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Los imanes podrían mejorar el control de las extremidades protésicas

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Los imanes podrían mejorar el control de las extremidades protésicas

Crédito: ThisisEngineering RAEng / Unsplash
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Para las personas con amputación que tienen extremidades protésicas, uno de los mayores desafíos es controlar la prótesis para que se mueva de la misma manera que lo haría una extremidad natural. La mayoría de las extremidades protésicas se controlan mediante electromiografía, una forma de registrar la actividad eléctrica de los músculos,pero este enfoque proporciona solo un control limitado de la prótesis.

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

En un nuevo estudio que aparece hoy en Science Robotics, 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 amputación enlos próximos años.

“Nuestra esperanza es que la MM sustituya a la electromiografía como la forma dominante de vincular el sistema nervioso periférico con las extremidades biónicas. Y tenemos esa esperanza debido a la alta calidad de la señal que obtenemos de la MM, y al hecho de que es mínimamente invasiva ytiene un costo y un obstáculo regulatorios bajos ”, 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, un posdoctorado del MIT, es el autor principal del estudio. Otros autores incluyen al posdoctorado 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 el posdoctorado de Brown Mary Kate O 'Donnell.

medidas precisas


Con los dispositivos protésicos existentes, las mediciones eléctricas de los músculos de una persona se obtienen utilizando electrodos que pueden fijarse a la superficie de la piel o implantarse quirúrgicamente en el músculo. Este último procedimiento es altamente invasivo y costoso, pero proporciona mediciones algo más precisas.Sin embargo, en cualquier caso, la electromiografía EMG ofrece información solo sobre la actividad eléctrica de los músculos, no sobre su longitud o velocidad.

"Cuando usas el control basado en EMG, estás 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", dice Taylor.

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

Hace dos años, Herr y Taylor desarrollaron un algoritmo que redujo en gran medida la cantidad de tiempo necesario para que los sensores determinen las posiciones de pequeños imanes incrustados en el cuerpo. Esto les ayudó a superar uno de los principales obstáculos para usar MM para controlar prótesis, que fue el tiempo de retraso más largo para tales mediciones.

En el nuevo artículo de Science Robotics, los investigadores probaron la capacidad de su algoritmo para rastrear imanes insertados en los músculos de la pantorrilla de pavos. Las perlas magnéticas que usaron tenían 3 milímetros de diámetro y se insertaron al menos 3 centímetros de distancia, si están más cerca deque, los imanes tienden a migrar uno hacia el otro.

Usando una serie de sensores magnéticos colocados en la parte exterior de las piernas, 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 elarticulaciones de los tobillos de los pavos. Estas medidas se pueden obtener en tres milisegundos.

Para el control de una extremidad protésica, estas medidas podrían introducirse en un modelo de computadora que predice dónde estaría la extremidad fantasma del paciente en el espacio, en función de las contracciones del músculo restante. Esta estrategia haría que el dispositivo protésico se moviera en la direcciónque el paciente quiere, coincidiendo con la imagen mental que tiene de la posición de sus extremidades.

“Con la magnetomicrometría, estamos midiendo directamente la longitud y la velocidad del músculo”, 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 unaun simple controlador robótico puede controlar esas articulaciones ".

control muscular


En los próximos años, los investigadores esperan hacer un pequeño estudio en pacientes humanos que tienen amputaciones debajo de la rodilla. Prevén que los sensores utilizados para controlar las extremidades protésicas podrían colocarse en la ropa, adheridos a la superficie de la piel., o adherido al exterior de una prótesis.

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

"Básicamente, los imanes y el exoesqueleto actúan como un músculo artificial que amplificará la producción de los músculos biológicos en la extremidad con daño 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 insertadas en el músculo, las perlas pueden permanecer en su lugar durante toda la vida sin necesidad de reemplazarlas, dice Herr.

Referencia : Taylor CR, Srinivasan SS, Yeon SH, O'Donnell MK, Roberts TJ, Herr HM. Magnetomicrometría. Robot de ciencia . 2021; 6 57. Doi: 10.1126 / scirobotics.abg0656

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