Modulo de registro del Reflejo H - Facultad de Ingeniería

X Jornadas Internacionales de Ingeniería Clínica
Modulo de registro del Reflejo H
Sergio Richter, Sergio Escobar, Claudia Bonell, Carolina Tabernig
Laboratorio de Ingeniería de Rehabilitación e Investigaciones Neuromusculares y Sensoriales
Facultad de Ingeniería, Bioingeniería, Universidad Nacional de Entre Ríos
Ruta 11 Km 10, (3100), Paraná, Argentina.
Resumen
Los circuitos neuronales involucrados en la producción del reflejo miotático, y su equivalente eléctrico, el reflejo de
Hoffmann (reflejo H), son los mismos que están comprendidos en la producción de movimientos más complejos. Si bien
desde el punto de vista anatómico se pueden conocer las conexiones existentes entre centros medulares y supramedulares,
es sumamente complejo determinar como interactúan estas en distintas situaciones. El reflejo H puede ser utilizado como
instrumento para conocer la forma de interacción de estas vías. Su técnica de obtención consiste en estimular
eléctricamente las fibras aferentes de un nervio periférico y registrar, mediante electromiografía (EMG), la respuesta refleja
en el músculo homónimo.
Es necesario, entonces, disponer de un equipo para el registro de dicho reflejo. El mismo debe ser capaz de adquirir
señales de EMG sincronizadas con el estímulo eléctrico, portátil y cumplir con las normas internacionales para EMG.
En este trabajo se presenta el diseño e implementación de un sistema de adquisición y procesamiento de la señal de
EMG, con características particulares destinadas al estudio del reflejo H, para su utilización en un protocolo que lo
empleará como herramienta de valoración de cambios plásticos a nivel medular.
Palabras clave: • reflejo H • registro.
Introducción
Las vías reflejas constituyen la base sobre la que se organizan los movimientos más complejos. Estos
últimos suponen la participación de centros superiores, mientras que los reflejos se desencadenan por estímulos
periféricos, siendo la intensidad de la respuesta y el signo local de estos últimos modificados dinámicamente.
La comprensión de estas vías reflejas y sus patrones de conexión abre una puerta al conocimiento de
aquellos mecanismos que median en los movimientos más complejos, así como también a la valoración de los
procesos plásticos que puedan ocurrir como consecuencia de una intervención terapéutica o del entrenamiento.
Estos cambios, denominados plasticidad neuronal, ocurren a corto, mediano y largo plazo.
El reflejo de Hoffmann o reflejo H, que es una vía monosináptica simple, constituye una herramienta
posible de utilizar para la evaluación de estos cambios plásticos . Su técnica de registro debe ser
cuidadosamente elaborada, dado la influencia de múltiples variables que afectan al arco reflejo .
Reflejo de Hoffmann
El reflejo miotático es un reflejo monosináptico evocado cuando el músculo se estira. Sus receptores sensitivos
se hallan en el huso muscular y sus fibrillas establecen conexión con la neurona motora del músculo
homónimo. El reflejo H, originariamente descripto por Hoffmann, se considera el equivalente eléctrico del
reflejo miotático, pero a diferencia de éste, no implica la estimulación del huso ni lleva información.
La técnica de obtención del reflejo H consiste en estimular eléctricamente las fibras aferentes Ia en un
nervio periférico y registrar la respuesta refleja en el músculo homónimo, tal como puede verse en la figura 1.
Esta respuesta refleja se observa fácilmente en el músculo sóleo (flexor plantar), y presenta la forma
característica ejemplificada en la figura 2, donde también se observa la onda M o respuesta directa del músculo
al estímulo eléctrico.
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Figura 1. Técnica de obtención del reflejo H
Figura 2. Forma de onda típica de un registro de reflejo H
Para la obtención del reflejo H en el sóleo, las fibras Ia del sóleo son excitadas por un electrodo situado
sobre el nervio tibial detrás de la rodilla. La respuesta depende de la intensidad del estímulo: con un estímulo
débil se provoca un reflejo H puro, porque el umbral de activación de las fibras Ia es menor que el de los
axones motores, mientras que a medida que se incrementa la intensidad del estímulo eléctrico se reclutan
mayor cantidad de fibras Ia y con posterioridad la activación de los axones motores. Cuando se alcanza este
umbral motor, el potencial de acción que viaja a través del arco monosináptico es cancelado por la conducción
de un potencial motor antidrómico que provoca la disminución de la amplitud de la onda H y la aparición de la
onda M, tal como puede observarse en la formas de las curvas de reclutamiento de la figura 3.
Figura 3. Curvas de reclutamiento
En los trabajos de investigación donde se utiliza el reflejo H, se realiza lleva adelante la obtención de las
curvas de reclutamiento, así como también la medición en diferentes instancias de la amplitud máxima de la
onda H, indicativa de la activación total del arco reflejo, y la medición de la amplitud máxima de la onda M,
indicativa de la activación del total de neuronas motoras y generalmente asumida como una constante a lo
largo de un registro.
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Materiales y Métodos
La obtención del reflejo H involucra una cuidadosa técnica de registro, a los fines de minimizar o controlar
todas las variables que modifican el arco reflejo, con el objeto de que las modificaciones observadas sean
consecuencia única de la variable bajo estudio, como así también de un equipamiento con características muy
específicas.
Tales motivos hacen necesario disponer de un sistema que, en sincronía con un estímulo eléctrico, registre,
visualice y almacene en tiempo real, señales electromiográficas (figura 4).
Figura 4. Componentes necesarios en el sistema.
Para el diseño del sistema se tuvieron en cuenta los requerimientos particulares que involucra el registro del
reflejo H además de una serie de requisitos básicos entre los cuales se puede mencionar:
!
Cumplimiento de lo requerimientos para el registro EMG: teniendo en cuenta para los Electrodos ( de
superficie o intramuscular, material, geometría, tamaño, uso de gel o pasta, distancia inter electrodo,
orientación), para el Filtrado (frecuencias de corte baja y alta) y para la amplificación ( impedancia de
entrada, RRMC, rango de ganancia) teniendo en cuenta los aspectos de seguridad eléctrica de acuerdo
a la normativa vigente la inmunidad al ruido y EMI.
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El sistema debe ser portátil para lo cual se tuvieron en cuenta pautas tanto en el software (plataformas
en que correrá), y hardware (conversión a/d, conexionado con la PC, puertos).
!
En cuanto al uso: la interfaz debe ser de fácil uso e intuitiva, con la posibilidad de brindar
características adicionales en el tratamiento de los datos.
El sistema esta conformado por 2 módulos: Un Estimulador eléctrico, que permite variar el ancho, la
frecuencia, y la corriente del estímulo. El otro es el módulo de acondicionamiento y procesamiento de la señal
electromiográfica, compuesto por un amplificador de instrumentación, un amplificador de aislación, un filtro
pasabanda, un filtro notch, un amplificador con ajuste de ganancia y offset, y un microcontrolador que realiza
la conversión analógica digital, temporiza la adquisición, controla los parámetros de la estimulación eléctrica,
y envía los datos a una computadora tipo PC. La computadora recibe los datos desde el microcontrolador a
través del puerto paralelo bidireccional. El software de la PC gobierna el disparo del estímulo, setea la
frecuencia de adquisición del microcontrolador, muestra gráficamente la información adquirida, y almacena los
datos para su posterior procesamiento (figura 5).
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Figura 5. Diagrama en bloques del sistema.
El diseño en sí del hardware consiste en la etapa análogica de acondicionamiento, la conversión A/D,
transmisión a la PC y control de disparo del estímulo con la misma. El estímulo se controla, mediante un
sencillo circuito de adaptación a un estimulador ya existente.
Con el objetivo de obtener señales que contengan la mayor cantidad de información y menor ruido posible, se
empleó un amplificador de instrumentación integrado, el INA 128, con algunos componentes adicionados
como estrategia para mejorar su RRMC. Se implementaron en cascada un filtro pasa-altos de segundo orden y
un filtro pasa-bajos también de segundo orden. Con el propósito de eliminar el ruido de línea se implementó un
filtro Notch sintonizado a 50 Hz con habilitación opcional externa. Se emplearon dos operacionales
configurados como no inversores, para la corrección de la ganancia y para modificar la línea de base de las
señales, de manera de obtener a la salida una señal que varía entre 0 y 5 V.
Para la conversión A/D se emplea uno de los cinco conversores disponibles en el microcontrolador empleado,
y su frecuencia de adquisición esta determinada por uno de los tres temporizadores con los que cuenta dicho
chip. El dato se escala a 8 bits (debido a que el conversor es de 10 bits), y se lo envía a un buffer circular
implementado en la memoria del micro. El microcontrolador también se encarga de la comunicación con la
PC, vaciando el buffer en los tiempos libres entre conversión y conversión. Esto permite que la PC disponga de
tiempo para atender otras tareas y independiza la frecuencia de muestreo de cualquier demora en la
transmisión.
Para establecer una comunicación con la PC, se usa el puerto paralelo en su modo EPP 1.9. Debido a que es
necesario informarse cuando el micro tiene algún dato para transmitir o si la PC está lista para recibirlo, se
utiliza el handshaking, evitando que se envíe un carácter cuando esta última está ocupada ejecutando alguna
otra tarea y previniendo así la pérdida de información. Mediante uso de multitarea se aumenta la prioridad de
la transmisión para alcanzar velocidades adecuadas.
Una vez en la computadora el almacenamiento y procesamiento de los datos ( y también la comunicación con
el micro), se hace mediante software implementado en C++. La elección de C++ como lenguaje de alto nivel
para la elaboración del software, permite en caso de ser necesario, un fácil traslado de este a otro sistema
operativo.
En la figura 6 podemos observar un registro obtenido con el sistema. El mismo se logró con una persona en
posición de reposo, definida como el individuo sentado, con la pierna estirada, manteniendo fijos los ángulos
de la cadera, rodilla y pie. Los electrodos de estimulación eléctrica se colocaron en la fosa poplítea, lugar
donde el nervio tibial es accesible desde la superficie. Para el registro se utilizaron dos electrodos de superficie
ubicados sobre el complejo muscular soleo-gastronecmio, separados 2 cm entre sí. El electrodo de tierra se
colocó en el tobillo, utilizando electrodo tipo brazalete.
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Figura 6. Muestra de reflejo H obtenida mediante el módulo.
Si bien el desarrollo del equipo se orientó a la adquisición de reflejo H, en la figura 7 podemos observar otra de
las posibilidades implementadas en el software, que es adquirir EMG de manera continua y en tiempo real. En
dicha figura, se puede ver que la base de tiempo en la graficación se modificó para permitir visualizar la
adquisición completa. En este caso se trata de dos contracciones consecutivas del músculo flexor superficial de
los dedos de la mano.
Figura 7. Visualización del EMG del brazo ante dos contracciones consecutivas.
La figura 8 es una fotografía del modulo completo, en la que se destacan sus principales componentes, y se
puede ver el montaje e interconexiones necesarias.
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Figura 8. Fotografía del prototipo implementado.
Resultados Preliminares:
En base a las consideraciones para el diseño que se plantearon se han obtenido los siguientes resultados
Cumplimiento de los requerimientos de registro de EMG:
Electrodos: disco de superficie, de Ag/agCl,, diámetro 1cm, separados 2 cm entre sí , usando pasta
conductora, cinta para electrodo de tierra.
Filtrado: frec. de corte inferior 5 Hz, y superior de 500 Hz (Ancho de banda señal de EMG 20 – 500
Hz). Eliminación ruido de línea a 50Hz con una atenuación de 15 db.
Amplificación: amplificador de instrumentación con RRMC de 120 db. Ganancias seleccionables de
100, 500 y 1000 veces.
Protección: amplificador y fuentes con aislación de 3500 Vrms.
Portabilidad:
Lenguaje software: implementado en C++ ( multiplataforma ), con hardware optimizado. Soporte
hardware A/D: uso de microcontrolador PIC ( 8 bit A/D). Las señales son visualizadas en la pantalla
de una PC en tiempo real. Conexionado con PC: puerto EPP, con velocidad superior a 3Khz, y
posibilidades de expandir.
Uso
Interfaz: fácil uso e intuitiva ( en plan de mejoras ).
Manipulación de datos: curvas de reclutamiento, filtrado digital, transformaciones ( en desarrollo ).
Discusión y conclusiones
Se pudo verificar que la amplificación y la limitación en frecuencia se encuentran en rangos adecuados. El
filtro Notch (de 50Hz) opcional permite observar el efecto de la presencia de está frecuencia en la banda de
paso.
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Las señales son visualizadas en la pantalla de una PC en tiempo real y pueden ser almacenadas para ser
estudiadas. Se está trabajando en la implementación de herramientas de procesamiento que le darán una mayor
versatilidad.
El hardware es de fácil traslado e instalación, al igual que el software, lo que facilitará su uso en clínicas,
centros de rehabilitación, etc.
La frecuencia de muestreo de 3Khz implementada cumple con el teorema de muestreo para las señales que nos
interesan en este estudio. Pero es factible aumentarla en más de un orden de magnitud, de hecho se está
trabajando en esto. Lo anterior permitiría la aplicación del modulo a otros estudios neurológicos, que requieran
frecuencias de muestreo superiores o la expansión a más de un canal de adquisición.
Actualmente se halla implementado un canal, a los fines de su validación técnica.
Referencias
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