Las señales eléctricas del cuerpo ayudan a los investigadores a restaurar el movimiento y más

La tecnología para comprender la interfaz mente-cuerpo se basa en investigaciones para viajes espaciales.

La NASA hace preguntas difíciles: ¿Cómo es la situación en el planeta? Luna? ¿Ha habido vida en Marte? ¿Cómo se formaron las primeras estrellas? Encontrar estas grandes respuestas a menudo significa resolver primero una serie de preguntas más pequeñas pero igualmente desconcertantes.

Los sensores Trigno Mini se aplican a los músculos del antebrazo y la mano del pianista profesional Rui Urayama para comprender las estrategias de control de la motricidad fina. Crédito: Delsys Inc.

Por ejemplo, ¿cómo cambia la ingravidez prolongada la forma en que el cerebro controla los músculos? Cómo hace ¿El cerebro controla los músculos? Antes de enviar humanos a un largo viaje a Marte, la NASA quiere comprender mejor los efectos que el viaje tendrá en los astronautas.

Ahora, una empresa que ayudó a la agencia espacial a intentar resolver estas preguntas está ayudando a otros a encontrar respuestas tan interesantes como cualquier descubrimiento de la NASA.

Los investigadores que utilizan sistemas creados por Delsys Inc. de Natick, Massachusetts, están trabajando ahora para ayudar a las personas paralizadas a caminar nuevamente, para permitir que los amputados controlen las prótesis como cualquier parte normal del cuerpo y para permitir que los pacientes con laringectomía puedan hablar. Sin embargo, estos proyectos sólo son concebibles gracias a décadas de investigación y desarrollo, impulsadas por varias de las primeras asociaciones de la NASA.

El sensor Delsys Trigno Maize es capaz de detectar señales corporales electromiográficas (EMG) de alta densidad para permitir al operador comprender la musculatura y el control de los músculos en alta definición. Crédito: Delsys Inc.

Delsys fue fundada en 1993 por Carlo De Luca, director fundador del Centro de Investigación Neuromuscular (NMRC) de la Universidad de Boston, para comenzar a comercializar la tecnología que el centro estaba desarrollando.

En el centro de la misión del NMRC de mejorar la comprensión del control motor se encontraba la tecnología electromiográfica avanzada (EMG), que detecta y analiza las señales eléctricas del cuerpo emitidas cuando los nervios motores que transportan señales desde el cerebro y la médula espinal estimulan los músculos.

De Luca y su equipo ya habían sido pioneros en la tecnología EMG en etapa inicial antes de abrir el NMRC en 1984, y el trabajo del nuevo centro rápidamente atrajo el interés de la NASA.

Los sensores Delsys Trigno Quatro diseñados para los músculos faciales pueden convertir señales EMG de voz en boca a texto. Crédito: Delsys Inc.

A finales de los años 1980 y 1990, el Centro Espacial Johnson de la agencia en Houston ayudó a financiar estudios en los que el NMRC y luego Delsys probaron la fatiga muscular resultante del uso de diferentes diseños de guantes de trajes espaciales, así como el equilibrio corporal y la adaptabilidad neuromuscular de los astronautas antes y después del espacio. vuelos lanzadera.

En el año 2000, dos contratos de Investigación de Innovación para Pequeñas Empresas (SBIR) de Johnson ayudaron a Delsys a completar su primer sistema EMG comercial. llamado MyoMonitor.

Los investigadores están utilizando interfaces neuronales con sensores Delsys Trigno Mini para permitir a los pacientes controlar prótesis de última generación, como la i-Limb Quantum de Össur, que se muestra aquí. Crédito Delsys Inc.

Monitoreo de los músculos

Las pruebas con astronautas brindaron una valiosa oportunidad para que el equipo estudiara la adaptación neuromuscular a la ausencia de gravedad, dijo Serge Roy, quien trabajó con De Luca desde finales de la década de 1970 y ahora es director de investigación en Delsys y su brazo de investigación, Altec Inc. El equipo intentó simular la ingravidez en ratas de laboratorio.

Pero el trabajo de la NASA también planteó nuevas preguntas, dijo: «La cantidad de debilidad que se ve después de dos semanas de vuelo espacial no puede explicarse completamente por el grado de atrofia en el músculo».

Así que a principios de la década de 2000 se produjo otra ronda de desarrollo tecnológico y estudios de transbordadores espaciales para examinar el funcionamiento de los nervios motores individuales de los astronautas.

«Eso desencadenó una mayor evolución de la tecnología, que ha sido un pilar de nuestra investigación y nuestra línea de productos desde entonces», dijo Gianluca De Luca, primo segundo de Carlo, quien se convirtió en presidente de Delsys tras la muerte del padre De Luca en 2016.

Delsys y sus clientes están trabajando para fusionar señales EMG e información de movimiento de brazos y manos con experiencias de realidad virtual o aumentada para aplicaciones de telesalud. Crédito: Delsys Inc.

Para captar señales nerviosas motoras individuales, el equipo tuvo que insertar agujas con sensores electrónicos en las manos y piernas de los astronautas. Pero Delsys quería mejorar su tecnología para permitir este nivel de precisión a partir de sensores adheridos a la piel y hacer que esos sensores sean inalámbricos. Estos dos grandes desafíos se superaron con la ayuda de dos contratos SBIR más de Johnson.

Gianluca De Luca comparó la captación de señales nerviosas individuales de la superficie de la piel con el mapeo de las gotas de lluvia que caen en un estanque durante un aguacero, basándose en sus ondas.

«Si te pidiera que identificaras las gotas de lluvia individuales que provocaron ese patrón de ondas, no serías capaz de hacerlo».

Con la financiación de SBIR, la empresa diseñó sensores y algoritmos capaces de identificar cada una de esas señales, aunque procesar los datos de una sola prueba todavía llevó días. Sin embargo, a medida que avanzó la potencia informática, Delsys creó un software que ahora puede analizar esa gran cantidad de datos en tiempo real.

Hacer que los sensores sean inalámbricos no fue menos difícil, siendo el mayor desafío sincronizar perfectamente las señales de múltiples sensores colocados en todo el cuerpo. Esto es esencial para ver cómo los músculos trabajan juntos para coordinar movimientos complejos.

Debido a que los protocolos inalámbricos como Bluetooth pueden tener un retraso de varios milisegundos, la compañía desarrolló su propio lenguaje inalámbrico para que los sensores transmitan el momento exacto de cada activación nerviosa.

Los médicos y terapeutas utilizan los sensores Trigno Avanti para la rehabilitación física. Crédito: Delsys Inc.

Caminar y hablar

La mayoría de los clientes de los sistemas, sensores y software de Delsys siguen siendo laboratorios de investigación en universidades, empresas de dispositivos médicos y otras instituciones científicas que desarrollan tecnologías de vanguardia. Muchos están involucrados en proyectos que antes se habrían considerado imposibles.

De Luca dijo que varios están trabajando en la regeneración de nervios dañados para revertir la parálisis, incluida al menos una empresa que ha devuelto el movimiento a monos paralizados en el laboratorio. Si bien los nervios motores a veces pueden regenerarse con la ayuda de estimulación eléctrica junto con nuevas terapias que están en desarrollo, es difícil saber qué caminos están tomando esos nervios.

Aquí es donde los sistemas Delsys pueden ayudar a los investigadores a seguir el progreso detectando la ubicación y el grado de actividad nerviosa y muscular.

Otro proyecto en el que la empresa está trabajando con universidades y los Institutos Nacionales de Salud es un intento de permitir que los amputados controlen una prótesis como si fuera una parte natural del cuerpo. Mientras que otras prótesis robóticas se han comunicado con electrodos implantados quirúrgicamente, este enfoque nuevo, menos costoso y no invasivo interpretaría el disparo de señales EMG directamente desde los músculos restantes de una extremidad sin los riesgos de la cirugía.

Delsys también está trabajando con varios socios para desarrollar tecnología que permita a los pacientes hablar después de que les extirpen la laringe. La idea es utilizar primero la tecnología EMG para registrar las señales musculares y nerviosas de la cara y el cuello durante el habla. Luego, un programa podría traducir esas señales motoras nuevamente al habla.

«Así que hemos hecho este análisis elaborado y hemos creado una prótesis de habla que está en desarrollo», dijo Roy. «Es un uso de vanguardia de la tecnología EMG que tiene algunas aplicaciones prácticas bastante fascinantes».

Las empresas que fabrican artículos deportivos también se han convertido en clientes, afirmó De Luca. «Por ejemplo, todos los principales fabricantes de calzado para correr poseen nuestro equipo porque cuando diseñan un calzado, quieren comprender cómo su diseño afecta al cuerpo humano y sus movimientos».

A medida que la empresa ha hecho que algunos de sus dispositivos sean más simples y fáciles de usar, Delsys también ha comenzado a encontrar clientes fuera de los laboratorios de investigación. Estos incluyen neurocirujanos individuales, fisioterapeutas, entrenadores deportivos y otras personas interesadas en analizar el movimiento o los trastornos neuromusculares.

Si bien han pasado más de 15 años desde la última vez que Delsys trabajó con la NASA, De Luca dijo que la compañía, ahora una operación global, continúa beneficiándose de la larga relación del equipo con la agencia espacial, que sentó las bases para sus productos emblemáticos. «Muchos de nuestros primeros desarrollos fueron sembrados por preguntas de investigación más amplias que tuvieron su inicio con los estudios centrados en la NASA».

Fuente: NASA