Las perlas magnéticas pueden proporcionar un control mucho más preciso de las prótesis.

Para los amputados que tienen prótesis, uno de los mayores desafíos es controlar la prótesis para que se mueva de la misma forma que una extremidad natural. La mayoría de las prótesis se controlan mediante electromiografía, una forma de registrar la actividad eléctrica de los músculos, pero este método solo proporciona un control limitado de la prótesis.

Los investigadores del MIT Media Lab han desarrollado un enfoque alternativo que creen que puede proporcionar un control mucho más preciso de las prótesis. Después de insertar pequeñas esferas magnéticas en el tejido muscular dentro del residuo amputado, pueden medir con precisión la longitud de un músculo a medida que se contrae, y esta retroalimentación se puede transmitir a una prótesis biónica en milisegundos.

En un nuevo estudio publicado hoy en Ciencia robótica, los investigadores probaron su nueva estrategia, llamada magnetomicrometría (MM), y demostraron que puede proporcionar mediciones musculares rápidas y precisas en animales. Esperan probar el enfoque en personas con amputaciones en los próximos años.

«Nuestra esperanza es que MM reemplace a la electromiografía como la forma dominante de conectar el sistema nervioso periférico a las extremidades biónicas. Y tenemos esa esperanza debido a la alta calidad de la señal que obtenemos de MM y el hecho de que es mínimamente invasiva y tiene un obstáculo regulatorio y de bajo costo ”, dice Hugh Herr, profesor de artes y ciencias de los medios, jefe del Grupo de Biomecatrónica en el Media Lab y autor principal del artículo.

Cameron Taylor, becario postdoctoral del MIT, es el autor principal del estudio. Otros autores incluyen al postdoctorado del MIT Shriya Srinivasan, el estudiante graduado del MIT Seong Ho Yeon, el profesor de ecología y biología evolutiva de la Universidad de Brown Thomas Roberts, y la becaria postdoctoral de Brown Mary Kate O’Donnell.

mediciones precisas

Con los dispositivos protésicos existentes, las mediciones eléctricas de los músculos de una persona se obtienen utilizando electrodos que se pueden unir a la superficie de la piel o implantar quirúrgicamente en el músculo. El último procedimiento es muy invasivo y costoso, pero proporciona mediciones algo más precisas. Sin embargo, en ambos casos, la electromiografía (EMG) proporciona información solo sobre la actividad eléctrica de los músculos, no sobre su longitud o velocidad.

Cuando usa el control basado en EMG, está viendo una señal intermedia. Estás viendo lo que el cerebro le dice al músculo que haga, pero no lo que el músculo está haciendo realmente. «

Cameron Taylor, autor principal del estudio y becario postdoctoral, Instituto de Tecnología de Massachusetts

La nueva estrategia del MIT se basa en la idea de que si los sensores pudieran medir qué están haciendo los músculos, esas mediciones proporcionarían un control más preciso de una prótesis. Para hacer esto, los investigadores decidieron insertar pares de imanes en los músculos. Al medir cómo se mueven los imanes entre sí, los investigadores pueden calcular la cantidad de músculos que se contraen y la velocidad de contracción.

Hace dos años, Herr y Taylor desarrollaron un algoritmo que redujo en gran medida el tiempo que tardan los sensores en determinar las posiciones de pequeños imanes incrustados en el cuerpo. Esto les ayudó a superar uno de los mayores obstáculos para usar el MM para controlar las prótesis, que fue el largo tiempo de espera para tales mediciones.

En nuevo Ciencia robótica Sobre el papel, los investigadores probaron la capacidad de su algoritmo para rastrear imanes insertados en los músculos de la pantorrilla de pavo. Las perlas magnéticas que utilizaron tenían 3 milímetros de diámetro y se insertaron con una separación de al menos 3 centímetros -; si están más cerca que eso, los imanes tienden a migrar entre sí.

Usando una serie de sensores magnéticos colocados en la parte exterior de las patas, los investigadores encontraron que podían determinar la posición de los imanes con una precisión de 37 micrones (aproximadamente el ancho de un cabello humano) mientras movían a los pavos. articulaciones del tobillo. Estas medidas se pueden tomar en tres milisegundos.

Para el control de una prótesis, estas medidas se pueden introducir en un modelo de computadora que predice dónde estaría la extremidad fantasma del paciente en el espacio, basándose en las contracciones del músculo restante. Esta estrategia haría que el dispositivo protésico se moviera de la forma que desee el paciente, coincidiendo con la imagen mental que tiene de la posición de la extremidad.

«Con la magnetomicrometría, medimos directamente la longitud y la velocidad de los músculos», dice Herr. «Mediante el modelado matemático de toda la extremidad, podemos calcular las posiciones objetivo y las velocidades de las articulaciones protésicas que se van a controlar, y luego un controlador robótico simple puede controlar esas articulaciones».

control muscular

En los próximos años, los investigadores esperan realizar un pequeño estudio en pacientes humanos con amputaciones por debajo de la rodilla. Se imaginan que los sensores utilizados para controlar las prótesis pueden colocarse en la ropa, fijarse a la superficie de la piel o fijarse al exterior de una prótesis.

La MM también se puede usar para mejorar el control muscular logrado con una técnica llamada estimulación eléctrica funcional, que ahora se usa para ayudar a restaurar la movilidad en personas con lesiones de la médula espinal. Otro posible uso de este tipo de control magnético sería guiar exoesqueletos robóticos, que se pueden unir a un tobillo u otra articulación para ayudar a las personas que han sufrido un derrame cerebral o que han desarrollado otros tipos de debilidad muscular.

«Esencialmente, los imanes y el exoesqueleto actúan como un músculo artificial que amplificará la producción de músculos biológicos en la extremidad afectada por el derrame cerebral», dice Herr. «Es como la dirección asistida que se usa en los automóviles».

Otra ventaja del método MM es que es mínimamente invasivo. Una vez insertados en el músculo, los gránulos podrían permanecer en su lugar de por vida sin necesidad de ser reemplazados, dice Herr.