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Usando um conjunto simples de ímãs, os pesquisadores do MIT criaram uma maneira sofisticada de monitorar os movimentos musculares, que eles esperam tornar mais fácil para pessoas com amputações controlar seus membros protéticos.
Em um novo par de artigos, os pesquisadores demonstraram a precisão e a segurança de seu sistema baseado em ímã, que pode rastrear o comprimento dos músculos durante o movimento. Os estudos, realizados em animais, oferecem esperança de que essa estratégia possa ser usada para ajudar pessoas com dispositivos protéticos a controlá-los de uma maneira que imita mais de perto o movimento natural dos membros.
“Esses resultados recentes demonstram que essa ferramenta pode ser usada fora do laboratório para rastrear o movimento muscular durante a atividade natural, e também sugerem que os implantes magnéticos são estáveis e biocompatíveis e que não causam desconforto”, diz Cameron Taylor, pesquisador do MIT. cientista pesquisador e co-autor principal de ambos os artigos.
Em um dos estudos, os pesquisadores mostraram que podiam medir com precisão os comprimentos dos músculos da panturrilha dos perus enquanto as aves corriam, pulavam e realizavam outros movimentos naturais. No outro estudo, eles mostraram que as pequenas esferas magnéticas usadas para as medições não causam inflamação ou outros efeitos adversos quando implantadas no músculo.
“Estou muito animado com o potencial clínico desta nova tecnologia para melhorar o controle e a eficácia dos membros biônicos para pessoas com perda de membros”, diz Hugh Herr, professor de artes e ciências da mídia, codiretor do K. Lisa Yang Center for Bionics do MIT e membro associado do McGovern Institute for Brain Research do MIT.
Herr é um autor sênior de ambos os artigos, que aparecem hoje na revista Fronteiras em Bioengenharia e Biotecnologia. Thomas Roberts, professor de ecologia, evolução e biologia do organismo na Brown University, é um dos autores sênior do estudo de medição.
Movimento de rastreamento
Atualmente, os membros protéticos energizados geralmente são controlados usando uma abordagem conhecida como eletromiografia de superfície (EMG). Eletrodos fixados na superfície da pele ou implantados cirurgicamente no músculo residual do membro amputado medem os sinais elétricos dos músculos de uma pessoa, que são alimentados na prótese para ajudá-la a se mover da maneira que a pessoa que usa o membro pretende.
No entanto, essa abordagem não leva em consideração nenhuma informação sobre o comprimento ou a velocidade do músculo, o que poderia ajudar a tornar os movimentos protéticos mais precisos.
Vários anos atrás, a equipe do MIT começou a trabalhar em uma nova maneira de realizar esses tipos de medições musculares, usando uma abordagem que eles chamam de magnetomicrometria. Essa estratégia aproveita os campos magnéticos permanentes que cercam pequenas esferas implantadas em um músculo. Usando um sensor semelhante a uma bússola do tamanho de um cartão de crédito conectado à parte externa do corpo, seu sistema pode rastrear as distâncias entre os dois ímãs. Quando um músculo se contrai, os ímãs se aproximam e, quando flexiona, eles se afastam.
Em um estudo publicado no ano passado, os pesquisadores mostraram que esse sistema pode ser usado para medir com precisão pequenos movimentos do tornozelo quando as contas são implantadas nos músculos da panturrilha de perus. Em um dos novos estudos, os pesquisadores começaram a ver se o sistema poderia fazer medições precisas durante movimentos mais naturais em um ambiente não laboratorial.
Para isso, eles criaram uma pista de obstáculos com rampas para os perus subirem e caixas para eles pularem e pularem. Os pesquisadores usaram seu sensor magnético para rastrear os movimentos musculares durante essas atividades e descobriram que o sistema poderia calcular os comprimentos dos músculos em menos de um milissegundo.
Eles também compararam seus dados com medições feitas usando uma abordagem mais tradicional conhecida como fluoromicrometria, um tipo de tecnologia de raios-X que requer equipamentos muito maiores do que a magnetomicrometria. As medidas de magnetomicrometria variaram das geradas por fluoromicrometria em menos de um milímetro, em média.
“Podemos fornecer a funcionalidade de rastreamento de comprimento muscular do equipamento de raios-X do tamanho de uma sala usando um pacote portátil muito menor, e podemos coletar os dados continuamente, em vez de nos limitarmos a rajadas de 10 segundos. que a fluoromicrometria é limitada”, diz Taylor.
Seong Ho Yeon, um estudante de pós-graduação do MIT, também é co-autor principal do estudo de medição. Outros autores incluem a Associada de Apoio à Pesquisa do MIT Ellen Clarrissimeaux e a ex-pós-doutoranda da Brown University Mary Kate O’Donnell.
Biocompatibilidade
No segundo artigo, os pesquisadores focaram na biocompatibilidade dos implantes. Eles descobriram que os ímãs não geravam cicatrizes nos tecidos, inflamação ou outros efeitos nocivos. Eles também mostraram que os ímãs implantados não alteraram a marcha dos perus, sugerindo que não produziram desconforto. William Clark, pós-doutorando na Brown, é o co-autor principal do estudo de biocompatibilidade.
Os pesquisadores também mostraram que os implantes permaneceram estáveis por oito meses, a duração do estudo, e não migraram um em direção ao outro, desde que implantados com pelo menos 3 centímetros de distância. Os pesquisadores prevêem que as esferas, que consistem em um núcleo magnético revestido com ouro e um polímero chamado parileno, podem permanecer no tecido indefinidamente uma vez implantadas.
“Os ímãs não requerem uma fonte de energia externa e, após implantá-los no músculo, eles podem manter a força total de seu campo magnético durante toda a vida do paciente”, diz Taylor.
Os pesquisadores agora planejam buscar a aprovação do FDA para testar o sistema em pessoas com membros protéticos. Eles esperam usar o sensor para controlar próteses de forma semelhante à forma como a EMG de superfície é usada agora: medições relativas ao comprimento dos músculos serão alimentadas no sistema de controle de uma prótese para ajudar a guiá-la para a posição pretendida pelo usuário.
“O lugar onde essa tecnologia atende a uma necessidade é comunicar esses comprimentos e velocidades musculares a um robô vestível, para que o robô possa funcionar de uma maneira que funcione em conjunto com o humano”, diz Taylor. “Esperamos que a magnetomicrometria permita que uma pessoa controle um robô vestível com o mesmo nível de conforto e a mesma facilidade que alguém controlaria seu próprio membro”.
Além de membros protéticos, esses robôs vestíveis podem incluir exoesqueletos robóticos, que são usados fora do corpo para ajudar as pessoas a moverem as pernas ou os braços com mais facilidade.
A pesquisa foi financiada pela Salah Foundation, o K. Lisa Yang Center for Bionics no MIT, o MIT Media Lab Consortia, os National Institutes of Health e a National Science Foundation.
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