Pesquisadores do MIT desenvolveram um novo joelho biônico que pode ajudar pessoas com amputações acima do joelho a andar mais rápido, subir escadas e evitar obstáculos com mais facilidade do que com uma prótese tradicional. Ao contrário das próteses em que o membro residual fica dentro de um encaixe, o novo sistema é diretamente integrado ao tecido muscular e ósseo do usuário. Isso proporciona maior estabilidade e dá ao usuário muito mais controle sobre o movimento da prótese. Participantes de um pequeno estudo clínico também relataram que o membro parecia mais parte de seu próprio corpo, em comparação a pessoas que passaram por amputações tradicionais acima do joelho.
“Uma prótese integrada ao tecido – ancorada ao osso e controlada diretamente pelo sistema nervoso – não é meramente um dispositivo separado e sem vida, mas sim um sistema cuidadosamente integrado à fisiologia humana, oferecendo um nível maior de materialização protética. Não é simplesmente uma ferramenta que o ser humano utiliza, mas sim uma parte integrante do seu ser”, afirma Hugh Herr, professor de artes e ciências da mídia, codiretor do Centro K. Lisa Yang de Biônica do MIT, membro associado do Instituto McGovern de Pesquisa Cerebral do MIT e autor sênior do novo estudo. O artigo foi publicado na Revista Science, e o PhD Tony Shu é o autor principal.
Melhor controle
Nos últimos anos, o laboratório de Herr tem trabalhado em novas próteses que podem extrair informações neurais de músculos deixados para trás após uma amputação e usar essas informações para ajudar a guiar um membro protético. Durante uma amputação tradicional, pares de músculos que se alternam entre alongamento e contração são geralmente seccionados, interrompendo a relação agonista-antagonista normal dos músculos. Essa interrupção torna muito difícil para o sistema nervoso detectar a posição de um músculo e a velocidade com que ele está se contraindo.
Utilizando a nova abordagem cirúrgica desenvolvida por Herr e seus colegas, conhecida como interface mioneural agonista-antagonista (AMI), pares de músculos são reconectados durante a cirurgia para que continuem se comunicando dinamicamente dentro do membro residual. Esse feedback sensorial ajuda o usuário da prótese a decidir como mover o membro e também gera sinais elétricos que podem ser usados para controlar o membro protético. Em um estudo de 2024, os pesquisadores mostraram que pessoas com amputações abaixo do joelho que passaram pela cirurgia de IAM conseguiram andar mais rápido e contornar obstáculos com muito mais naturalidade do que pessoas com amputações tradicionais abaixo do joelho.
No novo estudo, os pesquisadores ampliaram a abordagem para atender melhor pessoas com amputações acima do joelho. Eles queriam criar um sistema que pudesse não apenas ler os sinais dos músculos usando o AMI, mas também ser integrado ao osso, oferecendo mais estabilidade e melhor feedback sensorial. Para isso, os pesquisadores desenvolveram um procedimento para inserir uma haste de titânio no osso residual do fêmur, no local da amputação. Este implante permite melhor controle mecânico e suporte de carga do que uma prótese tradicional. Além disso, o implante contém 16 fios que coletam informações de eletrodos localizados nos músculos AMI dentro do corpo, o que permite uma transdução mais precisa dos sinais provenientes dos músculos.
Este sistema integrado ao osso, conhecido como e-OPRA, transmite sinais de AMI para um novo controlador robótico desenvolvido especificamente para este estudo. O controlador usa essas informações para calcular o torque necessário para mover a prótese da maneira que o usuário deseja. “Todas as partes trabalham juntas para melhor transportar as informações para dentro e para fora do corpo e interagir mecanicamente com o dispositivo”, diz Shu. “Estamos carregando diretamente o esqueleto, que é a parte do corpo que deveria ser carregada, em vez de usar soquetes, o que é desconfortável e pode levar a infecções de pele frequentes.”
Neste estudo, dois indivíduos receberam o sistema combinado de AMI e e-OPRA, conhecido como prótese mecanoneural osseointegrada (OMP). Esses usuários foram comparados com oito que passaram pela cirurgia de AMI, mas não pelo implante de e-OPRA, e sete usuários que não tiveram AMI nem e-OPRA. Todos os indivíduos se revezaram no uso de uma prótese de joelho motorizada experimental desenvolvida pelo laboratório.
Os pesquisadores mediram a capacidade dos participantes de realizar diversos tipos de tarefas, incluindo dobrar o joelho em um ângulo específico, subir escadas e passar por cima de obstáculos. Na maioria dessas tarefas, os usuários do sistema OMP apresentaram desempenho superior ao dos indivíduos submetidos à cirurgia de IAM, mas não ao implante e-OPRA, e muito superior ao dos usuários de próteses tradicionais. “Este artigo representa a concretização de uma visão que a comunidade científica tem há muito tempo – a implementação e demonstração de uma perna robótica totalmente integrada fisiologicamente e controlada voluntariamente”, afirma Michael Goldfarb, professor de engenharia mecânica e diretor do Centro de Mecatrônica Inteligente da Universidade Vanderbilt. “Este é um trabalho realmente difícil, e os autores merecem enorme crédito por seus esforços na concretização de um objetivo tão desafiador.”
Uma sensação de incorporação
Além de testar a marcha e outros movimentos, os pesquisadores também fizeram perguntas destinadas a avaliar o senso de corporeidade dos participantes — ou seja, até que ponto o membro protético parecia parte de seu próprio corpo. As perguntas incluíam se os pacientes sentiam como se tivessem duas pernas, se sentiam como se a prótese fosse parte do seu corpo e se sentiam no controle da prótese. Cada pergunta foi elaborada para avaliar os sentimentos de agência, propriedade do dispositivo e representação corporal dos participantes.
Os pesquisadores descobriram que, à medida que o estudo avançava, os dois participantes com o OMP apresentaram aumentos muito maiores em seus sentimentos de agência e propriedade do que os outros sujeitos. “Outra razão pela qual este artigo é significativo é que ele analisa essas questões de corporificação e mostra grandes melhorias nessa sensação de corporificação”, diz Herr. “Não importa o quão sofisticados sejam os sistemas de IA de uma prótese robótica, ela ainda parecerá uma ferramenta para o usuário, como um dispositivo externo. Mas com essa abordagem de integração de tecidos, quando você pergunta ao usuário humano o que é o seu corpo, quanto mais integrado ele estiver, mais ele dirá que a prótese é, na verdade, parte de si mesmo.”
O procedimento de IAM agora é realizado rotineiramente em pacientes com amputações abaixo do joelho no Hospital Brigham and Women’s. Herr espera que, em breve, isso se torne um padrão também para amputações acima do joelho. O sistema combinado de OMP precisará de ensaios clínicos mais amplos para receber a aprovação da FDA para uso comercial, o que Herr prevê que possa levar cerca de cinco anos.
