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Piernas Robóticas Motorizadas – Saltando Hacia el Futuro

Wednesday, March 31, 2010

Lower leg amputee walking with the Vanderbilt powered prosthesis. The powered prosthesis reproduces many essential characteristics of healthy biomechanical walking, such as knee flexion during the various phases of walking, resistance of ankle flexion during heel strike, and powered ankle flexion during push-off, which other prostheses do not provide.

Lower leg amputee walking with the Vanderbilt powered prosthesis. The powered prosthesis reproduces many essential characteristics of healthy biomechanical walking, such as knee flexion during the various phases of walking, resistance of ankle flexion during heel strike, and powered ankle flexion during push-off, which other prostheses do not provide.

Según el Centro Nacional de Pérdida de Extremidades (NLLIC), 1,7 millones de personas en los Estados Unidos viven con algún tipo de amputación en sus extremidades, y aproximadamente 300.000 son amputados de la pierna por encima de la rodilla. Las actuales prótesis de miembros inferiores requieren que los amputados gasten esfuerzo importante al realizar movimientos coordinados de varias articulaciones. Normalmente, las articulaciones de las rodillas y tobillos en los seres humanos generan fuerza cuando uno camina o realiza otras funciones de locomoción como el subir escaleras o cuestas. Desafortunadamente, hasta las prótesis de pierna más sofisticadas y modernas no generan energía durante el movimiento; en vez, estos aparatos pasivos deben confiar en efectos de fuerzas de tierra y componentes mecánicos como las válvulas hidráulicas o articulaciones deslizantes para el funcionamiento adecuado. Para controlar la prótesis, los usuarios deben hacer movimientos extra con las caderas y el muñón. Al caminar, los amputados de pierna pueden llegar a gastar hasta un 60% más de energía metabólica en comparación con una persona sana.

Las limitaciones de los dispositivos pasivos se vuelven aún más intensas cuando los amputados usan escaleras y cuestas. Los amputados deben subir cuestas o escaleras una pierna a la vez, con la pierna ortopédica a zaga. El bajar las escaleras es aún más limitado y potencialmente peligroso. Los individuos con dos piernas sanas gastan mucha fuerza cuando bajan un tramo de escaleras pisando primero con los dedos del pie, lo cual permite que la articulación de la rodilla absorba la energía; esto evita el impulso excesivo al descender las escaleras. En contraste, los amputados deben bajar por las escaleras pisando primero con el talón y esto causa que con frecuencia no puedan controlar su aceleración, lo que les puede causar una caída. De hecho, los amputados se caen con tanta frecuencia como las personas mayores que viven en instituciones.

 

La Integración de Personas y Máquinas

Con la esperanza de superar estos obstáculos, Michael Goldfarb, profesor de ingenería mecánica en la Universidad de Vanderbilt, y sus co-investigadores Huseyin Atakan Varol y Frank Sup han desarrollado una prótesis robótica para la pierna inferior que incluyen articulaciones motorizadas de la rodilla y los tobillos. “Sólo en los últimos años hemos tenido la tecnología robótica adecuada para desarrollar una pierna motorizada que pueda reproducir la biomecánica de una pierna humana”, dice Goldfarb.

“Estamos entrando en lo que algunos llaman la era de la biónica…una fase donde el hombre y la máquina se están integrando”, dice Varol. “Creo que nuestro trabajo es un ejemplo pionero de esto”. Gracias a los avances en la tecnología de la batería, la prótesis tiene una batería completamente autónoma que puede proporcionar energía equivalente a los músculos y suficiente esfuerzo de torsión para remplazar la función de las articulaciones de la rodilla y el tobillo. “En general este poder resuelve una serie de problemas que aumentarían la calidad de vida de los amputados”, dice Varol. Incluso, la batería es recargable y puede durar fácilmente un día entero entre carga y carga. Esto equivale a aproximadamente 13.000 a 14.000 pasos. Esta es una característica valiosa considerando que en promedio las personas sanas caminan entre 7.000 y 12.000 pasos diarios. El típico amputado camina considerablemente menos pasos. Por eso se dice que la pierna Vanderbilt tiene inteligencia y fuerza muscular. El doctor Goldfarb y su equipo han integrado la tecnología microelectrónica en la prótesis, lo que permite una comunicación inteligente con el usuario. A diferencia de la mayoría de dispositivos artificiales que no pueden adaptarse o hacer varias tareas a la vez, la prótesis Vanderbilt puede adaptarse efectivamente al ambiente y los movimientos de el usuario, como ocurriría en la vida cotidiana. “Nuestro objetivo es restablecer la marcha normal en la vida diaria”, dice Sup.

Los sensores le permiten a la prótesis inferir la acción que el usuario desea realizar, como pasar de una posición sentada a estar de pie. Un sofisticado software, llamado reconocedor de intención (o en inglés, intent recognizers), se comporta como un computador que analiza los patrones de movimiento del usuario, como cambiar el peso de un lado a otro o los cambios en los ángulos articulares. Los patrones son después interpretados como acción de propulsión mecánica que ayuda al usuario a pasar de la posición sentada a la posición de pie con menos esfuerzo. Este análisis ocurre en unos cientos de milésimos de segundos y permite que las acciones entre el usuario y la pierna ortopédica sean fácilmente integradas. Aunque el software reconocedor de intención no puede ser 100% preciso, los puestos de control secundarios evitan que el usuario perciba algún error. “La capacidad cognitiva es la clave”, dice Varol. “Es importante que la prótesis entienda lo que el usuario quiere hacer”.

 

Dejar Que Caminen

Front and side views of the Vanderbilt powered knee and ankle prosthesis. The prosthesis includes powered knee and ankle joints; sensors that detect the load on the heel and ball of the foot and movement imparted to the prosthesis by the user; microcontrollers that are used to provide the appropriate knee and ankle joint control, based on the measured sensor information; and a rechargeable battery, which provides sufficient energy for a full day of activity and is fully enclosed within the structure of the prosthesis.

Front and side views of the Vanderbilt powered knee and ankle prosthesis. The prosthesis includes powered knee and ankle joints; sensors that detect the load on the heel and ball of the foot and movement imparted to the prosthesis by the user; microcontrollers that are used to provide the appropriate knee and ankle joint control, based on the measured sensor information; and a rechargeable battery, which provides sufficient energy for a full day of activity and is fully enclosed within the structure of the prosthesis.

La prótesis de Vanderbilt ha sido probada en sólo un amputado, pero los resultados han sido más que prometedores. El individuo ha registrado más de 300 horas con la pierna robótica y a la vez fue capaz de emular una marcha saludable, aún cuando cargaba una bolsa o mochilla. Su velocidad al caminar, la cual es auto-seleccionada, fue 25% más rápida que con la prótesis anterior de último modelo, y gastó entre 30-40% menos energía. La prótesis pesa 9,5 libras, como 2 libras más que su prótesis actual; sin embargo, el usuario no percibió la diferencia porque la prótesis genera una energía significativa. En los próximos meses más amputados pondrán a prueba la pierna Vanderbilt, la cual será optimizada para bajar cuestas y escaleras.

El doctor Goldfarb y su grupo anticipan que su prótesis estará lista para el desarrollo comercial en Agosto y estaría lista para la venta en los próximos 3 a 5 años. Se espera que su precio sea competitivo con las prótesis de pierna actuales de último modelo.

 

Un Malabarismo

El Dr. Goldfarb y sus colegas también esperan dotar la pierna con reflejos. Por ejemplo, si una persona se tropieza al caminar, la pierna puede responder para evitar una caída. “Esto requiere la capacidad de actuar de manera autónoma, algo que las actuales prótesis de pierna no tienen, pero la nuestra sí”, dice Goldfarb. Las prótesis pasivas no ayudan al usuario mientras está de pie en un terreno irregular, por lo que los amputados a menudo se paran de manera efectiva en una sola pierna. “Nuestra pierna tiene sensores suficientes como para saber qué tipo de terreno está pisando y entonces procura el equilibrio en las dos piernas”, agrega Goldfarb. Mejorar el equilibrio y la estabilidad para los amputados tiene el mayor potencial de beneficio para la salud porque puede prevenir caídas.

 

La Pierna Biónica

Aunque la pierna de Vanderbilt es más fuerte y más inteligente que las prótesis actuales, también tiene sus limitaciones. Sus procesadores sólo le permiten responder a actividades predefinidas, como caminar o subir escaleras. La pierna no puede reconocer de manera eficiente aquellas actividades no definidas, como bailar o jugar al baloncesto. Esto requeriría una fuente más compleja de entrada de información. En la actualidad, las prótesis de piernas no tienen las conexiones eléctricas hacia el usuario; están unidas con un enchufe y sujetadas por succión. Los investigadores han comenzado a mirar cómo integrar el sistema nervioso con la piernas ortopédicas. Esto implica implantar electrodos en los nervios de la pierna amputada que puedan comunicarse con las articulaciones de la prótesis. La pierna protésica podría entonces responder directamente a los comandos neurales sin pensamiento consciente por parte del usuario. Algunos trabajos se están haciendo con modelos de animales, pero todavía no existen las tecnologías necesarias para la integración neuronal de la prótesis robóticas. Sin embargo, el doctor Goldfarb y su equipo ya están pensando hacia el futuro.

Este trabajo está apoyado en parte por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágines Biomédicas.

 

Referencias

Varol HA, Sup FC, Goldfarb M. Multiclass Real-Time Intent Recognition of a Powered Lower Limb Prosthesis. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2010;57(3):542-51.

Sup F, Varol HA, Mitchell J, Withrow TJ, Goldfarb M. Preliminary evaluations of a self-contained anthropomorphic transfemoral prosthesis. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2009;14(6):667–76.