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Dec 17, 2023

Los sensores magnéticos rastrean la longitud del músculo

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Utilizando un simple conjunto de imanes, los investigadores del MIT han ideado una forma sofisticada de monitorear los movimientos musculares, que esperan que facilite a las personas con amputaciones el control de sus prótesis.

En un nuevo par de artículos, los investigadores demostraron la precisión y seguridad de su sistema basado en imanes, que puede rastrear la longitud de los músculos durante el movimiento. Los estudios, realizados en animales, ofrecen la esperanza de que esta estrategia pueda usarse para ayudar a las personas con prótesis a controlarlas de una manera que imite más fielmente el movimiento natural de las extremidades.

"Estos resultados recientes demuestran que esta herramienta se puede utilizar fuera del laboratorio para rastrear el movimiento muscular durante la actividad natural, y también sugieren que los implantes magnéticos son estables y biocompatibles y que no causan molestias", dice Cameron Taylor, profesor del MIT. científico investigador y coautor principal de ambos artículos.

En uno de los estudios, los investigadores demostraron que podían medir con precisión la longitud de los músculos de las pantorrillas de los pavos mientras las aves corrían, saltaban y realizaban otros movimientos naturales. En el otro estudio, demostraron que las pequeñas perlas magnéticas utilizadas para las mediciones no causan inflamación ni otros efectos adversos cuando se implantan en el músculo.

"Estoy muy emocionado por el potencial clínico de esta nueva tecnología para mejorar el control y la eficacia de los miembros biónicos para personas con pérdida de miembros", dice Hugh Herr, profesor de artes y ciencias de los medios, codirector del K. Lisa Centro Yang de Biónica del MIT y miembro asociado del Instituto McGovern de Investigación del Cerebro del MIT.

Herr es autor principal de ambos artículos, que aparecen hoy en la revista Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. Thomas Roberts, profesor de ecología, evolución y biología de organismos en la Universidad de Brown, es el autor principal del estudio de medición.

Seguimiento del movimiento

Actualmente, las prótesis eléctricas generalmente se controlan mediante un método conocido como electromiografía de superficie (EMG). Los electrodos adheridos a la superficie de la piel o implantados quirúrgicamente en el músculo residual del miembro amputado miden las señales eléctricas de los músculos de una persona, que se introducen en la prótesis para ayudarla a moverse de la manera prevista por la persona que porta el miembro.

Sin embargo, ese enfoque no tiene en cuenta ninguna información sobre la longitud o la velocidad del músculo, lo que podría ayudar a que los movimientos protésicos sean más precisos.

Hace varios años, el equipo del MIT comenzó a trabajar en una forma novedosa de realizar ese tipo de mediciones musculares, utilizando un enfoque que denominan magnetomicrometría. Esta estrategia aprovecha los campos magnéticos permanentes que rodean pequeñas perlas implantadas en un músculo. Utilizando un sensor similar a una brújula del tamaño de una tarjeta de crédito colocado en el exterior del cuerpo, su sistema puede rastrear las distancias entre los dos imanes. Cuando un músculo se contrae, los imanes se acercan y cuando se flexiona, se separan.

En un estudio publicado el año pasado, los investigadores demostraron que este sistema podría usarse para medir con precisión pequeños movimientos del tobillo cuando las cuentas se implantaban en los músculos de la pantorrilla de los pavos. En uno de los nuevos estudios, los investigadores se propusieron ver si el sistema podía realizar mediciones precisas durante movimientos más naturales en un entorno no de laboratorio.

Para hacer eso, crearon una carrera de obstáculos con rampas para que los pavos trepen y cajas para que salten dentro y fuera. Los investigadores utilizaron su sensor magnético para rastrear los movimientos de los músculos durante estas actividades y descubrieron que el sistema podía calcular la longitud de los músculos en menos de un milisegundo.

También compararon sus datos con mediciones tomadas utilizando un enfoque más tradicional conocido como fluoromicrometría, un tipo de tecnología de rayos X que requiere equipos mucho más grandes que la magnetomicrometría. Las mediciones de magnetomicrometría variaron de las generadas por fluoromicrometría en menos de un milímetro, en promedio.

"Podemos proporcionar la funcionalidad de seguimiento de la longitud de los músculos del equipo de rayos X del tamaño de una habitación utilizando un paquete portátil mucho más pequeño, y podemos recopilar los datos continuamente en lugar de limitarnos a ráfagas de 10 segundos". a lo que se limita la fluoromicrometría”, dice Taylor.

Seong Ho Yeon, estudiante de posgrado del MIT, también es coautor principal del estudio de medición. Otros autores incluyen a la asociada de apoyo a la investigación del MIT, Ellen Clarrissimeaux, y a la ex postdoctorada de la Universidad de Brown, Mary Kate O'Donnell.

Biocompatibilidad

En el segundo artículo, los investigadores se centraron en la biocompatibilidad de los implantes. Descubrieron que los imanes no generaban cicatrices en los tejidos, inflamación ni otros efectos nocivos. También demostraron que los imanes implantados no alteraban el modo de andar de los pavos, lo que sugiere que no producían molestias. William Clark, postdoctorado en Brown, es el coautor principal del estudio de biocompatibilidad.

Los investigadores también demostraron que los implantes permanecieron estables durante ocho meses, la duración del estudio, y no migraron uno hacia el otro, siempre que se implantaran a una distancia de al menos 3 centímetros. Los investigadores prevén que las perlas, que consisten en un núcleo magnético recubierto de oro y un polímero llamado parileno, podrían permanecer en el tejido indefinidamente una vez implantadas.

"Los imanes no requieren una fuente de energía externa y, después de implantarlos en el músculo, pueden mantener toda la fuerza de su campo magnético durante toda la vida del paciente", dice Taylor.

Los investigadores ahora planean buscar la aprobación de la FDA para probar el sistema en personas con prótesis. Esperan utilizar el sensor para controlar prótesis de forma similar a como se utiliza actualmente la EMG de superficie: las mediciones relativas a la longitud de los músculos se introducirán en el sistema de control de una prótesis para ayudar a guiarla a la posición que pretende el usuario.

"El lugar donde esta tecnología satisface una necesidad es comunicar esas longitudes y velocidades de los músculos a un robot portátil, de modo que el robot pueda funcionar de una manera que funcione en conjunto con el humano", dice Taylor. "Esperamos que la magnetomicrometría permita a una persona controlar un robot portátil con el mismo nivel de comodidad y la misma facilidad con la que alguien controlaría su propia extremidad".

Además de las prótesis, esos robots portátiles podrían incluir exoesqueletos robóticos, que se usan fuera del cuerpo para ayudar a las personas a mover las piernas o los brazos más fácilmente.

La investigación fue financiada por la Fundación Salah, el Centro de Biónica K. Lisa Yang del MIT, los Consorcios del Laboratorio de Medios del MIT, los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias.

Los investigadores del MIT han desarrollado un nuevo sistema basado en imanes para monitorear los movimientos musculares que podría ayudar a que las prótesis sean más fáciles de controlar, informa Brianna Silva para WHDH.

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