Todd Kuiken: Um braço prostético que "sente"

Pois bem, hoje eu gostaria de falar com vocês sobre biônica, que é o termo popular para a ciência da reposição de partes de um organismo vivo com um dispositivo mecatrônico ou um robô. É essencialmente o ponto em que a vida encontra a máquina. E, especificamente, gostaria de dizer-lhes como a biônica está evoluindo para pessoas com amputações dos braços.

Esta é nossa motivação. A amputação do braço causa uma enorme incapacidade. Quero dizer, a incapacidade funcional é clara. Nossas mãos são instrumentos maravilhosos. E quando você perde uma delas, ou, pior ainda, as duas, é muito mais difícil fazer as coisas que precisamos fazer fisicamente. Há também um enorme impacto emocional. E, na verdade, meu tempo na clínica é gasto igualmente tanto lidando com o ajustamento emocional dos pacientes quanto com a incapacidade física. E finalmente, há um profundo impacto social. Nós conversamos com nossas mãos. Cumprimentamos com nossas mãos. E interagimos com o mundo físico com nossas mãos. E quando as perdemos, isso é uma barreira. A amputação do braço geralmente é causada por trauma, coisas como acidentes industriais, colisões de veículos motorizados ou, muito dolorosamente, guerra. Há também crianças que nascem sem braços, a chamada deficiência de membros congênita.

Infelizmente, não temos grande sucesso com próteses de membros superiores. Há dois tipos gerais. Elas são chamadas de próteses movidas pelo corpo, e foram inventadas logo após a Guerra Civil, aperfeiçoadas na Primeira e na Segunda Guerra Mundial. Aqui vocês veem a patente para um braço, em 1912. Não é muito diferente daquela que vocês veem em meu paciente. Elas funcionam pelo aproveitamento da força do ombro. Então, quando você contrai seus ombros, eles puxam um cabo de bicicleta. E esse cabo de bicicleta pode abrir ou fechar uma mão ou um gancho ou dobrar um cotovelo. E ainda os usamos comumente, porque eles são dispositivos muito resistentes e relativamente simples.

A mais desenvolvida é a que chamamos de prótese mioelétrica. Esses são dispositivos motorizados que são controlados por diminutos sinais elétricos de seu músculo. Cada vez que você contrai o músculo, ele emite um pouco de eletricidade que você pode registrar com antenas ou eletrodos e usar isso para operar a prótese motorizada. Elas funcionam bastante bem para pessoas que perderam apenas a mão, porque os músculos da mão ainda estão lá. Você fecha sua mão, esses músculos contraem. Você abre, esses músculos contraem. Então é intuitiva e funciona bastante bem.

Bem, o que ocorre com amputações maiores? Agora você perdeu o braço acima do cotovelo. Você perdeu não apenas esses músculos, mas também sua mão e seu cotovelo. O que você faz? Bem, nossos pacientes têm que usar sistemas codificados que utilizam apenas seus músculos do braço para operar membros robóticos. Temos membros robóticos. Há vários disponíveis no mercado, e aqui vocês veem alguns. Eles contêm apenas uma mão que abre e fecha, um pulso rotatório e um cotovelo. Não há outras funções. Se houvesse, como lhes diríamos o que fazer?

No Instituto de Reabilitação de Chicago, construímos nosso próprio braço ao qual acrescentamos flexão no pulso e articulações no ombro para até seis motores, ou seis graus de liberdade. E tivemos a oportunidade de trabalhar com alguns braços muito avançados que foram financiados pelo exército norte-americano, usando estes protótipos, que tinham até 10 diferentes graus de liberdade, incluindo mãos móveis. Mas, ao final do dia, como diríamos a esses braços robóticos o que fazer? Como os controlamos? Bem, precisamos de uma interface neural um meio de conectar nosso sistema nervoso ou nossos processos mentais para que seja intuitivo, seja natural, como para você e para mim.

Bem, o corpo trabalha iniciando um comando motor em seu cérebro, descendo pela sua medula espinhal, pelos nervos para sua área periférica. E com suas sensações ocorre exatamente o oposto. Você se toca, há um estímulo que sobe por esses mesmos nervos de volta ao seu cérebro. Quando você perde o braço, esse sistema nervoso ainda funciona. Esses nervos podem perceber sinais de comando. E se eu toco a ponta do nervo de um veterano da II Guerra Mundial, ele ainda sente a mão que perdeu. Então, vocês podem dizer, vamos ao cérebro colocar algo no cérebro para registrar os sinais, ou no término do nervo periférico e registrá-los lá. E essas são áreas de pesquisa muito entusiasmantes, mas é muito, muito difícil. Você tem que colocar centenas de fios microscópicos para registrar minúsculos neurônios individuais -- fibras comuns que emitem minúsculos sinais que são microvolts. E isso é muito difícil de utilizar agora e para meus pacientes atualmente.

Então, desenvolvemos uma abordagem diferente. Estamos usando um amplificador biológico para aumentar esses sinais nervosos -- os músculos. Os músculos aumentarão os sinais nervosos por volta de mil vezes, de maneira que podemos registrá-los na superfície da pele, como viram anteriormente. Nossa abordagem é algo que chamamos de 'reinervação' dirigida. Imagine, em alguém que perdeu o braço inteiro, ainda temos quatro nervos principais que vão em direção ao braço. Retiramos o nervo do músculo peitoral e deixamos que esses nervos cresçam nele. Agora você pensa "Feche a mão" e uma pequena parte de seu peito contrai. Você pensa "Dobre o cotovelo", uma parte diferente contrai. E podemos usar eletrodos ou antenas para captá-los e dizer ao braço para se mover. Esta é a ideia.

Este é o primeiro homem no qual tentamos isso. Seu nome é Jesse Sullivan. Ele é um bom homem -- um eletricista de 54 anos que tocou o fio errado e teve ambos os braços tão gravemente queimados que eles tiveram que ser amputados junto ao ombro. Jesse veio até nós no RIC para adaptar-se com esses equipamentos de última geração, e aqui você os vê. Ainda uso aquela velha tecnologia com um cabo de bicicleta no seu lado direito. E ele escolhe qual articulação quer mover com esses movimentos do cabo. No lado esquerdo, ele tem a prótese motorizada moderna com aquelas três articulações, e ele comanda pequenas almofadas em seu ombro que ele toca para movimentar o braço. E Jesse é um bom operador de guindaste e teve um bom desempenho pelos nossos padrões.

Ele também necessitou de uma cirurgia de revisão em seu peito. E isso nos deu a oportunidade de fazer a 'reinervação' dirigida. Então, meu colega, Dr. Greg Dumanian, fez a cirurgia. Primeiro, retiramos o nervo de seu músculo depois, pegamos os nervos do braço e como que os implantamos em seu peito e fechamos. E após aproximadamente três meses, os nervos cresceram um pouquinho e pudemos observar uma contração. Depois de seis meses, os nervos cresceram bem e você pode observar contrações fortes. E assim é como isto se parece. Isto é o que acontece quando Jesse pensa em abrir e fechar sua mão, ou dobrar e esticar seu cotovelo. Vocês podem ver os movimentos em seu peito, e naquelas pequenas tatuagens é que instalamos nossas antenas, ou eletrodos. E eu desafio qualquer um do auditório a fazer isto com o peito. Seu cérebro está pensando no braço. Ele não aprendeu a fazer isto com o peito. Não há um processo de aprendizado. É por isso que é intuitivo.

Então, aqui está Jesse em nosso primeiro teste com ele. No lado esquerdo, você vê a prótese original e ele está usando aqueles movimentos para passar pequenos blocos de uma caixa a outra. Ele utilizou esse braço por cerca de 20 meses, então ele é muito bom com ele. No lado direito, dois meses após adaptarmos nele a prótese com 'reinervação' dirigida -- que, a propósito, é o mesmo braço físico, apenas programado um pouco diferente -- você pode ver que ele é muito mais rápido e muito mais suave quando move esses pequenos blocos. E pudemos usar apenas três dos sinais desta vez.

Então, tivemos uma daquelas pequenas surpresas da ciência. Estávamos todos motivados a obter comandos motores para guiar braços robóticos. E depois de alguns meses, você toca Jesse em seu peito e ele sente sua mão perdida. A sensibilidade de sua mão cresceu em seu peito novamente, provavelmente porque também retiramos muita gordura, assim, a pele ficou diretamente sobre o músculo e denervada, se preferirem, sua pele. Então, você toca o Jesse aqui, ele sente seu polegar; você o toca aqui, ele sente o dedo mínimo. Ele sente toques leves de até um grama de força. Ele sente quente, frio, afiado, sem corte, tudo, em sua mão amputada, ou tanto na mão quanto no peito, mas ele pode perceber com ambos. Então, isto é muito excitante pra nós, porque agora temos um portal, um portal, ou uma forma de potencialmente devolver a sensibilidade, para que ele possa sentir o que toca com sua mão protética. Imagine sensores na mão surgindo e pressionando nessa nova pele da mão. Enfim, foi muito excitante.

Também avançamos com o que era inicialmente nossa população primária de pessoas com amputações acima do cotovelo. E aqui nós denervamos, ou retiramos o nervo, apenas de pequenos segmentos do músculo e deixamos outros isolados que nos dão nossos sinais de 'alto-baixo' e dois outros que nos darão o sinal de mão aberta ou fechada. Este foi um dos nossos primeiros pacientes, Chris. Você o vê com o aparelho original, à esquerda, depois de oito meses de uso, e, à direita, com dois meses. Ele é cerca de quatro ou cinco vezes mais rápido com esta simples atividade métrica.

Muito bem. Uma das melhores coisas do meu trabalho é trabalhar com pacientes realmente ótimos que são também nossos colaboradores de pesquisa. E estamos felizes hoje por ter Amanda Kitts juntando-se a nós. Por favor, recebam Amanda Kitts.

(Aplausos)

Então, Amanda, você poderia, por favor, contar-nos como perdeu seu braço?

Amanda Kitts: Claro. Em 2006, eu tive um acidente de carro. Eu dirigia do trabalho para casa, e um caminhão, que vinha na direção oposta, invadiu minha pista, passou sobre meu carro e seu eixo cortou fora meu braço.

Todd Huiken: Ok, então, depois de sua amputação, você se recuperou. E colocou um desses braços convencionais. Você pode nos dizer como funcionava?

AK: Bem, era um pouco difícil, porque tudo que eu tinha para trabalhar era um bíceps e um tríceps. Assim, para as coisas mais simples como pegar algo, eu tinha que dobrar meu cotovelo e depois, tinha que contrair junto para fazê-lo alterar o modo de execução. Quando eu fazia isso, tinha que usar meu bíceps para fazer a mão fechar, usar meu tríceps para fazê-la abrir, contrair junto novamente para fazer o cotovelo funcionar novamente.

TK: Então era um pouco lento?

AK: Um pouco lento e difícil de trabalhar. Você tinha que se concentrar muito.

TK: Ok, acho que mais ou menos nove meses depois que você fez a cirurgia de 'reinervação' dirigida, levou mais seis meses para ter toda a 'reinervação'. Então, adaptamos nela a prótese. E como isso funcionou para você?

AK: Funciona bem. Eu era capaz de usar meu cotovelo e minha mão simultaneamente. Eu podia trabalhá-los apenas com meus pensamentos. Então, eu não tinha mais que fazer nenhuma contração junto e tudo aquilo.

TK: Um pouco mais rápido?

AK: Um pouco mais rápido. E muito mais fácil, muito mais natural.

TK: Ok, este era meu objetivo. Por 20 anos, meu propósito foi permitir que alguém fosse capaz de usar o cotovelo e a mão de uma forma intuitiva e ao mesmo tempo. E agora temos mais de 50 pacientes pelo mundo todo que fizeram essa cirurgia, incluindo mais de uma dúzia de nossos combatentes feridos a serviço do exército dos Estados Unidos. A taxa de sucesso das transferências de nervo é muito alta. É por volta de 96 por cento. Porque estamos colocando um grande nervo numa pequena parte de músculo. E ele proporciona controle intuitivo. Nosso teste funcional, aqueles pequenos testes, todos mostram que eles são muito mais rápidos e muito mais fáceis. E a coisa mais importante é que nossos pacientes gostaram dele.

Isso foi muito excitante. Mas queremos fazer melhor. Há muita informação nesses sinais nervosos, e queríamos conseguir mais. Você pode mover cada dedo. Você pode mover seu polegar, seu pulso. Podemos obter mais disso? Então, nós fizemos alguns experimentos nos quais saturamos nossos pacientes com zilhões de eletrodos e depois, eles tentaram fazer duas dúzias de diferentes tarefas -- de balançar um dedo a mover o braço inteiro para alcançar alguma coisa -- e gravamos esses dados. E depois, usamos alguns algoritmos que são muito parecidos com algoritmos de reconhecimento de fala, chamados de 'reconhecimento de padrão'. Observem.

(Risadas)

E aqui podem ver, no peito de Jesse, quando ele tenta fazer três coisas diferentes, vocês podem observar três padrões diferentes. Mas não posso colocar nele um eletrodo e dizer "Vá lá." Então colaborando com nossos colegas na Universidade de New Brunswick, conseguimos este algoritmo de controle, que a Amanda vai demonstrar agora.

AK: Então, eu tenho um cotovelo que vai para cima e para baixo. Eu tenho rotação no pulso que vai -- e pode dar uma volta completa. E eu tenho flexão e extensão de pulso. E também tenho a mão fechada e aberta.

TK: Obrigado, Amanda. Este é um braço de pesquisa, mas é feito de componentes comerciais daqui mesmo e alguns que tomei emprestado mundo afora. Pesa cerca de três quilos, que é provavelmente mais ou menos o quanto meu braço pesaria se eu o perdesse exatamente aqui. Obviamente, isso é pesado para Amanda. E, de fato, fica ainda mais pesado porque não está fixado no mesmo. Ela está carregando todo o peso através de correias.

Então a parte excitante não é tanto a mecatrônica, mas o controle. Então desenvolvemos um pequeno microcomputador que está funcionando num ponto em suas costas e operando isto durante todo o tempo que ela treina com ele para usar os sinais individuais dos músculos. Então, Amanda, quando você começou a usar este braço, quanto tempo levou para usá-lo?

AK: Levou, provavelmente cerca de três a quatro horas para conseguir treinar. Eu tinha que engatá-lo a um computador, então eu não podia treinar em qualquer lugar. Se ele parasse de funcionar, eu tinha que tirá-lo. Agora é possível treinar com apenas esta pequena peça nas costas. Posso usá-la em todos lugares. Se ele para de funcionar por alguma razão, posso treiná-lo novamente Leva mais ou menos um minuto.

TK: Então estamos realmente entusiasmados, porque agora estamos chegando a um dispositivo clínico prático. E aí está nosso objetivo -- ter algo clínicamente prático para usar. Também capacitamos Amanda a usar alguns de nossos braços mais avançados que lhes mostrei anteriormente. Aqui está Amanda usando um braço feito pela Corporação de Pesquisa DEKA. E eu creio que Dean Kamen o apresentou no TED, alguns anos atrás. Então a Amanda, como podem ver, tem realmente um bom controle. É tudo o 'padrão de reconhecimento'. E agora tem a mão que pode fazer diferentes preensões. O que fazemos é deixar que o paciente tenha caminho livre e pense "Que tipo de padrão de preensão da mão eu quero?" Ele vai para essa modalidade. e você pode fazer até cinco ou seis preensões diferentes com esta mão. Amanda, quantas você podia fazer com o braço DEKA?

AK: Eu conseguia fazer quatro. Eu tinha a preensão de chave, a preensão de afago, Tinha o aperto forte e tinha a compressão suave. Mas a minha favorita era quando a mão estava aberta, pois trabalho com crianças, e então, o tempo todo você está batendo palmas e cantando, então, eu era capaz de fazer aquilo novamente, o que era muito bom.

TK: Essa mão não é tão boa para bater palmas.

AK: Não consigo bater palmas com esta.

TK: Muito bem. Então, é entusiasmante até onde podemos ir com uma mecatrônica melhor, se as fizermos boas o bastante para colocar no mercado e usar numa experiência de campo. Quero que observem com atenção.

(Vídeo) Claudia: Ooooh!

TK: Essa é Claudia, e essa foi a primeira vez que ela conseguiu ter sensibilidade através da prótese. Ela tinha um pequeno sensor na ponta da prótese que ela passava sobre diferentes superfícies e ela podia sentir diferentes texturas, de lixa, diferentes tipos de brita, fitas de laço, quando passava na pele de sua mão 'reinervada'. Ela disse que quando a passou pela mesa, sentiu como se seu dedo estivesse balançando. Então este é um experimento de laboratório entusiasmante em como devolver, potencialmente, alguma sensibilidade da pele.

Mas aqui temos um outro vídeo que mostra algo de nossos desafios. Este é Jesse e ele está apertando um brinquedo de espuma. E quanto mais ele aperta -- você vê uma pequena coisa preta no meio que está puxando sua pele proporcionalmente à força com que ele aperta. Mas, olhe para todos os eletrodos ao redor dele. Tenho um problema de localização. Um punhado dessas coisas devem ser colocadas ali, mas nosso pequeno motor está fazendo todos os tipos de barulho exatamente ao lado dos meus eletrodos! Então, estamos realmente desafiados pelo que fazemos ali.

O futuro é luminoso. Estamos entusiasmados sobre onde estamos e as muitas coisas que queremos fazer. Então, por exemplo, uma é: livrar-se do problema de localização e conseguir sinais melhores. Queremos desenvolver estas minúsculas cápsulas mais ou menos do tamanho de um grão de arroz de modo que possamos inserir nos músculos e conseguir os sinais EMG por telemetria, para que não haja preocupação de contato com o eletrodo. E podemos ter o local livre para tentar maior resposta de sensibilidade. Queremos construir um braço melhor. Este braço -- eles são sempre feitos para os 50 por cento masculinos -- o que significa que eles são muito grandes para cinco oitavos do mundo. Então, mais que um braço que é super forte ou super rápido, estamos fazendo um braço que é -- estamos começando com os 25 por cento femininos -- que terão uma mão que envolve, que abre completamente, dois graus de liberdade no pulso e um cotovelo. Será o menor, mais leve e mais esperto braço já feito. Se pudermos fazê-los pequenos, será muito mais fácil fazê-los maiores.

Pois bem, esses são alguns de nossos objetivos. E realmente agradecemos vocês todos por estarem aqui hoje. Gostaria de contar-lhes um pouquinho sobre o lado ruim, com o tema de ontem. Amanda chegou cansada do voo, ela está usando o braço, e tudo dá errado. Houve um problema no computador, um fio partido, um conversor que soltou faíscas. Desmontamos todo um circuito no hotel e quase disparamos o alarme de incêndio. E eu não poderia ter resolvido nenhum desses problemas, mas eu tenho uma equipe de pesquisadores realmente brilhante. E felizmente a Dra. Annie Simon estava conosco e trabalhou muito ontem para consertar isso. É a ciência. E felizmente, funcionou hoje.

Muito obrigado.

(Aplausos)