Movimiento natural y estabilidad mejorados con tobillos protésicos robóticos

Los tobillos protésicos robóticos, controlados por impulsos nerviosos, permiten a los amputados moverse de forma más “natural”, mejorando su estabilidad, según un nuevo estudio realizado por la Universidad Estatal de Carolina del Norte y la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill.

«Este trabajo se centró en el ‘control postural’, que es sorprendentemente complejo», dice Helen Huang, autora correspondiente del estudio y profesora distinguida de la familia Jackson en el Departamento Conjunto de Ingeniería Biomédica de NC State y UNC.

«Básicamente, cuando estamos quietos, nuestros cuerpos hacen ajustes constantemente para mantenernos estables. Por ejemplo, si alguien choca con nosotros mientras estamos en fila, nuestras piernas realizan una amplia gama de movimientos que no haríamos». Incluso hacen. Estamos trabajando con personas que están de pie. «La amputación de sus extremidades inferiores, y nos dicen que lograr este tipo de estabilidad con dispositivos protésicos es muy difícil. Este estudio muestra que los tobillos protésicos robóticos controlados mediante electromiografía (EMG ) las señales son excepcionalmente buenas para permitir a los usuarios lograr esta estabilidad natural». Las señales EMG son las señales eléctricas registradas por los músculos de un individuo.

El nuevo estudio se basa en Trabajo anteriorLo que demostró que el control neuronal de una prótesis de tobillo eléctrica puede restaurar una variedad de habilidades, incluido estar de pie sobre superficies difíciles y ponerse en cuclillas.

En este estudio, los investigadores trabajaron con cinco personas que se sometieron a amputaciones por debajo de la rodilla en una pierna. A los participantes del estudio se les colocó un prototipo de prótesis de tobillo robótica que respondía a señales EMG captadas por sensores en la pierna.

«Básicamente, los sensores se colocan sobre los músculos en el lugar de la amputación», dice Aaron Fleming, coautor del estudio y reciente doctorado. Se graduó en NC State. «Cuando un participante del estudio piensa en mover el miembro amputado, envía señales eléctricas a través de los músculos restantes del miembro inferior. Los sensores captan estas señales a través de la piel y las traducen en comandos para el dispositivo protésico».

Los investigadores llevaron a cabo una capacitación general para los participantes del estudio utilizando el dispositivo prototipo, para que se familiarizaran un poco con la tecnología.

Luego, a los participantes del estudio se les asignó la tarea de responder a una «perturbación anticipada», lo que significa que tenían que responder a algo que pudiera desequilibrarlos. En la vida cotidiana, esto podría ser algo como atrapar una pelota o hacer la compra. Sin embargo, para replicar con precisión las condiciones durante el transcurso del estudio, los investigadores desarrollaron un sistema mecánico diseñado para desafiar la estabilidad de los participantes.

Se pidió a los participantes del estudio que respondieran a la perturbación esperada bajo dos condiciones: usar los dispositivos protésicos que usan normalmente; Y el uso de un prototipo de prótesis robóticas.

«Descubrimos que los participantes del estudio eran significativamente más estables cuando usaban el prototipo automatizado», dice Fleming. «Tenían menos probabilidades de tropezarse o caerse».

«Específicamente, el modelo robótico permitió a los participantes del estudio cambiar su estrategia de control de postura», dice Huang. «Para las personas con extremidades inferiores intactas, la estabilidad postural comienza en el tobillo. Para las personas que han perdido sus extremidades inferiores, normalmente tienen que compensar la incapacidad de controlar el tobillo. Hemos descubierto que usar un tobillo robótico que responde a señales EMG permite a los usuarios volver a su respuesta instintiva para mantener la estabilidad de On”.

En una parte separada del estudio, los investigadores pidieron a los participantes que se balancearan hacia adelante y hacia atrás mientras usaban una prótesis natural y un modelo protésico del robot. Los participantes del estudio estaban equipados con sensores diseñados para medir la actividad muscular en toda la parte inferior del cuerpo.

«Descubrimos que los patrones de actividad muscular en la parte inferior del cuerpo eran muy diferentes cuando las personas usaban dos prótesis diferentes», dice Huang. «Básicamente, los patrones de activación muscular cuando se utiliza el prototipo protésico eran muy similares a los patrones que vemos en personas que tienen pleno uso de dos extremidades inferiores intactas. Esto nos dice que el prototipo que desarrollamos imita el comportamiento del cuerpo lo suficientemente cerca como para permitir una «normalidad». ‘ que la gente lo haga”. Retorno de patrones neuronales. Esto es importante porque indica que la tecnología será bastante intuitiva para los usuarios.

«Creemos que este es un hallazgo clínicamente importante, porque la estabilidad postural es una cuestión importante para las personas que usan dispositivos protésicos. Ahora estamos realizando un ensayo más amplio con un mayor número de personas para aclarar los efectos de la tecnología e identificar a las personas que pueden beneficiarse más». .”

El 18 de octubre se publicará en la revista Science Robotics un artículo sobre el estudio titulado «El control neuroprotésico restaura la neuromecánica casi normativa en el control postural de pie». Este artículo fue escrito en coautoría por Wentao Liu, Ph.D. Estudiante del Departamento Conjunto de Ingeniería Biomédica. El trabajo se realizó con el apoyo de los Institutos Nacionales de Salud, bajo las subvenciones F31HD101285 y R01HD110519; y de la Fundación Nacional de Ciencias bajo la subvención No. 1954587.