Uma perna robótica que pode ser totalmente controlada pelo cérebro e pela medula espinhal permitiu que sete pessoas que perderam uma perna andassem tão rápido quanto pessoas sem amputações.

A perna biônica usa uma interface de computador que amplifica os sinais nervosos dos músculos da parte restante da perna, permitindo ao usuário mover a prótese usando seus próprios pensamentos e reflexos naturais.

Num ensaio clínico com 14 pessoas, os participantes com esta interface conseguiram andar 41% mais rápido do que aqueles com pernas robóticas tradicionais. Eles também tinham melhor equilíbrio e capacidade de mudar de velocidade, subir escadas e superar obstáculos. Os resultados foram anunciados hojeMedicina da Naturezapublicado 1.

“Este é o primeiro estudo a mostrar padrões naturais de marcha com modulação neural completa, onde o cérebro da pessoa tem 100% de controle sobre a prótese biônica, e não sobre um algoritmo robótico”, disse o coautor do estudo. Hugo Senhor, biofísico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts em Cambridge, em entrevista coletiva anunciando os resultados.

“Embora a perna seja feita de titânio, silicone e vários componentes eletromecânicos, a perna sente e se move naturalmente, sem pensamento consciente”, acrescentou.

Herr teve ambas as pernas amputadas depois de ficar preso no gelo no Monte Washington, em New Hampshire, durante uma nevasca em 1982. Ele diz que consideraria dispositivos de interface para seus membros no futuro.

Músculo encontra máquina

A maioria dos membros artificiais biônicos existentes depende de algoritmos predefinidos para controlar os movimentos e podem alternar automaticamente entre modos predefinidos para diferentes condições de caminhada. Modelos avançados têm ajudado pessoas amputadas a andar, correr e subir escadas com mais fluidez, mas o robô mantém o controle do movimento das pernas, não do usuário, e o dispositivo não parece parte do corpo.

Determinados a mudar isso, Herr e seus colegas desenvolveram uma interface que controla a perna robótica usando sinais dos nervos e músculos que permanecem após a amputação.

O ensaio clínico incluiu 14 participantes com amputações abaixo do joelho. Antes de usar o dispositivo robótico, sete deles foram submetidos a uma cirurgia para conectar pares de músculos nas seções restantes das pernas.

Essa técnica cirúrgica, que cria uma interface mioneural agonista-antagonista (IAM), visa recriar os movimentos musculares naturais para que a contração de um músculo estique outro. Isto ajuda a aliviar a dor, manter a massa muscular e melhorar o conforto com a perna biónica 2.

A própria perna biônica inclui uma prótese de tornozelo equipada com sensores e eletrodos fixados na superfície da pele. Eles capturam sinais elétricos gerados pelos músculos no local da amputação e os enviam para um pequeno computador para decodificação. A perna pesa 2,75 kg, semelhante ao peso médio de uma perna natural.

Melhorias rápidas

Para testar o sistema, os participantes praticaram com as suas novas pernas biónicas durante um total de seis horas cada. Os pesquisadores então compararam seu desempenho em diversas tarefas com o de outros sete participantes que haviam recebido cirurgia convencional e próteses.

O IAM aumentou a taxa de sinais musculares para uma média de 10,5 pulsos por segundo, em comparação com cerca de 0,7 pulsos por segundo no grupo de controle. Embora isto represente apenas 18% dos impulsos musculares em músculos biologicamente intactos – cerca de 60 impulsos por segundo – os participantes com IAM conseguiram controlar totalmente as suas próteses e caminharam 41% mais rápido do que os do grupo de controlo. Suas velocidades máximas correspondem às de pessoas sem amputações ao caminhar em um caminho plano ao longo de um corredor de 10 metros de comprimento.

“Na verdade, achei notável que eles conseguissem se sair tão bem com tão pouco aprendizado”, diz Levi Hargrove, neurocientista da Universidade Northwestern, em Chicago, Illinois. “Eles veriam ainda mais benefícios com um período de treinamento mais longo para usar o dispositivo.”

Os pesquisadores também testaram até que ponto os participantes conseguiam lidar com diversas situações, incluindo andar em um chão com inclinação de 5 graus, subir escadas e superar obstáculos. Em todos os cenários, os usuários da AMI demonstraram melhor equilíbrio e desempenho mais rápido do que as pessoas do grupo de controle.

“Isso dá ao usuário um alto grau de flexibilidade que está muito mais próximo da perna biológica”, diz Tommaso Lenzi, engenheiro biomédico da Universidade de Utah, em Salt Lake City.

Experiência natural

A tecnologia oferece uma nova esperança para pessoas com amputações que desejam recuperar o andar natural. “As pessoas que sofrem uma amputação querem manter o controle dos seus membros. Querem sentir que o membro faz parte do seu corpo”, diz Lenzi. “Este tipo de interface neural é necessária para conseguir isso.”

Melhorias no design das pernas poderiam reduzir o peso e otimizar os eletrodos de superfície, que são sensíveis à umidade e ao suor e podem não ser adequados para o uso diário, diz Lenzi. Serão necessários estudos futuros para testar se o dispositivo pode lidar com atividades mais exigentes, como corrida e salto.

Herr diz que sua equipe já está procurando maneiras de substituir os eletrodos de superfície por pequenas bolas magnéticas implantadas que possam rastrear com precisão os movimentos musculares.

Este estudo “fornece a base necessária para traduzir isso em tecnologias e soluções clinicamente viáveis ​​para todas as pessoas com amputação”, diz Lenzi.