Interfaz hombre-máquina detiene el temblor muscular

El implante muscular miniaturizado, compuesto por contactos de electrodos y electrónica, mide solo tres centímetros de largo y apenas un milímetro de grosor. Se utiliza un tubo de silicona para extraer el implante después del experimento. © Fraunhofer IBMT

La estructura básica de la red inalámbrica inteligente de sensores y actuadores. Está compuesta por electrodos inyectados, electrodos textiles externos y controladores. © Departamento de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones, Universitat Pompeu Fabra, 08018, Barcelona, España / Principio de funcionamiento de la red inalámbrica inteligente de sensores y actuadores que consiste en electrodos inyectados, electrodos textiles externos y controladores. © Departamento de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones, Universitat Pompeu Fabra, 08018, Barcelona, España

Investigadores del Instituto Fraunhofer para Tecnología Biomédica IBMT han desarrollado junto con socios internacionales una plataforma tecnológica que en el futuro ayudará a las personas con temblores musculares a detener el temblor. Electrodos biocompatibles diminutos en el músculo, junto con electrodos externos y controladores, forman una red inteligente de sensores y actuadores que detecta las señales musculares y, si es necesario, envía estímulos eléctricos. En combinación con exoesqueletos, la tecnología también podría apoyar a personas con lesiones en la médula espinal.

Un controlador compacto en el cinturón o debajo de la chaqueta, algunos electrodos textiles discretos en brazos y piernas y electrodos de tres centímetros de largo y aproximadamente un milímetro de grosor, colocados en el músculo, son todo lo que se necesita para ayudar en el futuro a personas con trastornos del temblor. Cada vez que comienza el temblor muscular, el sistema envía estímulos eléctricos al músculo, que son registrados por el sistema nervioso. Luego, el sistema nervioso deja de enviar señales perturbadoras a los músculos y estos se calman nuevamente. Esa es la idea básica detrás de la tecnología, para la cual los científicos del Fraunhofer IBMT, junto con socios del consorcio, diseñaron, fabricaron, integraron y probaron en experimentos un conjunto de electrodos intramusculares y externos, así como el controlador correspondiente.

Los científicos ya pueden mostrar éxitos concretos. »En experimentos con pacientes, logramos reducir significativamente el temblor muscular«, explica Andreas Schneider-Ickert, jefe de proyecto de Implantes Activos y Gestor de Innovación.

El sistema forma parte del proyecto conjunto financiado por la UE »EXTEND«. En total, nueve socios de cinco países desarrollan conjuntamente una plataforma versátil de interfaces neuronales distribuidas. La tecnología puede ayudar en el futuro a personas con enfermedades neuromusculares, como temblores o síntomas de parálisis. Incluso personas con lesiones en la médula espinal podrían beneficiarse. La técnica conecta los electrodos implantados mediante controladores externos en una red inteligente. Los componentes se comunican de forma inalámbrica, intercambian datos, detectan señales musculares y envían estímulos dirigidos al músculo. La estimulación a través de sistemas implantados ya existe en medicina. Sin embargo, los métodos actuales requieren procedimientos quirúrgicos complejos que representan una carga significativa para los pacientes.

Implantes para la interfaz humano-máquina

Un elemento central de EXTEND son los implantes. Estos están hechos de platino-iridio biocompatible y silicona. A través de un catéter, se inyectan en el músculo. El diminuto implante, de tres centímetros de largo y casi un milímetro de diámetro, cuenta en ambos extremos con un electrodo que funciona como sensor o actuador. El módulo se alimenta mediante electrodos textiles cosidos en una banda de tela, que suministran energía. Estos electrodos envían corriente alterna pulsada a través del tejido muscular hacia el implante. »Lo innovador no solo es la interacción inteligente entre la electrónica de control, sensores y actuadores, sino también el principio de modular la corriente alterna para transmitir datos«, explica Schneider-Ickert.

Una vez implantado y en funcionamiento, los sensores detectan los primeros signos de temblor muscular y transmiten esta información a los componentes externos. El controlador procesa los datos y envía señales de estimulación al músculo mediante los electrodos textiles. El ciclo de control cerrado, formado por componentes sensoriales y actuadores conectados en red de manera inteligente, contrarresta el temblor.

La señal de estimulación no es lo suficientemente fuerte como para provocar una contracción muscular directa. Más bien, el sistema nervioso juega aquí un papel decisivo. Detecta la estimulación en el tejido muscular y responde ajustando las órdenes que desencadenan el temblor muscular. Esa es al menos la teoría, ya que la relación entre el temblor y las señales del sistema nervioso aún no está completamente investigada. »Sin embargo, nuestro método funciona sorprendentemente bien en ensayos clínicos. Los primeros experimentos han demostrado que basta con suministrar estímulos a un paciente durante una o dos horas para reducir los síntomas del temblor durante un período prolongado«, afirma Schneider-Ickert.

Como el temblor suele afectar ambos brazos y ambas piernas, en todas las grupos musculares afectados se pueden inyectar implantes y colocar electrodos textiles externos. Así se crea una red sensorial distribuida. Los controladores tienen en cuenta todos los electrodos implantados y externos simultáneamente y pueden controlarlos de manera coordinada. Todo esto sucede en tiempo real, sin que la persona note retraso alguno.

La tecnología del proyecto conjunto EXTEND es tan funcional como los sistemas de implantes clásicos, pero solo mínimamente invasiva y, por tanto, más fácil de aceptar y apta para el uso diario. El concepto básico proviene de un socio del proyecto español. Sobre esa base, los investigadores del Fraunhofer IBMT diseñaron los electrodos y componentes implantables, los fabricaron en su propio entorno de salas limpias e integraron. Los científicos cuentan con más de 25 años de experiencia en neuroprotésica e implantes activos.

Exoesqueletos contra la parálisis por lesión medular

Para pacientes con temblor, EXTEND representa la esperanza de una notable reducción de los síntomas. Pero la plataforma tecnológica también podría ayudar a personas con lesiones en la médula espinal mediante exoesqueletos motorizados. Esto es posible porque las fibras nerviosas en lesiones a menudo no están completamente cortadas. Siguen transmitiendo, aunque muy débilmente, estímulos desde el cerebro. Los sensores detectan la actividad y la transmiten al controlador. Este analiza todas las señales, deduce qué movimiento quiere realizar la persona y activa exactamente las prótesis que apoyan la musculatura durante la ejecución del movimiento.

Tras las primeras pruebas exitosas, los conceptos y tecnologías utilizados en EXTEND se han ido desarrollando, miniaturizando y optimizando continuamente, además de realizarse nuevos estudios de implementación. Con ello, el proyecto concluyó con un exitoso proof of concept del sistema integrado miniaturizado en humanos. El Fraunhofer IBMT aprovechará el conocimiento generado en EXTEND para seguir ampliando su experiencia en interfaces neuromusculares y neuronales.