Cercetătorii de la MIT urmăresc mișcarea mușchilor cu ajutorul unor mărgele magnetice mici

Cercetătorii de la MIT urmăresc mișcarea mușchilor cu ajutorul unor mărgele magnetice mici

Cercetătorii de la MIT au demonstrat capacitatea de a urmări cu precizie mișcarea mușchilor prin implantarea unor mărgele magnetice foarte mici în mușchi. Aceste măsurători ar putea facilita controlul membrelor protetice pentru persoanele cu anumite tipuri de amputări.

De zeci de ani, cercetătorii lucrează la dezvoltarea membrelor neuroprotetice, care utilizează informații neuronale din mușchii rămași după o amputare pentru a ghida membrul protetic. Măsurătorile lungimii, vitezei și activării mușchilor pot fi integrate în algoritmi de control care ghidează membrele, permițând persoanelor cu amputări la nivelul picioarelor să meargă cu un mers mai natural sau celor cu amputări la nivelul brațelor să manipuleze obiecte mai eficient.

Până acum, aceste dispozitive s-au bazat pe măsurători ale activității musculare, folosind electrozi plasați pe suprafața pielii. Totuși, aceste măsurători nu s-au dovedit suficient de fiabile pentru a asigura siguranța în timpul mersului cu un membru neuroprotetic.

Echipa de la MIT speră că noul sistem de urmărire magnetică, care oferă măsurători mai precise, va facilita dezvoltarea comercială a acestor membre.

De-a lungul a patru decenii, metodologia standard pentru controlul neural al protezelor a fost utilizarea electrozilor pe piele pentru a măsura activarea mușchilor. Totuși, pentru a controla un membru protetic, trebuie să fie gestionate poziția articulației, cuplul sau impedanța, iar semnalele mecanice nu pot fi determinate direct doar prin activarea electrică.

Hugh Herr, profesor la MIT și co-director al K. Lisa Yang Center for Bionics, a afirmat că în noul studiu, publicat în Nature Sensors, cercetătorii au demonstrat precizia măsurătorilor magnetice pentru trei participanți cu amputări sub genunchi.

„Această interfață este minim invazivă, astfel că ar putea fi accesibilă pentru mai multe persoane. Plasezi două mărgele în mușchi și ai acces la toate aceste informații bogate despre dinamica mușchilor,” a spus Christopher Shallal, student absolvent la MIT.

Un alt autor principal al lucrării este Cameron Taylor, asistent universitar de inginerie biomedicală la Universitatea din Carolina de Nord, Chapel Hill.

Laboratorul lui Herr a dezvoltat, de-a lungul anilor, interfețe om-mașină care pot fi utilizate pentru a controla un membru artificial, făcându-l să funcționeze mai asemănător cu un membru natural. Obținerea unor măsurători precise ale mișcărilor mușchilor la locul amputării este esențială pentru succesul acestui tip de proteză.

Electrozii de pe suprafața pielii pot dezvălui activarea electrică a mușchiului de dedesubt, iar aceste măsurători pot fi transformate în estimări despre cât de mult se contractă sau se flexează un mușchi. Pe baza acestor informații, un controler robotic generează comenzi care ghidează membrul protetic conform intențiilor utilizatorului.

Cu toate acestea, abordarea de măsurare cunoscută sub numele de electromiografie nu oferă întotdeauna informații suficient de precise. Semnalul electric nu este un substitut perfect pentru dinamica musculară; de exemplu, atunci când un mușchi este menținut la o lungime fixă timp de câteva secunde, semnalul se estompează. În plus, electrozii pot capta semnale de la mușchi diferiți de cel vizat, iar transpirația poate interfera cu detectarea semnalului.

Anul trecut, Herr și colegii săi au raportat o proteză de genunchi bionică care utilizează electrozi implantați în mușchi pentru a oferi măsurători precise și a le integra într-un controler robotic. Această abordare a avut succes într-un studiu clinic mic, dar, în paralel, echipa lui Herr a lucrat și la o abordare mai puțin invazivă care se bazează pe magneți în loc de electrozi.

Prin această abordare, cunoscută sub numele de magnetomicrometrie, perechi de magneți sunt amplasați în mușchi. Atunci când un mușchi se contractă sau se întinde, senzori externi plasați pe piele pot măsura schimbarea distanței între magneți, permițând calcularea lungimii și vitezei mușchilor.

„Magneții pot fi urmăriți wireless prin corp, astfel încât poți obține semnale musculare foarte specifice și măsura rezultatul mecanic al mușchiului fără a fi necesar să fii extrem de invaziv,” a afirmat Shallal.

Într-un studiu din 2021, condus de Taylor, laboratorul lui Herr a demonstrat pentru prima dată tehnica bazată pe magneți în modelele animale. Noul studiu publicat în Nature Sensors extinde această abordare la oameni cu implante magnetice pe termen lung. Pentru acest studiu, cercetătorii au recrutat trei participanți cu amputări sub genunchi.

Toți participanții aveau un tip de amputare care creează ceea ce se numește interfață mio-neurală agonist-antagonistă (AMI). Prin această procedură chirurgicală, perechile de mușchi sunt reconectate în timpul intervenției, astfel încât să comunice dinamic între ele în cadrul membrului rezidual. Această retroalimentare senzorială, numită propriocepție, ajută purtătorul protezei să decidă cum să poziționeze și să miște membrul protetic.

Participanții au avut magneți implantați în până la patru mușchi ai articulației gleznei. Intervențiile chirurgicale au fost efectuate la Brigham and Women’s Hospital, în colaborare cu chirurgul plastic Matthew Carty. Mărgelele au un diametru de 3 milimetri, aproximativ dimensiunea unei semințe de susan. Magneții sunt fabricați dintr-un aliaj de neodim, fier și bor, și sunt acoperiți cu aur și un polimer numit parilenă C pentru a le face biocompatibile. Semnalele magnetice pot fi citite de la o adâncime de până la 6 centimetri de suprafața pielii, utilizând un senzor extern personalizat, purtat deasupra pielii, poziționat deasupra mușchilor care sunt urmăriți.

Fiecare participant din acest studiu a avut, de asemenea, electrozi implantați în aceiași mușchi care au primit mărgele magnetice. Aceasta a permis cercetătorilor să compare precizia a trei tipuri diferite de măsurători: magnetomicrometrie, electromiografie cu electrozi implantați și electromiografie cu electrozi pe suprafața pielii.

În timpul experimentelor, participanții nu purtau un membru protetic, ci erau rugați să efectueze sarcini precum mutarea unui cursor pe un ecran către un anumit obiectiv folosindu-și mișcările musculare. Utilizând cele trei tehnici de măsurare, semnalele generate de mișcările musculare au fost traduse în semnale de control care, în acest caz, au mutat cursorul, dar în viitor ar putea fi integrate în controlerul unei proteze robotice de gleznă.

„Cursorul de pe ecran reprezenta gradele de libertate pe care le-ar controla pe o proteză robotică de gleznă. Această sarcină neuroprotetică virtuală ne-a permis să comparăm performanța între diferite interfețe neuronale, iar rezultatele noastre sugerează că abordarea bazată pe magneți poate oferi un control mai precis și mai stabil,” a menționat Shallal.

Cercetătorii desfășo