Principios técnicos de las prótesis inteligentes

Incluso si los músculos y huesos se dañan o se pierden, las áreas del cerebro y los nervios que alguna vez los controlaron seguirán sobreviviendo. Para muchas personas discapacitadas, las áreas del cerebro y los nervios correspondientes al miembro amputado están esperando el contacto, como un cable telefónico arrancado. Los médicos han comenzado a utilizar procedimientos quirúrgicos milagrosos para conectar esta anatomía a dispositivos como cámaras, micrófonos y motores. Como resultado, los ciegos pueden ver, los sordos pueden oír y Amanda puede manejar la casa con ambas manos. Las máquinas que utilizan se llaman neuroprótesis o, como los científicos prefieren cada vez más usar el término popular, bioelectrónica. Es un trabajo meticuloso, que implica una serie de pruebas y errores. Si bien los científicos comprenden la posibilidad de conectar máquinas con mentes, mantener dichas conexiones es difícil. (1) Se puede ajustar automáticamente para que la prótesis funcione más cerca de la extremidad original;

(2) Tiene una mejor forma de simulación, es hermosa y duradera. Quizás más útil sería el tipo de prótesis de brazo que Amanda Kitts se ofreció a probar: uno controlado por el cerebro en lugar de por partes del cuerpo que normalmente no participan en el alcance. Existe una tecnología llamada "reconstrucción de inervación muscular dirigida" que utiliza los nervios restantes después de la amputación para controlar las extremidades artificiales. Se probó por primera vez en un paciente en 2002. Cuatro años más tarde, mientras Amanda estaba postrada en cama en el hospital después de un accidente automovilístico, su esposo, Tommy Kitts, leyó sobre ello en línea. Durante el accidente, un camión chocó contra su coche y le aplastó el brazo izquierdo por debajo del codo.

En el "Children's House Learning Center" cerca de Northville, Tennessee, EE. UU., Amanda Kitts se vio rodeada de niños de cuatro y cinco años nada más entrar al aula. "Oye, ¿cómo están mis queridos hoy?", dijo, dándole palmaditas en el hombro a uno y acariciando el cabello del otro. Amanda es una mujer delgada y enérgica que ha dirigido esta y otras dos guarderías durante casi 20 años. Se arrodilló para hablar con una niña y puso las manos en las rodillas.

"¡Brazo robótico!", gritaron varios niños.

"Aún recuerdas esto", dijo Amanda, estirando su brazo izquierdo. Giró la palma de su mano hacia arriba y se escuchó un leve zumbido que no se podía escuchar si no se prestaba atención. Dobló los codos y escuchó otro zumbido.

"¡Que haga una tontería!", dijo una niña. "¿Tonto? ¿Recuerdas cómo te estreché la mano?", Dijo Amanda, estirando los brazos y torciendo las muñecas. Un niño se acercó vacilante y le tocó el dedo. Lo que tocó fue plástico color carne y las puntas de sus dedos estaban ligeramente dobladas hacia adentro. Debajo de la piel hay tres motores, una estructura de metal y un sistema electrónico de última generación. La parte superior del dispositivo es una cubierta de plástico blanca, que está conectada a la mitad del bíceps de Amanda y cubre el muñón de su brazo izquierdo, que es prácticamente todo lo que queda de su brazo izquierdo, que perdió en un accidente automovilístico en 2006. .

Casi, pero no sólo eso. En su cerebro, por debajo del nivel de conciencia, todavía existía una imagen intacta de ese brazo, como un fantasma. Cuando Amanda pensó en doblar el codo, el brazo fantasma se movió. Los impulsos nerviosos se transmitían rápidamente desde su cerebro y eran recibidos por los sensores de electrodos en la cubierta de plástico blanco y convertidos en señales para que el motor arrancara, por lo que el codo del brazo robótico se doblaba.

"En realidad, no tengo que pensar en eso. Simplemente lo dejo moverse", dijo Amanda, de 40 años. Además de la prótesis estándar que utiliza, también existe una más experimental y controlable. "Después del accidente automovilístico, quedé devastada y no entendí por qué Dios fue tan cruel conmigo. Pero estos días siempre estoy feliz porque están mejorando constantemente este brazo. Un día podré usarlo para sentir cosas o para jugar. con los niños. Mantenía el tiempo cuando cantaba."

"Estaba enojada, triste y sin vida", dijo. Pero Tommy le habló de alguien en Chicago que recibió un nuevo tipo de prótesis de pierna, lo que le trajo un rayo de esperanza. "En ese momento parecía que ésta era nuestra mejor opción. Era mucho mejor que la voluminosa prótesis de brazo ordinaria". Tommy dijo: "Amanda estaba realmente emocionada cuando se enteró de ello. Pronto estaban en el avión a Chicago". .

Amanda Kitts es miembro de "Tomorrow's People". A este grupo de personas les faltan partes del cuerpo o están dañadas, que son reemplazadas por dispositivos incrustados en el sistema nervioso que siguen instrucciones del cerebro. Por ejemplo, si la cubierta de plástico del brazo amputado de Amanda se moviera aunque fuera ligeramente, podría impedirle cerrar los dedos.

Aún así, los dispositivos bioelectrónicos representan un gran avance en la tecnología y los investigadores ahora están permitiendo que las personas con discapacidad recuperen funciones que nunca antes habían imaginado.

“De eso se trata este trabajo: de reparación”, afirmó Joseph Pancrazio, director de neuroingeniería del Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares. “Un paciente con una lesión en la columna puede ir a un restaurante y comer.

En la oficina de Robert Lipschultz en el Centro de Rehabilitación de Chicago (RIC), los humanos intentan reparar la historia de. el cuerpo se exhibe en estantes en forma de manos, piernas y pies artificiales. “La tecnología básica de las prótesis de brazos no ha cambiado mucho en los últimos 100 años”, dijo. “Los materiales son diferentes, simplemente estamos reemplazando el cuero con plástico, pero la estructura básica sigue siendo la misma: un montón de ganchos y ganchos. bisagras, con cables. O impulsado por un motor y controlado por una palanca. Muchas personas que regresaron de Irak sin brazos y piernas recibieron este tipo de cosas."

Resulta ser un hombro izquierdo. brazo. . La parte de los hombros es un peto, fijado al pecho con correas; los brazos están articulados a la altura de los hombros y los codos, rematando en una abrazadera de metal. Para extender el brazo, gira la cabeza hacia la izquierda, presiona la barbilla sobre un joystick y extiende la mano con un pequeño movimiento de lanzamiento. Es realmente tan incómodo como parece. Y muerto. Después de 20 minutos, me empezó a doler el cuello debido a la postura extraña y a la laboriosa acción de presión. Muchos amputados acaban alejándose de este tipo de prótesis de brazo.

Todd Kuiken es médico e ingeniero biomédico en el Centro de Rehabilitación de Chicago y responsable del desarrollo de prótesis de brazos bioelectrónicos. Sabía que los nervios del brazo residual de un amputado aún podían transmitir señales del cerebro. También sabía que la computadora de la prótesis podía dirigir el motor para realizar movimientos. El problema es cómo hacer la conexión. Los nervios conducen señales eléctricas, pero no pueden conectarse directamente a líneas de datos de computadora. (Las fibras nerviosas no funcionan bien con los cables metálicos y las heridas abiertas por donde los cables ingresan al cuerpo presentan un alto riesgo de infección).

Kuiken necesitaba encontrar un amplificador para mejorar las conexiones nerviosas. No es necesario apelar directamente a los nervios. Lo encontró en los músculos. Cuando un músculo se contrae, libera un pulso eléctrico que es lo suficientemente fuerte como para ser detectado por electrodos adheridos a la piel. Desarrolló una técnica para alejar los nervios cortados de la extremidad dañada original y transferirlos a otros músculos con la amplificación de señal adecuada. En octubre de 2006, Kuiken comenzó a conectarse con Amanda. El primer paso es salvar los nervios principales que antes estaban distribuidos por todo el brazo. "Estos nervios eran originalmente responsables del funcionamiento del brazo y la mano, pero ahora tengo que encontrar cuatro áreas musculares adicionales y transferirlas a ellas", dijo Kuiken. Estos nervios se originaron en la corteza motora del cerebro de Amanda (donde se almacenan imágenes aproximadas de las extremidades) y terminaron abruptamente al final de su muñón, como un cable telefónico cortado. Mediante una complicada cirugía, un cirujano los volvió a unir en diferentes áreas de los músculos de la parte superior del brazo y durante los siguientes meses crecieron milímetro a milímetro, echando raíces en sus nuevos hogares.

“Después de tres meses comencé a sentir una ligera picazón y espasmos”, dijo Amanda. “Cuatro meses después, podía sentir diferentes partes de mi mano cuando me tocaba la parte superior del brazo. El sentimiento corresponde a cada dedo. "Lo que sintió fue en realidad el" brazo fantasma "incrustado en el cerebro, que ahora estaba conectado a carne y sangre. Cuando Amanda movió su "dedo fantasma" en su mente, los músculos reales de la parte superior de su brazo se contrajeron.

Otro mes después, le colocaron su primer brazo bioelectrónico. Los electrodos estaban ocultos en una cubierta de plástico alrededor del brazo roto para capturar señales musculares. El desafío en este punto es cómo traducir estas señales en instrucciones para mover el codo y la palma. De la pequeña sección del brazo de Amanda surgió un complejo "ruido" electrónico mezclado con señales como "extiende el codo" o "gira la muñeca". El microprocesador instalado en el brazo protésico debe programarse cuidadosamente para seleccionar las señales correctas y enviarlas a los motores correspondientes.

Detectar estas señales es posible gracias al "brazo fantasma" de Amanda. En un laboratorio del centro de rehabilitación, el ingeniero Blair Locke realiza pequeños ajustes en la programación. Le pidió a Amanda que le quitara el brazo protésico y le pusiera electrodos en todo el brazo restante. Se paró frente a un gran televisor de pantalla plana, que mostraba un brazo flotando sobre un fondo azul: la imagen de un "brazo fantasma". Los electrodos reciben instrucciones del cerebro de Amanda al brazo residual, y el brazo en la pantalla se mueve.

Locke bajó la voz, para no interferir con la concentración de Amanda, y le dijo que girara las manos, con las palmas hacia adentro. En la pantalla, gire la palma de la mano hacia adentro. "Ahora estire las muñecas, con las palmas hacia arriba", dijo. La mano en la pantalla volvió a moverse. "¿Es mejor que la última vez?", Preguntó. "Sí, la señal es fuerte", sonrió Amanda. Locke luego le pidió que juntara el pulgar con los cuatro dedos restantes. La mano en la pantalla así lo hizo. Los ojos de Amanda se abrieron: "¡Vaya, no sabía que podía hacer eso!" Una vez que se identifican las señales musculares correspondientes a un movimiento específico, el programa informático del brazo protésico se puede programar para buscar dichos movimientos y activar el motor correspondiente. cuando se encuentre.

El lugar donde Amanda practica el uso de la prótesis de brazo está justo abajo de la oficina de Kuiken. Es un apartamento creado por un terapeuta ocupacional. Hay cosas que las personas discapacitadas que acaban de recibir prótesis pueden usar a diario. Base. Varios utensilios. Cocinas con fogones, cajones para cubiertos de metal, camas, armarios con perchas, baños, escaleras: todos ellos son objetos que la gente utiliza de forma casual todos los días, pero que crean una enorme resistencia para las personas que han perdido una determinada extremidad. Amanda prepara un sándwich de mantequilla de maní que dejará atónita a la gente. Se arremangó dejando al descubierto la funda de plástico de su brazo protésico y sus movimientos fueron muy suaves: levantó un trozo de pan con su brazo sano, agarró un cuchillo con los dedos de su brazo protésico, dobló el codo y unte la mantequilla de maní de un lado a otro.

“No fue fácil al principio”, dijo. “Hice lo mejor que pude para moverme, pero mis manos a menudo se movían en el lugar equivocado. Pero ella trabajó duro para practicar y más”. Cuanto más usaba el brazo protésico, más suaves se volvían sus movimientos, más naturales. Lo que Amanda más desea ahora es sentir la prótesis de brazo. Será de gran ayuda para muchas actividades, incluida una de sus actividades favoritas: tomar café. "El problema con el vaso de papel es que cuando agarro algo, mi mano protésica seguirá cerrándose hasta que lo agarre firmemente, y es imposible sujetarlo firmemente con un vaso de papel", dijo. "Hice el ridículo. Una vez en Starbucks y usé mi mano protésica para agarrarlo. El vaso de papel explotó con fuerza".

Kuiken dijo que tiene grandes esperanzas de obtener este tipo de conciencia, pero que aún necesita confiar en ella. su "brazo fantasma". En colaboración con bioingenieros del Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins, el Centro de Rehabilitación de Chicago ha estado desarrollando un nuevo tipo de prótesis de mano para pacientes como Amanda que no sólo es más flexible (con más motores y articulaciones), sino que los dedos también son sensibles a la presión. almohadillas en el extremo. Algunas varillas delgadas, como varillas de pistón, estaban conectadas a las almohadillas del sensor y presionadas contra el muñón de Amanda.

Cuanto mayor es la fuerza sobre la mano, más fuerte es la sensación de "dedos fantasma". "De esa manera puedo ver qué tan fuerte está mi agarre", dijo. Por la rapidez con la que vibra la varilla delgada, también puede saber si el objeto que toca es áspero (como papel de lija) o liso (como vidrio). “Fui a Chicago para probarla y me gustó mucho”, dijo. “Me gustaría que me la dejaran llevar a casa ahora, pero es mucho más complicada que la prótesis que uso en casa y no pueden hacerlo. Todavía no confío en mí”. Eric Schremp, a diferencia de Amanda, no necesita prótesis, solo sus brazos naturales que no se han movido por sí solos desde que Schremp se rompió el cuello en 1992 y quedó tetrapléjico. Sin embargo, ahora este hombre de Ohio de 40 años puede sostener el cuchillo y el tenedor.

Pudo hacerlo gracias a un implante desarrollado por Hunter Peckham, ingeniero biomédico de la Universidad Case Western Reserve. "El objetivo es restaurar la capacidad de agarrar la mano", dijo Peckham. "Usar las manos es la clave para una vida independiente".

Los músculos de los dedos de Schrempp y los nervios que los controlan todavía están ahí, pero. Las señales del cerebro se cortan cuando llegan al cuello. Peckham y otros miembros del personal insertaron ocho pequeños electrodos desde el pecho de Schrempp, debajo de la piel de su brazo derecho hasta los músculos de los dedos. Cuando los músculos de su pecho se contraen, se envía una señal a través de un transmisor inalámbrico a una pequeña computadora que cuelga de su silla de ruedas. Este último interpreta la señal y la envía de regreso a un receptor implantado en su pecho, que luego se pasa a través de cables. brazo Se transmite a la mano, y la señal ordena a los músculos de los dedos que se tensen y aprieten; todo esto se completa en 1 microsegundo. "Puedo agarrar un tenedor y comer yo mismo", dijo Schrempp. "Eso es enorme". Unas 250 personas han sido tratadas con esta tecnología aún experimental. Pero otro dispositivo bioelectrónico, que se ha instalado en casi 200.000 personas en todo el mundo en los últimos 30 años, ha demostrado que la combinación de cerebro y máquina puede ser poderosa y probada en el tiempo. Este es un dispositivo de implante coclear. Aiden Kenny es uno de los pacientes que recibió el implante. Su madre, Tammy Kenney, recuerda haber aprendido que su bebé ni siquiera podía usar un audífono.

"Simplemente lo sostuve en mis brazos y lloré", dijo. "Sabía que no podía oírme. ¿Cómo se comunicaría conmigo en el futuro? Una vez, mi esposo golpeó dos cacerolas de hierro entre sí, esperando que tenga algún tipo de reacción." Aiden no escuchó el ruido en absoluto.

Podía oírlo. En febrero de 2009, cirujanos de la Universidad Johns Hopkins insertaron finos cables con 22 electrodos en cada una de sus cócleas (las estructuras del oído interno que normalmente detectan las vibraciones del sonido). Un micrófono en el cuerpo de Aiden capta el sonido y envía la señal a los electrodos, que transmiten la señal directamente a los nervios.

"Un mes después de la cirugía, el día que los médicos activaron el implante, descubrimos que estaba respondiendo a los sonidos". Tammy Kenney dijo: "Él también giraba la cabeza al oír mi voz". Es asombroso”. En 2009, estaba aprendiendo a hablar con terapia y rápidamente se puso al día con sus compañeros oyentes.

Después de los dispositivos cocleares, pronto estarán disponibles los ojos bioelectrónicos. Jo Ann Lewis perdió la vista hace varios años debido a la retinosis pigmentaria, una enfermedad que destruye los conos y bastones sensibles a la luz del ojo. Sin embargo, recuperó parte de su visión gracias a las investigaciones del oftalmólogo Mark Humayun.

Los pacientes con esta enfermedad ocular suelen tener partes de la retina interna intactas, como era el caso de Jo Ann Lewis. Esta capa de estructura retiniana está cubierta por células bipolares y células ganglionares. En circunstancias normales, recoge señales de los bastones y conos de la capa exterior y luego las transmite a las fibras que emanan del nervio óptico. Hasta ahora nadie sabía qué señales utiliza la retina interna ni cómo alimentarla con las imágenes que puede interpretar. En 1992, Humayun comenzó a experimentar durante un breve período colocando pequeños conjuntos de electrodos en las retinas de estos pacientes durante la cirugía.

"Les pedí que rastrearan un punto con los ojos y lo hicieron". Humayun y sus colegas dijeron: "Pueden ver cosas en filas y columnas". Desarrollaron un sistema y lo llamaron "Argos" (el gigante de la mitología griega con cientos de ojos). El paciente usa un par de gafas de sol equipadas con una pequeña cámara de video y un transmisor inalámbrico. La señal de la imagen se envía a una computadora en el cinturón, se convierte en impulsos eléctricos que las células ganglionares pueden leer y luego se envía a un receptor colocado detrás de la oreja. Desde allí, un cable llega al ojo y conduce a una matriz cuadrada de 16 electrodos que está ligeramente adherida a la superficie de la retina. Los pulsos disparan los electrodos, los electrodos disparan las células y el cerebro hace el resto, permitiendo a los primeros pacientes ver los bordes y los contornos aproximados de los objetos.

En otoño de 2006, Humayun y la empresa para la que trabajaba, Second Vision, se unieron a un equipo internacional para aumentar el número de electrodos en la matriz a 60. Al igual que las cámaras con más píxeles, la nueva matriz produce imágenes más nítidas. Lewis, de Texas, fue uno de los primeros pacientes en recibir la nueva matriz. "Ahora puedo ver el contorno del árbol otra vez", dijo. "Recuerdo que fue lo último que vi antes de quedarme ciega. Ahora puedo ver las ramas que se extienden en todas direcciones".

Los investigadores han llevado el concepto de neuroprótesis un paso más allá y han comenzado a utilizarlas para ayudar al cerebro mismo. Los científicos que participan en el proyecto "BrainGate" intentan conectar la corteza motora de pacientes completamente incapacitados directamente a ordenadores, permitiéndoles controlar objetos externos con sus pensamientos. Los sujetos han podido mover el cursor en la pantalla de una computadora de esta manera. Los investigadores incluso planean desarrollar un hipocampo artificial para reemplazar la estructura del hipocampo en el cerebro humano que almacena recuerdos y trasplantarlo a pacientes con amnesia.

No todo saldrá bien. Uno de los primeros cuatro pacientes que recibieron tratamiento BrainGate decidió posteriormente quitar el conector de la computadora porque interfería con otras instalaciones médicas, y Jo Ann Lewis dijo que su visión no se había recuperado lo suficiente para sobrevivir de manera segura al nivel de la carretera. Sin embargo, al brazo amputado de Amanda se le colocó una cubierta de plástico nueva y más flexible, y los nervios y electrodos que controlan el brazo estaban mejor afinados.

“Esto significa que las cosas que puedo hacer con el brazo protésico han aumentado enormemente”. Dijo: “Hay uno nuevo en Chicago que me permite hacer muchos movimientos de agarre diferentes. Quiero usarlo. Espero usar la mano protésica para recoger monedas, martillos y juguetes con los niños en mi jardín", dijo Kuiken que esto no es un lujo. "Las herramientas de vida asistida que brindamos a los pacientes son mejores que las que usaban antes, pero aún son demasiado toscas e incomparables con la delicada estructura del cuerpo humano. Son tan insignificantes frente a la naturaleza como una vela al sol".

(Prótesis inteligentes; Miembro artificial inteligente).

Eric Schrempp, tetrapléjico desde que se rompió el cuello mientras buceaba en 1992, ahora puede mover los dedos y sostener un tenedor con la ayuda de un dispositivo electrónico implantado debajo de su piel. Jo Ann Louise, una mujer ciega, pudo ver los contornos de los árboles con la ayuda de una pequeña cámara que se comunicaba con su nervio óptico. Aiden Kenny, de un año y medio, puede oír y responder a las palabras de su madre porque el niño, que nació sordo, tiene 22 electrodos en los oídos, que convierten el sonido captado por el micrófono en señales que su sistema auditivo el nervio puede entender. El 11 de octubre de 2013, se presentó una prótesis motorizada inteligente en la Exposición Internacional de Bienestar de China. Este dispositivo de asistencia para discapacitados, desarrollado conjuntamente por la Federación de Personas con Discapacidad de Beijing y la Universidad de Pekín, está equipado con un chip motor en comparación con las prótesis comunes, que puede empujar a los discapacitados a caminar con menos esfuerzo y puede girar libremente, lo que lo hace más fácil. más fácil para los discapacitados subir y bajar escaleras permiten a las personas discapacitadas caminar de forma más estable y natural. Como no hay producción en masa, todavía no hay precios. El mismo día, se celebró la Exposición Internacional de Bienestar de China 2013 en el Centro Nacional de Exposiciones. Más de 270 empresas de 16 países y regiones participaron en la exposición, con más de 8.800 tipos de dispositivos de asistencia en exhibición. finales del día 12.