Stimularea electrică funcţională Radu Breahnă, Irina Turtureanu



Yüklə 54.62 Kb.
Pdf просмотр
tarix29.12.2016
ölçüsü54.62 Kb.

178 

 

STIMULAREA ELECTRICĂ FUNCŢIONALĂ 



Radu Breahnă, Irina Turtureanu  

(Conducător ştiinţific: S. Lozovanu, conf. universitar, V. Ojog, asistent universitar) 

Catedra Fiziologia Omului şi Biofizică (şef-V. Vovc, prof. universitar) 

 

Summary 

Functional electrical stimulation 

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. 

 

Rezumat 

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. 

 

Introducere 



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). 

SEF iniţial a fost cunoscută sub denumirea de Electroterapie Funcţională, termen propus 

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 

controlul nervos cu scopul obţinerii contracţiei musculare şi asigurării unei mişcări funcţionale 

şi  utile”.  Primul  aparat  comercial  SEF  trata  flexiunea  dorsală  deficitară  a  piciorului  în  timpul 

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 scleroză multiplă (îmbunătăţeşte calitatea mişcărilor) 



 

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 

 

Electrozii implantaţi necesită o operaţie de montare mai laborioasă, pot conduce la infecţii, dar 

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: 

 

Neuroproteze pentru controlul urinării şi defecaţiei 



 

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. 

 

Obiectivele  

 

Realizarea unui dispozitiv pentru ilustrarea conceptului de stimulare electrică funcţională 



 

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 

 

Controller-ul 



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. 

Software 

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. 

 

Rezultate şi discuţii 

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. 

Preparatul 

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 

 

Experimentul Nr. 1 



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. 

 

Experimentul Nr. 3 



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. 

Experienta Nr. 4 

Contracţia a patru grupe musculare 

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.  

 

Concluzii 

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. 



 

Каталог: 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


Поделитесь с Вашими друзьями:


Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©azkurs.org 2019
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə