La tecnología de la extremidad protésica ha avanzado mucho en los últimos años, pero los nuevos diseños pueden costar decenas de miles de dólares, dejando a muchos amputados sin productos asequibles.  

Ahora, los ingenieros en MIT han desarrollado una bajo costo, pie protésico pasivo que se puede personalizar para adaptarse a la persona y simular una caminata sin discapacidad.

"[Caminar] es algo tan importante para nosotros como los humanos, y para este segmento de la población que tiene una amputación de extremidad inferior, simplemente no hay ninguna teoría para que digamos, "aquí es exactamente cómo debemos diseñar la rigidez y la geometría de un pie para tú, para que puedas caminar como lo desees, '" Amos Winter, dijo un profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, en un comunicado. "Ahora podemos hacer eso. Y eso es súper poderoso ".

La investigación ha sido publicada en el ASME Journal of Mechanical Design.

Un nuevo desafío

La investigación del MIT comenzó en 2012 cuando Winter fue contactado por Pie Jaipur, una organización india que fabrica extremidades artificiales.

Proporciona un pie protésico pasivo a personas en países en desarrollo y dona más que modelos 28,000 cada año a usuarios de prótesis en India y en el extranjero.

Durante más de 40 años, la organización ha estado haciendo lo mismo, un modelo robusto y relativamente realista que puede permitir a los usuarios realizar tareas tanto en el exterior como en el interior.

Sin embargo, el modelo es bastante pesado y la estructura interna está hecha a mano, lo que crea una variación en la calidad del producto.

Debido a esto, Jaipur Foot le preguntó a Winter si podía ayudar a diseñar un pie mejor y más liviano que pudiera ser producido en masa a bajo costo.

"En ese momento, comenzamos a preguntarnos, '¿cómo deberíamos diseñar este pie como ingenieros? ¿Cómo debemos predecir el rendimiento, dada la rigidez y el diseño mecánico y la geometría del pie? ¿Cómo deberíamos sintonizar todo eso para que una persona camine como queremos que caminen? "Winter dijo en un comunicado.

Desarrollando el pie

Los investigadores, dirigidos por Kathryn, ex estudiante graduada del MIT Olesnavage, primero buscó una forma cuantificable de relacionar las características mecánicas de una prótesis con el rendimiento de caminar de un usuario

Si bien esta relación puede parecer obvia, nunca se ha formado completamente.

Esto se debe a que muchos desarrolladores de pies protésicos se centran en reproducir los movimientos de los pies y tobillos sanos, una práctica que no hace mucha diferencia para alguien que ni siquiera puede sentir lo que hace el pie protésico.

"Una de las ideas críticas que tuvimos fue que, para un usuario, el pie es como una caja negra, no está conectado a su sistema nervioso y no interactúa íntimamente con el pie ", dijo Winter en un comunicado. .

En cambio, los investigadores se centraron en el diseño de un pie protésico que produciría movimientos en la parte inferior de la pierna similares a los de un andador sin discapacidad, y por lo tanto, aumentar la capacidad de caminar de la persona amputada.

"Los usuarios de prótesis en la India y otros países en desarrollo suelen querer parecer físicamente sanos para evitar los estigmas asociados con la discapacidad. Este requisito es lo que nos hizo explorar formas de diseñar el pie para facilitar el movimiento de las piernas casi sin discapacidad ", dijo Winter.

Entonces, con esto en mente, el equipo buscó formas de entender cómo la mecánica del pie se relaciona con la forma en que se mueve la pierna cuando el pie está en contacto con el suelo.

Los investigadores consultaron un conjunto de datos existente que comprendía medidas de pasos realizados por un andador sin discapacidad con un tamaño y peso corporal específico. Investigadores anteriores habían registrado las fuerzas de reacción del suelo y el centro cambiante de presión experimentado por el pie de un caminante en cada paso, junto con la posición y la trayectoria de la parte inferior de la pierna.

Luego, los investigadores desarrollaron un modelo matemático que describe la rigidez, el posible movimiento y la forma de un pie protésico simple.

Luego, ingresaron a las fuerzas de reacción del suelo del datasat, que podrían usar para predecir cómo se traduciría la parte inferior de un usuario a través de un solo paso.

Utilizando su modelo, sintonizaron la rigidez y la geometría del pie protésico simulado para tener un mínimo "error de trayectoria de la pierna inferior", y produjeron una trayectoria de la parte inferior de la pierna que estaba cerca de un elemento motriz sin discapacidad.

Ajustando el producto

Luego, el equipo buscó la forma ideal para un pie protésico de una sola pieza que fuera simple y asequible de fabricar, al tiempo que producía una trayectoria de piernas similar a la de un caminante sin discapacidad.

Para hacer esto, los investigadores corrieron un "algoritmo genético" para buscar los diseños más deseables.

Crearon una "población" de pies, con diferentes variables para hacer diferentes formas de curvas. Luego calcularon el error de la trayectoria de la pierna inferior, se deshicieron de los que tenían un error mayor y mezclaron y combinaron los que tienen un error menor para evolucionar hacia una forma ideal.

Para hacer esto, utilizaron una curva ancha de Bezier para describir la forma del pie, que al final se parecía a la vista lateral de un tobogán.

Los investigadores creen que, ajustando la rigidez y la forma de la curva de Bezier al peso y el tamaño del cuerpo de una persona, pueden producir un pie protésico específico para un cliente que genera movimientos de piernas similares a los de una caminata sin discapacidad.

Finalmente, los investigadores probaron el diseño produciendo varios pies de nylon para voluntarios en India.

"Nuestro equipo de investigación visita a nuestros socios en la India cada seis meses para probar prototipos y obtener retroalimentación de sus pacientes y médicos", dijo Winter. "Los pacientes que probaron nuestro pie estaban muy entusiasmados con su almacenamiento de energía y capacidad de retorno, lo que facilita la velocidad de marcha normal. Un sujeto de prueba corrió afuera porque estaba muy entusiasmado con eso ".

El siguiente paso

Después de pruebas exitosas en India, el equipo se asoció con Vibram, una compañía italiana que fabrica suelas de caucho, botas de senderismo flexibles y zapatillas para correr que parecen pies.

"Este verano realizaremos pruebas de campo a largo plazo en nuestro pie con una suela cosmetica sobremoldeada y de alto desgaste integrada diseñada por Vibram", dijo Winter. "Estamos explorando el mejor modelo comercial para comercializar nuestra tecnología. No estamos lejos de la comercialización, supongo que no más de unos pocos años, pero es importante que hagamos nuestra diligencia debida para garantizar que el producto sea robusto y satisfaga las necesidades de los usuarios antes de lanzarlo ".

Además, la investigación ha sido financiada por el Departamento de Defensa de los EE. UU. Para fabricar un pie protésico para los soldados que resultaron heridos y que desean regresar al servicio activo, así como para los veteranos que llevan un estilo de vida activo.

"Estamos explorando cómo ajustar nuestro pie para múltiples escenarios de caminata que serían importantes para este grupo demográfico, como el terreno accidentado y las pendientes ascendentes y descendentes. También estamos explorando cómo hacer pies fácilmente personalizables para las personas, como a través de la impresión 3D ", dijo Winter.

Winter también agregó que la capacidad de usar el tamaño corporal y el peso de una persona para diseñar un pie personalizado para un individuo será particularmente importante para las mujeres, ya que las mujeres amputadas a menudo tienen que usar pies que son demasiado grandes o demasiado rígidos para ellos.

En general, el equipo espera crear un pie protésico que pueda ofrecer a los amputados un rendimiento de marcha sin discapacidad a bajo costo.

"Nuestro objetivo es crear tecnología de pie protésica que ofrezca un rendimiento similar a la marcha como productos disponibles en mercados adinerados, pero a una fracción del precio y asequible para las decenas de millones de amputados de extremidades inferiores en el mundo en desarrollo", dijo Winter.

"Esperamos que nuestros pies puedan facilitar la movilidad, el empleo y la plena integración en la sociedad para esta población al proporcionar un producto robusto, culturalmente apropiado e instalaciones cerca del movimiento de caminar sin discapacidad".