La sindrome locked-in è una condizione di completa paralisi della muscolatura che può derivare da malattie degenerative come la SLA o da infarti del tronco dell’encefalo e che impediscono ogni forma di comunicazione con il mondo esterno, anche se le funzioni sensoriali e cognitive sono preservate. Gli attuali sistemi di brain-computer interface (interfaccia neurale) non danno ancora risultati soddisfacenti.

Stato del brevetto

DEPOSITATO

Numero di priorità

102017000129971

Data di priorità

14/11/2017

Licenza

INTERNAZIONALE

Mercato

L'incidenza della SLA in Europa è di circa 2.2/100000 all'anno; la prevalenza è 6-8 / 100000. In Italia ci sono circa 5000 pazienti affetti da SLA. Solo una piccola percentuale di questi può raggiungere lo stadio avanzato (circa il 20% sopravvive più di 5 anni) e ancor meno avvicinarsi alla condizione di locked-in completo.

Tuttavia, affrontare la comunicazione nei pazienti con locked-in completo ha un alto impatto sociale ed emotivo.

Inoltre, la comunicazione a mani libere e senza voce può essere di interesse per altri campi di applicazione come l’ambito ludico e quello del settore automobilistico ed aerospaziale.

Problema

Diverse condizioni patologiche, come la sclerosi laterale amiotrofica (SLA) nella fase avanzata, l’infarto del tronco cerebrale e alcuni tipi di avvelenamento, possono provocare una paralisi muscolare completa, che priva il paziente della possibilità di comunicare con il mondo esterno (stato di locked-in completo) anche se le funzioni sensoriali possono essere preservate.

Questa è una condizione drammatica per i pazienti colpiti. I loro pensiero non può più essere conosciuto, ma si ritiene che questa condizione sia causa di un rapido declino cognitivo. Nonostante la grande ricerca e gli sforzi tecnologici nel campo delle interfacce cervello-computer, il problema di ristabilire la comunicazione con i pazienti in stato di locked-in completo è ancora aperto.
Presentiamo qui un approccio originale in base al quale la comunicazione si ottiene controllando volontariamente la dimensione della pupilla.

Limiti attuali tecnologie / Soluzioni

Le interfacce cervello-computer sono state sviluppate sulla base di approcci e tecnologie differenti, con differenti limitazioni:

- Tecnologie invasive (ad es. Array di elettrodi impiantati): procedure invasive, costi elevati, è necessaria una lungo allenamento.
- Segnali elettroencefalografici (EEG): i segnali sono molto deboli e rumorosi, è necessario personale specializzato, è necessaria un lungo allenamento.
- Spettroscopia cerebrale nel vicino infrarosso: attrezzatura molto costosa, necessita di personale specializzato.

Killer Application

Inizialmente la tecnologia potrebbe essere implementata come funzionalità aggiuntiva ai dispositivi di CAA basati sul rilevamento degli occhi, già esistenti. In questo modo i pazienti con SLA avranno già familiarità con il dispositivo e potranno familiarizzare con la nuova modalità di comunicazione prima di entrare effettivamente nello stato di blocco completo.

Parallelamente, il team sta anche sviluppando un'unità di elaborazione autonoma basata sulla scheda PC Raspberry, al fine di implementare la registrazione video e l'elaborazione per il rilevamento della costrizione pupillare.

Tecnologia e nostra soluzione

La presente soluzione è intrinsecamente semplice: quando si sposta volontariamente il fuoco da un bersaglio visivo lontano a uno vicino, la pupilla subisce una costrizione marcata e robusta, che può essere facilmente rilevata e utilizzata per stabilire una comunicazione binaria (ad esempio per rispondere Sì / No a un data domanda).

Su questa base possono essere ideati dispositivi di Comunicazione Alternativa e Aumentativa (CAA) in cui le informazioni binarie possono essere utilizzate per guidare interfacce video / audio più complesse, inclusa la video scrittura.

In particolare, la possibilità di rilevare la dimensione della pupilla può essere implementata come caratteristica aggiuntiva ai dispositivi di CAA esistenti basati sull'eye tracking.

Sono possibili diverse disposizioni del dispositivo:
1) la pupilla può essere monitorata da una microcamera montata su occhiali o da una telecamera remota; i bersagli visivi possono essere oggetti già presenti nella stanza (precedentemente allineati con lo sguardo dell'occhio dominante);
2) la costrizione della pupilla rilevata da un'unità di elaborazione può essere utilizzata per operare una selezione multipla su un’interfaccia video «a scansione» o per vocalizzare una risposta Sì / No.

Vantaggi

Non è richiesta alcun allenamento del paziente: spostare l'attenzione da un obiettivo lontano a uno vicino è una capacità innata. Questo è un aspetto rilevante in quanto questi pazienti possono affaticarsi molto facilmente.

Non è richiesto personale specializzato: gli assistenti sono facilmente istruiti a regolare correttamente l'orientamento della telecamera.

Non è necessario applicare elettrodi alla pelle (con il rischio associato di perdere il contatto corretto a lungo termine).

La tecnologia richiesta è a basso costo: mini telecamera, unità di elaborazione, display, altoparlanti.

Roadmap

Per realizzare la prima implementazione della soluzione ricerchiamo partner già attivi nel campo dello sviluppo e dell’installazione di dispositivi di CAA, orientati in particolare ai pazienti affetti da SLA.

Lo sviluppo di un dispositivo di CAA consentirà di estendere i test clinici a un gruppo più ampio di pazienti che si avvicinano allo stato di locked-in completo, eventualmente attraverso studi multicentrici, coinvolgendo anche altri gruppi di ricerca e clinici in Italia e all'estero.

Inoltre, ci proponiamo di indagare la possibile applicazione di questa metodologia in altre aree più rilevanti dal punto di vista commerciale come il gaming, l'automotive e il settore aerospaziale, in cui la possibilità di comunicazione a mani libere e senza voce può essere di interesse.

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