Cómo mejora una prótesis de tobillo el control del equilibrio

Cuando una persona pierde una pierna u otra extremidad, una prótesis (un instrumento diseñado para sustituir la parte del cuerpo que falta) puede contribuir a mejorar su calidad de vida, ayudándole a desplazarse y a mantener la estabilidad. Sin embargo, aunque la mayoría de los dispositivos protésicos son beneficiosos, los disponibles actualmente para los miembros inferiores no pueden proporcionar un control continuo del equilibrio o la postura. Sin un control neural adecuado (cerebro y nervios), las personas con prótesis de miembro inferior son más propensas a caerse o a tener dificultades para caminar sobre determinadas superficies. 

Los investigadores financiados por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas (NIBIB) están trabajando en una prótesis de tobillo que pueda utilizar los músculos restantes, y las señales neuronales de los músculos, para mejorar la estabilidad de los amputados y su capacidad para mantener una posición erguida.

¿Cuán importantes son las prótesis de miembros inferiores? 

Alrededor de dos millones de personas en Estados Unidos viven con una amputación, siendo las amputaciones de miembros inferiores las más frecuentes. Muchas personas optan por utilizar una prótesis para caminar y realizar otros tipos de movimientos. 

¿Qué tipos de prótesis hay?

Hay varios tipos de prótesis de miembros inferiores:

• Prótesis pasivas: están diseñadas para sostener el cuerpo, pero generalmente no se mueven por sí solas. Pueden ser estáticas o ajustables y suelen estar diseñadas para parecerse a una extremidad natural. Estas prótesis no están motorizadas ni tienen una amplitud de movimiento natural. La mayoría de las prótesis de miembros inferiores son pasivas. 
• Prótesis eléctricas: están diseñadas para funcionar de forma más natural. Pueden controlarse para que se muevan en función del movimiento del muñón del amputado (la parte del miembro que queda después de una amputación) o en función de otras señales del cuerpo. Estas señales se miden con sensores que envían información a un modelo informático para controlar el equilibrio y el movimiento. 

¿En qué consiste la investigación?

Las señales eléctricas o neuronales que van de los músculos al cerebro nos ayudan a mover todo el cuerpo, incluidas las extremidades. Incluso después de una amputación, estas señales neuronales desempeñan un papel fundamental en el movimiento de los muñones. La doctora Helen Huang y su grupo de investigación están desarrollando un nuevo modelo informático para controlar una prótesis de miembro inferior que anticipe el equilibrio o el movimiento que pretende realizar la persona. Este sistema utiliza el control electromiográfico directo (dEMG). En 2021, el equipo de investigación publicó un estudio de caso (en inglés) en el que se evaluaba el funcionamiento de una prótesis de tobillo controlada por dEMG en una persona con amputación transtibial (amputación de la extremidad por debajo de la rodilla).

Tras una amputación, una persona ya no dispone de las señales neuronales que antes movían toda la extremidad, por lo que generalmente necesitará generar nuevas señales para utilizar de forma diferente los músculos del muñón. En el sistema de la Dra. Huang, los sensores dEMG detectan estas nuevas señales neuronales de los músculos del muñón. Cuando se utiliza por primera vez la prótesis de tobillo controlada por dEMG, el muñón se mueve de forma no natural, mientras el modelo informático aprende cómo quiere moverlo el usuario. Las personas que utilicen una prótesis controlada por dEMG trabajarán con un fisioterapeuta que les ayude a «entrenar» los músculos residuales para que funcionen con el dispositivo. Este entrenamiento ayudará al modelo informático a controlar mejor el dispositivo para crear un equilibrio y un movimiento más naturales.

¿Cómo funciona esta prótesis dEMG?;

• Los investigadores colocan electrodos de superficie (sensores) en el muñón. Estos sensores detectan señales eléctricas (EMG) en los músculos residuales de la persona. 
• Cuando la persona contrae el músculo residual (por ejemplo, flexionando el pie), la actividad EMG se envía a un modelo informático.
• El modelo informático aprende a interpretar las intenciones de movimiento de la persona para crear un sistema protésico dEMG a medida.
• El dEMG controla los músculos artificiales neumáticos (parte del dispositivo protésico que utiliza aire a presión para contraerse o extenderse), lo que permite a la persona controlar de forma natural su tobillo en función de sus intenciones.

¿Cuáles fueron los resultados del estudio?

El equipo de investigación evaluó la estabilidad de una persona cuando utilizaba su tobillo protésico pasivo y, tras finalizar la fisioterapia, cuando utilizaba el tobillo protésico controlado por dEMG. El estudio encontró que su estabilidad mejoraba notablemente cuando llevaba la prótesis de tobillo controlada por dEMG. Incluso mejoró el control cuando estaba de pie sobre una superficie de espuma y con los ojos cerrados. La sincronización entre su muñón y la prótesis dEMG también era mucho mayor que con su prótesis pasiva habitual. 

Los investigadores están ampliando este estudio para incluir a varias personas más que han perdido sus extremidades inferiores.