Usando un conjunto simple de imanes, los investigadores del MIT han ideado una forma sofisticada de monitorear los movimientos musculares, que esperan que facilite a las personas con amputaciones controlar sus prótesis.
En un nuevo par de artículos, los investigadores demostraron la precisión y seguridad de su sistema basado en imanes, que puede rastrear la longitud de los músculos durante el movimiento. Los estudios, realizados en animales, ofrecen la esperanza de que esta estrategia pueda usarse para ayudar a las personas con dispositivos protésicos a controlarlos de una manera que imite más el movimiento natural de las extremidades.
«Estos resultados recientes demuestran que esta herramienta se puede usar fuera del laboratorio para rastrear el movimiento muscular durante la actividad natural, y también sugieren que los implantes magnéticos son estables y biocompatibles y que no causan molestias», dice Cameron Taylor, un MIT. científico investigador y coautor principal de ambos artículos.
En uno de los estudios, los investigadores demostraron que podían medir con precisión la longitud de los músculos de la pantorrilla de los pavos mientras las aves corrían, saltaban y realizaban otros movimientos naturales. En el otro estudio, demostraron que las pequeñas perlas magnéticas utilizadas para las mediciones no causan inflamación ni otros efectos adversos cuando se implantan en el músculo.
«Estoy muy emocionado por el potencial clínico de esta nueva tecnología para mejorar el control y la eficacia de las extremidades biónicas para personas con pérdida de extremidades», dice Hugh Herr, profesor de artes y ciencias de los medios, codirector de K. Lisa Yang Center for Bionics del MIT, y miembro asociado del McGovern Institute for Brain Research del MIT.
Herr es autor principal de ambos artículos, que aparecen hoy en la revista Fronteras en Bioingeniería y Biotecnología. Thomas Roberts, profesor de ecología, evolución y biología de organismos en la Universidad de Brown, es autor principal del estudio de medición.
Movimiento de seguimiento
Actualmente, las extremidades protésicas motorizadas generalmente se controlan mediante un enfoque conocido como electromiografía de superficie (EMG). Los electrodos adheridos a la superficie de la piel o implantados quirúrgicamente en el músculo residual de la extremidad amputada miden las señales eléctricas de los músculos de una persona, que se introducen en la prótesis para ayudarla a moverse de la manera que pretende la persona que lleva la extremidad.
Sin embargo, ese enfoque no tiene en cuenta ninguna información sobre la longitud o la velocidad del músculo, lo que podría ayudar a que los movimientos protésicos sean más precisos.
Hace varios años, el equipo del MIT comenzó a trabajar en una forma novedosa de realizar ese tipo de mediciones musculares, utilizando un enfoque que llaman magnetomicrometría. Esta estrategia aprovecha los campos magnéticos permanentes que rodean a las pequeñas perlas implantadas en un músculo. Usando un sensor similar a una brújula del tamaño de una tarjeta de crédito conectado al exterior del cuerpo, su sistema puede rastrear las distancias entre los dos imanes. Cuando un músculo se contrae, los imanes se acercan, y cuando se flexiona, se alejan más.
En un estudio publicado el año pasado, los investigadores demostraron que este sistema podría usarse para medir con precisión pequeños movimientos del tobillo cuando las cuentas se implantaron en los músculos de la pantorrilla de los pavos. En uno de los nuevos estudios, los investigadores se propusieron ver si el sistema podía realizar mediciones precisas durante movimientos más naturales en un entorno que no fuera de laboratorio.
Para hacer eso, crearon una carrera de obstáculos con rampas para que los pavos subieran y cajas para que saltaran. Los investigadores utilizaron su sensor magnético para rastrear los movimientos musculares durante estas actividades y descubrieron que el sistema podía calcular la longitud de los músculos en menos de un milisegundo.
También compararon sus datos con las medidas tomadas utilizando un enfoque más tradicional conocido como fluoromicrometría, un tipo de tecnología de rayos X que requiere un equipo mucho más grande que la magnetomicrometría. Las mediciones de magnetomicrometría variaron de las generadas por fluoromicrometría en menos de un milímetro, en promedio.
«Podemos proporcionar la funcionalidad de seguimiento de la longitud muscular del equipo de rayos X del tamaño de una habitación utilizando un paquete portátil mucho más pequeño, y podemos recopilar los datos continuamente en lugar de estar limitados a ráfagas de 10 segundos». que la fluoromicrometría se limita», dice Taylor.
Seong Ho Yeon, estudiante de posgrado del MIT, también es coautor principal del estudio de medición. Otros autores incluyen a Ellen Clarrissimeaux, asociada de apoyo a la investigación del MIT, y Mary Kate O’Donnell, expostdoc de la Universidad de Brown.
Biocompatibilidad
En el segundo artículo, los investigadores se centraron en la biocompatibilidad de los implantes. Descubrieron que los imanes no generaban cicatrices en los tejidos, inflamación u otros efectos nocivos. También demostraron que los imanes implantados no alteraban la forma de andar de los pavos, lo que sugiere que no producían molestias. William Clark, un postdoctorado en Brown, es el coautor principal del estudio de biocompatibilidad.
Los investigadores también demostraron que los implantes se mantuvieron estables durante ocho meses, la duración del estudio, y no migraron entre sí, siempre que se implantaran con una separación mínima de 3 centímetros. Los investigadores prevén que las perlas, que consisten en un núcleo magnético recubierto de oro y un polímero llamado parileno, podrían permanecer en el tejido indefinidamente una vez implantadas.
«Los imanes no requieren una fuente de energía externa y, después de implantarlos en el músculo, pueden mantener la fuerza total de su campo magnético durante toda la vida del paciente», dice Taylor.
Los investigadores ahora planean buscar la aprobación de la FDA para probar el sistema en personas con prótesis. Esperan usar el sensor para controlar las prótesis de forma similar a como se usa ahora la EMG de superficie: las mediciones relacionadas con la longitud de los músculos se introducirán en el sistema de control de una prótesis para ayudar a guiarla a la posición deseada por el usuario.
«El lugar donde esta tecnología satisface una necesidad es comunicar esas longitudes y velocidades musculares a un robot portátil, de modo que el robot pueda funcionar de una manera que funcione en conjunto con el ser humano», dice Taylor. «Esperamos que la magnetomicrometría permita a una persona controlar un robot portátil con el mismo nivel de comodidad y la misma facilidad con la que alguien controlaría su propia extremidad».
Además de las prótesis, esos robots portátiles podrían incluir exoesqueletos robóticos, que se usan fuera del cuerpo para ayudar a las personas a mover las piernas o los brazos con mayor facilidad.
La investigación fue financiada por la Fundación Salah, el Centro K. Lisa Yang de Biónica del MIT, los Consorcios del Laboratorio de Medios del MIT, los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias.
