Iasi, Romania

Tel: +40 232 437273 /

+40 729 951563

Dr. Marian S. Poboroniuc este atestat in utilizarea dispozitivelor medicale ODFSIII, O2CHS, O4CHS si Microstim2 ca urmare a cursurilor si practicii clinice efectuate in cadrul Departamentului "Medical Physics and Biomedical Engineering" (Salisbury District Hospital, Anglia)

Certificat curs "Stimularea electrica functionala cu dispozitive cu un singur canal de stimulare"

Certificat curs "Stimularea electrica functionala cu dispozitive cu doua canale de stimulare"

Neurostimulatoarele ODFSIII, O2CHS, O4CHS si MICROSTIM2 sunt marcate CE si omologate in Romania. Sunt disponibile prin intermediul firmei SC ELECTROSTIM, reprezentant unic in Romania al departamentului "Medical Physiscs and Biomedical Engineering", Salisbury District Hospital, Anglia

English version

STIMULAREA ELECTRICA FUNCTIONALA

Dezvoltarea unor tehnici capabile a stimula muschii paralizati deschide calea recuperarii functionale a membrelor inferioare si superioare a caror coordonare a fost pierduta total sau partial in urma unui accident vascular cerebral (AVC), scleroza (SM), leziuni medulare etc. Dispozitivele care controleaza stimulul electric destinat activarii muschilor poarta denumirea de neuroproteze. Conceptul de Stimulare Electrica Functionala (FES in literatura de specialitate) a fost propus de catre Liberson [1] inca din anii 1960. Prin intermediul unor electrozi plasati la suprafata pielii in vecinatatea nervului sciatic popliteu extern (SPE), s-a activat flexiunea dorsala a piciorului. Un comutator plasat sub calcai, activa stimulul electric in momentul ridicarii calciiului de pe sol. Liberson, a comunicat o imbunatatire semnificativa a mersului pacientilor hemiplegici care au testat acest tip de neuroproteza. Ideea a fost preluata si de catre alte centre de cercetare (University Rehabilitation Institute - Ljubljana, Rancho Los Amigos, Downey, USA, etc) [2], [3], cercetari asidue finalizandu-se cu diverse prototipuri de neuroproteze. Din pacate, putine au depasit stadiul cercetarilor si au ajuns in clinici, pentru tratamentul curent al pacientilor.

Utilizarile stimularii electrice. Parametrii stimularii

In general, stimularea electrica poate fi utilizata in scop terapeutic sau functional [4], [5]. Beneficiile utilizarii stimularii electrice in scop terapeutic se pot concretiza in:

·        imbunatatirea tonusului muscular si impiedicarea atrofierii muschiului paralizat,

·        reducerea spasticitatii,

·        imbunatatirea circulatiei sanguine si a sanatatii pielii, etc.

Pacientii care pot beneficia de tratamente bazate pe stimulare electrica functionala:

v      Pacientii cu accident vascular cerebral (AVC -primele 6 luni sunt hotaratoare in recuperare)

v      Pacientii cu scleroza multipla (SM - imbunatateste calitatea miscarilor)

§         Film (Pacient B.L.) - pacient cu SM care utilizeaza stimularea electrica pentru obtinerea flexiunii dorsale necesare in mers (stimulator ODFSIII).

v      Pacientii cu Parkinson (calitatea mersului se imbunatateste semnificativ)

v      Pacientii paralizati (exercitii de intretinere).

§         Film (Pacient paralizat B.M. –leziune cervicala C5-C6) – exercitii vizind reconditionarea musculaturii picioarelor prin stimulare electrica functionala. In cazurile in care leziunea medulara este de nivel toracic aceste exercitii pot fi un preambul pentru efectuarea exercitiilor de mentinerii a ortostatiunii (cu stimulare electrica).

!!! Important - aparatele se pot utiliza la domiciliu reducandu-se durata spitalizarii. In cazul pacientilor cu AVC, cu SM si cu Parkinson, aparatele avand dimensiuni reduse se preteaza la o utilizare in activitati zilnice si conduc la marirea distantelor parcurse in mers, cu efort redus.

Stimularea electrica functionala urmareste coordonarea activarii grupelor musculare vizate astfel incat miscarea rezultata la nivelul membrelor inferioare, sau superioare, sa corespunda celei normal voluntare. Stimularea electrica se poate realiza cu electrozi plasati la suprafata pielii sau implantati.

Electrozii de suprafata sunt mai usor de aplicat, dar induc probleme legate de conductivitatea electrica si selectivitatea muschilor. In plus, miscandu-se odata cu pielea se poate ajunge la o diminuare a contractiei musculare in timpul miscarii functionale. Electrozii implantati necesita o operatie de montare mai laborioasa, pot conduce la infectii, dar odata plasati in vecinatatea nervului motor permit o mai buna selectivitate si activare a muschilor vizati. Evolutiile recente in domeniul microelectronicii au permis realizarea unor electrozi implantabili miniaturizati (ex. BION [6], dimensiuni 2 mm diametru si 1.6 mm lungime).

Stimularea electrica se realizeaza cu impulsuri de curent de forma dreptunghiulara. In cazul muschilor avand neuronul motor intact, stimulati cu electrozi de suprafata, semnalul electric se constituie intr-un tren de impulsuri dreptunghiulare cu o frecventa intre 20 Hz si 40 Hz si o durata a pulsului intre 5 µs si 350 µs. Intensitatea curentului variaza intre 20 mA si 100 mA [5]. Reglarea parametrilor intensitate curent si durata a impulsului dreptunghiular catre valorile maxime conduce la o oboseala rapida a muschiului stimulat. Valori ale parametrilor semnalului, depasind aceste intervale, nu conduc la diferente majore in termeni ai contractiei muschiului stimulat. In cazul stimularii electrice cu electrozi implantati, contractia musculara maxima se poate obtine pentru valori de aproximativ 20 mA pentru intensitatea curentului si o durata de 200 µs a impulsului dreptunghiular [7]. Muschii denervati necesita un stimul electric cu o durata a pulsului dreptunghiular de ordinul a 150 ms pentru obtinerea contractiei.

Cercetarile in domeniul neuroprotezelor s-au concretizat in: neuroproteze pentru controlul urinarii si defecatiei [8], [9], proteze implantate in brate, pentru controlul functiei de apucare [10], neuroproteze ajutatoare in functii de transfer scaun rotile-toaleta, scaun-pat ale pacientilor paraplegici [11], [12], neuroproteze pentru mers [13] etc. Sistemul implantat 'Free Hand' [10], imbunatateste semnificativ abilitatile functionale in utilizarea miinii in cazul pacientilor tetraplegici cu leziuni ale coloanei vertebrale la nivel C5-C6.

La nivel mondial sunt aproximativ 150 de pacienti ce beneficiaza de pe urma implantarii acestui sistem. Totusi, putine sunt neuroprotezele integrate in tratamentul clinic uzual.

Clinica FES din Salisbury, UK, poate fi considerata una de referinta pentru tehnicile FES aplicate in tratamentul si recuperarea pacientilor hemiplegici. Stimulatorul ODFS (Odstock Drop Foot Stimulator - figura 1), compenseaza, prin stimulare electrica, deficientele in mers ale pacientilor care nu pot ridica varful piciorului in momentul pasirii ('drop foot'). Costurile consultatiilor si ale dispozitivului sunt integrate in cadrul costurilor sistemului de sanatate publica englez. Ideea stimulatorului ODFS este aceeasi cu a lui Liberson [1]. Fiabilitatea comutatorului plasat sub calcai si usurinta adaptarii parametrilor stimulatorului la fiecare pacient, au contribuit decisiv la succesul utilizarii acestuia. Beneficiarii sunt pacientii hemiplegici cu paralizii datorate accidentelor vasculare cerebrale, scleroze, leziuni medulare, etc. In cadrul a doua sedinte de consultatii, consecutive (1 ora fiecare), pacientii sunt indrumati in a pozitiona corect electrozii, comutatorul, si la stabilirea nivelului de stimulare pentru obtinerea miscarii functionale a labei piciorului. In acelasi timp sunt ajustati parametrii interni ai dispozitivului (curent, forma de unda monofazica sau bifazica, viteza de crestere/descrestere a stimulului electric). In final, pacientul va utiliza zilnic dispozitivul, la domiciliu, urmand ca in cadrul unor consultatii efectuate la 6 saptamani, 3 luni, 6 luni si apoi la fiecare 1 an (daca mai este necesar) sa se evalueze corectiile in mers cu/fara stimulare electrica, pe baza unor teste.

Figura 1

Dispozitivul Odstock Dropped Foot Stimulator (ODFS) este un stimulator cu un singur canal (stimuleaza un singur grup de muschi), putand produce flexiunea si rotatia externa a labei piciorului prin stimularea nervului sciatic popliteu extern. Activarea stimularii, in mers, se face la momente bine definite, sesizate prin intermediul unui comutator plasat sub calcii.

Pozitionarea electrozilor

Testele constau in masurarea vitezei parcurgerii distantei de 10 metri si masura efortului depus (PCI- Physiological Cost Index) [14]. Acest tip de tratament recuperatoriu, bazat pe stimulatorul ODFS a inceput din anul 1995, si pana in prezent peste 1500 de pacienti sunt utilizatori curenti ai acestuia.

ODFS a fost subiectul unui studiu [16], realizat pe un esantion de 32 de pacienti, pe o perioada de 3 luni de zile. Acestia suferisera un AVC cu mai mult de 6 luni inaintea participarii in cadrul sedintelor de tratament, si au fost repartizati aleator in doua grupuri, egale ca numar de pacienti, unul de control si altul beneficiind de utilizarea stimulatorului. Ambele grupuri au urmat 12 sesiuni de fizioterapie a cate o ora, pe parcursul primei luni. Dupa 3 luni, grupul beneficiind de utilizarea FES, prezenta o crestere cu 16% (statistic semnificativa) a vitezei de deplasare si o reducere cu 29% (statistic semnificativa) a efortului depus (masura a PCI). Aceste efecte, crestere cu 12% a vitezei de deplasare si reducere cu 19% a efortului in mers (statistic semnificative) au fost remarcate si in cazul neutilizarii ODFS, pentru grupul benefiind de stimulatorul electric. Pe baza testului pendulului - Wartenberg, s-a observat o diminuare semnificativa a spasticitatii muschilor extensori ai genunchiului in grupul beneficiind de ODFS. O reducere a spasticitatii a fost observata in grupul de control numai pe perioada sedintelor de fizioterapie.

Noul stimulator O2CHS utilizat in clinica FES-Salisbury, cu doua canale de stimulare, poate stimula si alte grupe musculare, pe langa stimularea nervului SPE, conducand la o imbunatatire substantiala a mersului pacientilor. De exemplu pacientii cu 'drop foot' si flexare redusa (sau blocare) a genunchiului in momentul pasirii, pot beneficia de stimulatorul O2CHS, unul din canale utilizandu-se pentru stimularea nervului SPE si celalalt pentru stimularea muschilor ischio-gambieri flexind genunchiul. Temporizarea stimularii pe cele doua canale se realizeaza prin intermediul unor comutatoare plasate la nivelul labei piciorului si algoritmi interni ai dispozitivului.
Stimularea unor alte grupe musculare, cu implementarea unor algoritmi de stimulare, presupune realizarea unor stimulatoare cu mai mult de 2 canale de stimulare, avand un grad ridicat de inteligenta artificiala incorporata. Acestea raman inca in faza de cercetare.

Noi cercetari si perspective

Recuperarea mersului pacientilor paraplegici reprezinta una dintre provocarile actuale si cercetari asidue urmaresc transpunerea acestei idei in realitate. Aceasta implica stimularea mai multor grupe musculare ale ambelor picioare. Dar, pentru ca un sistem FES sa aiba succesul scontat, oricat de ingenios ar fi construit, oricat de selectivi si fiabili ar fi electrozii, o atentie majora trebuie acordata metodelor de control a stimulului electric. Mai mult, inainte de a realiza primii pasi cu ajutorul stimulatoarelor, pacientii paraplegici trebuie sa ajunga in ortostatiune, sa mentina cat mai mult aceasta pozitie, si in final sa se poata aseza intr-un mod controlat. Aceste doua etape sunt importante si in activitati de transfer: scaun cu rotile-toaleta, scaun-pat-scaun etc. Stimularea electrica a muschilor extensori ai genunchiului (cvadricepsi) constituie stimularea minimala care poate conduce la mentinerea ortostatiunii in cazul pacientilor paraplegici [11]. Dar, stimularea muschilor flexori ai genunchiului si chiar ai celor extensori ai soldului, pot imbunatati maniera de control a asezarii, ridicarii sau ortostatiunii. Pacientii paraplegici vizati a utiliza stimularea electrica controlata, pentru aceste tipuri de miscari, au fost cei cu leziuni T4-T12 la nivelul coloanei vertebrale. In [11] s-a propus un control ONZOFF al asezarii sau ridicarii pacientilor paralizati prin stimulare electrica controlata la nivelul muschilor flexori ai genunchiului (figura 3). Controlul stimulului electric se bazeaza pe masuratorile unghiului genunchiului, in fapt cuantificand evolutia miscarii intre starile asezat-ridicat. Strategia de control propusa a fost testata cu succes, pe sistemul de stimulare electrica 'Walk! Neuroprosthetic System' (Grosshadern Hospital, Munchen, Germania) si implementata si testata cu stimulatorul Stanmore (Salisbury District Hospital, Anglia). In cazul controlului ortostatiunii, sistemul de control lucreaza in principal in directia reducerii oboselii musculare, si reactioneaza la aparitia unor spasme. In cadrul testelor efectuate in cadrul clinicii FES din Salisbury, UK, pacientii paraplegici, utilizand stimularea electrica controlata la nivelul muschilor extensori ai genunchiului, au fost capabili a efectua o inlantuire de miscari ridicare - mentinere ortostatiune - asezare [12]. Stimularea electrica s-a realizat cu electrozi de suprafata, mentinerea ortostatiunii realizindu-se pentru o perioada de timp de peste 5 minute (figura 2).

Salisbury District Hospital, UK- Teste preliminare in implementarea strategiilor de control pentru pe stimulatorul Stanmore cu 8 canale de stimulare

Figura 2

Salisbury District Hospital, UK- teste clinice vizand ridicarea, mentinerea ortostatiunii si asezarea, prin controlul stimulului electric la pacientii paraplegici. Pacient cu leziuni medulare (Leziune: T7 –complet paralizat d.p.d.v. motor, senzorial incomplet, accident suferit cu 4 ani in urma, Varsta: 36 ani)

Programul de control implementat in Stimulatorul Stanmore, va permite pacientilor efectuarea miscarilor inlantuite ‘ridicare - mentinere ortostatiune – asezare’, sub forma de exercitii la domiciliu, cu efecte benefice legate de imbunatatirea circulatiei sanguine, a calitatii pielii membrelor paralizate, imbunatatirea procesului digestiv etc.

In cadrul Spitalului Grosshadern, Munchen, pe baza stimularii electrice controlate (4 canale de stimulare pe fiecare picior), un pacient paraplegic (figura 4) a putut efectua 40 de pasi, si urca 5 trepte. Rezultatele sunt incurajatoare, dar cantitatea de echipament necesara a fi purtata de pacient, cat si durata reglajelor lasa deocamdata dezideratul mersului in faza de experiment. Electrozii implantati, si noi tehnici de control pot apropia momentul in care un echipament portabil va permite pacientilor paraplegici recuperarea mersului ca activitate zilnica.


Figura 3 Strategie de control ONZOFF [11]	Incercari experimentale - Grosshadern Hospital Munich, Germany

Figura 4 WALK! Neuroprosthetic system - Grosshadern Hospital Munich - Teste de mers controlat - urcare scari - impreuna cu Dr. Tom Fuhr & Dr. Robert Riener (pacient complet paralizat - nivel leziune : T9)	Grosshadern Hospital Munich - dupa efectuarea testelor de mers ...

Activitatea de cercetarea si practica clinica s-au desfasurat in cadrul colectivelor: Departamentul 'Automatic Control' - Universitatea Tehnica Munchen, Germania, Departamentul 'Medical Physics and Biomedical Engineering' - University College London si Departamentul 'Medical Physics and Bioengineering' - Salisbury District Hospital, UK. Suportul financiar a fost obtinut in cadrul Proiectului European NeuralPRO (HPRN-CT-2000-00030).

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.

* Documentul de mai sus a fost publicat si in Revista de Aparatura Medicala MEDICA, Anul V, Nr.2, Februarie 2003, pg.20-23, Editura MEDRO, sub semnatura autorilor: Dr. Marian Poboroniuc, Paul Taylor si Dr. Duncan Wood.

Homepage