Los dispositivos wearables o vestibles continúan avanzando y mejorando sus capacidades, muchas de las cuales pueden ser usadas para monitorear la actividad humana e incluso la de sus músculos, como es el caso de un gadget desarrollado recientemente por científicos.
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Un equipo de investigadores dirigido por Sheng Xu, profesor del Departamento de Ingeniería Química y Nanoingeniería de la Universidad de California en San Diego desarrolló un dispositivo portátil de ultrasonidos capaz de monitorizar la actividad muscular de forma inalámbrica y a largo plazo, con posibles aplicaciones en asistencia sanitaria e interfaces hombre-máquina.
De acuerdo con la investigación publicada en Nature Electronics, el dispositivo fue diseñado para adherirse a la piel con una capa de adhesivo y alimentado por una batería, el dispositivo permite realizar un seguimiento de alta resolución de la función muscular sin necesidad de procedimientos invasivos.
“La función principal del dispositivo es detectar la actividad muscular. Las ondas ultrasónicas penetran en el músculo y se reflejan en los límites entre las distintas capas musculares. Durante la actividad muscular, los cambios estructurales del músculo alteran las señales reflejadas, que el dispositivo capta en tiempo real”, explicó a Metro Xiangjun Chen, uno de los coautores del estudio y candidato al doctorado en el programa de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de California en San Diego.
En las pruebas, el dispositivo se colocó sobre la caja torácica para controlar el movimiento y el grosor del diafragma, que son útiles para evaluar la salud respiratoria. Además, los investigadores utilizaron con éxito el dispositivo en el antebrazo para captar la actividad muscular de la mano y la muñeca, lo que permitió su uso como interfaz hombre-máquina para controlar un brazo robótico y jugar a un juego virtual.
“Estas demostraciones subrayan el potencial de la tecnología para prótesis, juegos y otras aplicaciones de interfaz hombre-máquina”
— Wentong Yue, coautor del estudio y doctorando del Departamento de Ingeniería Química y Nanoingeniería de la Universidad de California en San Diego.
Además, esta tecnología de ultrasonidos para llevar puesta puede ofrecer una nueva alternativa prometedora al estándar clínico actual, la electromiografía (EMG), que consiste en aplicar electrodos metálicos sobre la piel para registrar la actividad muscular eléctrica. A pesar de que la EMG se utiliza desde hace mucho tiempo, adolece de baja resolución y señales débiles.
Los ultrasonidos, sin embargo, proporcionan imágenes de alta resolución al penetrar en los tejidos profundos, lo que ofrece una visión detallada de la función muscular. La tecnología de ultrasonidos desarrollada por el equipo de Xu y sus colaboradores tiene la ventaja adicional de ser compacta, inalámbrica y de bajo consumo.
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De igual forma, en las pruebas de concepto, los participantes utilizaron el dispositivo en el antebrazo para controlar un brazo robótico que pipeteaba agua en vasos de precipitados. En otra demostración, utilizaron el dispositivo para jugar a un juego virtual, usando los movimientos de la muñeca para controlar el vuelo de un pájaro virtual a través de obstáculos.
Así está conformado el dispositivo
Consta de tres componentes principales:
1.- Un único transductor para enviar y recibir ondas ultrasónicas.
2.- Un circuito inalámbrico diseñado a medida que controla el transductor, registra los datos y los transmite de forma inalámbrica a un ordenador;
3.- Una batería de polímero de litio que puede alimentar el sistema durante al menos tres horas.
-El dispositivo está alojado en una carcasa flexible de elastómero de silicona.
5 Preguntas a…
Xiangjun Chen, uno de los coautores del estudio y candidato al doctorado en el programa de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de California en San Diego.
P: ¿Cómo surgió la idea de desarrollar este dispositivo?
–Empezamos este proyecto en 2021, durante la pandemia de COVID-19, con el objetivo inicial de desarrollar un parche de ultrasonidos portátil para ayudar a los médicos a controlar a los pacientes con COVID-19 u otras enfermedades respiratorias. En consecuencia, establecimos una colaboración con especialistas pulmonares. Durante nuestra exhaustiva revisión bibliográfica, descubrimos el potencial de este sistema para monitorizar el movimiento del diafragma como indicador de los patrones respiratorios. Al mismo tiempo, reconocimos su aplicabilidad como interfaz hombre-máquina.
P: ¿Cómo funciona este dispositivo y cuál es su función principal?
–El dispositivo consta de un único transductor compacto que transmite y recibe ondas ultrasónicas, un circuito inalámbrico para accionar el transductor y recopilar datos, y una batería integrada que alimenta todo el sistema. Un encapsulado exterior blando garantiza un contacto uniforme con la piel.
La función principal del dispositivo es detectar la actividad muscular. Las ondas ultrasónicas penetran en el músculo y se reflejan en los límites entre las distintas capas musculares. Durante la actividad muscular, los cambios estructurales del músculo alteran las señales reflejadas, que el dispositivo capta en tiempo real.
P: ¿Por qué es importante realizar una monitorización de alta resolución de la función muscular?
–La monitorización de alta resolución de la función muscular es crucial para evaluar cuantitativamente los cambios estructurales en los músculos. Por ejemplo, hemos aplicado nuestro dispositivo al diafragma, el principal músculo que interviene en la respiración. Puede captar en tiempo real los cambios en el grosor del diafragma, lo que permite identificar distintos modos de respiración, como la torácica y la abdominal. Además, puede distinguir entre individuos sanos y pacientes con enfermedades respiratorias, como la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC). Esta funcionalidad demuestra su potencial para la monitorización respiratoria y el diagnóstico precoz.
P: ¿Cómo es el uso de este dispositivo como interfaz hombre-máquina?
–El dispositivo capta continuamente señales de ultrasonidos que reflejan cambios estructurales en los músculos del antebrazo asociados a diferentes gestos de la mano. Utilizando el aprendizaje automático, hemos correlacionado cada señal de ultrasonido única con un gesto correspondiente, lo que ha permitido crear una interfaz hombre-máquina. Esta interfaz puede aplicarse a diversos escenarios, como los videojuegos o el control de brazos robóticos.
P: ¿Cuál es el futuro de este dispositivo?
–El dispositivo es prometedor para una amplia gama de aplicaciones futuras. Podría ser un método valioso para controlar los patrones respiratorios de pacientes con afecciones respiratorias como el asma y la enfermedad pulmonar obstructiva crónica, ayudando así a los médicos a predecir las exacerbaciones antes de que se produzcan. Además, al medir los cambios en el grosor del diafragma, el sistema puede ayudar a los médicos a determinar el momento óptimo para iniciar la ventilación mecánica y cuándo proceder con seguridad a la extubación.
En el campo del reconocimiento de gestos de la mano, el sistema EcMG tiene potencial para pacientes con miembros amputados. Puede captar señales de radiofrecuencia del muñón, donde la actividad muscular se asemeja mucho a la de los miembros intactos. Por consiguiente, el sistema EcMG podría permitir a las personas con amputaciones controlar máquinas con un nivel de precisión comparable al de las personas sin amputaciones.
