Los investigadores del MIT han desarrollado una nueva rodilla biónica que puede ayudar a las personas con amputaciones por encima de la rodilla a caminar más rápido, subir escaleras y evitar obstáculos más fácilmente de lo que podrían con una prótesis tradicional.
A diferencia de las prótesis en las que la extremidad residual se encuentra dentro de un zócalo, el nuevo sistema está directamente integrado con el músculo y el tejido óseo del usuario. Esto permite una mayor estabilidad y le da al usuario mucho más control sobre el movimiento de la prótesis.
Los participantes en un pequeño estudio clínico también informaron que la extremidad se sentía más como parte de su propio cuerpo, en comparación con las personas que tenían amputaciones más tradicionales por encima de la rodilla.
“Una prótesis que está integrada en el tejido, anclada al hueso y directamente controlada por el sistema nervioso, no es simplemente un dispositivo sin vida, sino un sistema que está cuidadosamente integrado en la fisiología humana, ofreciendo un mayor nivel de emprendimiento prótesis. No es simplemente una herramienta que el humano emplea, sino una parte integral de sí mismo”, dice Hugh HERR, un profesor de medios de comunicación y científicos que el humano emplea, sino una parte integral de sí mismo “, dice Hugh HERR, un profesor de medios de comunicación y científicos, el co-director de los K. El Centro de Bionics de Lisa Yang en MIT, miembro asociado del Instituto McGovern de Investigación Brain del MIT, y el autor principal del nuevo estudio.
Tony Shu PhD ’24 es el autor principal del artículo, que aparece hoy en Ciencia.
Mejor control
En los últimos años, el laboratorio de HERR ha estado trabajando en nuevas prótesis que pueden extraer información neuronal de los músculos que quedan después de una amputación y usar esa información para ayudar a guiar una extremidad protésica.
Durante una amputación tradicional, los pares de músculos que se turnan el estiramiento y la contratación generalmente se cortan, lo que interrumpe la relación agonista-antagonista normal de los músculos. Esta interrupción hace que sea muy difícil para el sistema nervioso detectar la posición de un músculo y qué tan rápido es contraer.
Utilizando el nuevo enfoque quirúrgico desarrollado por Herr y sus colegas, conocido como interfaz myoneuronal agonista-antagonista (AMI), los pares de músculos se vuelven a conectar durante la cirugía para que aún se comuniquen dinámicamente entre sí dentro de la extremidad residual. Esta retroalimentación sensorial ayuda al usuario de la prótesis a decidir cómo mover la extremidad y también genera señales eléctricas que pueden usarse para controlar la extremidad protésica.
En un estudio de 2024, los investigadores mostraron que las personas con amputaciones debajo de la rodilla que recibieron la cirugía de AMI pudieron caminar más rápido y navegar alrededor de los obstáculos de manera mucho más natural que las personas con amputaciones tradicionales por debajo de la rodilla.
En el nuevo estudio, los investigadores extendieron el enfoque para servir mejor a las personas con amputaciones sobre la rodilla. Querían crear un sistema que no solo pudiera leer señales de los músculos usando AMI, sino que también se integrara en el hueso, ofreciendo más estabilidad y mejor retroalimentación sensorial.
Para lograr eso, los investigadores desarrollaron un procedimiento para insertar una varilla de titanio en el hueso de fémur residual en el sitio de amputación. Este implante permite un mejor control mecánico y rodamiento de carga que una prótesis tradicional. Además, el implante contiene 16 cables que recopilan información de electrodos ubicados en los músculos AMI dentro del cuerpo, lo que permite una transducción más precisa de las señales provenientes de los músculos.
Este sistema integrado en hueso, conocido como E-OPRA, transmite señales de AMI a un nuevo controlador robótico desarrollado específicamente para este estudio. El controlador utiliza esta información para calcular el par necesario para mover la prótesis de la forma en que el usuario quiere que se mueva.
“Todas las piezas trabajan juntas para obtener mejor información dentro y fuera del cuerpo y una mejor interfaz mecánicamente con el dispositivo”, dice Shu. “Estamos cargando directamente el esqueleto, que es la parte del cuerpo que se supone que debe cargarse, en lugar de usar enchufes, que es incómodo y puede conducir a infecciones frecuentes de la piel”.
En este estudio, dos sujetos recibieron el sistema combinado de AMI y E-OPRA, conocido como una prótesis mecanoneural (OMP) de osteointegrado. Estos usuarios fueron comparados con ocho que tuvieron la cirugía AMI pero no el implante E-Opra, y siete usuarios que no tenían AMI ni E-Opra. Todos los sujetos dieron un giro al usar una prótesis experimental de rodilla con alimentación desarrollada por el laboratorio.
Los investigadores midieron la capacidad de los participantes para realizar varios tipos de tareas, incluida la inclinación de la rodilla a un ángulo específico, escaladas de escalada y atravesando obstáculos. En la mayoría de estas tareas, los usuarios con el sistema OMP tuvieron un mejor desempeño que los sujetos que tuvieron la cirugía AMI pero no el implante e-opra, y mucho mejor que los usuarios de las prótesis tradicionales.
“Este documento representa el cumplimiento de una visión que la comunidad científica ha tenido durante mucho tiempo: la implementación y demostración de una pierna robótica voluntaria y totalmente fisiológicamente integrada”, dice Michael Goldfarb, profesor de ingeniería mecánica y director del Centro de Mechatronios inteligentes de la Universidad Vanderbilt, que no participó en la investigación. “Este es un trabajo realmente difícil, y los autores merecen un tremendo crédito por sus esfuerzos para realizar un objetivo tan desafiante”.
Una sensación de encarnación
Además de probar la marcha y otros movimientos, los investigadores también hicieron preguntas diseñadas para evaluar el sentido de encarnación de los participantes, es decir, en qué medida su prótesis se sentía como parte de su propio cuerpo.
Las preguntas incluyeron si los pacientes sentían como si tenían dos patas, si sentían que la prótesis era parte de su cuerpo, y si se sentían en control de la prótesis. Cada pregunta fue diseñada para evaluar los sentimientos de agencia, propiedad del dispositivo y representación corporal de los participantes.
Los investigadores encontraron que a medida que avanzaba el estudio, los dos participantes con el OMP mostraron aumentos mucho mayores en sus sentimientos de agencia y propiedad que los otros sujetos.
“Otra razón por la que este documento es significativo es que analiza estas preguntas de realización y muestra grandes mejoras en esa sensación de realización”, dice Herr. “No importa cuán sofisticado sea que haga los sistemas AI de una prótesis robótica, todavía se sentirá como una herramienta para el usuario, como un dispositivo externo. Pero con este enfoque integrado en el tejido, cuando le pregunta al usuario humano cuál es su cuerpo, más integrado, más se dice que la prótesis es realmente parte de sí mismo”.
El procedimiento de AMI ahora se realiza de manera rutinaria en pacientes con amputaciones por debajo de la rodilla en el Hospital Brigham and Women’s, y HERR espera que pronto se convierta en el estándar para las amputaciones por encima de la rodilla. El sistema OMP combinado necesitará ensayos clínicos más grandes para recibir la aprobación de la FDA para uso comercial, lo que Herr espera que pueda llevar unos cinco años.
La investigación fue financiada por el Yang Tan Collective y Darpa.
