Los participantes del experimento que utilizaron el sistema robótico pudieron caminar más rápido que aquellos que utilizaron piernas robóticas estándar.Copyright: H. Canción et al/medicina natural
Siete personas que perdieron la parte inferior de sus piernas pudieron caminar a una velocidad equivalente a la de los no amputados, gracias a una pierna robótica que puede ser controlada completamente por el cerebro y la médula espinal.
La prótesis utiliza una interfaz de computadora que amplifica las señales nerviosas de los músculos de la parte restante de la pierna y permite al usuario mover la prótesis utilizando sus pensamientos y reflejos naturales.
En un ensayo clínico en el que participaron 14 personas, los participantes que utilizaron esta interfaz pudieron caminar un 41% más rápido que aquellos que utilizaron piernas robóticas estándar. También tenían mejor equilibrio y capacidad para cambiar la velocidad, subir escaleras y superar obstáculos. Los resultados fueron publicados hoy en Medicina natural1.
“Este es el primer estudio que demuestra patrones naturales de marcha con neuromodulación completa, donde el cerebro de la persona tiene el 100% de control de la prótesis biónica, no del algoritmo robótico”, dijo el coautor del estudio Hugh Hare, biofísico del MIT. Technology en Cambridge, en rueda de prensa para anunciar los resultados.
“Aunque la punta está hecha de titanio y silicona y todos estos diversos componentes electromecánicos, la punta se siente natural y se mueve naturalmente sin siquiera pensarlo conscientemente”, añadió.
A Hare le amputaron ambas piernas después de quedar atrapado en una tormenta de nieve mientras escalaba hielo en el Monte Washington en New Hampshire en 1982. Dice que considerará usar dispositivos de interfaz para sus extremidades en el futuro.
El músculo se encuentra con la máquina
La mayoría de las prótesis biónicas existentes se basan en algoritmos predefinidos para guiar el movimiento y pueden cambiar automáticamente entre modos predefinidos para diferentes condiciones de marcha. Los modelos avanzados han ayudado a personas con amputaciones a caminar, correr y subir escaleras con mayor facilidad, pero el robot, no el usuario, retiene el control del movimiento de las piernas y el dispositivo no se siente como parte del cuerpo.
Decididos a cambiar esta situación, Hoare y sus colegas desarrollaron una interfaz que controla el miembro robótico utilizando señales de los nervios y músculos que quedan después de la amputación.
Su ensayo clínico incluyó a 14 participantes que habían sufrido amputaciones por debajo de la rodilla. Antes de usar el dispositivo robótico, siete de ellos se sometieron a una cirugía para conectar pares de músculos al resto de las piernas.
Esta técnica quirúrgica, que crea lo que se llama una interfaz neuromuscular antagonista (IAM), tiene como objetivo recrear los movimientos musculares naturales de modo que la contracción de un músculo provoque la expansión de otro músculo. Ayudan a reducir el dolor, preservar la masa muscular y mejorar la comodidad con la prótesis.2.
La pierna biónica en sí incluye una prótesis de tobillo equipada con sensores, así como electrodos adheridos a la superficie de la piel. Estos captan señales eléctricas producidas por los músculos en el lugar de la amputación y las envían a una pequeña computadora para decodificarlas. La pierna pesa 2,75 kg, lo que equivale al peso medio de un miembro inferior normal.
Mejoras rápidas
Para probar el sistema, los participantes practicaron el uso de sus nuevas prótesis de piernas durante seis horas cada uno. Luego, los investigadores compararon su desempeño en diversas tareas con el de los otros siete participantes, que se sometieron a cirugía convencional y prótesis.
El IAM aumentó la frecuencia de las señales musculares a un promedio de 10,5 latidos por segundo, en comparación con aproximadamente 0,7 latidos por segundo en el grupo de control. Aunque esto equivale a sólo el 18% de las señales musculares en músculos biológicamente intactos (es decir, alrededor de 60 latidos por segundo), los participantes del IAM pudieron controlar completamente sus prótesis y caminaron un 41% más rápido que los del grupo de control. Su velocidad máxima coincidía con la de personas sin amputaciones cuando caminaban sobre terreno llano a lo largo de una pasarela de 10 metros.
“Me pareció sorprendente que con tan poco aprendizaje pudieran lograr resultados tan buenos”, dice Levi Hargrove, neuroingeniero de la Universidad Northwestern en Chicago, Illinois. “Verán más beneficios con un período de adaptación más largo y usando el dispositivo. .”
Los investigadores también probaron la capacidad de los participantes para navegar en diferentes situaciones, incluyendo caminar en una pendiente de 5 grados, subir escaleras y cruzar obstáculos. En todos los escenarios, los usuarios de AMI mostraron un mejor equilibrio y un rendimiento más rápido que las personas del grupo de control.
“Ofrece al usuario una gran flexibilidad que se acerca mucho más a cómo funciona una pierna biológica”, afirma Tommaso Lenzi, ingeniero biomédico de la Universidad de Utah en Salt Lake City.
experimento natural
Esta tecnología ofrece una nueva esperanza para las personas con amputaciones que desean recuperar una experiencia normal de caminar. “Las personas que han sufrido amputaciones quieren sentir que tienen el control de sus extremidades. Quieren sentir que sus extremidades son parte de su cuerpo”, dice Linzi. “Este tipo de interfaz neuronal es necesaria para crear eso”.
Lenzi dice que las mejoras en el diseño de la pierna pueden incluir hacerla más liviana y mejorar los electrodos de superficie, que son sensibles a la humedad y el sudor y pueden no ser adecuados para el uso diario. Se necesitarán estudios futuros para probar si el dispositivo puede soportar actividades más exigentes, como correr y saltar.
Hare dice que su equipo ya está buscando formas de reemplazar los electrodos de superficie con pequeñas bolas magnéticas implantadas que pueden rastrear con precisión los movimientos musculares.
“Este ensayo proporciona la base que necesitamos para traducir esto en tecnologías y soluciones clínicamente aplicables para todas las personas que sufren una amputación”, afirma Lenzi.