Stimulare electrică funcțională



Yüklə 0,83 Mb.
Pdf görüntüsü
tarix29.12.2016
ölçüsü0,83 Mb.

Curs: STIMULARE ELECTRICĂ FUNCȚIONALĂ 

 –  Prof. Hariton COSTIN 

 

1

 



STIMULARE  ELECTRICĂ  FUNCȚIONALĂ 

 

Stimularea electrică funcțională (FES): tehnică de recuperare medicală care folosește impulsuri 

mici de tensiune și current electric aplicate pentru a îmbunătăți sau reface total funcții pierdute 

ca urmare a unui accident sau boală. Exemple sunt auzul, vederea, tratarea convulsiilor 

(epilepsie) sau a tremurului in Parkinson. Dispozitivele folosite la FES sunt niste neuroproteze, 

pentru că modulează excitabilitatea țesutului neural. De exemplu, în atac vascular cerebral 

(AVC) sau în leziuni ale măduvii spinării (SCI - spinal cord injuries) axonii neuronilor motorii 

intacți sunt excitați de câmpuri electrice introduse în corp de electrozi de suprafață sau 

implantabili. Potențialele de acțiune produse se propagă pe axon și când ajung la conexiunile 

sinaptice de capăt către fibrele musculare scheletice generează forță musculară, ca în cazul 

nervilor sănătoși. FES este foarte utilă clinic la activarea mușchilor paralizați, de exemplu la 

restaurarea funcției de apucare de către mână, la pacienți cu tetraplegie. FES cu electrozi 

percutani aplicată la pacienți cu leziuni ale măduvei la nivel toracic poate reface capacitatea 

acestora de a păși sau de a sta în picioare. 



Stimularea funcțională neuromusculară (FNS) se aplică exclusiv sistemului neuromuscular. 

 

1. DISPOZITIVE ȘI SISTEME FES  

 

Fig. 1: toate dispozitivele FES moderne conțin: (1) electrozi de suprafață sau implantați; (2) un 



generator reglabil de impulsuri de tensiune sau curent, care le furnizează către electrozi; (3) un 

circuit de condiționare a impulsurilor, care produce forma, amplitudinea și durata dorite; (4) o 

unitate de control cu sau fără reacție; (5) un microsistem de calcul sau o interfață  cu un 

calculator.  Dispozitivele FES pot fi implantate complet sau parțial în organism.  

 

Alegerea electrozilor.  Criteriile de selecție a electrozilor sunt de ordin anatomic, chirurgical, 

mecanic, electrochimic, de biocompatibilitate, stabilitate in timp și economic. Factorii anatomici 

și chirurgicali se referă la ușurința identificării locului stimulării, la suprafața pielii sau prin 

implantare. În caz de deterioare a electrodului, zona de implantare trebuie să fie ușor 

accesibilă. Rezistența mecanică e importantă pentru utilizări de mare durată a FES (ani). 

Electrozii flexibili și mici în diametru produc dureri mai mici în timpul mișcării. Cei spiralați sunt 

mai fiabili și reduc stresul mecanic. Biocompatibilitatea și reducerea rănilor locale care pot 

apărea la niveluri mari de curent se asigură prin folosirea unor materiale inerte (de ex. platină, 

aliaj platină–iridiu sau oțel inoxidabil).  

Electrozii implantați  pot fi plasați pe sau în mușchi (electrozi epimisiali, respectiv 


Curs: STIMULARE ELECTRICĂ FUNCȚIONALĂ 

 –  Prof. Hariton COSTIN 

 

2

intramusculari). Ei pot fi în contact direct cu un mușchi sau nerv periferic, în interiorul mușchiului 



sau separați de nervii motorii de către țesutul muscular, sau pot fi implantați în măduva spinării. 

Fiind mai apropiați de nervii motorii decât electrozii de suprafață, cei implantabili permit o 

selectivitate  și o repetabilitate mai bună. De asemenea, pot fi monopolari sau bipolari și 

acționează pe durate mult mai mari decât electrozii de suprafață.   



Intrări de 

control 

Controler 

Electrozi 

Etaj de 

ieșire 

Condiționare 

impulsuri 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

Figura 1.  Un sistem FES conține semnale de control, un controler, un etaj de 



condiționare / formare a impulsurilor, etaj de ieșire în current sau tensiune, pe unul sau 

mai multe canale și sistemul de electrozi 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

Figura 2. Exemplu de electrozi implantabili epimisial (jos) și intramuscular (sus). 

Electrodul epimisial are central un disc de Pt-Ir și e încapsulat în silicon. Cel 

intramuscular este din oțel inoxidabil și are niște gheare de fixare 

Curs: STIMULARE ELECTRICĂ FUNCȚIONALĂ 

 –  Prof. Hariton COSTIN 

 

3

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

Figura 3. (a) Sistemul FES implantabil pentru neuroprotezarea mâinii. Poziția umărului 



produce intrările de control; (b) unitatea de control externă asigură interfața 

traductorului, algoritmul de control, coordonarea multicanal a stimulilor și alimentarea 

electrică a stimulatorului-receptor; (c) stimulator-receptor implantat produce stimularea 

multicanal și trimite la unitatea de control date de la senzor; e alimentat printr-un 

transformator bidirecțional fără miez 

 

 



 

 

 



 

Figura 4.  Stimulator implantabil multicanal, care conține un circuit hibrid în capsulă de 

titan. Bobina receptoare (stânga) este încapsulată în rășină epoxidică, împreună cu 

capsula de titan. 

Curs: STIMULARE ELECTRICĂ FUNCȚIONALĂ 

 –  Prof. Hariton COSTIN 

 

4

 



2. PARAMETRII DE STIMULARE 

 

Forma de undă tipică în FES este un tren de impulsuri dreptunghiulare, adoptată datorită 



eficienței stimulării și a ușurinței generării. Toți parametrii acestui tren de impulsuri (frecvența, 

amplitudinea și lățimea impulsurilor) au efecte separate asupra contracției musculare. 

Frecvența stimulării este în general redusă pentru prevenirea oboselii musculare și 

pentru conservarea energiei de stimulare. Frecvența musculară de fuziune este frecvența la 

care se obține un răspuns al mușchiului neted. Această frecvență variază între 12 Hz și 50 Hz. 

În timpul stimulării ea este menținută constantă, pentru ambele tipuri de electrozi.  

În cazul electrozilor de suprafață, modularea forței musculare se obține prin variația 

amplitudinii impulsurilor de stimulare, cu menținerea constantă a frecvenței  și lățimii 

impulsurilor. De exemplu, pentru nervul peroneal amplitudinea este de 15 V și lățimea de 200 

µsec, iar pentru stimularea mușchilor mai mari (”gluteus maximus”) ea devine min. 120 V timp 

de 300 µsec. 

În cazul electrozilor implantabili, parametrii stimulării depind puternic de locul implantării 

lor. Dacă electrozii sunt pe sau în jurul nervului-țintă, amplitudinea stimulării este de ordinul a 

câtorva mA. Electrozii epimisiali (pe suprafața mușchiului) sau intramusculari folosesc 

amplitudini de cca. 10 ori mai mari. Pentru controlul forței musculare, stimulatorii implantabili fac 

apel la modulația impulsurilor în durată sau modulația în amplitudine. De exemplu, în cazul 

membrelor superioare amplitudinea curentului este de obicei de 16-20 mA, iar forța musculară 

se modulează cu impulsuri între 0 și 200 µsec. 

 

3. CONTROLERE ȘI STRATEGII DE CONTROL 

 

În afară de stimularea mușchilor paralizați, este important de a controla mișcările 



produse artificial. Blocul de control se ocupă cu producerea unor forme de impulsuri de 

stimulare în vederea obținerii mișcărilor dorite, precum și cu modificarea acestor forme în timpul 

funcționării, pentru corectarea modificărilor nedorite de  mișcare musculară.  

Impedimentul major în dezvoltarea sistemelor de control ale FES este caracterul neliniar 

și variabil în timp al proprietăților mușchilor scheletici activați electric. În timpul FES oboseala 

musculară intervine la niveluri din ce în ce mai reduse ale stimulării. 

Ieșirea sistemului de control al FES trebuie să producă proprietăți stabile, repetabile și 

controlabile ale forței musculare, în domenii largi de lungime a mușchiului, mișcare a 

electrodului  și oboseală musculară. În timp s-au studiat diverse caracteristici musculare (forța 

de activare, mărimea și viteza forței) cu ajutorul modelării și simulării musculare. 



Curs: STIMULARE ELECTRICĂ FUNCȚIONALĂ 

 –  Prof. Hariton COSTIN 

 

5

 



 

 

 



 

 

 



 

Figura 5. Sisteme de control în FES (buclă deschisă, cu reacție negativă și adaptiv) 

Intrări de 

la pacient 

Control în 

buclă deschisă 

Reacție 

negativă 

Stimulare 

Adaptiv 

Sistem 

muscular 

Ieșiri de 

control

 

Metodele de control sunt de tipul buclă deschisă, cu reacție negativă și control adaptiv (Fig. 5).  



Strategia tip buclă deschisă cere multă informație despre comportarea biomecanică a 

membrului stimulat. Algoritmii de control specifică parametrii stimulului (intrările sistemului 

muscular scheletic) care sunt necesari producerii mișcărilor dorite (ieșirile sistemului). De obicei, 

pentru ”bucla deschisă” parametrii se identifică prin metoda ”încercare și eroare” (”trial and 

error”), iar stimulul cu o anumită formă de undă pentru o anumită mișcare este memorat într-un 

tabel de căutare (”lookup table”). Intervin aici trei probleme majore: (i) procesul de specificare a 

unei singure forme de undă pentru un anume pacient necesită o muncă laborioasă din partea 

unei întregi echipe de specialiști (medic, inginer, terapist), iar performanța obținută adesea nu 

justifică efortul consumat; (ii) forma de undă de stimulare fixă poate să nu fie adecvată după ce 

intervine oboseala musculară; (iii) forma de undă  fixă nu răspunde modificărilor mediului (de 

ex., pantei pe care se mișcă pacientul) și perturbațiilor externe (de ex. spasmelor musculare). 

Sistemul de control cu reacție negativă (feedback) rezolvă parțial limitările primei strategii 

de control. Acum senzorii monitorizează ieșirea  și corecțiile asupra intrării se fac în sensul 

minimizării erorii dintre ieșirea dorită  și cea reală (obținută tot cu senzori). Deoarece acest 

control este mai lent decât în cazul buclei deschise, el se folosește la mișcări lente (apucatul cu 

mâna) sau la posturi statice. 



Controlul adaptiv este cel mai utilizat pentru mișcări dinamice, aferente locomoției. El 

combină răspunsul controlerului și al sistemului, fiind mai liniar, repetabil, predictibil și adaptat 

pacientului. Un astfel de sistem conține un generator de forme de undă de control, specifice 

fiecărei mișcări de bază, precum și un formator de forme de undă care filtrează adaptiv undele 

generate și le trimite la mușchi. Astfel, adaptările la pacient și la oboseala musculară sunt mai 

bune și mai rapide. 

Alte tehnici de control cu rezultate bune sunt cea de tip proporțional-derivativ, precum și 

cea bazată pe rețele neuronale artificiale, care abordeaza bine caracterul neliniar al mușchilor și 

oboseala acestora. 


Curs: STIMULARE ELECTRICĂ FUNCȚIONALĂ 

 –  Prof. Hariton COSTIN 

 

6

Tehnici moderne de control se bazează pe prelucrarea EEG în cadrul aplicațiilor de 



interfață creier-calculator (”brain-computer interface”, BCI). 

 

4. EFECTE TERAPEUTICE ALE FES. APLICAȚII CLINICE 

 

FES este utilă clinic nu doar la recuperarea unor funcții motorii pierdute, dar și în terapia unor 



boli neurologice, dupa leziuni ale maduvii spinării sau pentru creșterea plasticității sistemului 

nervos în vederea recuperării medicale. Astfel, FES crește rezistența, cuplul și forța musculară 

și previne atrofia musculară. De asemenea, reduce spasticitatea în cazul anumitor tulburări 

neurologice, previne osteoporoza la pacienți paralizați  și la femei la menopauză, ameliorează 

refacerea fracturilor osoase, crește circulația sanguină, previne apariția escarelor. Totuși, 

densitatea osoasă nu crește semnificativ prin folosirea FES. 

 

Metoda ”deep brain stimulation” (DBS) se folosește pentru tratarea unor boli neurologice 



degenerative (Parkinson), a tremurului, mișcărilor lente, rigidității, problemelor de locomoție, 

blocând semnale nervoase anormale. Stimulatorul pentru nervul vag are rezultate la pacienți cu 

epilepsie netratabilă. 

FES transcutană a nervilor tratatează durerea cronică sau acută. 

FES aplicată tractului gastro-intestinal reduce obezitatea. 

 

4.1  Stimulatori implantabili – aspecte clinice 

4.1.1 Stimulatori pentru nervi periferici 

• 

Manipulare — Controlul unor funcții complexe de mișcare, de exemplu ale mâinii, necesită 

stimularea multicanal. Un exemplu de astfel de stimulator pentru apucare și dat drumul unui 

obiect necesită opt canale și un generator realizat în tehnologia peliculelor groase. 

• 

Locomoție — Stimulatoare implantabile pentru corecția piciorului căzător la pacienții 

hemiplegici au fost realizate de firma Medtronic și sunt plasate în coapsa internă, înconjurând 

nervul peroneal și având electrozi de stimulare epineurali. Stimulatorul este comandat și 

sincronizat cu mersul printr-un comutator aflat în tocul pantofului. 

• 

Respirație  — Controlul respirației implică un stimulator implantabil bi-canal cu electrozi 

aplicați bilateral nervului frenic. Tulburări respiratorii ca tetraplegia de nivel înalt pot fi corectate 

prin activarea acestui nerv, care produce contracția fiecărui mușchi semi-diafragm, care 

acționeaza alternativ timp de câteva ore (pentru prevenirea alterării lor daca ar lucra continuu). 

• 

Control urinar — Este necesar persoanelor cu leziuni ale măduvii spinării. Zonele 

vertebrale sacrale S2, S3 și S4 sunt stimulate separat, ceea ce produce contracția vezicii 

urinare și a sfincterului extern. Trenurile de impulsuri aplicate repetat provoacă micțiunea.  

• 

Tratamentul scoliozei — Scolioza idiopatică este curbarea progresivă laterală a coloanei 



Curs: STIMULARE ELECTRICĂ FUNCȚIONALĂ 

 –  Prof. Hariton COSTIN 

 

7

vertebrale a adolescentului, simultan cu rotirea ei. Stimularea electrică aplicată părții convexe a 



curburii reduce sau chiar oprește progresul bolii. Stimularea se aplică intermitent, amplitudinea 

stimulării este mai mică decât 10.5 V, iar frecvența și lățimea impulsurilor sunt cele uzuale. 

 

4.1.2  Stimulatori ai sistemului nervos central 

Electrozii FES pot fi implantați pe suprafața creierului sau în adâncimea sa. Deși aici FES nu 

produce mișcări funcționale, ea “modulează” o comportare motorie patologică și astfel oprește o 

activitate motorie nedorită. În acest caz, stimulatorii sunt pentru controlul neuromuscular. 

• Stimulare cerebrală — O aplicație clasică este reducerea efectelor paraliziei cerebrale la 

copii, prin plasarea electrozilor pe suprafața creierului. Generatorul de impulsuri este localizat 

subcutanat în zona pieptului.  

• 

Stimulare vagală — Stimularea intermitentă a nervului vag timp de 30 sec., urmată de 

cinci minute de pauză reduce frecvența convulsiilor epileptice. Stimulatorul implantat în piept 

are un electrod bipolar elicoidal înfășurat în jurul nervului vag stâng, în gât. Parametrii stimulării 

sunt 30 Hz, 500 µsec, 1.75 mA. 

• 

Stimulare cerebrală în adâncime  (Deep brain stimulation) — Poate reduce tremurul 

necontrolabil la pacienții cu boala Parkinson sau cu tremur esențial. Aria de electrozi este 

plasată stereotactic în regiunea talamică a creierului, iar generatorul de impulsuri se află în 

piept. Aplicarea unor frecvențe de stimulare înalte (130 Hz), a unor durate de 60 - 210 µsec și 

amplitudini de 0.25 - 2.75 V poate elimina imediat tremurul pacientului. 

 

4.1.3  Viitorul stimulatorilor implantabili 

1.  Stimulatori distribuiți 

O problemă majoră a stimulatorilor implantabili este multitudinea de fire conductoare care ies 

din generatorul de implusuri, cu inconveniente în timpul operațiilor chirurgicale și pentru 

degradarea  țesuturilor. O soluție este controlerul cu o singură ieșire, care acționează asupra 

unei rețele de microstimulatori uni-canal implantați în structura ce trebuie stimulată, activați de o 

singură bobină externă. Un astfel de microstimulator încapsulat în sticlă apare în Figura 6. 

 

 

 



 

 

 



 

Figura 6. Microstimulator cu dimensiuni de 2×16 mm. Electrozii sunt din tantal și iridiu 

Curs: STIMULARE ELECTRICĂ FUNCȚIONALĂ 

 –  Prof. Hariton COSTIN 

 

8

 



2.  Sesizarea traductorilor implantabili. Semnale generate și fiziologice 

Sursele de comandă externă, ca joystick-ul controlat de umăr pentru mișcarea mâinii, impun 

restricții suplimentare pacienților, care trebuie îmbrăcați de un asistent. Implantarea permanentă 

a modulelor de control a dispozitivelor neuro-protetice este o soluție modernă și eficientă. 

 

Figura 7 arată un astfel de traductor implantat în încheietura mâinii, care constă dintr-un 



magnet și dintr-o arie de senzori magnetici. Traductorul este conectat la stimulatorul implantabil, 

care îi asigură alimentarea cu energie și transmite prin telemetrie datele către controlerul extern. 

Semnalele mioelectrice de la mușchii neafectați de paralizie sunt o altă sursă atractivă de 

control pentru stimulatorii implantabili neuromusculari. De exemplu, semnalul EMG amplificat și 

integrat de la mușchiul sterno-cleido-mastoidian conține destulă informație pentru a controla o 

neuroproteză de membru superior.  

 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

Figura 7. Radiografia unui tranductor implantat în încheietură. Magnetul este implantat în 



osul lunat (sus), iar aria de senzori magnetici este implantată în radius 


Yüklə 0,83 Mb.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©azkurs.org 2020
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə