Robotics: Top Prosthetic Limbs Bring Hope to Amputees

In the aftermath of the Boston Marathon bombing, the photo of Jeff Bauman Jr. being rushed to the hospital shortly after having his legs blown off brought us face to face with the grim reality that many victims of this tragedy would be undergoing limb amputation.
With the Modular Prosthetic Limb, researchers from Johns Hopkins University Applied Physics Lab have successfully demonstrated the possibilities of controlling artificial limbs simply by thought. 

JOHNS HOPKINS UNIVERSITY APPLIED PHYSICS LAB

But advances in prosthetic technologies over the last thirty years have far surpassed the crude, wooden models that once made having artificial limbs such a nuisance. In fact, today’s robotic and bionic devices are giving amputees nearly full restoration of their lost limbs.
Hugh Herr, head of the biomechatronics research group at MIT Media Lab and double leg amputee, says he predicts “bionics will catch on like wildfire.”
“It’s a win for the patient. It’s a win for the healthcare supplier and it’s a win for the payer,” Herr told Discovery News. “Right now the payers think that high tech is expensive and should be avoided. I’m trying to change that paradigm.”
While bionic prosthetics are more expensive on a device-by-device basis, Herr says they can help reduce secondary disabilities such as hip arthritis, knee arthritis and lower back pain that amputees often develop from using prosthetic limbs.
“Those secondary disabilities are what drive up health care costs,” he said. “If you can emulate nature, if you can truly replace a limb after amputation, those secondary disabilities will never emerge and that person will remain healthy for their entire life and won’t have these astronomically high health care payouts.”
Foot and ankle prosthetics have come a long since the SACH, the Solid Ankle, Cushion Heel, developed in the mid-1950s.

WILLOW WOOD

Herr says there have been three eras in prosthetic limb technology. First was the SACH foot era, which stands for Solid Ankle, Cushion Heel. Developed in the mid-1950s, the foot typically had a wood core, with a foam and rubber outer shell. While the artificial foot gave patients more stability, it offered little lateral movement.
“Foot-ankle prosthesis you could characterize as related to energy return during the push-off phase,” Herr said. “The SACH foot basically stores little to no energy, nor returns little to no energy,”
New models of the SACH foot with titanium cores are still used today, but are only recommended for patients with a low activity level.

The carbon graphite technology in the Flex Foot essentially puts a spring in the wearers step.

 

JULIAN FINNEY/GETTY IMAGES

For hundreds of years, prosthetic feet that were fundamentally similar to the SACH foot were widely used. During the 1980s, a new era began, when Herr says the Flex Foot carbon design changed that paradigm.
Developed by Van Phillips in 1984, Flex Foot’s carbon graphite technology essentially put a spring in the wearers step. By storing the kinetic energy of each step, the artificial foot allowed amputees to jump, walk and run at speeds of up to 28 feet per second. The Flex-Foot Cheetah blade is the technology’s most high performance model and primarily used for people with below-knee amputations. Though the cheetah blades allow wearers to run like the wind, Herr says carbon prosthetics still don’t provide a normal level of energy return.

The BiOm Ankle System is the first bionic ankle-foot device commercially available for lower-extremity amputees.

 

IWALK INC.

The third era is robotics or bionics, in which there’s an energy source and an actuator in the artificial limb that can produce energies greater than what a spring can produce. “For legs, we’ve just entered that era,” said Herr, whose BiOm Ankle System is a leader in the field.
As the first bionic ankle-foot device commercially available for lower-extremity amputees, the BiOm Ankle System reestablishes the biomechanics of the ankle-foot function across all walking speeds. The system’s comprehensive design emulates the muscles and tendons of the human ankle joint and puts forth more mechanical energy than it absorbs. This allows amputees to walk with a more natural gait at their own chosen speed, using the same amount of energy as a non-amputee.
Using three computers and six sensors BiOM’s processors are able to adjust stiffness in the ankle, spring equilibrium and propulsive torque 500 times a second. When an increase in torque is detected in the ankle joint, an actuator helps trigger more torque to modulate the foot’s push-off power, even at different velocities and inclines.

Icelandic company Ossur introduced their Symbionic Leg in 2011 as the world’s first complete bionic leg.

 

OSSUR

Ossur, the Icelandic company behind the cheetah blades, introduced their Symbionic Leg in 2011 as the world’s first complete bionic leg. It’s a combination of Ossur’s Rheo Knee and Proprio Foot.
Integrated sensors in the polyurethane knee monitor the weight, motion and force and onboard microcontrollers process that data while tracking gait patterns. An actuator interprets that data and initiates appropriate resistance in the knee joint whether a person is standing still, turning a corner or walking in a straight line.
The foot design is based on Flex-Foot technology and incorporates lightweight, durable carbon fiber packaged with Terrain Logic, an onboard artificial intelligence system that calculates sensor data and feeds it to an actuator, which then relays motion instructions to precision motors.
Touch Bionics’s iLimbs use muscle sensors placed on the skin of an amputees and just announced the first upper limb prosthesis controlled by a smartphone app. 

TOUCH BIONICS

Developed by Touch Bionics, iLimb uses muscle sensors placed on the skin of an amputees remaining stump. The electric signals generated by the wearer’s muscles control an onboard processor that’s embedded into the prosthetic hand. This myoelectric technology gives amputees a more precise range of control and movement, even giving them the ability to pick up coins.

BLOG: App Controls Bionic Hand

Most recently, Touch Bionics announced their iLimb Ultra Revolution will be the first upper limb prosthesis controlled by a smartphone app. The bionic hand features four individually articulating fingers and a rotating thumb that can either be controlled by the wearer’s muscle signals or the new Quick Grip app system that automatically forms the hand into preset grip patterns. By tapping the app, users can access 24 pre-programmed motions that assist with picking up objects, grasping tools or shoe-tying, to name just three.
DARPA helped develop two anthropomorphic modular prototype prosthetic arms, both of which offer increased range of motion, dexterity and control options. 

DEKA RESEARCH

When DARPA launched its $150 million Revolutionizing Prosthetics program in 2006, upper-limb prosthetic technology was lagging far behind lower-limb technology. Out of that program two anthropomorphic modular prototype prosthetic arms have emerged, both of which offer increased range of motion, dexterity and control options. “From that program there’s a number of technologies that have not been commercialized yet that I hope will be commercialized in the future,” said Herr. “One, of course, is Dean Kamen’s ‘Luke’ Arm.”
Nicknamed after the prosthetic worn by Luke Skywalker in “Star Wars,” Kamen’s DEKA Arm uses foot controls that work simultaneously with sensors in the device’s sockets. Wearers use the foot controls like a joystick to access the mechanical arm’s range of motion. The system even provides feedback via sensors worn on the amputee’s remaining part of the limb that let wearers know how hard they are grasping an object.
With a Modular Prosthetic Limb, nerves that previously went to a patient’s hand were re-routed to healthy muscles in the amputee’s stump.

 

JOHNS HOPKINS UNIVERSITY APPLIED PHYSICS LAB

With the Modular Prosthetic Limb, Johns Hopkins University Applied Physics Lab has successfully demonstrated the possibilities of controlling artificial limbs simply by thought. Led by Michael McLoughlin and Albert Chi, the APL’s work compromises the second prototype of DARPA’s Revolutionizing Prosthetics program.
In testing the prosthetic arm, nerves that previously went to a patient’s hand were re-routed to healthy muscles in the amputees stump. Sensors on the skin picked up brain signals from those nerves, then translated those signals to the robotic arm.
For quadriplegics like Jan Sherman, who was recently featured on 60 Minutes, simply re-routing nerves is not an option. Under DARPA’s program, she had University of Pittsburgh neurosurgeon Elizabeth Tyler-Kabara implant two sensors about the size of a pea on her brain. The sensors were wired to two computer connection pedestals that stuck out on the top of her head. When “plugged in,” Sherman was able to move a robotic arm and hand merely with her thoughts.

Científicos españoles descubren un nuevo material láser aplicable en medicina

Elimina la necesidad de usar grandes volúmenes de disolventes orgánicos, «la mayoría tóxicos y carcinogénicos»


Un equipo de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad Complutense de Madrid (UCM) han desarrollado un nuevo material láser que tiene aplicaciones en campos tan diversos como la medicina, la agricultura o las ciencias ambientales.

Este nuevo material láser elimina la necesidad de utilizar grandes volúmenes de disolventes orgánicos, «la mayoría tóxicos y carcinogénicos», según han informado desde la Facultad de Ciencia y Tecnología del Campus de Vizcaya.

Basado en la creación de imágenes, detección, análisis y manipulación de sistemas biológicos a través de la luz, el nuevo material mejora la eficiencia y la estabilidad de los colorantes comerciales que se emplean en biofotónica.

Además, el trabajo realizado por los investigadores ha sido publicado en la revista «Nature Photonics».
«Eficiente y duradera»

En este sentido, los científicos han obtenido «por primera vez» una emisión «eficiente y duradera» de luz láser roja gracias a la incorporación de dos moléculas colorantes que se presentan confinadas en nanopartículas de látex dispersas en agua.

Según han explicado, «la longitud de onda de la luz roja es clave para la terapia fotodinámica, con usos, por ejemplo, en oftalmología y dermatología».

«La utilización, en biomedicina, de emisores de luz roja, con una longitud de onda superior a 650 nanómetros, tiene ciertas ventajas ya que los tejidos biológicos son más transparentes a ella y la luz puede profundizar más, lo que facilita su uso en cirugía y en tratamientos de terapia fotodinámica, basados en la activación por luz de medicamentos ingeridos», ha explicado el investigador del CSIC Luis Cerdán, que trabaja en el Instituto de Química Física Rocasolano y pertenece al grupo que ha llevado a cabo la caracterización láser y el estudio teórico.

El uso de colorantes comerciales para estas aplicaciones estaba limitado, hasta ahora, «por la poca luz de excitación que absorbían», un inconveniente que reducía su eficiencia.

Asimismo, los colorantes «suelen dañarse con facilidad cuando son excitados, lo que reduce su utilidad tecnológica y hace aumentar el coste económico».

Para resolver estos problemas, los científicos han recurrido a un proceso de transferencia de energía conocido como Förster Resonance Energy Transfer (FRET, por sus siglas en inglés), basado en incorporar dos colorantes: uno donador, capaz de absorber eficientemente la excitación y que apenas se daña, y otro aceptor, que emite luz tras haber recibido la energía del primero.

Según ha explicado el investigador de la UCM Eduardo Enciso, que ha llevado a cabo la síntesis de las nanopartículas y colaborado en el análisis teórico, «empleamos los colorantes Rhodamina 6G como donador y Azul de Nilo como aceptor. Para garantizar la proximidad de los colorantes y, por tanto, una mayor eficiencia, los confinamos en nanopartículas poliméricas de 50 nanómetros de diámetro dispersas en agua”.
Vida útil

En este sentido, Enciso ha añadido que «al integrar los colorantes en estas estructuras se reducen los procesos que degradan sus moléculas tras ser excitadas por la luz, una situación especialmente grave en los colorantes con emisión roja, lo que además evita la pérdida de sus propiedades de emisión y multiplica por ocho su vida útil».

Por otro lado, la caracterización fotofísica ha permitido estudiar el proceso de transferencia de energía en el sistema, que se produce «muy rápidamente», por debajo de los 500 picosegundos (un picosegundo es la billonésima parte de un segundo).

Según los investigadores Jorge Bañuelos e Iñigo López Arbeloa, que han llevado a cabo esta parte de la investigación en la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU, «el mecanismo de transferencia de energía es muy complejo, ocurre principalmente por la interacción de los dipolos eléctricos de los colorantes donadores y aceptores y se produce a una distancia media de tres nanómetros».



Terapia con células madre contra accidentes cerebrovasculares

Tras un accidente cerebrovascular, la velocidad es clave para reducir los posibles daños: parálisis, trastornos del lenguaje, pérdida de visión. Científicos de Leipzig prueban en ovejas un nuevo método para ganar tiempo. 

Más de 250.000 personas sufren un accidente cerebrovascular anualmente en Alemania. De ellos, más de 60.000 no sobreviven para contarlo. En el tratamiento de los llamados ictus, hemorragias o infartos cerebrales, isquemias, apoplejías, los germanos invierten, cada año, más de 6.000 millones de euros.
Tras sufrir un ataque, cada minuto cuenta. Pues, sólo si se logra disolver el coágulo de sangre o revertir la hemorragia en el cerebro en unas pocas horas, se podrán evitar daños permanentes. Con un nuevo enfoque, el Instituto Fraunhofer de Terapia Celular e Inmunología intenta reducir estos daños y ampliar la ventana de tiempo de que se dispone para un tratamiento efectivo. Por el momento, el procedimiento se prueba en ovejas.
Pruebas con ovejas
...pero los primeros experimentos se realizan con ovejas.…pero los primeros experimentos se realizan con ovejas.Johannes Boltze visita regularmente su rebaño. Las ovejas pastan en las instalaciones de Medicina Veterinaria de Leipzig. Sólo un detalle de su aspecto llama la atención: llevan el lomo rapado. “Hace un tiempo, tomamos muestras de células de la cresta ilíaca (en el borde superior de la pelvis). Y ahora las cultivamos en el laboratorio. Para evitar la contaminación de las células es necesario rapar a las ovejas”, explica.
Boltze es médico y dirige el departamento de neuroregeneración en el Instituto Fraunhofer de Leipzig. Su equipo de científicos ha tomado células madres de la médula ósea de los bovinos. Células vírgenes, que aún pueden desarrollarse en distintos tipos de tejidos. Esta es la base de la nueva terapia. Los investigadores han provocado ya derrames cerebrales a algunas ovejas.
“Se les induce un ataque con un procedimiento que desarrollamos nosotros mismos, con un impacto relativamente ligero en los animales”, asegura Boltze. “Luego de un tiempo, e incluso con un ojo entrenado, es difícil notarles daños. Inducimos el ataque de forma tan dosificada que la oveja apenas se ve limitada en su vida diaria”, insiste.
Sin embargo, las consecuencias del accidente cerebrovascular inducido se pueden reconocer con determinados exámenes. Los médicos examinan a las ovejas con tomografías de resonancia magnética y determinadas pruebas de conducta. Pues, como en las personas, su coordinación motora se ve afectada por el ataque cerebral.
Los investigadores, por ejemplo, mueven una de las patas delanteras de los animales hacia un costado. Como “la oveja necesita corregir esa posición para ganar estabilidad sobre sus cuatro patas, podemos medir así si el movimiento ocurre con retraso o ni siquiera ocurre. En tal caso, se trata de una reacción patológica que puede relacionarse con el accidente cerebral”, explica el doctor Boltze.
Los científicos inyectan en las ovejas células madres que han sido extraídas de ellas mismas. El próximo paso será transferirles células humanas.
En ello trabaja actualmente Alexandra Stolzing: extrayendo células madres de piel humana. El problema es que las células de la piel no son vírgenes. Para convertirse en células madres tienen que –por así decirlo- olvidar su desarrollo anterior y volver a comenzar de cero. Es el único camino para que puedan desarrollarse como células de otro tipo. Por ejemplo, como células nerviosas.
La investigación está apenas comenzando, pero los resultados son ya fascinantes; y no sólo para el tratamiento de accidentes cerebrovasculares. “Yo provengo de la gerontología o investigación del envejecimiento, así que para mí es fascinante ver cómo se puede devolver a una célula a un estado que podríamos denominar como ‘joven'”, cuenta Stolzing con verdadero entusiasmo científico.
“Eso es lo que estamos observando en el Instituto Fraunhofer de Leipzig: ¿Qué pasa con los daños celulares? ¿Se eliminan? ¿Se repelen? ¿Se devuelve también al genoma a un estado anterior? ¿Se activan funciones regeneradoras que la célula ha perdido con la edad?”, explica la gerontóloga.
Siempre será mejor prevenir
Lo mejor es prevenir. Por ejemplo: no fumar.Lo mejor es prevenir. Por ejemplo: no fumar.El efecto exacto que producen las células madres en el cuerpo humano tras un accidente cerebral es aún desconocido. Lo que sí está claro es que estas células no llegan directamente el cerebro para producir allí nuevas células nerviosas y sustituir el tejido dañado. Un proceso como ese duraría al menos cuatro semanas.
Pero el efecto positivo de la inyección de células madres aparece en las ovejas tras apenas una semana, asegura Johannes Boltze: “Lo que hacen las células es evitar determinados daños secundarios, modular procesos inflamatorios y minimizar la muerte celular, de modo que el resultado final es mejor que cuando no se aplica la terapia”.
En todo caso, la terapia con células madres sería sólo un paso en el tratamiento de accidentes cerebrovasculares. Decisivo seguirá siendo que el paciente llegue cuanto antes a una clínica especializada para frenar la hemorragia o disolver el coágulo. Luego, las células madres pueden ayudar a reducir los daños. Pero la ventana de tiempo para iniciar una terapia de este tipo es apenas de tres días tras sufrir un ictus. Luego, los trastornos suelen ser irreversibles.
El próximo año los investigadores de Leipzig comenzarán las primeras pruebas clínicas con humanos. Pero, incluso si todo sale bien, la terapia con células madres no estará disponible en menos de diez años. Y el mejor camino seguirá siendo la prevención, insiste el doctor Johannes Boltz: “Lo mejor no son las células madres, ni los nuevos medicamentos, lo mejor es llevar una vida sana, no fumar, no ingerir demasiado alcohol y moverse mucho. Eso ayuda más que cualquier célula madre”.

Autoras: Claudia Ruby / Rosa Muñoz Lima (2 febrero 2012)
Editor: Enrique López Magallón (Eurodinamica)

EURODINÁMICA | 02.02.2012