Pesquisadores do MIT demonstraram que conseguem rastrear com precisão o movimento muscular usando minúsculas esferas magnéticas implantadas nos músculos. Essas medições podem facilitar o controle de próteses por pessoas com certos tipos de amputações.

Durante décadas, pesquisadores têm trabalhado no desenvolvimento de membros neuroprotéticos, que utilizam informações neurais dos músculos remanescentes após uma amputação para guiar o membro protético. Medições do comprimento, velocidade e ativação muscular podem ser inseridas nos algoritmos de controle que guiam os membros, permitindo que indivíduos com amputação de perna caminhem com uma marcha mais natural, ou que aqueles com amputação de braço manipulem objetos com maior eficácia.

Até o momento, esses dispositivos dependem de medições da atividade muscular por meio de eletrodos colocados na superfície da pele. No entanto, essas medições não se mostraram suficientemente confiáveis para garantir a segurança ao caminhar com uma perna neuroprotética. 

A equipe do MIT espera que seu novo sistema de rastreamento magnético, que oferece medições mais precisas, possibilite o desenvolvimento comercial de tais próteses.

“Durante quatro décadas, a metodologia padrão para o controle neural de próteses tem sido o uso de eletrodos de pele para medir a ativação muscular. No entanto, para controlar um membro protético, é necessário controlar a posição da articulação, o torque ou a impedância, e não se pode determinar diretamente esses sinais mecânicos usando apenas a ativação elétrica”, afirma Hugh Herr, professor de artes e ciências da mídia, codiretor do Centro K. Lisa Yang de Biônica do MIT, membro associado do Instituto McGovern de Pesquisa Cerebral do MIT e autor sênior do novo estudo.

No novo estudo, publicado hoje na Nature Sensors , os pesquisadores demonstraram a precisão das medições magnéticas em três participantes com amputações abaixo do joelho.

“Essa interface é minimamente invasiva, então poderia ser acessível a mais pessoas. Você coloca duas microesferas no músculo e tem acesso a todas essas informações valiosas sobre a dinâmica muscular”, diz Christopher Shallal, estudante de pós-graduação do MIT no Programa Harvard-MIT em Ciências e Tecnologia da Saúde e um dos principais autores do artigo.

O outro autor principal do artigo é Cameron Taylor, PhD '20, professor assistente de engenharia biomédica na Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill.

Há muitos anos, o laboratório de Herr desenvolve interfaces homem-máquina que podem ser usadas para controlar uma prótese de forma a torná-la mais semelhante ao uso de um membro natural. Obter medições precisas de como o usuário movimenta os músculos no local da amputação é fundamental para o sucesso desse tipo de prótese.

Eletrodos na superfície da pele podem revelar a ativação elétrica do músculo subjacente, e essas medições podem ser convertidas em estimativas de quanto um músculo está se contraindo ou flexionando. Com base nessa informação, um controlador robótico gera comandos que guiam o membro protético na direção desejada pelo usuário. 

No entanto, essa abordagem de medição, conhecida como eletromiografia, nem sempre fornece informações suficientemente precisas. O sinal elétrico não é um indicador perfeito da dinâmica muscular; por exemplo, quando um músculo é mantido em um comprimento fixo por vários segundos, o sinal se dissipa. Além disso, os eletrodos podem captar sinais de músculos diferentes do alvo pretendido, e o suor pode interferir na detecção do sinal.

No ano passado, Herr e seus colegas relataram uma  prótese de "joelho biônico" que utiliza eletrodos implantados nos músculos para fornecer medições precisas e enviá-las a um controlador robótico. Essa abordagem se mostrou bem-sucedida em um pequeno estudo clínico, mas, paralelamente a esse trabalho, a equipe de Herr também vem desenvolvendo uma abordagem menos invasiva que utiliza ímãs em vez de eletrodos.

Com essa abordagem, conhecida como magnetomicrometria, pares de ímãs são implantados nos músculos. Quando um músculo se contrai ou se alonga, sensores externos colocados na pele podem medir a mudança na distância entre os ímãs, permitindo o cálculo do comprimento e da velocidade do músculo.

“Os ímãs podem ser rastreados sem fio pelo corpo, permitindo obter sinais musculares muito específicos e medir a produção mecânica do músculo sem a necessidade de procedimentos extremamente invasivos”, afirma Shallal.

Em um estudo de 2021 liderado por Taylor, o laboratório de Herr demonstrou pela primeira vez a  técnica baseada em ímãs em modelos animais. O novo estudo publicado na Nature Sensors amplia a abordagem para humanos com implantes magnéticos de longa duração. Para o estudo, os pesquisadores recrutaram três participantes que sofreram amputações abaixo do joelho.

Todos esses participantes sofreram um tipo de amputação que cria o que é chamado de interface mioneural agonista-antagonista (AMI). Nesse procedimento cirúrgico, os pares musculares são reconectados durante a cirurgia, de modo que continuem a se comunicar dinamicamente entre si no membro residual. Esse feedback sensorial, chamado propriocepção, ajuda o usuário da prótese a decidir como posicioná-la e movimentá-la. 

Os participantes tiveram ímãs implantados em até quatro músculos da articulação do tornozelo. As cirurgias foram realizadas no Brigham and Women's Hospital, em colaboração com o cirurgião plástico Matthew Carty, coautor do estudo. As esferas têm 3 milímetros de diâmetro, aproximadamente o tamanho de uma semente de gergelim. Os ímãs são feitos de uma liga de neodímio, ferro e boro, e revestidos com ouro e um polímero chamado parileno C para torná-los biocompatíveis. Os sinais magnéticos podem ser lidos a uma profundidade de até 6 centímetros da superfície da pele, usando um sensor externo personalizado que é usado sobre a pele, posicionado sobre os músculos que estão sendo monitorados. 

Cada um dos participantes deste estudo também teve eletrodos implantados nos mesmos músculos que receberam as microesferas magnéticas. Isso permitiu aos pesquisadores comparar a precisão de três tipos diferentes de medições: magnetomicrometria, eletromiografia com eletrodos implantados e eletromiografia com eletrodos na superfície da pele.

Durante os experimentos, os participantes não usavam prótese, mas foram solicitados a realizar tarefas como mover um cursor na tela até um alvo específico usando seus movimentos musculares. Utilizando cada uma das três técnicas de medição, os sinais gerados pelos movimentos musculares foram traduzidos em sinais de controle que, neste caso, moviam o cursor, mas que, no futuro, poderiam ser enviados ao controlador de uma prótese robótica de tornozelo e pé.  

“O cursor na tela representava os graus de liberdade que eles controlariam em uma prótese robótica de tornozelo e pé. Essa tarefa neuroprotética virtual nos permitiu comparar o desempenho entre diferentes interfaces neurais, e nossos resultados sugerem que a abordagem baseada em ímãs pode oferecer um controle mais preciso e estável”, diz Shallal.

Os pesquisadores estão agora realizando um estudo mais amplo, no qual avaliam a capacidade das pessoas de controlar membros protéticos usando medições das esferas magnéticas. 

A pesquisa foi financiada, em parte, pelo Yang Tan Collective do MIT, bem como por uma Bolsa de Pesquisa de Pós-Graduação da Fundação Nacional de Ciência (National Science Foundation Graduate Research Fellowship) e por uma Bolsa de Pós-Graduação HEALS do MIT.