I magneti potrebbero offrire un migliore controllo degli arti protesici

I magneti potrebbero offrire un migliore controllo degli arti protesici
I ricercatori del MIT檚 Media Lab hanno sviluppato una nuova strategia che potrebbe offrire un controllo molto più preciso degli arti protesici. Credito: MIT Media Lab

Per le persone con amputazione che hanno arti protesici, una delle maggiori sfide è controllare la protesi in modo che si muova allo stesso modo di un arto naturale. La maggior parte degli arti protesici viene controllata mediante l’elettromiografia, un modo per registrare l’attività elettrica dei muscoli, ma questo approccio fornisce solo un controllo limitato della protesi.

I ricercatori del Media Lab del MIT hanno ora sviluppato un approccio alternativo che ritengono possa offrire un controllo molto più preciso degli arti protesici. Dopo aver inserito piccole sfere magnetiche nel tessuto muscolare all’interno del residuo amputato, possono misurare con precisione la lunghezza di un muscolo mentre si contrae e questo feedback può essere trasmesso a una protesi bionica in pochi millisecondi.

In un nuovo studio apparso oggi in Robotica scientifica, i ricercatori hanno testato la loro nuova strategia, chiamata magnetomicrometria (MM), e hanno dimostrato che può fornire misurazioni muscolari rapide e accurate negli animali. Sperano di testare l’approccio nelle persone con amputazione entro i prossimi anni.

“La nostra speranza è che il MM sostituirà l’elettromiografia come modo dominante per collegare il sistema nervoso periferico agli arti bionici. E abbiamo questa speranza a causa dell’elevata qualità del segnale che otteniamo dal MM e del fatto che è minimamente invasivo e ha un basso ostacolo normativo e costi”, afferma Hugh Herr, professore di arti e scienze dei media, capo del gruppo Biomeccatronica nel Media Lab e autore senior dell’articolo.

Un team di ricerca del MIT sta sviluppando una tecnologia minimamente invasiva che utilizza sfere magnetiche per tracciare i ceppi tissutali in tempo reale. Questa nuova tecnologia, chiamata magnetomicrometria (MM), potrebbe fornire un controllo naturale e affidabile di protesi, esoscheletri e muscoli stimolati. MM traccia coppie di perline magnetiche incorporate nei muscoli utilizzando un array di rilevamento mobile, che consente di tracciare individualmente i movimenti sfumati di ciascun muscolo con notevole velocità e precisione. Questa tecnologia può migliorare notevolmente il controllo neurale e ha la possibilità di migliorare sostanzialmente il modo in cui gli esseri umani interagiscono con le macchine. Credito: MIT Media Lab / Cameron Taylor / Vessel Studios

Cameron Taylor, postdoc del MIT, è l’autore principale dello studio. Altri autori includono il postdoc del MIT Shriya Srinivasan, lo studente laureato del MIT Seong Ho Yeon, il professore di ecologia e biologia evolutiva della Brown University Thomas Roberts e il postdoc della Brown Mary Kate O’Donnell.

Misure precise

Con i dispositivi protesici esistenti, le misurazioni elettriche dei muscoli di una persona vengono ottenute utilizzando elettrodi che possono essere attaccati alla superficie della pelle o impiantati chirurgicamente nel muscolo. Quest’ultima procedura è altamente invasiva e costosa, ma fornisce misurazioni un po’ più accurate. Tuttavia, in entrambi i casi, l’elettromiografia (EMG) offre informazioni solo sull’attività elettrica dei muscoli, non sulla loro lunghezza o velocità.

“Quando usi il controllo basato sull’EMG, stai guardando un segnale intermedio. Stai vedendo cosa il cervello sta dicendo al muscolo di fare, ma non cosa sta effettivamente facendo il muscolo”, dice Taylor.

La nuova strategia del MIT si basa sull’idea che se i sensori potessero misurare ciò che i muscoli stanno facendo, tali misurazioni offrirebbero un controllo più preciso di una protesi. Per ottenere ciò, i ricercatori hanno deciso di inserire coppie di magneti nei muscoli. Misurando il modo in cui i magneti si muovono l’uno rispetto all’altro, i ricercatori possono calcolare quanto si stanno contraendo i muscoli e la velocità di contrazione.

Due anni fa, Herr e Taylor hanno sviluppato un algoritmo che ha notevolmente ridotto la quantità di tempo necessaria ai sensori per determinare la posizione di piccoli magneti incorporati nel corpo. Ciò li ha aiutati a superare uno dei principali ostacoli all’utilizzo del MM per controllare le protesi, ovvero il lungo lasso di tempo per tali misurazioni.

nel nuovo Robotica scientifica carta, i ricercatori hanno testato la capacità del loro algoritmo di tracciare i magneti inseriti nei muscoli del polpaccio dei tacchini. Le perle magnetiche che hanno usato avevano un diametro di 3 millimetri e sono state inserite ad almeno 3 centimetri di distanza l’una dall’altra: se sono più vicine di così, i magneti tendono a migrare l’uno verso l’altro.

Credito: MIT Media Lab / Cameron Taylor / Vessel Studios

Utilizzando una serie di sensori magnetici posizionati all’esterno delle gambe, i ricercatori hanno scoperto di essere in grado di determinare la posizione dei magneti con una precisione di 37 micron (circa la larghezza di un capello umano), mentre spostavano i tacchini. articolazioni della caviglia. Queste misurazioni potrebbero essere ottenute entro tre millisecondi.

Per il controllo di un arto protesico, queste misurazioni potrebbero essere inserite in un modello computerizzato che prevede dove si troverebbe nello spazio l’arto fantasma del paziente, in base alle contrazioni del muscolo rimanente. Questa strategia dirigerebbe il dispositivo protesico a muoversi nel modo in cui il paziente lo desidera, abbinando l’immagine mentale che ha della posizione dell’arto.

“Con la magnetomicrometria, misuriamo direttamente la lunghezza e la velocità del muscolo”, afferma Herr. “Attraverso la modellazione matematica dell’intero arto, possiamo calcolare le posizioni target e le velocità delle articolazioni protesiche da controllare, e quindi un semplice controller robotico può controllare quelle articolazioni”.

Controllo muscolare

Entro i prossimi anni, i ricercatori sperano di fare un piccolo studio su pazienti umani che hanno amputazioni sotto il ginocchio. Prevedono che i sensori utilizzati per controllare gli arti protesici potrebbero essere posizionati su indumenti, attaccati alla superficie della pelle o fissati all’esterno di una protesi.

Il MM potrebbe anche essere utilizzato per migliorare il controllo muscolare ottenuto con una tecnica chiamata stimolazione elettrica funzionale, che ora viene utilizzata per aiutare a ripristinare la mobilità nelle persone con lesioni del midollo spinale. Un altro possibile utilizzo di questo tipo di controllo magnetico sarebbe quello di guidare esoscheletri robotici, che possono essere attaccati a una caviglia o a un’altra articolazione per aiutare le persone che hanno subito un ictus o hanno sviluppato altri tipi di debolezza muscolare.

“Essenzialmente i magneti e l’esoscheletro agiscono come un muscolo artificiale che amplificherà la produzione dei muscoli biologici nell’arto colpito da ictus”, afferma Herr. “È come il servosterzo utilizzato nelle automobili”.

Un altro vantaggio dell’approccio MM è che è minimamente invasivo. Una volta inserite nel muscolo, le perline potrebbero rimanere in posizione per tutta la vita senza dover essere sostituite, afferma Herr.


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