1 “INGENIERÍA DE REHABILITACIÓN” Dra. Ing. Silvia E. Rodrigo Carrera de Bioingeniería Facultad de Ingeniería - Universidad Nacional de San Juan 2010 “ESTIMULACION ELECTRICA FUNCIONAL: PRINCIPIOS Y APLICACIONES”

2 CONTENIDOS  Definición de estimulación eléctrica funcional (EEF), componentes básicos de dispositivos de EEF.  Lesiones traumáticas y congénitas del SNC y de la médula espinal. Importancia funcional del nivel de lesión medular.  Ayudas técnicas para sujetos con lesiones traumáticas y congénitas. Aplicaciones y limitaciones de la EEF para control de funciones manuales, de la postura y locomoción. Sistemas ortésicos híbridos.

3 A - ESTIMULACIÓN ELÉCTRICA FUNCIONAL

4 La electroestimulación es el empleo de electricidad en aplicaciones biomédicas relacionadas con el diagnóstico (EEG, EMG, ECG), analgesia y otras tales como: - Restauración de la función muscular por lesiones nerviosas - Mantenimiento del tono muscular por lesiones nerviosas - Prótesis eléctricas (estimulación funcional) - Estimulación diafragmática para control respiratorio - Estimulación esfinteriana para control urinario - Ayuda sensorial para la ceguera (braille) o sordera (prótesis cocleares).

5 Cuando se habla de electroestimulación, es necesario distinguir dos conceptos: 1.La electroestimulación que tiene por objetivo el efecto motor, para obtener información que permite orientar el diagnóstico, o bien el aprovechamiento de ese mismo efecto para el tratamiento de patologías con lesión motora. De las aplicaciones con efecto motor se derivan el electrodiagnóstico, la electromiografía en varias de sus facetas y la estimulación neuromuscular.

6 2. La electroestimulación sobre los nervios sensibles, que tiene efectos activos sobre las fibras nerviosas que transmiten las sensaciones nociceptivas. De las aplicaciones con efecto sensitivo, principalmente figuran todas aquellas aplicaciones que proporcionan analgesia.

7 Además, es necesario aclarar algunos términos que se utilizan en electroestimulación: A.Electroestimulación transcutánea. Es aquella que se realiza a través de la piel, por medio de electrodos de contacto o percutáneos, que suministran la estimulación eléctrica a los tejidos biológicos. Puede aplicarse sobre fibras nerviosas o fibras musculares (músculo denervado).

8 B.Estimulación eléctrica funcional, EEF (functional electrical stimulation-FES). Existen controversias con este concepto. La Asociación Americana de Terapia Física lo define como la utilización de la estimulación neuromuscular con finalidad de sustitución ortésica (suplencia de una función perdida). Otros autores hablan de estimulación funcional cuando, tras estimulación eléctrica, el movimiento evocado resulta útil para la realización de un gesto finalizado y efectuado en una situación real. Esta definición abre el abanico de posibilidades de la estimulación funcional.

9 Consideraremos la EEF como la estimulación eléctrica de los músculos, total o parcialmente privados del control nervioso voluntario, con el objetivo de provocar la contracción muscular para obtener determinadas funciones.

10 Puntos motores de la cara anterior de la extremidad superior.

11 Puntos motores de la cara posterior de la extremidad superior.

12 Puntos motores de la cara anterior de la extremidad inferior.

13 Puntos motores de la cara posterior de la extremidad inferior.

14 Sus componentes son: fuente de energía generador de señal circuito de control (c/s realimentación)‏ circuito de salida electrodos Componentes de un sistema basado en EEF sobre cabeza peroneo

15 fuente de energía: deben ser pequeñas, livianas y confiables, capaces de alimentar un FES por un periodo de tiempo de al menos 1 día (baterías recargables). Para sistemas monocanal resultan suficientes, a diferencia de los sistemas multicanal. generador de señal: se emplean generadores con corrientes pulsátiles, de baja frecuencia (20-80 Hz), con una duración entre 0.05 y 1 mseg, intensidades entre 90 y 200 mA y voltajes entre 50 y 120 V. La forma de onda puede ser sinusoidal, rectangular, triangular, etc.

16 si bien no existe un tipo de onda ideal, la elección se realiza en base a la comodidad del paciente, el consumo de energía, la fatiga muscular y la calidad del movimiento estimulado. La amplitud puede modularse para producir contracciones más uniformes.

17 circuito de control: es el que controla la forma de salida de un sistema FES. Los circuitos sin realimentación (abiertos) simplemente envían al modulador secuencias predeterminadas de órdenes. Los sistemas cerrados emplean realimentación a través de interruptores, goniómetros, sensores de presión plantar o EMG para controlar la señal del modulador. por ej., en un sistema realimentado para sujetos hemipléjicos, la puesta en fase de la estimulación se controla mediante un interruptor en el taco del zapato. Mediante un transmisor incorporado en el mismo zapato, se envía luego la señal al sistema estimulador-transmisor en la cintura.

18 circuito de salida: se emplean tanto los de corriente limitada (I constante), como de tensión limitada (V constante). El primer caso permite una estimulación bien controlada, con el inconveniente que si la superficie de contacto del electrodo se reduce, puede producir una intensidad de corriente dolorosa. En el segundo caso se limita el máximo que produce estímulo, pero su efectividad puede variar.

19 electrodos: se colocan habitualmente en puntos musculares motores específicos o sobre los nervios, en forma superficial, percutáneos o implantados.

20 Los primeros se adosan y ajustan con facilidad, pero pueden alterar sus propiedades, provocar irritación cutánea y requieren intensidades de estimulación mayores. Los percutáneos permiten una localización más precisa, pero penetran en la piel y requieren experiencia para su colocación. Los implantados se ubican en forma subcutánea, requiriendo una intervención quirúrgica y son alimentados por señales transmitidas a través de la piel.

21 Por su parte, la mayoría de las actividades funcionales requieren una acción recíproca de músculos agonistas, antagonistas y estabilizadores, por lo que resulta importante estudiar las características de la actividad muscular relacionadas con la electroestimulación: resistencia muscular destreza muscular tono muscular: espasticidad y rigidez fatiga muscular.

22 Resistencia muscular: capacidad de persistencia de la fuerza muscular, esencial para desempeñar las actividades de la vida diaria. Se valora como: - resistencia máxima dinámica: colocando la resistencia (peso) siempre a la misma distancia respecto la articulación y también con el mismo ángulo de incidencia, de manera que el sujeto se opone al peso mediante varias contracciones musculares dinámicas, desarrolladas a una velocidad, ritmo y amplitud de movimiento dados y reproducibles. - resistencia máxima estática: valor máximo que se opone a la contracción muscular estática desarrollada por el sujeto una sola vez durante 1 seg.

23 Destreza muscular: es función de parámetros tales como la velocidad de contracción muscular, agilidad, control y equilibrio. Se evalúa mediante la capacidad del paciente de efectuar tareas que requieren movimientos finos. La presencia de espasticidad o rigidez deteriora la destreza motora. Tono muscular: es el nivel de reposo de tensión en un músculo, en preparación para una respuesta rápida y confiable a las órdenes voluntarias o reflejas. Por ej., el tono en los músculos extensores de las piernas ayuda a mantener la postura durante la posición de pie.

24 El tono muscular depende del nivel de reposo de las motoneuronas alfa. Un tono muscular anormal puede presentarse como hipotonicidad (lesiones motoras inferiores o nervios periféricos) o hipertonicidad. De esta última, existen dos tipos:  Espasticidad  Rigidez

25 Espasticidad: es un síntoma que refleja un trastorno motor del sistema nervioso en el que algunos músculos se mantienen permanentemente contraídos, provocando su rigidez y acortamiento e interferencia con sus distintos movimientos y funciones: deambulación, manipulación, equilibrio, habla, deglución, etc. Está causada normalmente por daños en zonas del cerebro o de la médula espinal que controlan la musculatura voluntaria. Aparece en traumatismos del cerebro o de la médula espinal, esclerosis múltiple, parálisis cerebral. El grado de espasticidad varía desde una leve rigidez muscular hasta graves, dolorosos e incontrolables espasmos musculares.

26 Se manifiesta como una respuesta exagerada del músculo a la elongación. Rigidez: es una hipertonicidad provocada por una descarga prolongada de las motoneuronas alfa. Es un grado muy severo de espasticidad, producido por liberación máxima del sistema gamma del control inhibitorio superior. Se reconoce por la falta de modificaciones en la resistencia de un grupo muscular a la elongación pasiva en todo el rango de flexión o extensión. Se conoce también como hipertonicidad plástica.

27 Fatiga muscular: se entiende como cualquier reducción en la capacidad generadora de fuerza del sistema neuromuscular total.

28 B - LESIONES TRAUMÁTICAS Y CONGÉNITAS DEL SNC Y DE LA MÉDULA ESPINAL

29 La sobrevida de pacientes con lesiones medulares traumáticas causadas por guerras o accidentes, está estrechamente relacionada con el manejo de la disfunción vesical secundaria a la lesión y la prevención de úlceras por decúbito. La lesión medular por accidentes (de tránsito, en el hogar y en actividades deportivas) se produce con mayor frecuencia en los grupos etarios más jóvenes, siendo un 80% de los individuos afectados, menores de 45 años. Lesiones Traumáticas

30 Las más comunes son aquellas provenientes de parálisis cerebral (PC) o espina bífida. La PC hace referencia a procesos motores no progresivos originados por una lesión temprana del SNC y que determinan entre otros fenómenos, un control deteriorado del proceso locomotor manifestado por: tono muscular anormal que varía con la postura o el movimiento, tendencia a desarrollar con el crecimiento contracturas musculares y deformidades óseas, pérdida de coordinación y del control voluntario selectivo de la musculatura, marcha inestable dependiente de los reflejos primitivos y deterioro del balance corporal. Lesiones Congénitas

31 La espina bífida resulta del cierre incompleto del canal vertebral (espina bífida), cuya forma más grave es conocida como mielomeningocele (MMC). El 80% de las personas con MMC tiene hidrocefalia e incontinencia vesical e intestinal. Lipoma, lesión totalmente cubierta por piel, de consistencia grasa, en la línea media lumbo sacra.

32 Las alteraciones de locomoción más significativas del MMC están relacionadas con daños en la médula espinal y raíces nerviosas ubicadas en la zona afectada, que determinan un patrón de movimiento anormal en los tres planos del espacio. Se conoce asimismo que las modificaciones de la marcha observadas en pacientes con PC y MMC, pueden ser debidas a alteraciones primarias (directamente vinculadas con la lesión de las estructuras superiores del sistema nervioso central o de la médula espinal) o bien, a mecanismos compensatorios (sustituciones que utiliza el sistema neuro-músculo-esquelético para suplir las alteraciones primarias).

33 Patrón de movimiento y/o marcha deteriorados: alteración de la secuencia e intensidad de actuación muscular para actividades de prensión y ambulación. Paraplejía: parálisis de los miembros inferiores y de todo el tronco o parte de éste, por lesiones bajas de la médula espinal. Cuadriplejía: cuando también están afectados los miembros superiores en caso de lesiones altas de la médula. Tipos de Lesión

34 Hemiplejía: cuando está afectado la mitad del cuerpo, habitualmente por ACV (por trombosis arterial, o hemorragia cerebral), pero también puede estar ocasionada por patologías en los hemisferios cerebrales o en la espina dorsal. Según la parte del cerebro que sea afectada en la hemiplejía, las lesiones anulan el movimiento y la sensibilidad de la mitad opuesta del cuerpo. Además, dependiendo del hemisferio cerebral afectado en la hemiplejía, se ven disminuidas otras funciones, como la audición, visión, el habla y también la capacidad de razonamiento.

35 Fractura o luxación de columna cervical: consecuencia de una flexión brusca y violenta o de extensión o fuerzas rotacionales u horizontales, provocadas por golpe directo o de lesiones por aceleración. Fractura o luxación de columna dorsal: resultado de un golpe directo, de flexión violenta en posición de sentado o de un proyectil penetrante. Esquema de distribución segmentaria o dermatomas de nervios espinales, correspondientes a regiones superficiales del cuerpo inervadas por raíces sensitivas. Causas de Lesión Medular Traumática

36 Fractura o luxación torácicolumbar: resultado de una flexión violenta, habitualmente por caída desde una cierta altura. En caso de una fractura-luxación con daño de todo el espesor medular, se pierde toda la función sensitivomotora en el sitio de la lesión y por debajo de ésta. Esquema de distribución segmentaria o dermatomas de nervios espinales, correspondientes a regiones superficiales del cuerpo inervadas por raíces sensitivas.

37 La mayoría de los grupos musculares están inervados por dos o más segmentos medulares. Categorías de Lesión Medular

38 Es raro que un individuo sobreviva a una lesión completa de los segmentos cervicales 3º y 4º, dado que se producen dificultades respiratorias secundarias a la pérdida de la función sensitivomotora. C4Diafragma, extensores y flexores mediocervicales C5Fuerza parcial de todos los movimientos del hombro y de la flexión del codo C6Fuerza normal de todos los movimientos del hombro y de la flexión del codo; extensión de la muñeca, que permite indirectamente la prensión grosera con los dedos de la mano C7Extensión del codo, flexión y extensión de los dedos de la mano T1Brazos y manos completamente normales T6Extensores del tronco superior, músculos intercostales superiores T12Todos los músculos del tórax, el abdomen y el dorso L4Flexión de cadera, extensión de rodilla L5Fuerza parcial de todos los movimientos de la cadera con flexión normal, fuerza parcial de la flexión de rodilla, fuerza parcial del movimiento del tobillo y pie. Niveles críticos de lesión medular, con funciones motoras conservadas. Mientras más bajo es el nivel de la lesión, mayor será el grado de fuerza muscular disponible para rehabilitación. Funciones Motoras conservadas según Nivel de Lesión Medular

39 Importancia Funcional del Nivel de Lesión Medular

40 C - AYUDAS TÉCNICAS PARA SUJETOS CON LESIONES TRAUMÁTICAS Y CONGÉNITAS

41 Conservan buen uso de músculos respiratorios y cervicales. No presentan función voluntaria de brazos, tronco y extremidades inferiores. Para reemplazar la función perdida puede utilizarse el control neumático de sorber y soplar para la operación de silla de ruedas, de unidad de control ambiental, de dispositivos. También existen sistemas activados por la voz (reconocimiento de voz) y la lengua (sensores magnéticos). Nivel C4 de Lesión Medular

42 Ejemplo: Una tecnología de asistencia que permite a las personas maniobrar una silla de ruedas eléctrica o controlar un mousse usando simples movimientos de la lengua. Puede ser operado por personas con lesiones medulares de nivel alto, de acuerdo con los resultados de un ensayo clínico recientemente finalizado.

43 Ejemplo: El AT 4 SmartNav es una solución manos libres del ratón, utilizado con éxito por personas con esclerosis lateral amiotrófica, lesiones de la médula espinal, distrofia muscular y otras necesidades especiales, para controlar el ordenador usando solamente su movimiento de cabeza. Mediante un Teclado Virtual puede escribir en la pantalla del ordenador con el programa de teclado virtual SmartNav's.

44 Fuerza parcial de todos los movimientos del hombro y de la flexión del codo. El paciente necesita un sustituto para la musculatura no funcionante de la mano, muñeca y dedos. Aunque la FES no puede revertir los efectos de una lesión medular, tiene el potencial de proporcionar mayores niveles de función para las personas con cuadriplejia. También se aplica estimulación eléctrica disparada por EMG en la muñeca y extensores de los dedos para mejorar la espasticidad y la función motora. Un electrodo detecta la actividad residual de los músculos paralizados y una vez que el nivel preestablecido se ha alcanzado, la estimulación eléctrica externa permite la extensión completa de muñeca y dedos. Nivel C5 de Lesión Medular

45 Ejemplo: Investigadores de la Universidad Case Western Reserve (Cleveland, Ohio) han desarrollado un programa de estimulación para las extremidades superiores. Como regla general, la FES de las extremidades superiores pueden proporcionar al usuario un nivel adicional de la función neurológica. Ejemplo: alguien con una lesión de nivel C-5 / 6 puede ser capaz de funcionar en un nivel C-6 / 7 con el uso de la FES.

46 El parapléjico en el nivel C5 presenta mayor incremento de la reserva respiratoria. Posee independencia en la silla de ruedas para las actividades de la vida diaria. Es posible proporcionarle ortesis para la postura del pie. Debido a la demanda energética que requiere para realizar la marcha, necesita caminadores u ortesis funcionales.

47 La teoría sobre la que se basa el empleo de EEF en pacientes hemipléjicos, es la supervivencia de la neurona motora inferior. Una contracción inducida por EEF de los músculos inervados por el nervio peroneo, ayudaría a controlar el pie péndulo en balanceo, si bien la contracción debe producirse en la fase adecuada para obtener un resultado funcional. Hemiplejía

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49 Se utilizan estimuladores programables, que permiten seleccionar el periodo de estimulación dentro de las fases de apoyo y balanceo, adaptando continuamente la secuencia de la estimulación a la cadencia de marcha del paciente. Tres interruptores de pie colocados en el talón miden las fases de la marcha. Sitios de estimulación posibles: peroneo (para controlar la caída del pie), cuadriceps (carga y extensión selectiva de la rodilla durante el balanceo), bíceps (desaceleración de la extremidad durante balanceo), glúteo (para evitar la caída de la pelvis y ayudar a extensión de la cadera) y tríceps (estímulo para iniciar el giro del brazo contralateral, mientras se eleva el hombro deprimido).

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51 En la siguiente página web puede encontrar un video explicativo de la forma de trabajo de un sistema basado en EEF para sujetos hemipléjicos: http://www.ottobock.com/cps/rde/xchg/ob_com_es/hs.xsl/4762.html

52 El Lokomat es la primera ortesis funcional que automatiza la terapia de locomoción en una pasarela rodante, mejorando la eficiencia de entrenamiento. Exoesqueleto para Sujetos con Lesiones Medulares

53 En youtube puede encontrar una serie de videos sobre el sistema exoesquelético LOKOMAT para la recuperación funcional de pacientes con lesiones del SNC y médula espinal.

54 Tienen el uso de flexores de cadera y extensores de rodilla y pueden permanecer de pie sin ortesis y caminar sin soporte externo, aunque por la debilidad grave de los glúteos más la pérdida de fuerza del tobillo, existe una marcha oscilante laboriosa y con pie péndulo que necesita ser asistida con ortesis de tobillo y muletas. La falta de uso de estos apoyos producirá genu-recurvatum y un esfuerzo anormal de la columna lumbar. Es un individuo independiente, con algunas dificultades para subir escaleras y en actividades que requieran cambios repetidos de posición. Nivel L4 de Lesión Medular

55 Uso de EEF para la marcha

56 restaurar o sustituir funciones motoras alteradas o ausentes debido a lesión del SNC recuperar los mecanismos neurofisiológicos de la neurona motora superior restaurar los mecanismos reflejos básicos de los movimientos integrados a nivel medular en la reeducación neuromuscular, para desarrollar nuevas funciones en determinados músculos o grupos de músculos. Aplicaciones Clínicas de la EEF

57 Estéticas Clínicas Biomecánicas Ventajas de EEF Ventajas Estéticas el efecto cosmético es superior al de las ortesis, ya que la mayor parte del sistema puede ser discretamente ocultada por la ropa convencional la ejecución de los movimientos funcionales tiene mayor aproximación a la apariencia normal

58 Ventajas de EEF Ventajas Clínicas facilita la función neuromuscular mejora el estado circulatorio local aumenta el rendimiento cardiopulmonar previene la retracción musculotendinosa: espasticidad estimula la mineralización ósea psicológicamente favorable.

59 Ventajas Biomecánicas interactiva con el control postural y el equilibrio (sedest. y biped.) participación activa en las funciones de bipedestación, marcha y manipulación de miembros superiores rapidez y facilidad en la colocación y manipulación del sistema incremento de la fuerza muscular aumento en el tiempo de aparición de la fatiga muscular mejora las características cinemáticas de la marcha. Ventajas de EEF

60 lesión de la neurona motora periférica cambios en las propiedades contráctiles de los músculos aumento del consumo energético necesario para locomoción dificultad en la localización y respuesta muscular de los puntos de estimulación motora. Limitaciones de EEF

61 nivel e intensidad de la lesión habilidad del paciente para colocar electrodos correctamente condición socio económica la estimulación del nervio peroneo con frecuencia mejora la marcha, pero la mejoría con respecto a la ortesis tobillo-pie, puede no justificar el incremento en el costo y en la complejidad.