Stimularea electrică funcţională Radu Breahnă, Irina Turtureanu
Yüklə 413,28 Kb. Pdf görüntüsü
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- Introducere Stimularea Electrică Funcţională (SEF)
- Controller-ul Microcontroller-ul
- Interfaţa Creier-Calculator
| 178
Radu Breahnă, Irina Turtureanu (Conducător ştiinţific: S. Lozovanu, conf. universitar, V. Ojog, asistent universitar) Catedra Fiziologia Omului şi Biofizică (şef-V. Vovc, prof. universitar)
This paper is focused on Functional Electrical Stimulation, a technique that uses electrical stimuli to reestablish the normal activity of organs deprived of nervous control. The concept itself is described along with information about its origin, history, current application and future development. The paper also presents a FES device, developed by the authors, and the experimental results of its testing.
Lucrarea dată abordează Stimularea Electrică Funcţională, o tehnică ce utilizează stimuli electrici pentru a restabili activitatea organelor lipsite de control nervos. Este descris conceptul prorpiu-zis, originea lui, datele istorice de referinţă, aplicarea curentă şi viitoare. Totodată, este prezentat proiectul unui dispozitiv SEF realizat de autori şi rezultatele testării sale experimentale.
Stimularea Electrică Funcţională (SEF)- sau electrostimularea funcţională este o tehnică care utilizează curentul electric pentru excitarea nervilor extremităţilor afectate de paralizie în urma leziunii măduvii spinării, a capului, ischemie cerebrală, şi alte afecţiuni neurologice. SEF este primordial utilizată pentru restabilirea funcţionalităţii persoanelor cu dizabilităţi. Uneori mai este numită Stimularea Electrică Neuromusculară (SENM).
de Liberson [1]. De abia în 1967 a apărut denumirea de Stimulare Electrică Funcţională, noţiune utilizată de Moe şi Post într-un patent intitulat “Stimularea electrică a muşchiului deprivat de
mersului, prin stimularea nervului peronier. Liberson a comunicat o îmbunătăţire semnificativă a mersului pacienţilor hemiplegici care au testat acest tip de neuroproteză. Ideea a fost preluată şi de către alte centre de cercetare (University Rehabilitation Institute – Ljubljana, Rancho Los Amigos, Downey, USA, etc) [2,3]. Au avut loc cercetări asidue, finalizîndu-se cu diverse prototipuri de neuroproteze. Din păcate, puţine au depăşit stadiul cercetărilor şi au ajuns în clinici pentru tratamentul curent al pacienţilor. Stimularea electrică funcţională urmăreşte coordonarea activării grupelor musculare vizate, astfel încît mişcarea rezultată la nivelul membrelor inferioare sau superioare să corespundă celei normal voluntare. Pacienţii care pot beneficia de tratamente bazate pe stimulare electrică funcţională:
Pacienţii cu accident vascular cerebral (primele 6 luni sunt hotărîtoare în recuperare)
Pacienţii cu Parkinson (calitatea mersului se îmbunătăţeşte semnificativ)
Pacienţii paralizaţi (exerciţii de întreţinere) [4,5]. Stimularea electrică se realizează cu electrozi plasaţi la suprafaţa pielii sau implantaţi. Electrozii de suprafaţă sunt mai uşor de aplicat, dar induc probleme legate de conductivitatea electrică şi selectivitatea muşchilor. În plus, mişcîndu-se odată cu pielea se poate ajunge la o diminuare a contracţiei musculare în timpul mişcării funcţionale [6].
179
odată plasaţi în vecinătatea nervului motor permit o mai bună selectivitate şi activare a muşchilor vizaţi. Evoluţiile recente în domeniul microelectronicii au permis realizarea unor electrozi implantabili miniaturizaţi. Stimularea electrică se realizează cu impulsuri de curent de formă dreptunghiulară. În cazul muşchilor avînd neuronul motor intact, stimulaţi cu electrozi de suprafaţă, semnalul electric se constituie într-un tren de impulsuri dreptunghiulare cu o frecvenţă între 20 Hz – 40 Hz şi o durată a pulsului între 5 µs şi 350 µs, intensitatea fiind între 20 mA şi 100 mA [5]. În cazul stimulării electrice cu electrozi implantaţi, contracţia musculară maximă se poate obţine pentru valori de aproximativ 20 mA şi o durată de 200 µs a impulsului dreptunghiular [7]. Muşchii denervaţi necesită un stimul electric cu o durată a pulsului dreptunghiular de ordinul a 150 ms, pentru obţinerea contracţiei. Cercetările în domeniul neuroprotezelor au rezultat în următoarele aplicaţii:
Proteze implantate în braţe pentru controlul funcţiei de apucare
Neuroproteze ajutătoare în funcţii de transfer scaun rotile-toaletă, scaun-pat ale pacienţilor paraplegici
Neuroproteze pentru mers etc. [8-13]. Un sistem implantat denumit “Free Hand”, îmbunătaţeşte semnificativ abilităţile funcţionale în utilizarea mînii în cazul pacienţilor tetraplegici cu leziuni ale coloanei vertebrale la nivel C5-C6. La nivel mondial sunt aproximativ 150 de pacienţi ce beneficiază de pe urma implantării acestui sistem. Totuşi, puţine sunt neuroprotezele integrate în tratamentul clinic uzual. Evoluţia ştiinţifică şi dezvoltarea rapidă a tehnicii de calcul în ultimii 10 ani a dus la apariţia unor platforme simple şi accesibile, capabile de realizarea funcţiilor complexe de altfel imposibile sau dificile în deceniile precedente.
Demonstrarea eficienţei şi accesibilităţii metodei date în modularea funcţiilor fiziologice normale ale organismului Materiale şi metode Aparatele SEF au două componente esenţiale : un stimulator şi un controller Stimulatorul este sursa impulsurilor electrice, la el se conectează electrozii, care mai apoi sunt inseraţi în organul corespunzător. Controller-ul este analog unui aparat de calcul (computer). Rolul lui este de a dirija lucrul stimulatorului. Acesta poate fi programat sa declanşeze diverşi algoritmi de stimuli electrici predefiniţi sau poate fi setat să citească informaţia de pe un aparat de introducere (telecomanda) şi să acţioneze în conformitate cu comenzile date de utilizator. Stimulatorul utilizat a fost proiectat cu intenţia de a controla concomitent patru grupe musculare. Astfel, el prezintă patru perechi de electrozi fiecare conectat la cîte un circuit dirijat de un tranzistor. Toate circuitele au fost asamblate pe aceeaşi placă, au un întrerupător şi o sursă de alimentare (9V) comună. De stimulator este ataşat un potenţiometru pentru controlul tensiunii iar în timpul lucrului opţional se conectează şi un multimetru pentru vizualizarea tensiunii în timp real. Electrozii Ace din oţel inoxidabil conectate cu stimulatorul prin fire izolate de cupru. 180
Microcontroller-ul utilizat se numete Arduino, a fost creat în 2005 de Institutul de Proiectare Interactivă din Ivrea, Italia cu scopul de a oferi studenţilor posibilitatea de a realiza lucrări mai uşor şi la un preţ redus.
Mediul Arduino reprezintă o platformă hibridă bazată pe limbajul Java şi constă dintr-un redactor de cod, un compilator şi un modul de transfer al datelor spre controller. A fost creat în jurul proiectului Wiring început în 2003 de Hernando Barragan şi este destinat artiştilor, designerilor, studenţilor şi tuturor celor pasionaţi de crearea dispozitivelor interactive. În cadrul experienţelor, controller-ul a fost programat să comunice cu stimulatorul, activînd sau dezactivînd fiecare pereche de electrozi într-o anumită succesiune specificată de progam. Pentru realizarea programării controller-ul este conectat la un calculator prin interfaţa USB. Parametrii stimulului Parametrii stimulului au fost obtinuţi din rezultatele cercetărilor privind contracţia muşchiului de broască, efectuate la laboratorul de mecatronică în cadrul universitaţii Northwestern, SUA. (Fig.1)
Fig.1 Dependenţa contracţiei musculare de frecvenţă
Astfel pentru experiment a fost aleasă frecvenţa stimulului de 41.6 Hz şi intervalul de tensiune 3- 6 V
Unda dreptunghiulară utilizată are un duty cylce (ciclu de lucru) de 50% şi o frecvenţă de 41.6 Hz. Ciclul de lucru reprezintă cît timp semnalul se află la tensiune maximă faţă de timpul în care acesta este la tensiune minimă. Un impuls cu ciclul de lucru 50% va avea aceste valori egale între ele (unda sub forma de pătrat). Frecvenţa de 41.6 Hz a fost obţinută în cadrul programului care specifică menţinerea tensiunii la nivel maxim şi minim timp de 12 ms. Stimulul dat avea o perioadă de 24 ms şi respectiv o frecvenţă de 41.6 Hz.
Studiul s-a efectuat preponderent cu muşchii gastrocnemian şi tibial anterior ai gambei şi grupul muscular posterior al coapsei membrului de broască. Rezulatele au fost înregistrate în format video.
În toate experimentele a fost utilizată o broască cu măduva spinării distrusă, obţinîndu-se o paralizie completă a membrelor posterioare. Pielea membrului în care sa făcea inserţia electrozilor se exciza în unele experiemente, în altele se păstra intactă. Diferenţe esenţiale între aceste 2 tipuri de preparate nu au fost observate, în ambele avînd loc inserţia intramusculară a electrozilor. 181
Stimularea unui singur muşchi Cu uşurinţă a fost realizată stimularea unui singur muşchi cuplată cu mişcarea membrului în direcţia contracţiei. Alternînd programele utilizate, s-au obţinut contracţii succesive cu diverse pauze între contracţii 1.6s - 3.6s. Experimentul Nr. 2 Stimularea alternativă a 2 muşchi Analog primului experiment a fost realizată contracţia musculară, însă deja a 2 muşchi antagonişti (gastrocnemian şi tibial anterior). Mişcarea observată a fost o flexie şi extensie a labei piciorului, care avea loc în strictă concordanţă cu algoritmul contracţiei specificat de program.
Flexia în genunchi Dificultatea realizării acestui tip de mişcare constă în izolarea corectă a flexorilor din grupul muscular posterior al coapsei. Inserţia simplă a unei perechi de electrozi a rezultat într-o mişcare neclară, predominant de adducere a coapsei. Pentru soluţionarea problemei date a fost utilizată o “izolare electrică a muşchilor”. Astfel, primul electrod se insera în acest grup muscular, pe cînd electrodul doi se inseră mai jos de articulaţia genunchiului (în cazul dat a fost ales capul gastrocnemianului). În acest mod se utilizează inserţia mai jos de articulaţia genunchiului a flexorilor drept o cale de conducere a stimulului electric, realizîndu-se contracţia doar acestor muşchi, evitînd contracţia adductorilor care se inseră mai sus de articulaţia dată.
În încercarea de a utiliza aparatul la capacitate maximă şi de a controla concomitent 4 grupe musculare, a fost depistată o eroare în proiectarea stimulatorului. Nu a fost asigurată izolarea stimulilor, astfel în loc de o mişcare fluentă a întregului membru a avut loc contracţia haotică a tuturor muşchilor utilizaţi din cauza interferenţei stimulilor. Problema tehnică de acest gen urmează să fie soluţionată prin modificarea circuitului stimulatorului. Interfaţa Creier-Calculator Viitorul tehnicii SEF se regăseşte în conceptul de BCI (brain-computer interface), (Fig.2) Studiile în acest domeniu caută o modalitate de a utiliza activitatea nevoasă a scoarţei pentru a comunica cu dispozitive externe.
Fig. 2 Principiul funcţionării
Fig. 3 Aplicarea BCI Interfeţei creier-calculator
În lucrarea publicată în anul 2008 de către Departamentul de Neurobiologie a Universităţii Pittsburgh, Pennsylvania SUA, se prezintă un experiment(Fig.3) în care savanţii au 182
reuşit să realizeze o interfaţă care permitea unei maimuţe să controleze o mînă robotică pentru a se alimenta. Electrozi de înregistrare amplasaţi pe scalpul maimuţei înregistrau activitatea nervoasă, astfel fiecare mişcare a mînii robotice era declanşată de un stimul nervos voluntar, conştient. Astfel, utilizarea interfeţei creier-calculator ar permite aparatului SEF să execute comenzi ce nu fac parte dintr-un program, ci sunt alese de către utilizator.
1.
SEF este o metodă eficientă de tratament în cazul lipsei controlului nervos. 2.
Dispozitivele SEF contemporane sunt uşor de proiecat, fabricat şi implementat. 3.
Necesitatea continuării cercetărilor în domeniul BCI sunt esenţiale pentru perfecţionarea tehnicii SEF. Bibliografie 1) Liberson W, Holmquest H, Scott M. (1961). Functional electrotherapy: Stimulation of the common peroneal nerve synchronised with the swing phase of gait of hemiplegic subjects. Arch Phys Med Rehabil 42. 202-205. 2) Malezic M, Trnkoczy A, Rebersek S, et al. (1978). Advanced cutaneous electrical stimulators for paretic patients personal use. Advances in External Control of Human Extremities VI, Dubrovnik, Yugoslavia, 150-167. 3) Waters R, Bowman B, et al. (1981). Treatment of hemiplegic upper extremity using electrical stimulation and biofeedback training. Advances in External Control of Human Extremities VII, Dubrovnik, Yugoslavia. 4) Rushton DN (1997). Functional Electrical Stimulation, Physiological Measurement 18(4), 1997, 241-275. 5) Taylor PN, Burridge JH, Dunkerley AL, Lamb A, Wood DE, Norton JA, Swain ID. (1999) Patient's Perceptions of the Odstock Dropped Foot Stimulator (ODFS). Clin. Rehabil 13: 333-340. 6) Loeb GE, Peck RA, Moore WH, Hood K (2001). BION system for distributed neural prosthetic interfaces, Medical Engineering&Physics 23: 9-18. 7) Popovic D, Sinkjaer T (2000). Control of Movement for the Physically Disabled, Springer- Verlag London, 2000. 8) Rijkhoff NJM, Wijkstra H, van Kerrebroeck PEV, Debruyne FMJ (1997). Urinary bladder control by electrical stimulation: Review of electrical stimulation techniques in spinal cord injury. Neurourol Urodyn 16: 39-53. 9) Riedy L, Bruninga K, Walter J, Keshavarzian A (1997). Direct electrical stimulation for constipation treatment sfter spinal cord injury. Proc. 19th Int Conf IEEE/EMBS, Chicago, 1799-1802. 10) Taylor P., Esnouf J., Hobby J (2000). Clinical Experience of the NeuroControl Freehand System, Proc 5th IFESS Conference, Aalborg, Denmark, June 2000. 11) Poboroniuc, M.S., Fuhr, T., Riener, R., Donaldson, N. (2002). Closed-Loop Control for FES- Supported Standing Up and Sitting Down. Proc. 7th Conf. of the IFESS; Ljubljana, Slovenia, pp. 307-309. 12) Poboroniuc, M.S., Fuhr, T., Wood, D., Riener, R., Donaldson, N. (2002): Functional FES supported standing in paraplegia: Current Research and Perspectives, MASCIP Conference 2002, Warwick, UK, November 14th, 2002. 13) T. Fuhr, J. Quintern, R. Riener, G. Schmidt (2001) "Walk! - Experiments with a Cooperative Neuroprosthetic System for the Restoration of Gait", Proc. 6th Conf. Of the IFESS, Cleveland, OH, USA, pp. 1-3. Kataloq: jspui -> bitstream -> 123456789 123456789 -> Yeni və orijinal nəticə və metodların təqdim edilməsi 123456789 -> Dövlət Statistika Komitəsinin məlumatına Təranə Həsənova bəzən abortlardan 123456789 -> Hamlet İsaxanlı Təsisçi və Rektor 123456789 -> L. A. MƏMMƏdov, E.Ç. ƏKBƏrov, H.Ə. ƏKBƏrov 123456789 -> XƏZƏr universiteti humanitar və sosial elmlər faküLTƏSİ 123456789 -> Azərbaycan Arxeologiyası 2002 Azerbaijan Archeology Vol.: 4 Num.: 3-4 123456789 -> Еколожи Епидемиолоэийа: Сящиййядя Тятбиги вя Тядгигат Методлары 123456789 -> AZƏrbaycan respublikasi təHSİl naziRLİYİ XƏZƏr universiteti 123456789 -> I fəSİL. TÜTÜn haqqinda üMÜMİ MƏlumat 123456789 -> Azərbaycan Arxeobgiyası 2004 Azerbaijan Archeology Vol.: 6 Num.: 1-4 Yüklə 413,28 Kb. Dostları ilə paylaş:
|