Un exoesqueleto controlado mentalmente ayudará a personas discapacitadas a caminar de nuevo

El sistema, que se basa en la innovadora tecnología de «Interfaces cerebro-ordenador» (BNCI, por sus siglas en inglés) -combinada con un exoesqueleto ligero unido a las piernas de los usuarios y un entorno de realidad virtual para el aprendizaje- también podría tener aplicaciones en la habilitación de víctimas de ictus cerebral y ayudar a que los astronautas recuperen su masa muscular después de estancias prolongadas en el espacio.

En el Reino Unido, cada ocho horas una persona sufre una lesión medular que en muchos casos provoca la parálisis parcial o total del tren inferior. En Estados Unidos, más de 250 000 personas viven con parálisis como resultado de daños en la espina dorsal, debidos generalmente a accidentes de tráfico, caídas o lesiones deportivas. Muchos de ellos son menores de cincuenta años y, en ausencia de una cura médica conocida o de un método para la reparación de nervios espinales, se enfrentan a la perspectiva de vivir el resto de sus vidas en silla de ruedas.

Sin embargo, eludiendo la espina dorsal en su totalidad y dirigiendo las señales del cerebro a un exoesqueleto robótico, los afectados deberían ser capaces de volver a ponerse de pie. Este es el objetivo definitivo de los investigadores que trabajan en el proyecto «Mind-controlled orthosis and VR-training environment for walk empowering» (Mindwalker), una iniciativa de tres años de duración que ha contado con fondos por valor de 2,75 millones de euros de la Comisión Europea.

«Mindwalker se propuso como un proyecto ambicioso dirigido a investigar métodos prometedores de cara a aprovechar las señales del cerebro con el objetivo de controlar la órtesis avanzada y para diseñar e implantar un sistema prototipo que demostrase el potencial de las tecnologías vinculadas a este ámbito», explica Michel Ilzkovitz, coordinador del proyecto en Space Applications Services, Bélgica.

El método del equipo se basa en un sistema avanzado de BNCI que convierte las señales electroencelafográficas (EEG) generadas por el cerebro, o las electromiográficas (EMG) de los músculos de los hombros, en órdenes electrónicas para controlar el exoesqueleto.

El Laboratorio de Neurofisiología y Biomecánica del Movimiento de la Universidad Libre de Bruselas (ULB) se centró en aprovechar las señales EEG y EMG tratadas por una red neuronal artificial, mientras que la Fundación Santa Lucia de Italia desarrolló técnicas basadas en señales EMG modeladas mediante el acoplamiento de osciladores neuronales y biomecánicos.

Uno de los métodos de control del exoesqueleto se basa en el enfoque denominado «potencial evocado visual constante», que consiste en leer los estímulos visuales por destellos generados a distintas frecuencias para inducir señales EEG correlacionadas. La detección de estas señales EEG se usa para enviar órdenes tales como «en pie», «camina», «más rápido» o «más lento».

Un segundo método se basa en el procesamiento de señales EMG generadas por los hombros del usuario y se vale de la coordinación natural brazo-pierna que tiene lugar al caminar los humanos. De esta forma, los patrones de alternancia de brazos se pueden percibir y convertir en señales de control que rijan asimismo el movimiento de las piernas del exoesqueleto.

Un tercer enfoque, denominado «ideación», también se basa en el procesamiento de señales EEG y en la identificación y la utilización de este tipo de señales a ritmo theta cortical generadas durante el proceso mental natural asociado con caminar. Este método fue investigado por el equipo de Mindwalker pero se tuvo que abandonar debido a la dificultad y al tiempo que se necesitaba para convertir los primeros experimentos en un sistema plenamente aprovechable.

Independientemente del método que se utilice, las señales BNCI deben filtrarse y procesarse antes de que sean aptas para controlar el exoesqueleto. Para lograr esto, los investigadores del proyecto Mindwalker transmitieron las señales a una «Red neuronal recurrente dinámica» (DRNN): una técnica de procesamiento capaz de asimilar y aprovechar el carácter dinámico de las señales BNCI.

«Esto resulta atractivo para el control cinemático y proporciona una forma mucho más natural y fluida de controlar un exoesqueleto», indica Ilzkovitz.

El equipo adoptó un enfoque similar desde el punto de vista práctico para recopilar las señales EEG desde el cuero cabelludo del usuario. La mayoría de sistemas BNCI bien son invasivos -requieren de la implantación directa de electrodos en el tejido cerebral-, bien implican que sus usuarios lleven un casquete «húmedo» sobre sus cabezas, lo que acarrea largos procedimientos de ajuste y el uso de geles especiales para reducir la resistencia eléctrica en la zona de contacto entre la piel y los electrodos. Si bien estos sistemas proporcionan señales de muy buena calidad y una adecuada relación señal-ruido, resultan poco prácticos para su uso cotidiano.

Por tanto, el equipo del proyecto Mindwalker optó por una tecnología «seca» desarrollada por la entidad eemagine Medical Imaging Solutions, ubicada en Berlín. Esta consiste en un casquete cubierto de electrodos que el propio usuario puede ajustar y que cuenta con componentes electrónicos innovadores para amplificar y optimizar las señales antes de enviarlas a la red neuronal.

«El casquete EEG seco puede ser colocado por el propio sujeto sobre su cabeza en menos de un minuto, como un gorro de baño», señala Ilzkovitz.

Piernas robóticas eficaces y robustas

Las universidades de Delft y Twente en los Países Bajos propusieron un método innovador para el diseño del exoesqueleto y su control. El exoesqueleto está diseñado para que sea suficientemente robusto de cara a soportar el peso de un adulto de 100 kg y lo bastante potente para recuperar el equilibrio ante causas externas de inestabilidad, como los propios movimientos del torso del individuo al caminar o ligeros empujones desde atrás o desde los lados. En comparación con el resto de exoesqueletos desarrollados hasta la fecha, este es relativamente ligero, ya que pesa menos de 30 Kg sin baterías, y está pensado para minimizar el consumo de energía, dado que se espera que la versión final del sistema sea autoalimentada.

Los investigadores participantes en el proyecto Mindwalker lograron que el exoesqueleto fuese eficiente energéticamente gracias al uso de muelles insertados dentro de las articulaciones capaces de absorber y recuperar parte de la energía que se perdería caminando, y mediante el desarrollo de una estrategia eficaz para el control de dicho exoesqueleto.

La mayoría de modelos están diseñados para ofrecer equilibrio en posición inmóvil o semiestática, y para desplazarse a pasos cortos dentro de su perímetro de estabilidad en suelo, lo que se conoce como método de «punto del momento cero» o ZMP, por sus siglas en inglés. Aunque este método se utiliza habitualmente para controlar robots humanoides, cuando se aplica en exoesqueletos, los hace pesados y lentos. Además, para desplazarse generalmente exige que los usuarios se ayuden de un andador, muletas o algún otro utensilio de apoyo.

Por otro lado, una estrategia de control más avanzada y natural puede reproducir la forma en que caminan realmente los humanos, con una pérdida controlada del equilibrio en la dirección en que se camina.

«Este método se denomina «desplazamiento de ciclo límite» (limit-cycle walking) y ha sido implantado utilizando un control predictivo basado en modelos para prever el comportamiento del usuario y el exoesqueleto, y a fin de controlar a este último mientras se camina. Este fue el que se investigó en el proyecto Mindwalker», afirma Ilzkovitz.

Para enseñar a los usuarios a controlar el exoesqueleto, los investigadores de la empresa Space Applications Services crearon una plataforma formativa de realidad virtual que facilita un entorno inmersivo en el que los nuevos usuarios pueden acostumbrarse de forma segura al uso del sistema antes de probarlo fuera de las instalaciones médicas y, como esperan los miembros del equipo, utilizarlo finalmente de manera cotidiana.

A finales de este año se realizarán ensayos con usuarios de prueba sin discapacidades físicas. Posteriormente, el sistema se transferirá a la Fundación Santa Lucia para que se realicen las evaluaciones clínicas pertinentes hasta mayo de 2013, en las que participarán entre cinco y diez voluntarios afectados por lesiones medulares. En opinión del coordinador del proyecto, estas pruebas servirán para detectar posibles deficiencias y aspectos mejorables.

Entretanto, los participantes en el proyecto siguen investigando los diferentes componentes para su uso en diversas aplicaciones potenciales. Así, el coordinador señala que, por ejemplo, los elementos del sistema podrían adaptarse para la rehabilitación de víctimas de infartos cerebrales o para crear exoesqueletos de fácil uso que mejoren la movilidad de personas de edad avanzada.

Asimismo, Space Applications Services está estudiando posibles aplicaciones de la tecnología Mindwalker para entrenar a astronautas y ayudarles a recuperar su masa muscular después de largos periodos en entornos de gravedad cero.