Pele artificial avisa utilizadores de próteses sobre pressão perigosa

Uma prótese de membro pode permitir que uma pessoa volte a ficar de pé, caminhar ou correr. No entanto, nem sempre consegue avisar quando o encaixe exerce demasiada pressão sobre a pele do membro residual.

Isto é importante porque uma pressão excessiva ou desigual na zona em que a prótese contacta com o corpo pode provocar desconforto, inflamação e úlceras. Pode também prejudicar o equilíbrio e os movimentos.

Cientistas na China desenvolveram agora um sensor bioinspirado capaz de localizar a pressão e reconhecer padrões que poderão indicar danos.

Descrito num estudo publicado na Cyborg and Bionic Systems, o dispositivo foi ensaiado numa mão robótica e num pequeno estudo de viabilidade com pessoas com amputações dos membros inferiores.

O protótipo não constitui uma prótese de membro completa. Trata-se de uma camada de sensores concebida para ser colocada no interior do encaixe, entre a prótese e o membro residual. Funcionando como pele artificial, acompanha os pontos em que o encaixe pressiona, a intensidade dessa pressão e a sua duração.

Uma pressão breve e “inofensiva” é interpretada como um toque normal.

Contudo, se a pressão persistir, se repetir ou aumentar em vários locais, o sistema pode emitir um alerta precoce de que o tecido poderá estar em risco.

Sensor bioinspirado distingue toque de pressão potencialmente nociva

O sensor recorre a duas vias complementares. Uma via háptica comunica rapidamente o local e a intensidade da pressão. Já uma via inspirada na dor combina os sinais ao longo do tempo e entre diferentes pontos de deteção.

Utiliza um material sensível à pressão e transístores semelhantes a sinapses - componentes eletrónicos cujas respostas podem variar consoante os sinais que receberam anteriormente.

Desta forma, o sistema dispõe de uma forma simples de memória. Após um estímulo semelhante a uma lesão, a sua resposta de alerta torna-se mais sensível, pelo que uma pressão mais fraca pode desencadear posteriormente uma reação mais forte.

“O dispositivo não sente dor nem provoca dor no utilizador”, disse à ScienceAlert o autor sénior Huaping Wu, engenheiro mecânico da Universidade de Tecnologia de Zhejiang.

“Em vez disso, reproduz características selecionadas de processamento de informação associadas à nociceção, incluindo limiares de estímulo, somação temporal e espacial, memória e sensibilização.”

A dor biológica é muito mais complexa, envolvendo nervos, medula espinal, cérebro, emoções e experiência consciente. O dispositivo gera um aviso funcional, e não dor.

Testes na mão robótica e em encaixes de próteses

Os investigadores começaram por instalar uma matriz de quatro sensores numa mão robótica. O sistema classificou como inofensiva uma pressão de 10 quilopascais aplicada durante 0,21 segundos. Porém, quando a mesma pressão se manteve durante 0,49 segundos, o sinal acumulou-se, ultrapassou o limiar de alerta e levou a mão a recuar.

Após este acontecimento semelhante a uma lesão, a mesma pressão provocou o recuo em 0,06 segundos. Isto imitou a maior sensibilidade do corpo após uma lesão, mas não significava que o robô tivesse uma memória consciente ou sentisse dor. A resposta mais rápida resultou de uma alteração concebida no limiar de aviso.

A equipa instalou depois sensores no interior dos encaixes de próteses abaixo do joelho de três participantes e registou a pressão enquanto estes se sentavam, caminhavam, subiam escadas, saltavam e corriam.

Foram colocados quatro pontos de deteção em zonas propensas à pressão, escolhidas com base na anatomia e nos relatos dos participantes sobre desconforto no quotidiano.

Durante a corrida, o dispositivo identificou uma elevação excessiva da anca para ajudar o pé protésico a não tocar no chão. Esta ação causava uma distribuição desigual da carga e aumentava a pressão na parte frontal do membro residual. O retorno de informação do sistema ajudou os participantes a ajustar a marcha e a reduzir o movimento excessivo da anca.

Para comparar os seus alertas com avaliações humanas, os investigadores recorreram às classificações numéricas de desconforto atribuídas pelos participantes e às avaliações, por observadores, das expressões faciais. A combinação de sinais no espaço e no tempo identificou corretamente 86.4 percent dos episódios breves de desconforto e 90.9 percent dos episódios prolongados.

Estes valores representam a concordância nestes testes, não a satisfação dos utilizadores. O artigo não indica durante quanto tempo os participantes usaram o sistema no total, nem inclui um inquérito de satisfação; por isso, ainda não permite determinar se os utilizadores o considerariam confortável ou prático no dia a dia.

Outras próteses restituíram o feedback de formas diferentes.

Uma mão biónica ligada aos ossos, músculos e nervos de um utilizador proporcionou uma capacidade limitada de toque, enquanto uma perna protésica sensorial converteu a pressão sob um pé artificial em sinais enviados para terminações nervosas.

Este dispositivo, por seu lado, monitoriza a interface oculta entre o membro residual e o encaixe, onde uma carga prolongada ou desigual pode lesar os tecidos.

Os alertas poderão levar os utilizadores a mudar de posição, ajustar a marcha, descansar ou pedir uma verificação do encaixe. Os padrões registados também poderão ajudar os profissionais de saúde a personalizar o ajuste do encaixe e o treino da marcha.

Limitações do protótipo e próximos estudos

Os resultados continuam a ser preliminares, e o protótipo com fios terá de ser miniaturizado para um sistema sem fios, compacto e de baixo consumo energético.

“Também é necessário estabelecer proteção de grau médico, fixação segura e estabilidade perante carga repetida, suor, alterações de temperatura e deformação do encaixe”, disse Wu à ScienceAlert.

Serão necessários estudos maiores e mais longos, que envolvam diferentes amputações e modelos de encaixe, para determinar se o sistema melhora o conforto, a proteção dos tecidos e a reabilitação.

Se demonstrar ser fiável, esta pele artificial poderá avisar os utilizadores de próteses sobre pressões perigosas antes de o desconforto se transformar numa lesão.

O estudo foi publicado na Cyborg and Bionic Systems.

Este artigo foi verificado por Rachel Garner e editado por Rebecca Dyer. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar algum erro, informe-nos, por favor.