Os ímãs podem oferecer melhor controle de membros protéticos

Resumo: Usando contas magnéticas implantadas no tecido muscular dentro do resíduo amputado de animais, os pesquisadores criaram uma forma mais precisa de controlar membros protéticos.

Fonte: COM

Para pessoas amputadas que possuem membros protéticos, um dos maiores desafios é controlar a prótese para que ela se mova da mesma forma que um membro natural. A maioria dos membros protéticos é controlada por meio da eletromiografia, uma forma de registrar a atividade elétrica dos músculos, mas essa abordagem fornece apenas um controle limitado da prótese.

Os pesquisadores do Media Lab do MIT desenvolveram agora uma abordagem alternativa que acreditam poder oferecer um controle muito mais preciso dos membros protéticos. Depois de inserir pequenas esferas magnéticas no tecido muscular dentro do resíduo amputado, eles podem medir com precisão o comprimento de um músculo conforme ele se contrai, e esse feedback pode ser retransmitido para uma prótese biônica em milissegundos.

Em um novo estudo publicado hoje em Ciência Robótica, os pesquisadores testaram sua nova estratégia, chamada magnetomicrometria (MM), e mostraram que ela pode fornecer medições musculares rápidas e precisas em animais. Eles esperam testar a abordagem em pessoas com amputação nos próximos anos.

“Nossa esperança é que o MM substitua a eletromiografia como forma dominante de conectar o sistema nervoso periférico aos membros biônicos. E temos essa esperança por causa da alta qualidade do sinal que obtemos do MM e do fato de ser minimamente invasivo e ter um custo e obstáculo regulatório baixos ”, disse Hugh Herr, professor de artes e ciências da mídia, chefe da Biomecatrônica grupo no Media Lab, e o autor sênior do artigo.

Cameron Taylor, um pós-doutorado do MIT, é o principal autor do estudo. Outros autores incluem a pós-doc Shriya Srinivasan do MIT, o estudante de graduação do MIT Seong Ho Yeon, o professor de ecologia e biologia evolutiva da Brown University Thomas Roberts, e a pós-doutoranda Mary Kate O’Donnell da Brown.

Crédito: MIT

Medidas precisas

Com os dispositivos protéticos existentes, as medições elétricas dos músculos de uma pessoa são obtidas por meio de eletrodos que podem ser fixados na superfície da pele ou implantados cirurgicamente no músculo. O último procedimento é altamente invasivo e caro, mas fornece medições um pouco mais precisas. No entanto, em ambos os casos, a eletromiografia (EMG) oferece informações apenas sobre a atividade elétrica dos músculos, não seu comprimento ou velocidade.

“Quando você usa o controle baseado em EMG, está olhando para um sinal intermediário. Você está vendo o que o cérebro diz ao músculo para fazer, mas não o que o músculo está realmente fazendo ”, diz Taylor.

A nova estratégia do MIT é baseada na ideia de que se os sensores pudessem medir o que os músculos estão fazendo, essas medidas ofereceriam um controle mais preciso de uma prótese. Para conseguir isso, os pesquisadores decidiram inserir pares de ímãs nos músculos. Ao medir como os ímãs se movem em relação uns aos outros, os pesquisadores podem calcular o quanto os músculos estão se contraindo e a velocidade da contração.

Dois anos atrás, Herr e Taylor desenvolveram um algoritmo que reduziu muito o tempo necessário para os sensores determinarem as posições de pequenos ímãs embutidos no corpo. Isso os ajudou a superar um dos maiores obstáculos ao uso do MM para controle de próteses, que era o longo tempo de espera para tais medições.

No novo Ciência Robótica Em papel, os pesquisadores testaram a capacidade de seu algoritmo de rastrear ímãs inseridos nos músculos da panturrilha de perus. As contas magnéticas que eles usaram tinham 3 milímetros de diâmetro e foram inseridas com pelo menos 3 centímetros de distância – se estiverem mais próximas do que isso, os ímãs tendem a migrar um em direção ao outro.

Usando uma série de sensores magnéticos colocados na parte externa das pernas, os pesquisadores descobriram que foram capazes de determinar a posição dos ímãs com uma precisão de 37 mícrons (aproximadamente a largura de um fio de cabelo humano), enquanto moviam os perus. articulações do tornozelo. Essas medições podem ser obtidas em três milissegundos.

Para o controle de um membro protético, essas medidas podem ser alimentadas em um modelo de computador que prevê onde o membro fantasma do paciente estaria no espaço, com base nas contrações do músculo remanescente. Essa estratégia faria com que o dispositivo protético se movesse da maneira que o paciente deseja, combinando com a imagem mental que ele tem da posição do membro.

“Com a magnetomicrometria, medimos diretamente o comprimento e a velocidade do músculo”, diz Herr. “Por meio da modelagem matemática de todo o membro, podemos calcular as posições-alvo e as velocidades das articulações protéticas a serem controladas e, em seguida, um controlador robótico simples pode controlar essas articulações.”

Controle muscular

Nos próximos anos, os pesquisadores esperam fazer um pequeno estudo em pacientes humanos com amputações abaixo do joelho. Eles imaginam que os sensores usados ​​para controlar os membros protéticos podem ser colocados na roupa, fixados na superfície da pele ou fixados na parte externa de uma prótese.

Isso mostra o membro e como os ímãs funcionam
Pesquisadores do Media Lab do MIT desenvolveram uma nova estratégia que pode oferecer um controle muito mais preciso dos membros protéticos. Crédito: The Researchers

O MM também pode ser usado para melhorar o controle muscular obtido com uma técnica chamada estimulação elétrica funcional, que agora é usada para ajudar a restaurar a mobilidade em pessoas com lesões na medula espinhal. Outro uso possível para esse tipo de controle magnético seria guiar exoesqueletos robóticos, que podem ser presos a um tornozelo ou outra articulação para ajudar pessoas que sofreram um derrame ou desenvolveram outros tipos de fraqueza muscular.

“Essencialmente, os ímãs e o exoesqueleto agem como um músculo artificial que amplificará a produção dos músculos biológicos no membro afetado pelo derrame”, diz Herr. “É como a direção hidráulica usada em automóveis”.

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Outra vantagem da abordagem MM é que ela é minimamente invasiva. Uma vez inseridos no músculo, os grânulos podiam permanecer no lugar por toda a vida sem precisar ser substituídos, diz Herr.

Financiamento: A pesquisa foi financiada pela Salah Foundation, pelo MIT Media Lab Consortia, pelo National Institutes of Health e pela National Science Foundation.

Sobre estas notícias de pesquisa neuroprotética

Autor: Anne Trafton
Fonte: COM
Contato: Anne Trafton – MIT
Imagem: A imagem é creditada aos pesquisadores

Pesquisa original: Acesso fechado.
“Magnetomicrometria” de Hugh Herr et al. Ciência Robótica


Resumo

Magnetomicrometria

Vivemos em uma era de sensoriamento vestível, em que nosso movimento pelo mundo pode ser monitorado continuamente por dispositivos. No entanto, não temos um sensor portátil que possa monitorar continuamente o movimento dos músculos, tendões e ossos, permitindo-nos monitorar o desempenho, fornecer reabilitação direcionada e fornecer controle intuitivo e reflexivo sobre próteses e exoesqueletos.

Aqui, apresentamos uma modalidade de detecção, a magnetomicrometria, que usa as posições relativas dos grânulos magnéticos implantados para permitir o rastreamento sem fio das mudanças no comprimento do tecido.

Demonstramos o rastreamento do comprimento muscular em tempo real em um modelo de peru in vivo por meio de grânulos magnéticos implantados cronicamente enquanto investigamos a precisão, biocompatibilidade e estabilidade do implante a longo prazo. Prevemos que esta ferramenta estabelecerá as bases para o controle volitivo sobre robôs vestíveis por meio do rastreamento em tempo real de comprimentos e velocidades musculares.

Além disso, para informar futuras estratégias de controle biomimético, a magnetomicrometria também pode ser usada no rastreamento in vivo de tecidos biológicos para elucidar os princípios biomecânicos do movimento animal e humano.

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