Así es la rodilla biónica que restaura el movimiento natural. Desarrollada por investigadores del Massachusetts Institute of Technology (MIT), permite a personas con amputación por encima del la rodilla caminar rápido, subir escaleras y evitar obstáculos con más facilidad que las prótesis actuales.
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Así es la rodilla biónica que restaura el movimiento natural
A diferencia de las prótesis en las que el muñón se coloca dentro de un encaje, el nuevo sistema se integra directamente con el tejido muscular y óseo del usuario. Esto permite una mayor estabilidad y ofrece al usuario un mayor control sobre el movimiento de la prótesis.
Los participantes en un pequeño estudio clínico también informaron de que la extremidad se sentía más como una parte de su propio cuerpo, en comparación con las personas que habían sufrido amputaciones más tradicionales por encima de la rodilla.
Sistema integrado en la fisiología humana
«Una prótesis integrada en el tejido, anclada al hueso y controlada directamente por el sistema nervioso, no es simplemente un dispositivo inerte e independiente, sino más bien un sistema cuidadosamente integrado en la fisiología humana, que ofrece un mayor nivel de incorporación protésica…
… No es simplemente una herramienta que el ser humano emplea, sino más bien una parte integral de sí mismo», afirma Hugh Herr, profesor de artes y ciencias de los medios de comunicación, codirector del Centro K. Lisa Yang para la Biónica del MIT.
Herr es miembro asociado del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT y autor principal del nuevo estudio. Tony Shu, doctorado en 2024, es el autor principal del artículo, que aparece en la revista Science.
Prótesis que extraen información neural de los músculos
Durante los últimos años, el laboratorio de Herr ha estado trabajando en nuevas prótesis que pueden extraer información neural de los músculos que quedan después de una amputación y utilizar esa información para ayudar a guiar una extremidad protésica.
Durante una amputación tradicional, los pares de músculos que se alternan en el estiramiento y la contracción suelen seccionarse, lo que altera la relación agonista-antagonista normal de los músculos. Esta alteración dificulta mucho que el sistema nervioso perciba la posición de un músculo y la velocidad a la que se contrae.
Mediante el nuevo enfoque quirúrgico desarrollado por Herr y sus colegas, conocido como interfaz mioneuronal agonista-antagonista (AMI), los pares de músculos se vuelven a conectar durante la cirugía para que sigan comunicándose dinámicamente entre sí dentro del miembro residual.
El usuario de la prótesis decide cómo mover el miembro
Esta retroalimentación sensorial ayuda al usuario de la prótesis a decidir cómo mover el miembro y también genera señales eléctricas que pueden utilizarse para controlar la prótesis.
En un estudio realizado en 2024, los investigadores demostraron que las personas con amputaciones por debajo de la rodilla que se sometieron a la cirugía AMI podían caminar más rápido y sortear obstáculos de forma mucho más natural que las personas con amputaciones tradicionales por debajo de la rodilla.
En el nuevo estudio, los investigadores ampliaron el enfoque para atender mejor a las personas con amputaciones por encima de la rodilla. Querían crear un sistema que no solo pudiera leer las señales de los músculos utilizando AMI, sino que también se integrara en el hueso, ofreciendo más estabilidad y una mejor retroalimentación sensorial.
Para lograrlo, los investigadores desarrollaron un procedimiento para insertar una varilla de titanio en el hueso femoral residual en el lugar de la amputación. Este implante permite un mejor control mecánico y una mayor capacidad de carga que una prótesis tradicional.
Además, el implante contiene 16 cables que recogen información de los electrodos situados en los músculos AMI dentro del cuerpo, lo que permite una transducción más precisa de las señales procedentes de los músculos.
Credit: Courtesy of the researchers; MIT News.
Sistema integrado en el hueso, e-OPRA
Este sistema integrado en el hueso, conocido como e-OPRA, transmite las señales 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 que el usuario desea.
«Todas las piezas funcionan conjuntamente para facilitar la entrada y salida de información del cuerpo y mejorar la interfaz mecánica con el dispositivo», afirma Shu.
«Estamos cargando directamente el esqueleto, que es la parte del cuerpo que se supone que debe soportar la carga, en lugar de utilizar encajes, que son incómodos y pueden provocar infecciones cutáneas frecuentes».
Doblar la rodilla hasta un ángulo específico, subir escaleras y sortear obstáculos
En este estudio, dos sujetos recibieron el sistema combinado AMI y e-OPRA, conocido como prótesis mecanoneural osteointegrada (OMP).
Estos usuarios se compararon con ocho que se sometieron a la cirugía AMI pero no al implante e-OPRA, y siete usuarios que no se sometieron ni a AMI ni a e-OPRA.
Todos los sujetos utilizaron por turnos una prótesis de rodilla motorizada experimental desarrollada por el laboratorio.
Los investigadores midieron la capacidad de los participantes para realizar varios tipos de tareas, como doblar la rodilla hasta un ángulo específico, subir escaleras y sortear obstáculos.
En la mayoría de estas tareas, los usuarios con el sistema OMP obtuvieron mejores resultados que los sujetos que se sometieron a la cirugía AMI pero no al implante e-OPRA, y mucho mejores que los usuarios de prótesis tradicionales.
«Este artículo representa el cumplimiento de una visión que la comunidad científica ha tenido durante mucho tiempo: la implementación y demostración de una pierna robótica totalmente integrada fisiológicamente y controlada voluntariamente», afirma Michael Goldfarb, profesor de ingeniería mecánica y director del Centro de Mecatrónica Inteligente de la Universidad de Vanderbilt.
«Es un trabajo realmente difícil, y los autores merecen un gran reconocimiento por sus esfuerzos para alcanzar un objetivo tan desafiante».
Prótesis que forman parte del propio cuerpo
Además de evaluar la marcha y otros movimientos, los investigadores también formularon preguntas diseñadas para evaluar la sensación de encarnación de los participantes, es decir, en qué medida sentían que su prótesis era parte de su propio cuerpo.
Las preguntas incluían si los pacientes sentían que tenían dos piernas, si sentían que la prótesis era parte de su cuerpo y si sentían que tenían control sobre la prótesis. Cada pregunta estaba diseñada para evaluar los sentimientos de agencia, propiedad del dispositivo y representación corporal de los participantes.
Los investigadores descubrieron que, a medida que avanzaba el estudio, los dos participantes con la OMP mostraban un aumento mucho mayor en sus sentimientos de agencia y propiedad que los demás sujetos.«Otra razón por la que este artículo es significativo es que analiza estas cuestiones de encarnación y muestra grandes mejoras en esa sensación», afirma Herr.
Grandes mejoras en la sensación de encarnación
«Por muy sofisticados que sean los sistemas de inteligencia artificial de una prótesis robótica, el usuario seguirá sintiéndola como una herramienta, como un dispositivo externo. Pero con este enfoque de integración con el tejido, cuando se pregunta al usuario humano qué es su cuerpo, cuanto más integrado está, más tiende a decir que la prótesis es en realidad parte de sí mismo».
El procedimiento AMI se realiza ahora de forma rutinaria en pacientes con amputaciones por debajo de la rodilla en el Brigham and Women’s Hospital, y Herr espera que pronto se convierta también en el estándar para las amputaciones por encima de la rodilla.
El sistema OMP combinado necesitará ensayos clínicos más amplios para recibir la aprobación de la FDA para su uso comercial, lo que Herr espera que pueda llevar unos cinco años. La investigación ha sido financiada por Yang Tan Collective y DARPA.
