Para las personas con amputación que tienen prótesis, uno de los mayores retos es controlar la prótesis para que se mueva como lo haría un miembro natural. La mayoría de las prótesis se controlan mediante electromiografía, una forma de registrar la actividad eléctrica de los músculos, pero este método sólo proporciona un control limitado de la prótesis.

Los investigadores del Media Lab del MIT han desarrollado un método alternativo que, según ellos, podría ofrecer un control mucho más preciso de las prótesis. Tras insertar pequeñas perlas magnéticas en el tejido muscular del residuo amputado, pueden medir con precisión la longitud de un músculo cuando se contrae, y esta información puede transmitirse a una prótesis biónica en milisegundos.

En un nuevo estudio que se publica hoy en Science Robotics, los investigadores probaron su nueva estrategia, denominada magnetomicrometría (MM), y demostraron que puede proporcionar mediciones musculares rápidas y precisas en animales. Esperan poder probar el método en personas con amputación en los próximos años.

"Nuestra esperanza es que la MM sustituya a la electromiografía como forma dominante de relacionar el sistema nervioso periférico con los miembros biónicos. Y tenemos esa esperanza por la alta calidad de la señal que obtenemos de la MM, y por el hecho de que es mínimamente invasiva y tiene un bajo obstáculo normativo y un bajo coste", dice Hugh Herr, profesor de artes y ciencias de los medios de comunicación, jefe del grupo de Biomecatrónica en el Laboratorio de Medios de Comunicación, y autor principal del artículo.

Cameron Taylor, postdoc del MIT, es el autor principal del estudio. Otros autores son Shriya Srinivasan, postdoc del MIT, Seong Ho Yeon, estudiante de posgrado del MIT, Thomas Roberts, profesor de ecología y biología evolutiva de la Universidad de Brown, y Mary Kate O´Donnell, postdoc de Brown.

Mediciones precisas

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

"Cuando utilizas un control basado en la 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 hacen los músculos, esas mediciones ofrecerían un control más preciso de una prótesis. Para conseguirlo, los investigadores decidieron insertar pares de imanes en los músculos. Midiendo cómo se mueven los imanes entre sí, los investigadores pueden calcular cuánto se contraen los músculos y la velocidad de la contracción.

Hace dos años, Herr y Taylor desarrollaron un algoritmo que reducía en gran medida el tiempo necesario para que los sensores determinaran las posiciones de los pequeños imanes incrustados en el cuerpo. Esto les ayudó a superar uno de los principales obstáculos a la hora de utilizar la gestión de la movilidad para controlar las prótesis, que era el largo tiempo que tardaban estas mediciones.

En el nuevo artículo de Science Robotics, los investigadores probaron la capacidad de su algoritmo para rastrear imanes insertados en los músculos de las pantorrillas de los pavos. Las perlas magnéticas que utilizaron tenían 3 milímetros de diámetro y estaban insertadas a una distancia mínima de 3 centímetros; si están más cerca, los imanes tienden a migrar unos hacia otros.

Utilizando un conjunto de sensores magnéticos colocados en la parte exterior de las patas, los investigadores descubrieron que podían determinar la posición de los imanes con una precisión de 37 micras (aproximadamente el ancho de un cabello humano), a medida que movían las articulaciones del tobillo de los pavos. Estas mediciones podían obtenerse en tres milisegundos.

Para controlar un miembro protésico, estas mediciones podrían introducirse en un modelo informático que predijera dónde estaría el miembro fantasma del paciente en el espacio, basándose en las contracciones del músculo restante. Esta estrategia dirigiría el dispositivo protésico para que se mueva de la manera que el paciente desea, coincidiendo con la imagen mental que tiene de la posición de su miembro.

"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 y velocidades objetivo de las articulaciones protésicas que hay que controlar, y luego un simple controlador robótico puede controlar esas articulaciones".

Control muscular

En los próximos años, los investigadores esperan realizar un pequeño estudio en pacientes humanos con amputaciones por debajo de la rodilla. Prevén que los sensores utilizados para controlar las prótesis puedan colocarse en la ropa, adherirse a la superficie de la piel o fijarse al exterior de una prótesis.

La MM también podría utilizarse para mejorar el control muscular que se consigue con una técnica llamada estimulación eléctrica funcional, que ahora se utiliza para ayudar a recuperar la movilidad en personas con lesiones medulares. Otro posible uso de este tipo de control magnético sería el de guiar exoesqueletos robóticos, que pueden acoplarse a un tobillo u otra articulación para ayudar a las personas que han sufrido un ictus o han desarrollado otros tipos de debilidad muscular.

"Esencialmente, los imanes y el exoesqueleto actúan como un músculo artificial que amplifica la potencia de los músculos biológicos de la extremidad afectada por el ictus", dice Herr. "Es como la dirección asistida que se utiliza en los automóviles".

Otra ventaja del método de MM es que es mínimamente invasivo. Una vez insertadas en el músculo, las perlas podrían permanecer en su lugar durante toda la vida sin necesidad de ser reemplazadas, dice Herr.

La investigación fue financiada por la Fundación Salah, los Consorcios del Laboratorio de Medios del MIT, los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias.