Los participantes del ensayo equipados con el sistema robótico pudieron caminar más rápido que aquellos equipados con piernas robóticas estándar.Créditos: H. Song et al./Medicina de la naturaleza
Una pierna robótica controlada enteramente por el cerebro y la médula espinal permitió a siete personas que habían perdido una pierna caminar tan rápido como los no amputados.
La extremidad biónica 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 con sus propios pensamientos y reflejos naturales.
En un ensayo clínico en el que participaron 14 personas, los participantes equipados con esta interfaz pudieron caminar un 41% más rápido que aquellos equipados con piernas robóticas estándar. También tenían un mejor equilibrio y una mayor capacidad para cambiar su velocidad, subir escaleras y superar obstáculos. Los resultados fueron publicados hoy en Medicina natural1.
«Este es el primer estudio que demuestra patrones de marcha naturales con modulación neuronal completa, donde el cerebro de la persona controla al 100% la prótesis biónica, no un algoritmo robótico», dijo el coautor del estudio Hugh Herr, biofísico del Instituto de Massachusetts. of Technology en Cambridge, durante una conferencia de prensa en la que se anunciaron los resultados.
«Aunque la extremidad está hecha de titanio y silicona y todos estos diferentes componentes electromecánicos, la extremidad se siente natural y se mueve naturalmente sin siquiera pensar conscientemente en ello», añadió.
A Herr le tuvieron que amputar ambas piernas después de quedar atrapado en una tormenta de nieve mientras escalaba el hielo en el monte Washington, New Hampshire, en 1982. Dice que consideraría utilizar dispositivos de interfaz para sus miembros en el futuro.
El músculo se encuentra con la máquina
La mayoría de las extremidades artificiales biónicas existentes se basan en algoritmos predefinidos para impulsar los movimientos y pueden cambiar automáticamente entre modos predefinidos para diferentes condiciones de marcha. Los modelos avanzados han ayudado a los amputados a caminar, correr y subir escaleras con mayor fluidez, pero es el robot, y no el usuario, quien mantiene el control del movimiento de las piernas, y el dispositivo no da la sensación de ser parte del cuerpo.
Decididos a cambiar eso, Hurr y sus colegas desarrollaron una interfaz que controla el miembro robótico con 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 en las secciones restantes de sus piernas.
Esta técnica quirúrgica, que crea lo que se llama una interfaz mioneural agonista-antagonista (IAM), tiene como objetivo recrear los movimientos musculares naturales de modo que al contraer un músculo se estire otro. Ayuda a reducir el dolor, preservar la masa muscular y mejorar el confort del miembro biónico.2.
La pierna biónica incluye una prótesis de tobillo con sensores y electrodos adheridos a la superficie de la piel. Estos capturan las señales eléctricas producidas por los músculos en el lugar de la amputación y las envían a una pequeña computadora para ser decodificadas. La pierna pesa 2,75 kg, el peso medio de un miembro inferior natural.
Mejoras rápidas
Para probar el sistema, los participantes practicaron el uso de sus nuevas piernas biónicas durante seis horas cada uno. Luego, los investigadores compararon su desempeño con el de los otros siete participantes, que se habían sometido a cirugía convencional y habían usado prótesis, en diversas tareas.
El IAM aumentó la tasa de señales musculares a un promedio de 10,5 pulsos por segundo, en comparación con aproximadamente 0,7 pulsos por segundo en el grupo de control. Aunque esto corresponde a sólo el 18% de las señales musculares de músculos biológicamente intactos (o aproximadamente 60 pulsos por segundo), los participantes que sufrieron un IAM pudieron controlar completamente sus prótesis y caminaron un 41% más rápido que los del grupo testigo del IAM. Su velocidad máxima coincidía con la de las personas no amputadas cuando caminaban sobre terreno plano a lo largo de un corredor de 10 metros de largo.
«Me pareció sorprendente que con tan poco aprendizaje pudieran lograr resultados tan buenos», dice Levi Hargrove, neurocientífico de la Universidad Northwestern en Chicago, Illinois. “Verían aún más beneficios con un período de adaptación más largo y usando el dispositivo. »
Los investigadores también probaron la capacidad de los participantes para moverse en diversas situaciones, incluido caminar sobre una superficie con una pendiente de 5 grados, subir escaleras y superar 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.
«Esto proporciona al usuario una flexibilidad tan alta que se acerca mucho más a cómo funciona la pierna biológica», afirma Tommaso Lenzi, ingeniero biomédico de la Universidad de Utah en Salt Lake City.
experimento natural
Esta tecnología ofrece una nueva esperanza a los amputados que desean recuperar una experiencia natural al caminar. “Los amputados quieren sentir que tienen el control de sus extremidades. Quieren sentir que su miembro es parte de su cuerpo”, explica Lenzi. “Este tipo de interfaz neuronal es necesaria para lograrlo. »
Las mejoras en el diseño de las piernas podrían incluir hacerlas más ligeras y mejorar los electrodos de superficie, que son sensibles a la humedad y el sudor y podrían no ser adecuados para el uso diario, dice Lenzi. Y se necesitarán más estudios para probar si el dispositivo puede manejar actividades más exigentes, como correr y saltar.
Herr dice que su equipo ya está buscando formas de reemplazar los electrodos de superficie con pequeñas esferas magnéticas implantadas que pueden rastrear con precisión los movimientos musculares.
Este ensayo «proporciona la base que necesitamos para traducirlo en tecnologías y soluciones clínicamente viables para todos los amputados», afirma Lenzi.
