Un equipo del MIT logró medir con precisión el movimiento de un músculo usando pequeñas esferas magnéticas implantadas en él. El estudio, publicado en Nature Sensors, lo probó en tres personas con amputación bajo la rodilla, y los autores creen que esas mediciones pueden facilitar el control de una prótesis.
Hace décadas que distintos grupos desarrollan extremidades neuroprotésicas, que usan la información neural de los músculos que quedan tras una amputación para guiar la prótesis. Con el largo, la velocidad y la activación de un músculo, los algoritmos de control pueden darle a una persona con amputación de pierna una marcha más natural, o a alguien sin brazo una mejor manipulación de objetos.
Hasta ahora esos sistemas dependían de electrodos puestos sobre la piel. Esas mediciones no han resultado lo bastante confiables como para garantizar la seguridad al caminar con una pierna neuroprotésica. El equipo del MIT espera que su sistema de rastreo magnético, más exacto, abra la puerta al desarrollo comercial de estas extremidades.
"Durante cuatro décadas, la metodología estándar para controlar neuralmente las prótesis ha sido usar electrodos en la piel para medir la activación muscular. Sin embargo, para controlar una extremidad protésica hay que controlar la posición de la articulación, el torque o la impedancia, y no se pueden determinar directamente esas señales mecánicas usando solo la activación eléctrica", dijo Hugh Herr, profesor de artes y ciencias de los medios, codirector del K. Lisa Yang Center for Bionics del MIT y autor principal del estudio.
"Esta interfaz es mínimamente invasiva, así que podría llegar a más personas. Pones dos esferas en el músculo y tienes acceso a toda esta información sobre la dinámica muscular", explicó Christopher Shallal, estudiante de posgrado del programa Harvard-MIT de Ciencias de la Salud y Tecnología y uno de los autores principales. La otra autora principal es Cameron Taylor, doctorada en el MIT en 2020 y hoy profesora asistente de ingeniería biomédica en la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill.
¿Qué falla con los electrodos?
El laboratorio de Herr lleva años desarrollando interfaces humano-máquina para que manejar una extremidad artificial se parezca a usar una natural. Para eso necesita medir con exactitud cómo mueve el usuario los músculos en la zona de la amputación.
Los electrodos sobre la piel captan la activación eléctrica del músculo, y esa lectura se convierte en una estimación de cuánto se contrae o se estira. Con ese dato, un controlador robótico genera las órdenes que mueven la prótesis en la dirección que quiere el usuario.
Esa técnica, la electromiografía, no siempre entrega información suficiente. La señal eléctrica no refleja de forma perfecta la dinámica del músculo. Si el músculo se mantiene con un largo fijo durante varios segundos, la señal se desvanece. Los electrodos además pueden captar señales de músculos vecinos, y el sudor interfiere con la lectura.
El año pasado, Herr y su equipo presentaron una prótesis de rodilla biónica que usa electrodos implantados en los músculos para obtener mediciones precisas y enviarlas a un controlador robótico. Funcionó en un estudio clínico pequeño, pero en paralelo el grupo trabajaba en una alternativa menos invasiva con imanes en lugar de electrodos.
¿Cómo funciona la magnetomicrometría?
La técnica se llama magnetomicrometría. Se implantan pares de imanes en los músculos y, cuando el músculo se contrae o se estira, unos sensores externos sobre la piel miden el cambio de distancia entre ellos. Con eso se calcula el largo y la velocidad del músculo.
"Los imanes se pueden rastrear de forma inalámbrica a través del cuerpo, así que puedes obtener señales musculares muy específicas y medir la salida mecánica del músculo sin necesidad de ser extremadamente invasivo", dijo Shallal.
En 2021, en un estudio dirigido por Taylor, el laboratorio demostró la técnica con imanes en modelos animales. El nuevo trabajo en Nature Sensors la lleva a personas con implantes magnéticos de largo plazo.
Los tres participantes tenían un tipo de amputación que crea una interfaz mioneural agonista-antagonista (AMI). En esa cirugía se reconectan pares de músculos para que sigan comunicándose dentro del muñón. Esa retroalimentación sensorial, la propiocepción, le ayuda a quien usa la prótesis a decidir cómo posicionarla y moverla.
Los imanes se implantaron en hasta cuatro músculos de la articulación del tobillo. Las cirugías se hicieron en el Brigham and Women's Hospital, con el cirujano plástico Matthew Carty como coautor del estudio. Estos son los datos del implante:
- Diámetro de cada esfera, 3 milímetros, más o menos el tamaño de una semilla de sésamo.
- Material, una aleación de neodimio, hierro y boro.
- Recubrimiento, oro y un polímero llamado parileno C, para hacerlos biocompatibles.
- Profundidad de lectura, hasta 6 centímetros bajo la piel, con un sensor externo hecho a medida que se pone sobre los músculos que se quieren rastrear.
¿Cómo se comparó contra los electrodos?
Cada participante tenía además electrodos implantados en los mismos músculos que recibieron las esferas. Eso permitió comparar tres mediciones en la misma persona. La magnetomicrometría, la electromiografía con electrodos implantados y la electromiografía con electrodos sobre la piel.
Durante los experimentos los participantes no usaban prótesis. Tenían que mover un cursor en una pantalla hacia un objetivo usando sus músculos. Con cada una de las tres técnicas, las señales se tradujeron en órdenes que movían el cursor y que, más adelante, podrían alimentar el controlador de una prótesis robótica de tobillo y pie.
"El cursor en la pantalla representaba los grados de libertad que controlarían en una prótesis robótica de tobillo y pie. Esta tarea neuroprotésica virtual nos permitió comparar el desempeño entre distintas interfaces neurales, y nuestros resultados sugieren que el enfoque basado en imanes puede ofrecer un control más preciso y estable", dijo Shallal.
El equipo hace ahora un estudio más grande para evaluar qué tan bien controlan las personas una prótesis real con las mediciones de las esferas magnéticas. La investigación recibió financiamiento, en parte, del Yang Tan Collective del MIT, de una beca de posgrado de la National Science Foundation y de una beca MIT HEALS.
