Los participantes del estudio con el sistema robótico podían caminar más rápido que aquellos con piernas robóticas estándar.Crédito: H. Song et al./Nature Medicine
Una pierna robótica que puede ser completamente controlada por el cerebro y la médula espinal ha permitido a siete personas que habían perdido una pierna caminar aproximadamente tan rápido como las personas sin amputaciones.
La extremidad biónica utiliza una interfaz de computadora que amplifica las señales nerviosas de los músculos en la parte restante de la pierna y permite al usuario mover la prótesis con sus propios pensamientos y reflejos naturales.
En un ensayo clínico que involucró a 14 personas, los participantes con esta interfaz pudieron caminar un 41% más rápido que aquellos con piernas robóticas estándar. También tenían mejor equilibrio y capacidad para cambiar su velocidad, subir escaleras y superar obstáculos. Los resultados fueron publicados hoy en Nature Medicine.
“Este es el primer estudio que demuestra patrones de marcha naturales con una modulación neural completa, donde el cerebro de la persona está al 100% al mando de la prótesis biónica, no un algoritmo robótico”, dijo el coautor del estudio, Hugh Herr, un biofísico del Instituto Tecnológico de Massachusetts en Cambridge, en una conferencia de prensa para anunciar los hallazgos.
“Aunque la extremidad está hecha de titanio, silicona y todos estos diversos componentes electromecánicos, la pierna se siente natural y se mueve de forma natural, sin ni siquiera necesitar pensamientos conscientes”, añadió.
Herr tuvo ambas piernas amputadas después de quedar atrapado en una tormenta de nieve mientras escalaba en hielo en el Monte Washington de Nuevo Hampshire en 1982. Él dice que consideraría utilizar dispositivos de interfaz para sus extremidades en el futuro.
Unión entre músculo y máquina
La mayoría de las extremidades artificiales biónicas existentes dependen de algoritmos predefinidos para realizar movimientos y pueden cambiar automáticamente entre modos predefinidos para diversas condiciones de caminata. Los modelos avanzados han ayudado a las personas con amputaciones a caminar, correr y subir escaleras con más fluidez, pero el robot, en lugar del usuario, mantiene el control del movimiento de la pierna, y el dispositivo no se siente como parte del cuerpo.
Determinado a cambiar esto, Herr y sus colegas desarrollaron una interfaz que controla la extremidad robótica con señales de los nervios y músculos que quedan después de la amputación.
Su ensayo clínico incluyó a 14 participantes con amputaciones debajo de la rodilla. Antes de usar el dispositivo robótico, siete de ellos se sometieron a una cirugía para unir pares de músculos en las secciones residuales de sus piernas.
Esta técnica quirúrgica, que crea lo que se llama una interfaz mio-neural agonista-antagonista (AMI), tiene como objetivo recrear movimientos musculares naturales para que la contracción de un músculo estire a otro. Ayuda a reducir el dolor, preservar la masa muscular y mejorar la comodidad con la extremidad biónica.
La propia pierna biónica incluye un tobillo protésico incrustado con sensores, junto con electrodos que se colocan en la superficie de la piel. Estos capturan las señales eléctricas producidas por los músculos en el sitio de la amputación y las envían a una pequeña computadora para ser decodificadas. La pierna pesa 2.75 kilogramos, similar al peso promedio de una pierna inferior natural.
Rápidos avances
Para probar el sistema, los participantes practicaron usando sus nuevas piernas biónicas durante un total de seis horas cada uno. Luego, los investigadores compararon su desempeño en varias tareas con el de los otros siete participantes que habían recibido cirugía convencional y prótesis.
El AMI aumentó la tasa de señales musculares a un promedio de 10.5 impulsos por segundo, en comparación con alrededor de 0.7 impulsos por segundo en el grupo de control. Aunque esto equivale a solo el 18% de las señales musculares en músculos biológicamente intactos —que son alrededor de 60 impulsos por segundo—, los participantes con el AMI pudieron controlar completamente sus prótesis y caminaron un 41% más rápido que los del grupo de control. Sus velocidades máximas se equipararon a las de las personas sin amputaciones al caminar en suelo plano a lo largo de un pasillo de 10 metros.
“Me pareció realmente sorprendente que con tan poco aprendizaje pudieran lograr resultados tan buenos”, dice Levi Hargrove, un ingeniero neural de la Universidad Northwestern en Chicago, Illinois. “Verían aún más beneficios con un período de adaptación más largo, usando el dispositivo”.
Los investigadores también probaron qué tan bien los participantes podían navegar diversas situaciones, incluyendo caminar en una superficie con una pendiente de 5 grados, subir escaleras y pasar obstáculos. En todos los escenarios, los usuarios de AMI mostraron mejor equilibrio y un desempeño más rápido que las personas en el grupo de control.
“Ofrece al usuario una flexibilidad tan alta que está mucho más cerca de cómo trabaja la pierna biológica”, dice Tommaso Lenzi, un ingeniero biomédico de la Universidad de Utah en Salt Lake City.
Experiencia natural
La tecnología ofrece nueva esperanza a las personas con amputaciones que desean recuperar una experiencia de caminar natural. “Las personas que tienen una amputación quieren sentir que controlan sus extremidades. Quieren sentir que la extremidad es parte de su cuerpo”, dice Lenzi. “Este tipo de interfaz neural es necesaria para lograr eso”.
Las mejoras en el diseño de la pierna podrían incluir hacerla más ligera y actualizar los electrodos de superficie, que son sensibles a la humedad y al sudor y podrían no ser adecuados para uso diario, dice Lenzi. Y se necesitarán estudios futuros para probar si el dispositivo puede hacer frente a actividades más exigentes, como correr y saltar.
Herr dice que su equipo ya está buscando formas de reemplazar los electrodos de superficie por pequeñas esferas magnéticas implantadas que pueden rastrear con precisión los movimientos musculares.
Este ensayo “proporciona la base que necesitamos para luego traducir esto en tecnologías y soluciones clínicamente viables para todos con una amputación”, dice Lenzi.