ELECTRO-ESTIMULACIÓN EN MÚSCULOS EXTRAOCULARES

Memorias II Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, Habana 2001, Mayo 23 al 25, 2001, La Habana, Cuba
ELECTRO-ESTIMULACIÓN EN MÚSCULOS EXTRAOCULARES
J. Leybón, E. Suaste, C. Druzgalski.
CINVESTAV-IPN, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Sección de Bioelectrónica.
07000 México D. F., Apdo. postal 14-740.
[email protected]
RESUMEN
Se describe una técnica y aspectos relevantes para
efectuar la electro-estimulación de los músculos
extraoculares recto medial y recto lateral en conejo
muerto, como proceso preliminar para analizar y
corroborar datos de literatura sobre la electrofisiología, y
poder así controlar la actividad oculomotora horizontal en
animales vivos y sustituir la cirugía de Kestenbaum en el
tratamiento de pacientes con nistagmo congénito, ya que
es el método más usado cuando la afección incluye
desviación ocular, posición compensadora de la cabeza
yuna amplitud grande del nistagmo.
Palabras clave:
Nistagmo congénito, músculos
extraoculares, electro-estimulación.
1. INTRODUCCIÓN
La electro-estimulación es una técnica que ha sido
utilizada en la medicina tanto para detectar problemas
musculares o de conducción nerviosa (neurología); así
como parte de procesos terapéuticos en rehabilitación e
inclusive para reducir el dolor. Su aplicación en las
estructuras del sistema oculomotor depende de un amplio
conocimiento y mucha práctica, ya que la práctica de un
estudio electromiográfico utiliza electrodos de aguja que
se insertan en los músculos extraoculares atravesando la
piel y sin anestesia, sólo para analizar su respuesta [1]
(figura 1).
La actividad eléctrica del ojo puede dividirse de la
siguiente manera: en los potenciales corneoretinales
(utilizados en electroretinogramas y electro-oculogramas),
en los potenciales en músculo autónomo ciliar y del iris, y
en los potenciales eléctricos de los músculos
extraoculares (electromiograma).
Cooper y Eccles en 1930 investigaron la respuesta
mecánica y eléctrica del músculo recto interno en gatos,
encontrando un tiempo de contracción de 7.5 mseg;
demostraron también que a una elevada proporción de
350 Hz se logra la fusión tetanica, acompañada de una
tensión de 100 Gm, lo cual es bastante comparada con el
valor de entre 10 - 40 Gm producida durante el nistagmo;
además de que los resultados son bastante semejantes con
las características de respuesta en humanos (figura 2).
Lorente de Nó en 1935 registró corrientes de acción en
conejo, encontrando una máxima aceleración angular de
150° angulares con twitches sincronizados en una
proporción de 200 por segundo. De Kleyn en 1922
demostró que la anestesia local no altera el ritmo o forma
de nistagmo en conejos; por lo que mantiene la teoría que
describe al nistagmo como un problema que proviene del
sistema nervioso central lo cual fue reafirmado por
McIntyre en 1939.
(a)
(b)
Fig. 1. Electromiografía ocular.
Fig. 2. Respuesta de músculos extraoculares en humanos en contracción
isométrica.
950-7132-57-5 (c) 2001, Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo 00242
2. METODOLOGÍA
El nistagmo es una oscilación ocular bifásica rítmica e
involuntaria en la que por lo menos una fase siempre es
lenta. La fase lenta es patológica y es responsable para
la iniciación y la generación del nistagmo; la fase rápida
(sacádico) es la corrección que regresa la fóvea hacia el
objetivo visual [2]. Aunque el nistagmo congénito (NC)
se presenta desde el nacimiento, podría no ser notorio en
las primeras semanas o años de vida, y puede
acompañarse de un temblor de cabeza y de un déficit
visual severo que no se debe a una visión pobre (figura 3).
Fig. 3. Señal característica de nistagmo mostrando la descripción de
su movilidad espacial.
Las pruebas clínicas que permiten diferenciar al NC de
otras formas de nistagmo adquirido incluyen la historia de
nistagmo en la infancia; pruebas de agudeza visual, etc.
La forma más común de registrar el NC es por
electronistagmografía [3], y cuando es severo, se corrige
en cierto grado con una cirugía desarrollada por
Kestenbaum.
De acuerdo con las señales características obtenidas de la
unidad de movilidad ocular desarrollada propiamente para
detectar movimientos oculares mediante la técnica de
reflexión de un haz de luz infrarroja sobre el limbo
esclerocorneal (figura 4), se han analizado diferentes
formas de nistagmo en pacientes de diferentes edades y de
ambos sexos apegándonos a la clasificación de Dell'Osso
[4], e inclusive se cuenta con un instrumento desarrollado
para detectar la posición compensadora de la cabeza
(figura 5). Pero, en los resultados post-operatorios, se ha
visto que las modificaciones hechas en los músculos
extrínsecos aunque corrigen la postura craneal, la
diplopía, y en cierto grado la amplitud del nistagmo sobre
la posición particular para cada paciente, genera un
movimiento involuntario en posiciones antes perfectas; de
aquí que no conformes con la aportación de una técnica
confiable para detectar y evaluar nistagmo, ahora se
propone una metodología para corregirlo.
Fig. 5. Sistema de detercción de posiciones compensadoras de la
cabeza en pacientes con nistagmo congénito.
En primera instancia, se propuso al conejo de laboratorio
como animal para probar un sistema de registro de
movimientos oculares y de electro-estimulación; esto es
para aprovechar sus característicsa de visión monocular,
la cual puede compararse al efecto que produce el cerebro
de anular la imagen del ojo que más problema presente, e
inclusive cuando el nistagmo se acompaña de diplopía
(figura 6). Al animal se le colocan unos microelectrodos
que estimulan por voltaje en un rango de amplitud
máxima de 80 volts, y se registra la respuesta mioeléctrica
y el movimiento del globo ocular
Fig. 6. Posibles problemas de posición ocular que provocan al
cerebro buscar la visión monocular.
Fig. 4. Unidad de movilidad ocular para estudios de nistagmo.
Se manejo una comparación anatómica y fisiológica entre
las estructuras relacionadas con la actividad motriz del ojo
de humanos y de conejo; así como de la cavidad ocular
que lo contiene (figura 7). Para el registro de las señales,
se diseñaron y construyeron unas tarjetas de captura para
el BUS ISA que trabajan en la dirección 280 con su
respectivo programa desarrollado en Visual Basic;
también se diseño y construyo un electro-estimulador
portátil pequeño y de bajo costo que permitirá
inicialmente controlar manualmente las variables del
estimulo eléctrico (amplitud, frecuencia, duración,
pulsos). Se cuenta con la supervisión de un cirujano
oftalmólogo para las pruebas de disección y para la
colocación de microelectrodos implantables.
técnica de reflexión de luz infrarroja en el limbo
esclerocorneal [4, 5, 6, 7,8 9] (figura 8b). Se inició con
conejos sanos y se espera continuar con algunos a los que
se les haya provocado movimientos involuntarios
oculares, para buscar el control del ojo en base a las
características de los músculos que les permiten
fortalecerse o fatigarse de acuerdo a una tarea que
implique algún esfuerzo [10].
(a)
(a)
(b)
Fig. 7. Comparación anatómica del globo ocular (a) de humano y
(b) de conejo.
3. RESULTADOS
Con la instrumentación desarrollada, se cuenta ahora con
dos sistemas diferentes para capturar movimientos
oculares obteniendo por una parte señales que muestran la
ubicación espacial del globo ocular, y por otro lado se
tienen las señales que muestran la actividad mioeléctrica
de la estructura muscular; esto ha permitido corroborar las
características de respuesta a impulsos eléctricos de los
músculos extraoculares del conejo de acuerdo a la
literatura.
Se ha comenzado a analizar el efecto producido por la
señal electromiográfica de acuerdo al patrón de
electroestimulación, y se está en la fase de electroestimulación “in vivo” para mantener una posición ocular
durante variados intervalos de tiempo analizando el
cambio en el comportamiento del músculo sano (figura
8a), e inclusive se están tratando de detectar posibles
molestias provocadas durante el mismo proceso; todo esto
apoyados en la experiencia en clínica analizando los
registros obtenidos en personas con NC utilizando la
(b)
Fig. 8. Respuesta de la actividad ocular con nistagmo (a) mioeléctrica,
(b) espacial.
4. DISCUSIÓN
De acuerdo al avance que se ha tenido, se ha tratado de ir
siempre a la par con los resultados expuestos en humanos
de acuerdo al comportamiento eléctrico de los músculos
extraoculares, y se han tenido que desechar ideas
inicialmente sugeridas como lo era el sensado de la
temperatura del ojo de acuerdo con la estimulación, y a su
véz, implicar un sistema para su control. La selección
final del material que se propondrá para los electrodos
todavía no es determinada, en virtud de que en animales
vivos no se ha desarrollado experimentación con lapsos
grandes de operación como para establecer la degradación
del materiales o la afección sobre tejido vivo. La
automatización del electro-estimulador se contemplará
hasta que se llegue a la etapa de manejar animales con
problemas de control ocular y se tengan definidos los
patrones de operación.
Algunos instrumentos
desarrollados no son viables para actuar en conejos, por lo
que los resultados se comparan con registros en humanos.
5. CONCLUSIONES
Aunque se está comenzando a obtener registros de
respuesta ante un estímulo eléctrico en músculos
extraoculares "in vitro", se está buscando mejorar el
proceso de colocación de electrodos mediante una cirugía
que afecte lo menos posible las estructuras anatómicas
aledañas; también se está buscando la forma óptima de
sacar los alambres desde los músculos hacia el exterior
del animal para poder establecer un proceso final. Por
otra parte, los registros obtenidos en animales muertos
corroboran los datos de la literatura y han marcado la
pauta para iniciar en animales vivos una serie de
experimentos
tentativos que busquen mediante el
fortalecimiento y/o fatiga de los músculos, una acción
parecida a los procesos desarrollados con el método
debilitante de Kestenbaum.
Cabe resaltar que de acuerdo a la experiencia obtenida
con la actividad en clínica, se cuenta con la
instrumentación necesaria para evaluar resultados del
sistema una vez que se aplique en su etapa final en
personas con nistagmo; y mientras tanto, los instrumentos
desarrollados corroboran y enriquecen los resultados de
otros autores dedicados solo a explicar el comportamiento
electrofisiológico de las estructuras musculares; pero en
nuestro caso, aplicando esas características de
contractibilidad, y en especial teniendo en cuenta que son
estructuras principalmente compuestas por fibras rápidas,
buscamos el punto de poder efectuar el registro y la
estimulación correctora en tiempo real sin tener que
esperar tiempo considerable en reconocer el efecto que se
causa compitiendo con señales cerebrales constantes y
alteradas.
Como al sistema se le pretende dar la propiedad de ser
ambulatorio una vez que se validen las pruebas en
animales vivos, y así lograr un funcionamiento con
electro-estimulación crítica, se sigue buscando la manera
de colocar los electrodos en forma más rápida y establecer
para el conejo la mejor forma para acarrearlo durante el
día y la noche con la menor molestia posible; por lo que
se piensa recurrir a la telemetría y en un futuro desarrollar
circuitos integrados especializados para reducir al mínimo
el volumen de la instrumentación
AGRADECIMIENTOS
Al CONACYT por el apoyo otorgado mediante el
convenio 28080-A.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
G. M. Breinin. "Electrophysiology of the extraocular muscle".
University of Toronto Press, Toronto 1962.
L. Dell’Osso, G. Gauthier, G. Liberman and L. Stark. "Eye
movement recordings as a doagnostic tool in a case of congenital
nystagmus". American Journal of Optpmetry. Vol. 49, 3-13,
january 1972.
L.R. Young, D. Sheena, "Survey of eye movement recording
methods". Behavior Res. Methods and Instrum, vol. 7, 397-429,
1975.
L. F. Dell'Osso and R. B. Daroff. "Congenital nystagmus
waveforms and foveation strategy".Documenta Ophthalmologica,
39, 1,pp. 155-182, 1975.
[4] E. Suaste G., P. Rivera, L. Solís , M. Rivera , J. Leybón and E.
Suaste P. "Diagnostic System for Clinical Analysis in Congenital
Nystagmus," Physics in Medicine and Biology, Vol. 39a , Part
2 , pp. 580, 1994.
[5] J. Leybón, J. L. Avila, V. H. Salazar, E. Suaste, P. N. Rivera.
"Detección, Análisis y Simulación de los Movimientos Sacádicos
en Nistagmo Congénito", Revista Mexicana de Ingeniería
Biomédica, Vol. 16, No. 1, pp. 95, 1995.
[6] J. Leybón and E. Suaste. “Scanpath and Visual Perception in
Patients with Congenital Nystagmus,” Medical and Biomedical
Engineering Computing, Part. 1, World Congress on Medical
Physics and Biomedical Engineering, Nice, France, pp. 420,
1997.
[7] E. Suaste, D. Rodríguez, J. Leybón, L. Leija and H. Sossa.
“Congenital Nystagmus Waveforms Generator and Symbolic
Representation,” 19th International Conference of the IEEE
Engineering in Medicine and Biology Society, Chicago IL, USA,
pp. 1478-1481, 1997.
[8] E. Suaste y J. Leybón. “Desarrollo Instrumental y Metodologico
para Analizar el Nistagmo Congénito,” Revista Mexicana de
Ingeniería Biomédica, vol. XIX No. 4, pp. 27-36, 1998.
[9] E. Suaste, J. Leybón. “Nistagmo congénito, un reto para la
evolución tecnico-científica de las metodologias instrumentales,”
1er Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, del 11 al
14 de noviembre 1998, en Mazatlán, México, pp. 659-662.
[10] A. F. Fuchs, M. D. Binder. "Fatigue resistance of extraocular
muscles". Journal of Neurophysiology. 49, 1, 1983.
ELECTROSTIMULATION IN EXTRAOCULAR MUSCLES
ABSTRACT
It is described a technique and excellent aspects to make the electrostimulation of the lateral right and right
medial extraocular muscles in dead rabbit, like preliminary process to analyze and to corroborate literature
data on the electrophysiology, and this way to be able to control the horizontal ocular motor activity in alive
animals and to substitute the surgery of Kestenbaum in the treatment of patient with congenital nistagmo,
since it is the used method when the affection includes ocular deviation, position compensated of the head and
a big width of the nistagmo.