El exoesqueleto de cuerpo entero podría ayudar a las personas con tetraplejia

 

Un exoesqueleto de cuerpo entero controlado por señales cerebrales recientemente ayudó a un hombre tetrapléjico a mover sus brazos y caminar. Utilizó un arnés montado en el techo para mantener el equilibrio. Si bien los primeros resultados son prometedores, el sistema robótico de cuatro extremidades y la interfaz cerebro-máquina necesitarán refinamiento antes de la aplicación clínica y antes de que pueda estar ampliamente disponible, dijo el equipo de investigación detrás del exoesqueleto.

El paciente tetrapléjico pudo mover las cuatro extremidades paralizadas utilizando un sistema que registraba y decodificaba las señales cerebrales para operar el exoesqueleto de todo el cuerpo, según los resultados de un ensayo publicado en The Lancet Neurology diario.

Los investigadores realizaron un estudio de dos años para el sistema robótico, que según ellos podría ayudar a mejorar la calidad de vida y la autonomía de los pacientes. Por ahora, sin embargo, el tratamiento es experimental, y aún deben hacerse mejoras importantes, dijeron.

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Exoesqueleto de cuerpo entero controlado por ondas cerebrales

«El nuestro es el primer sistema de cerebro-computadora inalámbrico semi-invasivo diseñado para uso a largo plazo para activar las cuatro extremidades», dijo Alim-Louis Benabid, presidente de la junta ejecutiva de Clinatec y profesor emérito de la Universidad de Grenoble, Francia. Clinatec es un laboratorio de investigación biomédica del CEA, o la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica.

«Estudios previos de cerebro-computadora han utilizado dispositivos de grabación más invasivos implantados debajo de la membrana más externa del cerebro, donde eventualmente dejan de funcionar», dijo Benabid. «También se han conectado a cables, limitados a crear movimiento en una sola extremidad, o se han centrado en restaurar el movimiento a los músculos de los pacientes».

En las lesiones de la médula espinal cervical, la más grave de las lesiones de la médula espinal, alrededor del 20% de los pacientes quedan tetrapléjicos, con las cuatro extremidades parcial o completamente paralizadas. El paciente de 28 años en el nuevo ensayo quedó paralizado desde los hombros hacia abajo, con solo algo de movimiento en sus bíceps y muñeca izquierda. Pudo operar una silla de ruedas con un joystick controlado con su brazo izquierdo.

Se implantaron dos dispositivos de grabación, uno a cada lado de su cabeza entre el cerebro y la piel, para abarcar la corteza sensoriomotora, el área del cerebro que controla la sensación y la función motora. Cada grabadora contenía una cuadrícula de 64 electrodos que recolectaban señales cerebrales y luego las transmitían a un algoritmo de decodificación. Este sistema tradujo las señales cerebrales en los movimientos que el paciente pensó y envió comandos al exoesqueleto de todo el cuerpo para completarlos.

Entrenar el algoritmo jugando un videojuego

Anteriormente, otro paciente fue reclutado para el estudio pero fue excluido porque los implantes cerebrales dejaron de comunicarse con el algoritmo y tuvieron que ser retirados.

A lo largo de los 24 meses del estudio, el paciente restante realizó varias tareas mentales para entrenar el algoritmo para comprender sus pensamientos y aumentar progresivamente la cantidad de movimientos que podía hacer. Esto incluía controlar un avatar virtual para jugar un videojuego similar a Pong, alcanzar objetivos con un avatar y en el exoesqueleto de todo el cuerpo, y caminar.

El progreso del paciente se midió en términos de cuántos grados de libertad fue capaz de lograr durante las tareas, desde operar un interruptor impulsado por el cerebro para comenzar a caminar, hasta tocar objetos 2D y 3D. El exoesqueleto de cuerpo entero tiene 14 articulaciones y 14 grados de libertad. El operador pasó un total de 45 días operando en el laboratorio, y las habilidades que adquirió se reforzaron con 95 días de entrenamiento en casa con un investigador usando un avatar y el videojuego.

La tarea más simple era encender el interruptor del cerebro para comenzar a caminar en un videojuego donde hizo una caminata de avatar. A continuación, el exoesqueleto comenzó a caminar mientras estaba conectado al arnés suspendido.

Buscando éxito, estabilidad para el exoesqueleto de cuerpo entero

El éxito del paciente se midió en términos de cuántas veces logró activar el interruptor. Dos meses después de la cirugía, tuvo éxito el 73% del tiempo durante seis sesiones usando el exoesqueleto. Usando el avatar, el videojuego y el exoesqueleto combinados, cubrió un total de 145 m (475 pies) con 480 pasos en 39 sesiones.

«Nuestro paciente ya considera que su movilidad protésica en rápido aumento es gratificante, pero su progreso no ha cambiado su estado clínico», dijo Benabid.

Usando tanto el avatar como el exoesqueleto para tareas más complejas, el probador progresó desde alcanzar los objetivos en cubos con una mano a la vez (moviéndose en tres dimensiones) cinco meses después de la cirugía a usar ambas manos para tocar objetivos en los cubos 16 meses después de la cirugía (moviéndose en ocho dimensiones, incluida la rotación de ambas muñecas). Completó cinco tareas de ocho dimensiones con una tasa de éxito del 71%.

«Algoritmos innovadores adaptativos basados ​​en métodos de inteligencia artificial [machine learning] han sido desarrollados para decodificar una gran cantidad de grados de libertad «, dijo la Dra. Tetiana Aksenova, directora de investigación de procesamiento de señal de interfaz cerebro-computadora de la Universidad de Grenoble. «La calidad excepcional de las señales neuronales recogidas permitió una decodificación estable y robusta».

Durante los 24 meses de la prueba, el sistema no necesitó ser recalibrado por hasta siete semanas, lo que demuestra que puede ser adecuado para el uso diario durante un período prolongado. La calidad de las grabaciones de los implantes se mantuvo estable, el algoritmo continuó decodificando las señales y el paciente no experimentó complicaciones posquirúrgicas.


El exoesqueleto de cuerpo entero podría ayudar a las personas con tetraplejia


Próximos pasos y gestión de expectativas

«Nuestros hallazgos podrían acercarnos un paso más a ayudar a los pacientes tetrapléjicos a manejar computadoras usando solo señales cerebrales, tal vez comenzando por conducir sillas de ruedas usando actividad cerebral en lugar de joysticks y progresando hacia el desarrollo de un exoesqueleto para una mayor movilidad», dijo el profesor Stephan Chabardes, neurocirujano en el Centre Hosptalier Universitaire de Grenoble-Alpes, Francia.

Se reclutaron otros tres pacientes y el ensayo está en curso. El siguiente objetivo de los investigadores es resolver el problema de permitir que un paciente camine y se balancee de manera autónoma sin usar un sistema de suspensión de techo.

Otros estudios también arrojarán más luz sobre la función cerebral, proporcionando más información sobre cómo las cortezas sensoriomotoras generan las señales necesarias para lograr movimientos reales y virtuales. Los autores descubrieron que el paciente podía realizar tareas con un promedio de éxito de 10% a 20% mayor usando el exoesqueleto que con el avatar. Esto puede deberse a que la retroalimentación con el avatar es puramente visual, mientras que con el exoesqueleto el paciente obtiene una retroalimentación más rica del mundo real.

«Una originalidad de este estudio muestra el control de cuatro extremidades, mientras que en la mayoría de los estudios anteriores, solo se controlaba una extremidad», comentó Tom Shakespeare, profesor de la London School of Hygiene and Tropical Medicine. «Sin embargo, caminar de forma autónoma con equilibrio no es tan lejos posible».

“Aunque este estudio presenta un avance positivo y emocionante, debemos recordar que la prueba de concepto está muy lejos de la posibilidad clínica utilizable. Siempre existe un peligro de exageración en este campo ”, agregó. “Incluso si alguna vez es viable, las limitaciones de costos significan que las opciones de alta tecnología nunca estarán disponibles para la mayoría de las personas en el mundo con lesiones de la médula espinal. Un análisis sugiere que solo el 15% de la población discapacitada del mundo tiene acceso a las sillas de ruedas u otras tecnologías de asistencia que necesitan «.

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