Diseño de un estimulador de flexo

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Diseño de un estimulador de flexo-extensión
de rodilla para rehabilitación y reeducación del
movimiento en pacientes discapacitados
Andrea Torres Ruiz
Universidad Manuela Beltrán, Bogotá, Colombia, Grupo de Instrumentación y Rehabilitación
Biomédica GIRB, [email protected]
Resumen— Este proyecto de Investigación se desarrolla
con el fin de complementar los sistemas actuales de
rehabilitación, con el ánimo de ofrecer terapias más
completas y efectivas en personas con problemas a nivel
neuromuscular en las extremidades inferiores, que pueden ir
desde traumas raquimedulares que producen hemiplejias,
paraplejias y cuadriplejias; enfermedades a nivel motor como
la miastemia gravis; enfermedades a nivel nervioso como la
esclerosis múltiple, entre otras. Este sistema hace uso de la
Estimulación Eléctrica Funcional (FES), para proporcionar
el movimiento de flexión y extensión de la rodilla y
reeducación de la extremidad, con el objetivo de rehabilitar
los tejidos y emular un movimiento que permita al paciente
una marcha adecuada, estimulando el músculo cuádriceps de
manera superficial [1,2] por medio de una técnica adecuada y
segura para el paciente.
Palabras clave— Contracción Muscular,
Eléctrica Funcional (FES), Discapacidad.
L
Estimulación
I. INTRODUCCIÓN
a Estimulación Eléctrica Funcional (FES) se ha venido
utilizando como un sistema rehabilitador y terapéutico,
gracias a sus efectos en el tejido muscular y en los tejidos
que lo rodean. También se ha venido considerando como
una técnica ortésica que activa y corrige el movimiento [3]
en personas con problemas a nivel neuromuscular.
Actualmente, se usa la corriente eléctrica para: estimular
membranas excitables de nervios, músculos y otros tejidos
suaves; facilitar el retorno de la función en usuarios con
impedimentos físicos y dishabilidades [4]; el tratamiento
de denervación músculo esquelética; estimular inervación
musculo esquelética cuando el usuario no puede contraer
de forma voluntari; y controlar la espasticidad [5] entre
otras.
La FES dio sus primeros pasos en los años 60 con el
trabajo realizado por Liberson, que consistía en un sistema
para la corrección de la caída del pie en personas
hemipléjicas [6]. Existe una gran variedad de aplicaciones
de la FES para el restablecimiento de funciones motrices
las cuales pueden agruparse en dos áreas generales:
reeducación y acondicionamiento muscular de los
miembros superiores e inferiores.
La Investigación muestra el desarrollo de un sistema de
rehabilitación que hace uso de la Estimulación Eléctrica
Funcional (FES), para proporcionar el movimiento y la
reeducación del mismo, en personas que han perdido el
control motor a causa de algún tipo de enfermedad
neuromuscular [1,2] para lo cual se origina un sistema de
órtesis, que corrige el movimiento y estabiliza la
extremidad inferior.
Esta técnica se incorporó para la producción de
movimiento funcional en personas con lesiones medulares
por medio de estimulación eléctrica en los músculos y
nervios. Es un excelente método para restaurar la función
motora de extremidades paralizadas y ayudar con diversos
aspectos de la salud en general, en el campo de la
rehabilitación y como método terapéutico [7]. El uso
funcional implica la activación o el realce del movimiento
en una actividad funcional como reemplazo para el control
perdido o deteriorado a nivel motor [8,9]. El principio de
ésta técnica consiste en remplazar los impulsos nerviosos
al músculo, que son interrumpidos por la lesión medular y
ocasionan problemas como la paraplejía y el pie caído
entre otras, pero también es utilizada en personas con
esclerosos múltiple, miastemia gravis y daño
cerebrovascular entre otras enfermedades neuromusculares
[1,2,10].
Es una técnica que se basa en aplicar pequeños pulsos de
corriente programados a la región neuromuscular afectada
por la lesión. La corriente aplicada se realiza por medio de
electrodos aplicados superficialmente o a nivel
intramuscular, generando la activación de las uniones
neuromusculares para generar finalmente la contracción
muscular. Los efectos fisiológicos que han sido atribuidos a
la FES incluyen reforzamiento muscular, inhibición de la
espasticidad, corrección de contracturas, incremento de la
circulación e incremento del rango pasivo de movimiento
facilitando el control motor voluntario [7,9].
La Estimulación Eléctrica Funcional del nervio peronéo
ha proporcionado una órtesis que reduce el pie péndulo y
mejora la marcha en el 25-30% de los usuarios
hemipléjicos [9]. La FES ha contribuido a que los usuarios
parapléjicos y cuadripléjicos puedan deambular en
condiciones controladas, mantenerse de pie y levantarse de
una silla sin ayuda [7,9,11]. Habitualmente es necesario
iniciar un programa de estimulación eléctrica para
aumentar la resistencia cardiovascular, la fuerza muscular
y la densidad ósea antes de intentar un programa con FES
[8,7].
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En la presente investigación se realizó un diseño
preliminar de un estimulador que funciona con corriente
galvánica (esta permite estimular músculos a los cuales no
alcanza a llegar el impulso eléctrico, por alguna falla o
cortocircuito a lo largo de la fibra nerviosa), tiene dos
canales de salida para la estimulación del cuadríceps de
ambas extremidades, trabaja con una frecuencia variable de
25Hz-80Hz y una onda de estimulación monofásica. El
diseño cumple con la normatividad eléctrica de diseño y
construcción de equipos de estimulación nerviosa y
muscular [12].
Se
estimularon
los
músculos
cuádriceps
superficialmente, de forma bipolar para obtener la
extensión de rodilla. Estas pruebas se realizaron con
autorización y consentimiento informado de pacientes
voluntarios para el estudio.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
Se utilizaron dos módulos: uno digital y uno analógico.
El módulo digital consta de un microprocesador encargado
de los diferentes protocolos de trabajo; tiempos de
estimulación; y
pulso de estimulación con las
características de la onda de corriente galvánica. El
módulo analógico consta de la etapa de potencia; el control
de intensidad; y la seguridad del equipo y del paciente.
Para interfaz con el paciente, se utilizan electrodos
carbonados de goma conductora. Se utilizó la técnica
bipolar para colocar los electrodos en el músculo del
paciente, utilizando un electrodo negativo de mayor
tamaño y dos electrodos positivos de menor tamaño. Para
sujetar los electrodos, se utilizaron bandas elásticas y gel
conductor neutro.
Se evaluó la sensibilidad de los pacientes de forma
cualitativa, de la siguiente manera de acuerdo al nivel de la
contracción y los voltajes alcanzados con la carga del
paciente, de la siguiente manera:
Sensibilidad sibliminal
: no perceptible
Sensibilidad liminal
: percepción media
Sensibilidad supraliminal : fuerte percepción
Límite de tolerancia
: justamente soportable
Se tuvieron en cuenta las dosis de corriente
administradas en el paciente, dependiendo también del
tamaño de los electrodos, de la siguiente manera:
T ABLA 2 DIMENSIONES DE LOS ELECTRODOS E INTENSIDADES
ADMISIBLES PARA CORRIENTES GALVÁNICAS Y CORRIENTES PULSANTES DE
BAJA FRECUENCIA [13].
ELECTRODOS
SUPERFICIE
I MAX
EJEMPLO
(MM)
(CM^2)
(MA)
BASE+ DOSIS
30X45
13,5
2,7
45X60
27
5,4
1,4
4,0
60X90
54
10,8
2,8
8,0
90X120
108
21,6
5,6
16,0
100X160
160
32,0
8,0
24,0
0,7
2,0
I MAX=F(CM^2)X0,2(MA/CM^2)
PARA EL CÁLCULO DE LAS INTENSIDADES ADMISIBLES HA SIDO
APLICADA
UNA
DENSIDAD
DE
CORRIENTE
DE
200µ A/CM^2=0,2MA/CM^2
El diagrama de bloque del sistema diseñado, se aprecia
en la figura 1:
Las características del equipo utilizado se aprecian en la
tabla 1:
T ABLA 1 CARACTERÍSTICAS DEL EQUIPO UTILIZADO
Corriente
Frecuencia Variable
Ancho de pulso
Corriente máxima y
mínima
Voltaje
Canales de estimulación
Electrodos
Bandas elásticas
Potencia
Galvánica
25 a 80Hz
0,3ms
26mA-100mA
19V
2
6
4
1 – 1.9W
El electrodo negativo se utilizo de un tamaño dos veces
más grande que los positivos y se ubicó en la parte superior
del músculo, a la altura del recto femoral, cubriendo el
vasto femoral y el vasto interno y externo. Los electrodos
positivos se colocaron al nivel del vientre muscular del
vasto interno en el centro de su masa muscular. De esta
forma y con las características del pulso de estimulación, se
logro obtener la contracción necesaria para obtener la
extensión de la extremidad inferior.
Figura 1. Diagrama de bloques del sistema
III. RESULTADOS
Se produjo la extensión y flexión de la rodilla. Se pudo
realizar la sincronización del movimiento por medio del
sistema, como se aprecia en la figura 2.
3
Figura 2. Flexión y extensión de rodilla obtenidos con el sistema.
Los datos medidos de sensibilidad en términos de
corriente y voltaje, con carga (de paciente, masculino y
femenino) se aprecian en la tabla 3.
T ABLA 3 SENSIBILIDAD DEL PACIENTE EN TÉRMINOS DE VOLTAJE Y
CORRIENTE
Tipo de
sensibilidad
Sibliminal
Liminal
Supraliminal
Límite de
tolerancia
Sibliminal
Liminal
Supraliminal
Límite de
tolerancia
Cuádriceps
Mujer
Voltaje (V)
5
20
21
24
Hombre
6
25
28
30
Corriente (mA)
20
25
25,5
27
22
25,5
26,8
27,5
Las diferencias entre hombre y mujer son mínimas, sin
embargo, se puede apreciar que el hombre tiene una mayor
resistencia y por lo tanto puede soportar mayor voltaje y
corriente sobre el músculo.
IV. DISCUSIÓN
Muchos trabajos realizados en los últimos años, han
demostrado que con la FES es posible lograr la contracción
de músculos que no logran la contracción de forma
voluntaria o que presentan algún problema a nivel
neuromuscular, logrando la reeducación del movimiento y
la rehabilitación en pacientes con problemas a nivel
neuromuscular.
Trabajos como el de Liberson en 1961, quien logro
corregir el pie caído en personas hemipléjicas, Kralj y
Graupe [14,15,16,17,18], lograron una configuración
básica para conseguir la marcha en estos pacientes,
Vincent et al.[19], propusieron en 1998 otro sistema para
marcha, Rufiner, Shiaffino, Taberning y Escobar,
propusieron otro sistema para bipedestación y marcha.
Todos ellos, finalmente consiguieron el movimiento y la
rehabilitación en pacientes con
problemas a nivel
neuromuscular (hemiplejias, paraplejias, entre otras).
Este equipo, ayuda en el proceso de rehabilitación de
personas con discapacidades físicas del movimiento,
específicamente de la extremidad inferior. Evita la atrofia
muscular, articular y de tejidos próximos como ligamentos,
tendones y cartílago, activando metabólicamente cada uno
de estos. De la misma forma, mantiene el tono muscular,
activa la circulación, corrige y activa el movimiento, que
puede ser controlado para realizar una actividad específica,
como ejercicio, conseguir la bipedestación o incluso la
marcha.
V. CONCLUSIONES
El sistema diseñado logro producir una contracción
adecuada para generar el movimiento de la articulación, y
por lo tanto el desplazamiento de los segmentos óseos para
producir los movimientos de flexión y extensión de rodilla.
Se logro la extensión de rodilla (contracción del
cuádriceps) y la flexión de rodilla (relajación del
cuádriceps), por medio de una estimulación que no genera
dolor.
Por medio de la Estimulación eléctrica Funcional es
posible conseguir la rehabilitación de forma considerable,
evitando la atrofia y activando el metabolismo en los
tejidos.
Las aplicaciones de este sistema van desde el
acondicionamiento muscular y de los tejidos que
intervienen en las articulaciones (tendones y ligamentos),
reeducación y control del movimiento para producir
bipedestación y marcha en pacientes con discapacidades y
problemas a nivel neuromuscular, como en el caso de la
paraplejia.
REFERENCIAS
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