Prótesis ofrece control mental en tiempo real de mano robótica

Los investigadores han aprovechado las señales débiles y latentes de los nervios de los brazos y las amplificaron para crear una prótesis que permite el control en tiempo real, intuitivo, a nivel de los dedos de una mano robótica.

Para lograr esto, los investigadores desarrollaron una forma de domar las terminaciones nerviosas temperamentales, separar los gruesos haces nerviosos en fibras más pequeñas que permiten un control más preciso y amplificar las señales que llegan a través de esos nervios.

El enfoque involucra pequeños injertos musculares y algoritmos de aprendizaje automático tomados del campo de interfaz cerebro-máquina.

"Este es el mayor avance en control motor para personas con amputaciones en muchos años", dice Paul Cederna, profesor de cirugía plástica en la Facultad de Medicina de la Universidad de Michigan y profesor de ingeniería biomédica.

“Hemos desarrollado una técnica para proporcionar un control individual de los dedos de los dispositivos protésicos que utilizan los nervios en la extremidad residual de un paciente. Con él, hemos podido proporcionar algunos de los controles protésicos más avanzados que el mundo haya visto ”.

“Puedes hacer que una mano protésica haga muchas cosas, pero eso no significa que la persona la esté controlando intuitivamente. La diferencia es cuando funciona en el primer intento con solo pensarlo, y eso es lo que ofrece nuestro enfoque ", dice Cindy Chestek, profesora asociada de ingeniería biomédica en la Facultad de Ingeniería.

Esto funcionó la primera vez que lo probamos. No hay aprendizaje para los participantes. Todo el aprendizaje ocurre en nuestros algoritmos. Eso es diferente de otros enfoques.

 

Los investigadores informan sus resultados con cuatro participantes del estudio que utilizan el brazo LUKE de Mobius Bionics en Science Translational Medicine .

LOS NERVIOS OBTIENEN UN 'MEGÁFONO'

Si bien los participantes del estudio aún no pueden llevarse el brazo a casa, en el laboratorio pudieron levantar bloques con una pinza; mueva su pulgar en un movimiento continuo, en lugar de tener que elegir entre dos posiciones; levantar objetos de forma esférica; e incluso jugar una versión de Rock, Paper, Scissors llamada Rock, Paper, Pliers.

"Es como si tuvieras una mano otra vez", dice el participante del estudio Joe Hamilton, quien perdió su brazo en un accidente de fuegos artificiales en 2013. "Puedes hacer casi cualquier cosa que puedas hacer con una mano real con esa mano. Te devuelve a una sensación de normalidad.

Uno de los mayores obstáculos en las prótesis controladas por la mente es aprovechar una señal nerviosa fuerte y estable para alimentar la extremidad biónica. Algunos grupos de investigación, aquellos que trabajan en el campo de la interfaz cerebro-máquina , van hasta la fuente primaria, el cerebro. Esto es necesario cuando se trabaja con personas paralizadas. Pero es invasivo y de alto riesgo.

Para las personas con amputaciones, los nervios periféricos, la red que se despliega desde el cerebro y la médula espinal, han sido interesantes, pero aún no han llevado a una solución a largo plazo por un par de razones: las señales nerviosas que transmiten son pequeñas. . Y otros enfoques para captar esas señales involucraban sondas que escuchaban a escondidas por la fuerza. Estas "uñas en los nervios", como los investigadores a veces se refieren a ellas, conducen al tejido cicatricial, que confunde la señal que ya se desvanece con el tiempo.

El equipo ideó una mejor manera. Envolvieron pequeños injertos musculares alrededor de las terminaciones nerviosas en los brazos de los participantes. Estas "interfaces regenerativas de nervios periféricos", o RPNI, ofrecen a los nervios cortados un nuevo tejido para engancharse. Esto previene el crecimiento de masas nerviosas llamadas neuromas que provocan dolor en la extremidad fantasma.

También le da a los nervios un megáfono. Los injertos musculares amplifican las señales nerviosas. Dos pacientes tenían electrodos implantados en sus injertos musculares, y los electrodos pudieron registrar estas señales nerviosas y pasarlas a una mano protésica en tiempo real.

"Que yo sepa, hemos visto el mayor voltaje registrado de un nervio en comparación con todos los resultados anteriores", dice Chestek. “En enfoques anteriores, puede obtener 5 microvoltios o 50 microvoltios, señales muy, muy pequeñas. Hemos visto las primeras señales de milivoltios.

“Así que ahora podemos acceder a las señales asociadas con el movimiento del pulgar individual, el movimiento del pulgar con múltiples grados de libertad, los dedos individuales. Esto abre un mundo completamente nuevo para las personas que usan prótesis de extremidades superiores ”.

Y su interfaz ya ha durado años. Otros se degradan en unos meses debido al tejido cicatricial.

EL FUTURO DE LAS PRÓTESIS.

Los hallazgos también abren nuevas posibilidades para el campo, dice Chestek, cuya experiencia se basa en algoritmos de aprendizaje automático en tiempo real para traducir señales neuronales en intención de movimiento.

"Lo que descubrimos es que ahora las señales nerviosas son lo suficientemente buenas como para aplicar todo el mundo de cosas que aprendimos en los algoritmos de control cerebral al control nervioso", dice ella.

El enfoque genera señales para movimientos más finos de lo que las manos protésicas de hoy son capaces de hacer.

“Otros grupos de investigación también han contribuido a esto, pero hemos superado las capacidades de las manos protésicas que están disponibles actualmente. Creo que esta es una fuerte motivación para futuros desarrollos de las compañías de prótesis de mano ", dice Philip Vu, investigador en ingeniería biomédica y primer autor del artículo.

Se está realizando un ensayo clínico y el equipo está buscando participantes.

"Muchas veces, las cosas que hacemos en un laboratorio de investigación se suman al conocimiento en el campo, pero en realidad nunca tienes la oportunidad de ver cómo eso impacta a una persona", dice Cederna. “Cuando puedes sentarte y ver a una persona con un dispositivo protésico hacer algo que era impensable hace 10 años, es muy gratificante. Estoy tan feliz por nuestros participantes, y aún más feliz por todas las personas en el futuro que esto ayudará ”.

"Va a ser un camino desde aquí, pero no vamos a dejar de trabajar en esto hasta que podamos restaurar por completo los movimientos de las manos sin discapacidad. Ese es el sueño de la neuroprotésica ”, dice Chestek.

DARPA y los Institutos Nacionales de Salud financiaron el trabajo.

Fuente: Universidad de Michigan