Aparato para la activación externa de partes paralizadas del cuerpo mediante estimulación de nervios periféricos.

Aparato para la activación externa de partes paralizadas del cuerpo mediante estimulación de nervios periféricos o músculos,

que comprende una prenda blanda (8) provista de electrodos de múltiples almohadillas en un lado (31) y unos medios de activación en el otro lado (32), en el que los medios de activación están adaptados para permitir la activación y el control de un impulso eléctrico suministrado para cada electrodo de múltiples almohadillas por separado y en el que cada electrodo de múltiples almohadillas está provisto de un activador correspondiente en una posición orientada hacia el electrodo con el material de la prenda entre los mismos, caracterizado por que los activadores están accionados por presión.

Aparato para la activación externa de partes paralizadas del cuerpo mediante estimulación de nervios periféricos Campo de la invención

La presente invención se refiere a un aparato para la activación externa de partes paralizadas del cuerpo mediante electroestimulación de nervios periféricos.

Estado de la técnica

Después de una lesión o enfermedad del sistema nervioso central (SNC), algunas partes del cuerpo estarán funcionando normalmente, pero otras partes del cuerpo estarán paralizadas. Muchos músculos estarán conectados al SNC por debajo del nivel de lesión; por lo tanto, estos se encuentran inervados, pero funcionalmente paralizados (no controlables a voluntad). Muchas rutas sensoriales están conectadas al SNC, pero su función se pierde o modifica debido a que la información que portan no se retransmite a los centros superiores correspondientes dentro del SNC.

La estimulación eléctrica funcional (FES, functional electrícal stimulation) puede considerarse un desvío de los mecanismos sensomotores afectados. La FES ha de proporcionar acciones sinérgicas de muchos músculos, pleno control sobre cada uno de los músculos siguiendo los hallazgos acerca del principio de tamaño, orden de reclutamiento y tasa de reclutamiento, y también incluirá realimentación de sensor tanto para el funcionamiento del sistema como para la conciencia cognitiva de la acción, si es que ésta ha de ser efectiva. Al mismo tiempo, debe ser práctica para permitir un uso diario independiente y efectivo por parte de una persona con una discapacidad.

En los sistemas biológicos, la regulación de la fuerza de una respuesta motora se realiza a través del número de fibras nerviosas motoras activas y de la tasa a la que desencadenan potenciales de acción: reclutamiento y suma temporal, respectivamente. En una contracción fisiológica, el orden de reclutamiento está fijado; las unidades motoras lentas y resistentes a la fatiga se encuentran activas a un esfuerzo voluntario menor que las unidades fatigables rápidas y más grandes. El segundo mecanismo que afecta a la fuerza global desarrollada por el músculo es la suma temporal. La frecuencia a la que las fuerzas musculares generadas son lo bastante suaves se conoce como frecuencia de fusión. El momento en el que se consigue la fusión depende de la velocidad de contracción de las fibras musculares activadas y, por lo tanto, en última instancia del nivel de reclutamiento. En los músculos de inervación biológica, las neuronas motoras actúan de forma asincrona a frecuencias que se encuentran, por lo general, por debajo de 5 impulsos por segundo; no obstante, el efecto neto es una contracción suave.

En los músculos paralizados, se suministra una estimulación eléctrica a las rutas de inervación para sustituir las señales de control biológicas ausentes en ráfagas de impulsos. En un reclutamiento inducido externamente, el orden de reclutamiento no se conoce a priori, sino que depende de las variables de posición y geometría así como del tamaño de fibra. Un orden inverso de reclutamiento inducido eléctricamente es típico cuando se aplica FES; las fibras más grandes se excitan fácilmente, en comparación con las fibras pequeñas. Esto implica que ha de considerarse en todo momento el reclutamiento con el fin de proporcionar una activación inducida externamente, controlada y graduada. El reclutamiento de fibras nerviosas con una amplitud o duración de impulso de estímulo creciente es no lineal. Por esta razón, no puede conseguirse un aumento lineal de la fuerza de salida muscular mediante un cambio lineal en la entrada. En músculos activados externamente es imposible con la presente tecnología imitar la activación normal, debido a que es bastante difícil activar de forma individual unidades motoras; por lo tanto, la fusión se produce a aproximadamente 2 impulsos por segundo. Aumentar la frecuencia de estímulo por encima de la frecuencia de fusión hasta el nivel del tétanos da como resultado un aumento adicional de la fuerza. Hasta el 4 o 5 por ciento de la fuerza muscular máxima puede regularse mediante suma temporal desde la fusión hasta el tétanos.

La fuerza generada por el músculo está directamente relacionada con la intensidad de estimulación. La intensidad de estimulación está directamente relacionada con la cantidad de carga suministrada por un impulso. El nivel mínimo de carga se determina por cronaxia, o I - T (amplitud de impulso I frente a duración (anchura) de impulso T). Por lo tanto, la modulación en amplitud (AM) o la modulación por anchura de impulsos (PWM) determinan el nivel de reclutamiento, es decir, la fuerza. La modulación de reclutamiento garantizará la reproducibilidad; por lo tanto, considerará cambios que posiblemente se producirán durante periodos de activación prolongados. La mayoría de los sistemas de FES, si no todos, activan simultáneamente muchas unidades motoras.

El sistema sensorial de los seres humanos funciona como una red neural extragrande que se ha entrenado a través de numerosos ensayos y errores. Los componentes del sistema sensorial biológico proporcionan unas series codificadas en frecuencia de información binaria, y el proceso de fusión de esta información no se entiende completamente ni se describe en la bibliografía.

Las entradas que desempeñan un papel principal son la visión, el sistema vestibular, el sistema auditivo y el sistema somatosensorial (exterocepción y propiocepción). El control natural funciona en el espacio que se describe de forma

cualitativa (por ejemplo, mano en contacto con un objeto, codo plenamente extendido, cuerpo erguido). Por el contrario, los sistemas de sensor artificiales transforman una cantidad física en una señal eléctrica útil que porta una información cuantitativa acerca de las cantidades físicas en cuestión. En una versión altamente reducida de un sensor artificial, el método de único umbral aplicado a la salida es una señal binaria; por lo tanto, si está codificada en frecuencia sería una réplica de una célula sensorial. Los sistemas somatosensoriales de un ser humano se comunican con el cerebro a través de la médula espinal, y directamente con los sistemas visual, auditivo y vestibular. La médula espinal sirve lo mismo de mecanismo de retransmisión que de mecanismo de integración y de procesamiento durante la traslación de la señal desde la periferia hasta el cerebro.

En resumen, la tarea de generar un movimiento funcional es extremadamente compleja: sustitución de un controlador que actúa sobre un sistema de múltiples accionadores basándose en un sistema de múltiples sensores y normas optimizadas de manera heurística. Desde el punto de vista de la ingeniería, el sistema que va a controlarse es un sistema sumamente no lineal, variable en el tiempo, de múltiples entradas y de múltiples salidas en el que los parámetros individuales solo pueden estimarse basándose en unos modelos no perfectos.

Los siguientes elementos se conocen a partir de la técnica anterior (Special issue J Automatic Control, Vol 18(2), 28):

Modelos de distribución del campo eléctrico (densidad de corriente) cuando se aplica estimulación eléctrica;

Electrodos superficiales con hidrogel adhesivo en diversos tamaños;

Electrodos de única almohadilla o de múltiples almohadillas de substrato de material textil en diversos tamaños con hidrogel o que se vuelven conductores cuando están húmedos;

Diversas alineaciones de tipos de prendas de vestir para los electrodos;

Estimuladores de múltiples canales regulados por corriente o regulados por voltaje, basados en microprocesador adecuados para una aplicación segura de estimulación eléctrica superficial;

Estimuladores electrónicos con hasta ocho canales con numerosos patrones de estimulación previamente definidos para el ejercicio y un número limitado de movimientos funcionales (agarrar, caminar);

Sensores de MEMS y de EMG que miden la aceleración, la posición, el ángulo de articulación, la presión, la fuerza y el nivel de esfuerzo muscular;

Controladores basados en modelos que accionan el estimulador de múltiples canales para permitir el seguimiento de trayectorias predefinidas;

Controladores de estados finitos que funcionan basándose en realimentación y sinergias predefinidas. El documento US 6 341 237 B1 da a conocer un cinturón flexible con electrodos para proporcionar estimulación

eléctrica.

En sistemas prácticos para terapias de individuos con hemiplejía, esclerosis múltiple, parálisis cerebral, paraplejia incompleta, tetraplejia incompleta, temblor y otros trastornos de movimiento, pueden darse inconvenientes tales como una estimulación no suficientemente selectiva, fatiga... [Seguir leyendo]

1. Aparato para la activación externa de partes paralizadas del cuerpo mediante estimulación de nervios periféricos o músculos, que comprende una prenda blanda (8) provista de electrodos de múltiples almohadillas en un lado (31) y

unos medios de activación en el otro lado (32), en el que los medios de activación están adaptados para permitir la activación y el control de un impulso eléctrico suministrado para cada electrodo de múltiples almohadillas por separado y en el que cada electrodo de múltiples almohadillas está provisto de un activador correspondiente en una posición orientada hacia el electrodo con el material de la prenda entre los mismos, caracterizado por que los activadores están accionados por presión.

2. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además unos medios de controlador adaptados para controlar la totalidad de los activadores.

3. Aparato de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el controlador está adaptado para ser conectado a un 15 ordenador personal.

4. Aparato de acuerdo con la reivindicación 2, que comprende además sensores de movimiento y/o posición (22) conectados al controlador.

5. El aparato de la reivindicación 4, en el que los sensores son sensores de fuerza, acelerómetros, sensores

inerciales, giróscopos y/o sensores de longitud o de flexión.

6. Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además por lo menos un ASIÓ sobre la capa de substrato de electrodo que porta almohadillas de estimulación (31) y en el que los electrodos 25 de múltiples almohadillas están agrupados, estando adaptado el ASIC para controlar el voltaje y/o la amplitud suministrados al grupo.