iniţiator şi coordonator al proiectului este „Laboratorul de microsisteme pentru aplicaţii biomedicale şi de mediu”. Acesta a fost înfiinţat în anul 1996, odată cu institutul IMT, şi are la activ peste 18 proiecte europene în care am avut rol de coordonator sau participant şi peste 35 de proiecte naţionale, numeroase articole în reviste prestigioase, brevete naţionale şi europene. IMT şi grupul care a iniţial proiectul sunt cunoscuţi la nivel european şi în momentul când am lansat ideea proiectului au venit alături de IMT alte 26 de organizaţii prestigioase din 10 ţări, care au găsit ideea inovatoare, dar şi fezabilă.De altfel, proiectul a fost declarat câştigător cu 14,6 puncte din 15, situându-se pe locul 1 la „Topica 1- General” din cadrul competiţiei „Horizon Europe - Key Digital Technologies 2022”.
Proiectul este o direcţie de avangardă pentru IMT. Renumele european pe care l-am câştigat prin coordonarea acestui proiect ne-a propulsat deja pe lista partenerilor „de dorit” în proiecte Horizon Europe. Suntem deja într-un alt consorţiu pentru pregătirea unui nou proiect în domeniul cercetărilor biomedicale.

În ce constă unicitatea NerveRepack?
Există mai multe proiecte pentru realizarea unor proteze cu comandă neurală şi feedback tactil, atât în UE, cât şi în SUA. Elementul de noutate din proiectul nostru este dat de realizarea unui modul implantabil menit să asigure conectarea bidirecțională a sistemului nervos periferic al utilizatorului cu blocul de comandă al protezei. Comunicarea bidirecțională implică două aspecte: 1) colectarea semnalelor neurale motorii din nervii din bontul de amputație și transmiterea lor WI-FI la blocul de comadă al protezei și 2) transmiterea semnalelor de feedback tactil de la senzorii de presiune de pe degetele protezei și transmiterea lor WI-FI la sistemul nervos periferic din bontul de amputaţie al utilizatorului pentru a-i genera acestuia senzații tactile atunci când manevrează cu ajutorul protezei diferite obiecte.

Cum arată foaia de parcurs?
NerveRepack a început la 1 iunie 2023 şi are o durată de 4 ani. În această perioadă se vor parcurge toate etapele programate pentru implementarea proiectului: simulare, proiectare, fabricare, caracterizare şi testare, validare prototip pentru toate componentele electronice şi mecanice. În paralel vom realiza dezvoltarea de noi materiale şi noi componente, studii de biocompatibilitate pe culturi de celule şi dezvoltarea componentelor software şi de inteligenţă artificială. Componentele electronice şi mecanice se referă la electrozi implantabili, circuite electronice specializate pentru înregistrare şi stimulare semnale neuronale, structuri mecanice de exoproteze şi exoschelete, componentele de alimentare cu energie, senzori, actuatori, micromotoare, s.a. Toate elementele enumerate constituie părţile componente ale sistemelor dezvoltate, vor fi în întregime realizate de partenerii proiectului şi vor conduce la realizarea a 3 sisteme distincte: a) sistemul de interfaţă neuronală cu exoproteze, pentru persoanle cu amputaţie de antebraţ; b) sistemul de interfaţă neuronală cu un exoschelet pentru persoanele cu un picior paralizat; c) sistemul de interfaţă neuronală cu 2 exoschelete pentru persoanele cu ambele membre inferioare paralizate.

Care este rolul IMT Bucureşti?
Rolul IMT este de coordonator al proiectului. Asigurăm coordonarea proiectului la toate nivelele: legătura cu Comisia Europeană, raportarea ştiinţifică şi financiară, coordonarea a 3 pachete de activităţi şi a numeroase task-uri. IMT este direct responsabil de realizarea electrozilor implantabili, cât şi de proiectarea şi testarea a 3 sisteme implantabile conectate la structurile robotice.

Kick-off meeting desfășurat la București, 5-6 iulie, cu 60 de participanți reprezentând toți cei 27 de parteneri ai proiectului NerveRepack

În ce va consta contribuţia celorlalţi parteneri din țară?
În cadrul acestui proiect sunt implicați din România încă 4 parteneri: Universitatea Politehnica din Bucureşti (UPB), Universitatea de Medicină și Farmacie „Carol Davila”, firma AREUS Technology cu sediul în București și firma Osteopharm SRL cu sediul în Târgu Mureș. De la UPB participă colective de specialiști de la trei facultăți (Facultatea de Electronică Telecomunicații și Tehnologia Informației, Facultatea de Mecatronică și Robotică și Facultatea de Inginerie Industrială și Robotică), coordonate de prof. dr. ing. Monica Dascălu.Aceste colective contribuie la realizarea structurii mecatronice a protezei și a interfeței senzoriale de pe degetele protezei. De la UMF „Carol Davila” participă colective de la șase specialități: chirurgie plastică, neurologie, neurochirurgie, ortopedie, anatomopatologie și neuroimagistică, coordonatorul fiind prof. univ. dr. Ana Maria Oproiu. Areus Technology participă cu echipa de specialiști în IA, iar coordonator este ing. Cătălin Niculae. Areus contribuie la realizarea algoritmilor de IA care decodifică și sincronizează comenzile neurale ale utilizatorului cu mișcările protezei. Osteopharm SRL participă cu o echipă de medici și kinetoterapeuți coordonați de ing. Szekeli Laszlo la conceperea protezei în conformitate cu specificaţiile anatomice ale pacientului şi la antrenarea acestuia în vederea utilizării protezei.

Ce estimări aveţi legate de impactul acestui proiect?
Impactul va fi major. Introducem o nouă paradigmă în domeniul dispozitivelor implantabile şi a elementelor robotice. Scopul major al proiectului este să aducem aceste noi sisteme la nivele tehnologice superioare, care să fie validate de specialiştii în medicină reparatorie şi reconstructivă, cât şi de potenţialii utilizatori (pacienţi)şi să devină astfel atractive pentru industrie, care să le preia pentru comercializare.