Las esferas magnéticas de 3 milímetros controlan las prótesis con mayor precisión

Christopher Shallal y Cameron Taylor del MIT están trabajando en una interfaz que no estima la actividad eléctrica de los músculos, sino que mide el movimiento real del tejido. En los músculos restantes de la pierna amputada se encuentran pequeños marcadores magnéticos permanentes, mientras que un sensor plano en el exterior de la piel detecta su posición. A medida que el músculo se acorta o alarga, la distancia entre los marcadores cambia y a partir de este movimiento se puede calcular la longitud y velocidad del tejido. El principio se llama magnetomicrometría y tiene como objetivo proporcionar control de la prótesis exactamente con la información mecánica que se genera constantemente durante el movimiento natural. El informe original del MIT describe el sistema como una conexión inalámbrica entre la condición muscular y la extremidad artificial.

La idea aborda un viejo problema de las prótesis modernas: los electrodos de superficie registran la activación eléctrica de un músculo, pero sólo proporcionan información indirecta sobre con qué fuerza y ​​cuánto se mueve realmente. El sudor, el deslizamiento de los electrodos y las señales de los músculos cercanos también pueden alterar la medición. Los sistemas previamente implantados intentaron acceder a la información más cercana a su fuente biológica. Informe de investigación y conocimiento sobre sensores implantados para el control inalámbrico de prótesis. El nuevo método magnético adopta un enfoque diferente porque sigue directamente el movimiento del músculo y no requiere electrónica activa en el tejido.

El MIT rastrea perlas magnéticas directamente a través del tejido muscular

En el experimento, los participantes con amputaciones por debajo de la rodilla recibieron varios imanes recubiertos en los músculos que originalmente mueven la articulación del tobillo. El cirujano Matthew Carty colocó los implantes en el Brigham and Women’s Hospital. El núcleo de las cuentas está hecho de una aleación de neodimio, hierro y boro y presenta una capa de oro y parileno C, un polímero que evita que el material magnético entre en contacto directo con el cuerpo. No verás nada de esto desde el exterior; Sólo el sistema de medición descansa sobre la piel. Es precisamente esta separación la que hace que el enfoque sea técnicamente interesante: los marcadores pasivos permanecen en el cuerpo, mientras que la potencia de cálculo, la fuente de alimentación y los componentes electrónicos reemplazables se encuentran fuera del cuerpo.

Inicialmente, los sujetos de prueba no controlaban una prótesis de pierna real, sino más bien un cursor en una pantalla. Su movimiento representaba grados de libertad que luego podrían ser controlados por una articulación robótica de pie y tobillo. Esto no suena espectacular, pero es crucial para una comparación directa de métodos porque la misma tarea se puede repetir con diferentes sistemas de medición. Los participantes movieron los músculos restantes mientras el sistema generaba señales de control a partir de ellos. Esto permitió comprobar si un movimiento se traducía de forma rápida, estable y precisa, sin que las condiciones del terreno o la mecánica de una prótesis real distorsionaran el resultado.

640 sensores leen un campo magnético espacial

El módulo de medición externo contiene un denso campo de magnetómetros que registran simultáneamente la intensidad y dirección de los campos magnéticos. La electrónica resuelve así un problema matemático a la inversa: a partir de los campos medidos calcula continuamente dónde se encuentra cada imán implantado y cómo está orientado. El sistema alcanza una resolución espacial de menos de un milímetro. Para el control no sólo es relevante la posición absoluta de un marcador, sino sobre todo el movimiento relativo de un par en un mismo músculo. Si el músculo se acorta, los marcadores se mueven juntos; A medida que se alargan, se vuelven a alejar el uno del otro. Este simple cambio geométrico crea una señal directa del estado mecánico del músculo.

La tarjeta sensora tiene aproximadamente el tamaño de una tarjeta de crédito y se puede usar debajo de la ropa directamente sobre el músculo afectado. Esto significa que el concepto difiere significativamente de los procedimientos de laboratorio como la ecografía o la radiografía, que también pueden hacer visibles los movimientos musculares, pero que serían demasiado complejos para controlar las prótesis permanentes. La medición magnética no requiere una línea de visión dentro del cuerpo y no envía energía a los marcadores. El usuario no tiene que cargar un módulo electrónico implantado. Sin embargo, todavía quedan sin respuesta cuestiones prácticas para un sistema adecuado para el uso diario, como por ejemplo la solidez del cálculo de la posición ante movimientos rápidos, cambios en las distancias con respecto a la piel y fuertes campos magnéticos externos.

Brigham and Women’s Hospital implanta esferas pasivas

Todos los participantes habían recibido una forma especial de cirugía en la que después de la amputación se reacoplaban pares de músculos que trabajaban en direcciones opuestas. Esta interfaz mioneural denominada agonista-antagonista preserva parte de la interacción natural entre los músculos que se contraen y se relajan entre sí en una articulación sana. Esto le da al paciente una sensación corporal de cerca de cómo se mueve una articulación faltante. Los marcadores magnéticos utilizan precisamente esta mecánica biológica como fuente de información. Una pierna artificial no tiene que adivinar qué movimiento se desea basándose únicamente en la actividad eléctrica de los músculos, sino que también puede controlar cómo se acortan realmente los músculos implicados.

Durante la implantación, las perlas entraron en hasta cuatro músculos alrededor de la antigua articulación del tobillo. Los investigadores también combinaron el procedimiento con electrodos implantados para poder comparar múltiples métodos de medición en la misma persona y el mismo músculo. El diseño de este estudio es importante porque, de lo contrario, las diferencias entre individuos se confundirían fácilmente con diferencias entre los principios de detección. La medición magnética al menos alcanzó el rendimiento de la electromiografía para la mayoría de los criterios probados y fue más estable o más precisa en varias tareas. Esto no conduce a una terapia terminada, porque el trabajo examina principalmente la calidad de la señal y la controlabilidad técnica.

Nature Sensors compara tres rutas de medición en el mismo músculo

A modo de comparación, los participantes llevaban electrodos clásicos en la piel y también tenían electrodos en el músculo. El método magnético compitió con dos variantes establecidas de la electromiografía. Lo que es particularmente relevante es que la actividad eléctrica y el movimiento mecánico de un músculo no son idénticos. Un músculo puede permanecer tenso durante mucho tiempo incluso si su señal eléctrica disminuye significativamente después del primer impulso. El desarrollo de la fuerza también depende de la geometría de los músculos, el estado de los tendones y la posición de las articulaciones. El estudio publicado en Nature Sensors muestra que los marcadores magnéticos pueden detectar directamente este nivel mecánico y derivar continuamente una señal de control a partir de él.

También es digno de mención un segundo efecto: los investigadores lograron detectar la activación muscular utilizando únicamente la inducción magnética. Cuando el material magnético del cuerpo se movía en relación con el sistema sensor, se producían cambios mensurables que proporcionaban información sobre el estado de activación. Esta parte del proceso aún se encuentra en sus primeras etapas, pero a largo plazo podría ofrecer otra alternativa a los electrodos eléctricos. Esto sería particularmente relevante para los pacientes si una única plataforma de sensor externo pudiera registrar tanto el movimiento como la activación muscular. El interés técnico radica en obtener más señales biológicas con un implante pasivo sin pasar cables adicionales a través de la piel.

Seis centímetros de profundidad son suficientes para la medición inalámbrica

Los campos magnéticos se pueden rastrear incluso a través de varios centímetros de tejido, lo que es suficiente para muchos músculos superficiales de brazos y piernas. Al mismo tiempo, el alcance establece un límite claro: cuanto más profunda es una marca, más débil se vuelve su campo en el sensor, mientras que otras fuentes y movimientos magnéticos se vuelven más importantes. Los desarrolladores abordan este problema con una densa red de sensores y algoritmos que diferencian varios marcadores simultáneamente. Para futuros tratamientos, el sistema también debe reconocer de forma fiable qué imán pertenece a qué músculo cuando todo el muñón se mueve en relación con el sensor. Son precisamente estos movimientos cotidianos los que resultan más complejos que las tareas controladas frente a una pantalla.

Los propios implantes también deben permanecer estables durante años. El trabajo anterior del equipo analizó cómo se comportan los imanes recubiertos en el músculo y qué materiales son adecuados para la compatibilidad biológica. Una revisión de seguridad separada examinó la resonancia magnética porque los campos magnéticos fuertes pueden crear riesgos particulares para los implantes permanentes. Estas preguntas son cruciales para el uso clínico: no importa cuán preciso pueda ser un sensor, los pacientes posteriormente se verán limitados en pruebas importantes o los marcadores podrían migrar. Por lo tanto, el trabajo actual proporciona principalmente evidencia de que la medición muscular magnética continua funciona prácticamente en humanos.

El MIT prepara la próxima prueba con prótesis reales

Como siguiente paso, el equipo está estudiando cómo las personas utilizan realmente señales magnéticas para controlar una prótesis de pierna robótica en la vida cotidiana. Luego están las tensiones que faltan en la prueba de pantalla: el peso corporal, el cambio de velocidad, los baches, las escaleras y la interacción con la pierna sana. Especialmente al caminar, un sistema de control no sólo debe reaccionar con precisión, sino también sin retrasos apreciables. Un comando incorrecto puede afectar directamente a la báscula. Por lo tanto, los investigadores quieren realizar un estudio más amplio para examinar si el control estable del cursor se puede traducir en movimientos articulares reales.

Al mismo tiempo, no está claro qué grupos de pacientes se beneficiarán más. El concepto anterior se basa en una reconstrucción quirúrgica especial de pares de músculos, pero el método de medición magnética no se limita básicamente a este tipo de intervención. Lo que importa es si existen músculos adecuados y si su movimiento puede traducirse de forma fiable en la función articular deseada. Es posible que se necesiten diferentes patrones de movimiento y múltiples grados de libertad para las prótesis de brazo. Por lo tanto, la siguiente fase del desarrollo clínico dependerá menos de la visibilidad de los diminutos marcadores dorados que de la capacidad de sus señales de traducirse en movimientos protésicos seguros y naturales durante movimientos reales.

Instituto de Tecnología de Massachusetts, sensores magnéticos rastrean el movimiento muscular para un mejor control de la prótesis

Nature Sensors, un sistema de implante magnético inalámbrico para detección neuromuscular continua; doi:10.1038/s44460-026-00157-6

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