Logro innovador: la mano biónica se fusiona con los sistemas nervioso y esquelético del usuario y permanece funcional después de años de uso diario.
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Resumen La restauración de la función sensoriomotora después de una amputación sigue siendo un desafío debido a la falta de interfaces hombre-máquina que proporcionen control, retroalimentación y apego confiables. Aquí presentamos la implementación clínica de una prótesis neuromusculoesquelética transradial: una mano biónica conectada directamente a los sistemas nervioso y esquelético del usuario. En una persona con amputación unilateral por debajo del codo, se colocaron implantes de titanio intramedulares en los huesos del radio y el cúbito, y se crearon quirúrgicamente construcciones electromusculares transfiriendo los nervios cortados a injertos musculares libres. Se implantaron electrodos en los músculos nativos, los injertos de músculos libres y el nervio cubital. Las extensiones percutáneas de los implantes de titanio proporcionaron una unión esquelética directa y una comunicación bidireccional entre los electrodos implantados y una prótesis de mano. La operación de la mano biónica en la vida diaria dio como resultado una mejor función protésica, una reducción del dolor postamputación y una mayor calidad de vida. Las sensaciones provocadas mediante estimulación neuronal directa se percibieron consistentemente en la mano fantasma durante todo el estudio. A la fecha el paciente continúa utilizando la prótesis en la vida diaria. La funcionalidad de las extremidades artificiales convencionales se ve obstaculizada por la incomodidad y el control limitado y poco fiable. Las interfaces neuromusculoesqueléticas pueden superar estos obstáculos y proporcionar los medios para el uso diario de una prótesis con control neuronal confiable fijada en el esqueleto. |
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Prótesis revolucionarias: a una mujer sueca que perdió su mano derecha en un accidente agrícola se le implantó una nueva interfaz hombre-máquina en sus huesos, nervios y músculos residuales.
La vida de Karin dio un giro dramático cuando un accidente agrícola le quitó el brazo derecho hace más de 20 años. Desde entonces, soportó un dolor insoportable en el miembro fantasma. “Me sentía como si estuviera constantemente metiendo la mano en una picadora de carne, lo que me creaba un alto nivel de estrés y tenía que tomar altas dosis de varios analgésicos”. Además de su dolor intratable, descubrió que las prótesis convencionales eran incómodas y poco fiables y, por tanto, de poca ayuda en la vida diaria. Todo esto cambió cuando recibió una innovadora tecnología biónica que le permitió llevar cómodamente durante todo el día una prótesis mucho más funcional. La mayor integración entre el muñón biónico y el muñón de Karin también alivió su dolor. “Para mí esta investigación ha significado mucho, ya que me ha dado una vida mejor”.
Una notable fusión entre humanos y máquinas
La fijación mecánica y el control confiable de las prótesis son dos de los mayores desafíos en el reemplazo de extremidades artificiales. Las personas con pérdida de extremidades a menudo rechazan incluso las prótesis sofisticadas disponibles comercialmente por estas razones, lo que significa una unión dolorosa e incómoda con un control limitado y poco confiable. Un grupo multidisciplinario de ingenieros y cirujanos resolvió estos problemas desarrollando una interfaz hombre-máquina que permite que la prótesis se adhiera cómodamente al esqueleto del usuario mediante osteointegración, al tiempo que permite la conexión eléctrica con el sistema nervioso a través de electrodos implantados en nervios y músculos.
La investigación fue dirigida por el Prof. Max Ortiz Catalan, jefe de investigación de prótesis neurales del Bionics Institute de Australia y fundador del Centre for Bionics and Pain Research (CBPR) de Suecia. “Karin fue la primera persona con amputación por debajo del codo que recibió este nuevo concepto de mano biónica altamente integrada que se puede utilizar de forma independiente y fiable en la vida diaria. El hecho de que haya podido utilizar su prótesis de manera cómoda y efectiva en las actividades diarias durante años es un testimonio prometedor de las capacidades potenciales de esta novedosa tecnología para cambiar la vida de personas que enfrentan la pérdida de una extremidad”. Los desafíos en este nivel de amputación son los dos huesos (radio y cúbito) que deben estar alineados y cargados por igual, y que no hay mucho espacio disponible para los componentes implantados y protésicos.No obstante, el equipo de investigación logró desarrollar un implante neuromusculoesquelético adecuado que permite conectar el sistema de control biológico del usuario (el sistema nervioso) con el sistema de control electrónico de la prótesis. “Nuestro enfoque quirúrgico y de ingeniería integrado también explica la reducción del dolor, ya que Karin ahora utiliza para controlar la prótesis los mismos recursos neuronales que utilizó para su mano biológica perdida”. El tratamiento y la prevención del dolor posamputación es otro de los principales objetivos del equipo del Prof. Ortiz Catalán. Respecto a este asunto, Karin dijo que ahora tenemos “mejor control sobre mi prótesis, pero sobre todo, mi dolor ha disminuido. Hoy necesito mucha menos medicación”.
Una característica clave de la nueva tecnología biónica es la fijación esquelética de la prótesis mediante osteointegración; el proceso por el cual el tejido óseo abraza el titanio creando una fuerte conexión mecánica. El Prof. Rickard Brånemark, investigador asociado del MIT, profesor asociado de la Universidad de Gotemburgo y director ejecutivo de Integrum, dirigió la cirugía y ha trabajado con la osteointegración de las prótesis de extremidades desde que se utilizaron por primera vez en humanos: “La integración biológica de los implantes de titanio en el tejido óseo crea oportunidades para seguir avanzando en la atención de los amputados. Al combinar la osteointegración con la cirugía reconstructiva, los electrodos implantados y la inteligencia artificial, podemos restaurar la función humana de una manera sin precedentes. El nivel de amputación por debajo del codo presenta desafíos particulares, y el nivel de funcionalidad alcanzado marca un hito importante para el campo de las reconstrucciones avanzadas de extremidades en su conjunto”.
Los nervios y músculos del muñón se reorganizaron para proporcionar más fuentes de información de control motor a la prótesis.
El Dr. Paolo Sassu dirigió esta parte de la cirugía que tuvo lugar en el Hospital Universitario Sahlgrenska en Suecia, donde también dirigió el primer trasplante de mano realizado en Escandinavia: “Dependiendo de las condiciones clínicas, podemos ofrecer a nuestros pacientes la mejor solución que a veces es biológico con un trasplante de mano, y a veces es biónico con una prótesis neuromusculoesquelética. Estamos mejorando continuamente en ambos ”. El Dr. Sassu trabaja actualmente en el Istituto Ortopedico Rizzoli en Italia y en el Centro de Investigación en Biónica y Dolor en Suecia.
“El proyecto DeTOP, financiado por la Comisión Europea”, afirma el coordinador Prof. Christian Cipriani, de la Scuola Sant'Anna de Pisa, “ofreció una gran oportunidad de colaboración que hizo posible la consolidación de las tecnologías protésicas y robóticas más modernas disponibles en nuestras instituciones, eso puede tener un impacto tremendo en la vida de las personas”.
La mano robótica desarrollada por Prensilia, llamada Mia Hand, presentaba componentes motores y sensoriales únicos que permitían al usuario realizar el 80% de las actividades de la vida diaria. “La aceptación de la prótesis es fundamental para su uso exitoso”, afirma el Dr. Francesco Clemente, director general de Prensilia. “Además del rendimiento técnico, Prensilia se esforzó por desarrollar una mano que pudiera ser totalmente personalizable desde el punto de vista estético. Mia Hand nació para mostrarse y no ocultarse. Queríamos que los usuarios estuvieran orgullosos de lo que son, en lugar de avergonzarse de lo perdido”
Este trabajo fue uno de los principales resultados de un proyecto financiado por la Comisión Europea en el marco de Horizonte 2020 llamado DeTOP (GA #687905) ( vídeo ). La investigación también fue financiada por la Fundación Promobilia, la Fundación IngaBritt y Arne Lundbergs y el Consejo Sueco de Investigación (Vetenskapsrådet).
Los investigadores trabajan en el Centro de Investigación sobre Biónica y Dolor ( CBPR ), una colaboración multidisciplinaria entre el Hospital Universitario Sahlgrenska , la Academia Sahlgrenska de la Universidad de Gotemburgo y la Universidad Tecnológica de Chalmers , todos en Gotemburgo, Suecia; el Instituto de Biónica de Melbourne, Australia; el Istituto Ortopedico Rizzoli , Bolonia, Italia; la Scuola Superiore Sant'Anna , Pisa, Italia; TeamOlmed en Suecia; la Universidad de Colorado , Aurora, Estados Unidos; el Instituto Tecnológico de Massachusetts , Cambridge, EE.UU.; y las empresas de dispositivos médicos Integrum ABen Suecia y Prensilia en Italia. El proyecto DeTOP también incluyó a la Universidad de Lund, el Centro Suizo de Electrónica y Microtecnología, el Centro de Prótesis INAIL y la Universitá Campus Bio-Medico.