Joelho biônico integrado aos tecidos pode restaurar o movimento natural.
Anne Trafton | MIT News
Pesquisadores do MIT desenvolveram um novo joelho biônico que pode ajudar pessoas com amputações acima do joelho a caminhar mais rápido, subir escadas e desviar de obstáculos com mais facilidade do que conseguiriam com uma prótese tradicional.
Diferentemente das próteses em que o membro residual se encaixa em um soquete, 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 os movimentos da prótese.
Participantes de um pequeno estudo clínico também relataram que o membro parecia mais uma parte do próprio corpo, em comparação com pessoas que utilizavam próteses tradicionais para amputações acima do joelho.
“Uma prótese integrada aos tecidos — ancorada ao osso e controlada diretamente pelo sistema nervoso — não é apenas um dispositivo inerte e separado, mas sim um sistema cuidadosamente integrado à fisiologia humana, oferecendo um nível superior de incorporação protética. Não é simplesmente uma ferramenta usada pelo ser humano, mas sim uma parte integrante do próprio eu”, afirma Hugh Herr, professor de artes e ciências da mídia, codiretor do Centro de Biónica K. Lisa Yang do MIT, membro associado do Instituto McGovern de Pesquisa Cerebral do MIT e autor sênior do novo estudo.
Melhor controle
Nos últimos anos, o laboratório de Hugh Herr tem trabalhado no desenvolvimento de novas próteses capazes de extrair informações neurais dos músculos remanescentes após uma amputação, utilizando esses sinais para guiar os movimentos do membro protético.
Durante uma amputação tradicional, os pares de músculos que se alternam entre alongamento e contração costumam ser seccionados, interrompendo a relação normal de agonista-antagonista entre os músculos. Essa interrupção dificulta bastante que o sistema nervoso perceba a posição do músculo e a velocidade de sua contração.
Com a nova abordagem cirúrgica desenvolvida por Herr e seus colegas — conhecida como interface mio-neuronal agonista-antagonista (AMI, na sigla em inglês) —, os pares de músculos são reconectados durante a cirurgia, mantendo sua comunicação dinâmica dentro do membro residual. Esse retorno sensorial ajuda o usuário da prótese a decidir como mover o membro, além de gerar sinais elétricos que podem ser usados para controlar a prótese.
Em um estudo de 2024, os pesquisadores mostraram que pessoas com amputações abaixo do joelho que passaram pela cirurgia AMI conseguiam caminhar mais rápido e desviar de obstáculos com muito mais naturalidade do que pessoas com amputações convencionais.
No novo estudo, os pesquisadores expandiram essa abordagem para melhor atender pessoas com amputações acima do joelho. O objetivo era criar um sistema que não apenas captasse sinais musculares por meio do AMI, mas também fosse integrado ao osso, oferecendo mais estabilidade e melhor feedback sensorial.
Para isso, os pesquisadores desenvolveram um procedimento que insere uma haste de titânio no fêmur residual, no local da amputação. Esse implante oferece um controle mecânico mais eficiente e uma melhor sustentação de peso em comparação com uma prótese tradicional. Além disso, o implante contém 16 fios que coletam informações de eletrodos posicionados nos músculos AMI dentro do corpo, permitindo uma transdução mais precisa dos sinais musculares.
Esse sistema integrado ao osso, conhecido como e-OPRA, transmite os sinais do AMI para um novo controlador robótico desenvolvido especificamente para este estudo. O controlador usa essas informações para calcular o torque necessário para movimentar a prótese conforme o desejo do usuário.
“Todas as partes trabalham juntas para facilitar a entrada e a saída de informações do corpo e melhorar a interface mecânica com o dispositivo”, afirma Tony Shu. “Estamos carregando diretamente o esqueleto, que é a parte do corpo projetada para suportar peso, ao contrário dos soquetes, que são desconfortáveis e podem causar infecções frequentes na pele.”
Neste estudo, dois voluntários receberam o sistema combinado AMI e e-OPRA, conhecido como prótese mecanoneural osteointegrada (OMP). Esses usuários foram comparados com oito pessoas que fizeram a cirurgia AMI, mas não receberam o implante e-OPRA, e com sete usuários que não receberam nenhum dos dois. Todos os participantes utilizaram uma prótese de joelho motorizada experimental desenvolvida pelo laboratório.
Os pesquisadores avaliaram a capacidade dos participantes em realizar diversas tarefas, como dobrar o joelho até um ângulo específico, subir escadas e desviar de obstáculos. Na maioria dessas tarefas, os usuários do sistema OMP tiveram desempenho superior ao dos pacientes que fizeram apenas a cirurgia AMI, e muito superior ao dos usuários de próteses tradicionais.
“Este artigo representa a realização de uma visão antiga da comunidade científica — a implementação e demonstração de uma perna robótica totalmente integrada à fisiologia e controlada de forma voluntária”, afirma Michael Goldfarb, professor de engenharia mecânica e diretor do Centro de Mecatrônica Inteligente da Universidade Vanderbilt, que não participou da pesquisa. “É um trabalho extremamente desafiador, e os autores merecem grande reconhecimento pelo esforço em alcançar esse objetivo.”
Uma sensação de incorporação
Além de avaliar a marcha e outros movimentos, os pesquisadores também aplicaram questionários projetados para medir a sensação de incorporação — ou seja, até que ponto os participantes sentiam que a prótese fazia parte do próprio corpo.
As perguntas incluíam se os pacientes sentiam como se tivessem duas pernas, se a prótese parecia parte do corpo e se sentiam que tinham controle sobre ela. Cada pergunta avaliava aspectos como agência (sentir que estão no controle), apropriação do dispositivo e representação corporal.
Os pesquisadores observaram que, com o avanço do estudo, os dois participantes com o sistema OMP apresentaram aumentos significativamente maiores nas sensações de controle e pertencimento em comparação aos demais grupos.
“Outra razão pela qual este artigo é importante é que ele investiga essas questões relacionadas à sensação de incorporação e mostra grandes avanços nessa experiência”, diz Herr. “Não importa o quão sofisticados sejam os sistemas de IA de uma prótese robótica, ela ainda será sentida como uma ferramenta externa pelo usuário. Mas com essa abordagem integrada ao tecido, quando você pergunta ao usuário o que faz parte do corpo dele, quanto mais integrada for a prótese, mais ele vai dizer que ela é realmente parte de si.”
Atualmente, o procedimento AMI é realizado rotineiramente em pacientes com amputações abaixo do joelho no hospital Brigham and Women’s, e Herr acredita que logo se tornará o padrão também para amputações acima do joelho. O sistema combinado OMP ainda precisa passar por ensaios clínicos maiores para obter a aprovação da FDA para uso comercial — o que Herr estima que levará cerca de cinco anos.
A pesquisa foi financiada pelo Yang Tan Collective e pela DARPA.
A Prótese Mecanoneural Osteointegrada
Reproduzido com permissão do MIT News.
