ES2921099A1 - Sistema modular de estimulacion electrica muscular, con control de potencia - Google Patents

Abstract

Sistema modular de estimulación eléctrica muscular, con control de potencia. La presente invención se refiere en general, a técnicas de estimulación eléctrica muscular no-invasiva, preferentemente para aplicaciones de rehabilitación y/o compensación motora de personas con alteraciones del sistema nervioso central. La invención proporciona un sistema modular de estimulación eléctrica muscular con control de potencia, que comprende: dos o más pares de electrodos de estimulación muscular transcutáneos (no invasivos, y dos o más sensores de bioimpedancia adecuados para medir la impedancia de la zona de tejido de aplicación de la electroestimulación en un paciente. El sistema dispone además de un módulo de control adaptado para controlar la potencia eléctrica entregada por cada par de electrodos de estimulación, en función de los valores de impedancia proporcionados por los sensores de impedancia, de modo que la potencia eléctrica entregada por los electrodos este dentro de un rango deseado para aumentar la eficiencia de los sistemas de electroestimulación.

Description

DESCRIPCIÓN

SISTEMA MODULAR DE ESTIMULACIÓN ELÉCTRICA MUSCULAR,

CON CONTROL DE POTENCIA

Campo técnico y objeto de la invención

La presente invención se refiere en general a técnicas de estimulación eléctrica muscular no-invasiva, preferentemente para aplicaciones de rehabilitación y/o compensación motora de personas con alteraciones del sistema nervioso central.

Un objeto de la invención es el de proporcionar un sistema personal de electroestimulación de alta eficiencia terapéutica, que entrega energía de forma estable durante todo el tratamiento, para aumentar así la eficiencia de la terapia de electroestimulación.

Un objeto adicional de la invención, es el de proporcionar un sistema personal de electroestimulación, que es flexible y escalable a diferentes configuraciones y aplicaciones, como las configuraciones híbridas, donde los electroestimuladores actúan en cooperación con dispositivos robóticos.

Estado de la técnica

Los dispositivos de estimulación eléctrica además de sus componentes puramente electrónicos, nacen para responder a un problema o necesidad social, de nuevas técnicas y métodos aplicados a la rehabilitación de las funciones motoras para mejorar la calidad de vida de las personas afectadas. Su campo de aplicación abarca las áreas de ingeniería, neurociencia y la fisioterapia, siendo su uso más difundido la rehabilitación y/o compensación motora de personas con alteraciones crónicas del sistema nervioso central. La neuroprótesis motoras son un tipo de sistemas, basados en electroestimulación funcional que incluyen sensores para el control del movimiento.

Los dispositivos de estimulación eléctrica están indicados para compensar, entrenar o rehabilitar neuropatías o trastornos motores, típicamente de origen neurológico o debido a un traumatismo sufrido a nivel central o periférico en fases agudas, subagudas y crónicas.

Uno de los principales desafíos del diseño electrónico de la etapa de salida, surge debido a que la impedancia de la piel humana es alta y variable a lo largo del tiempo, su valor resistivo nominal puede variar entre 500 y 2k ohmios. Además, su valor (componente resistiva y reactiva) varía entre individuos en función de la temperatura, la frecuencia del estímulo y el tiempo de aplicación. Esta variación podría ocasionar variaciones abruptas en la corriente entregada a la carga (interfaz electroestimulador-humano) generando respuestas inapropiadas o incluso comprometiendo la seguridad del sistema. A modo de ejemplo, se observa que los voltajes en la interfaz estimulador-humano (electrodo-piel) pueden alcanzar fácilmente más de 100 V considerando un pulso de corriente de 100 mA y una impedancia de 1 k Ohmios.

Como se ha mencionado anteriormente, la impedancia humana puede variar fácilmente entre 200 y 2000 Ohmios aproximadamente. No obstante, la impedancia de todo el conjunto electrodo-piel-músculos-electrodo depende no solo de la bioimpedancia sino también de las características eléctricas de la interfaz piel-electrodo y del electrodo mismo. Una mala colocación de los electrodos o un mal estado de los mismos, pueden significar valores de impedancia no esperados fuera de los rangos de diseño del sistema, lo que ocasionaría que la electroestimulación efectivamente aplicada no sea la deseada.

Esto ocurre ya que la mayoría de los sistemas de electroestimulación, están basados en fuente de corriente controladas. Se electroestimula en corriente para emular el flujo natural de cargas que generar contracciones musculares, y también para justamente independizar este flujo de cargas en función. Sin embargo, las fuentes de corriente utilizadas para tal fin no son ideales, y están limitadas en tensión. Es decir, si el producto de la corriente deseada por el valor de la impedancia del conjunto (Ley de Ohm) satura el voltaje de trabajo de la fuente de corriente, la corriente aplicada por el electroestimulador no será la corriente deseada sino será igual al cociente entre al tensión máxima de trabajo de la fuente y el valor de la impedancia.

Esto ocurre frecuentemente en especial en neuroprótesis motoras donde los electrodos están sujetos a nuevos posicionamientos, reutilización, y movimientos funcionales continuos.

Además, existen estudios que demuestran que la bioimpedancia de los músculos varía en función de la fatiga de los mismos, siendo éste un aspecto fundamental a considerar en este tipo de aparatos.

Otro aspecto fundamental de los sistemas de electroestimulación es su escalabilidad a diferentes aplicaciones. De los estudios presentados en la literatura se rescata que la mayoría de los sistemas FES existentes se desarrollaron tomando como base una aplicación específica. El rendimiento de los electroestimuladores en diferentes aplicaciones se ve afectado por características de potencia, portabilidad y peso.

Como consecuencia de esta limitación, las arquitecturas de estos sistemas tienen flexibilidad limitada, imperando un efecto de ajuste de los usuarios en lugar de un ajuste de los sistemas a los usuarios.

Descripción de la invención

La presente invención se describe en la adjunta reivindicación independiente, y soluciona las carencias anteriormente expuestas del estado de la técnica, proporcionado un sistema basado en una red de nodos o unidades de electroestimulación transcutánea, que permite realizar un control automático y dinámico de la potencia entregada a una zona a tratar, en función del valor de la impedancia de la carga de la zona de electroestimulación transcutánea, y que además facilita la escalabilidad y configurabilidad de estimulación eléctrica funcional a diferentes aplicaciones.

El sistema de la invención aplica la electroestimulación por medio de electrodos transcutáneos no invasivos en los músculos que se desean tratar, y consiste en trenes de pulsos compuestos por pulsos individuales rectangulares bifásicos, que se ajustan en amplitud de ancho de pulso y frecuencia de forma dinámica, en función de la estimación dinámica de los valores nominales de la impedancia de la carga, es decir, de la zona de tejido a tratar, de manera que se compense la variable impedancia del cuerpo. Es decir, si la impedancia baja se reduce la potencia entregada, y si la impedancia se eleva, se eleva también la potencia entregada, de forma que no haya variaciones bruscas de la potencia entregada. Esta técnica de regulación, permite compensar variaciones de la carga y así garantizar la entrega de potencia adecuada aumentando la eficiencia del electroestimulador.

De manera más concreta, la invención se refiere a un sistema modular de estimulación eléctrica muscular con control de potencia, que comprende dos o más pares de electrodos de estimulación muscular transcutáneos no invasivos, y dos o más sensores de bioimpedancia adecuados para medir la impedancia de la zona de tejido de aplicación de la electroestimulación en un paciente. Preferentemente, los sensores de impedancia están adaptados para medir la impedancia del conjunto formado por electrodo-piel-músculoelectrodo.

El sistema además comprende al menos una unidad de control, adaptada para controlar la potencia eléctrica entregada por cada par de electrodos de estimulación en función de los valores de impedancia proporcionados por los sensores de impedancia, de modo que la potencia eléctrica entregada por los electrodos este siempre dentro de un rango deseado.

Los electrodos de estimulación muscular y los sensores de bioimpedancia, está distribuidos en una red de nodos inalámbricos controlados desde un controlador central. De este modo, el sistema comprende un controlador central, y dos o más nodos inalámbricos de electroestimulación, controlables y configurables desde el controlador central, donde cada nodo de electroestimulación comprende al menos dos canales de conexión, y donde cada canal dispone de un par de electrodos y un sensor de bioimpedancia.

El controlador central, coordina el funcionamiento de los nodos inalámbricos de estimulación que, a su vez, se encargan de aplicar la electroestimulación necesaria a nivel muscular en las diferentes articulaciones. Por lo tanto, primero se determina que módulos deben activarse y los canales de estimulación correspondientes, así como los parámetros de la electroestimulación a aplicar, y a continuación el controlador central envía los comandos de actualización a los nodos para que estos ejecuten la electroestimulación a nivel muscular.

Esta electroestimulación, puede tener como objetivo producir un efecto motor o no, dependiendo de la técnica de asistencia escogida. Con ayuda de los estímulos eléctricos aplicados a través de los electrodos de los nodos, se controlará la contracción muscular y, en consecuencia, el movimiento articular.

El sistema además comprende dos o más nodos inalámbricos de sensores electrogoniómetros, para medir los ángulos de flexión en una articulación de un paciente, comunicados con el controlador central.

Cada nodo inalámbrico de electroestimulación comprende una fuente de energía eléctrica para la alimentación del nodo, una unidad de control comunicada con los sensores de impedancia, una fuente de corriente controlada por el módulo de control, y un dispositivo selector de canal, de modo que la corriente generada se aplica selectivamente a uno o más canales.

Cada nodo además comprende sensores de posición comunicados con la unidad de control, y el controlador central está adaptado para recibir y procesar los datos de los sensores de posición y en base a ellos determinar qué nodos de estimulación deben activarse, cuando se requiere aplicar un electroestímulo muscular y los valores de los parámetros de la electroestimulación, que variarán en función del ejercicio o efecto terapéutico que se quiera lograr, así como de qué músculo es objetivo del tratamiento.

Cada nodo está adaptado para generar pulsos de corriente a través de cada par de electrodos, siendo los pulsos de corriente bifásicos, ya sea rectangulares o trapezoidales.

Los pulsos rectangulares son preferidos porque son los más eficientes en la generación de contracciones musculares reduciendo el efecto de habituación. Preferentemente, se emplean pulsos bifásicos simétricos compensados por proporcionar una distribución equitativa de las cargas, en el tejido para evitar un desequilibrio electroquímico que puede producir daño en el mismo.

Los pulsos trapezoidales, es decir, rectangular con rampas de inicio y de terminación, logran movimientos más fluidos y fisiológicos, y además, aportan comodidad durante el tratamiento.

Los trenes de pulsos vienen descritos por los siguientes parámetros que se podrán modificar/actualizar en cada canal de cada módulo independiente:

• Amplitud de los pulsos individuales: este parámetro se encuentra relacionado con la intensidad de la contracción una vez pasado un determinado umbral motor que varía entre personas.

• Ancho de los pulsos individuales: ejerce un efecto directo sobre la intensidad de la contracción. Generalmente se selecciona entre 100 y 400 microsegundos en función de la respuesta neuromuscular.

• Frecuencia o tasa de repetición de los pulsos individuales: controla el tipo e intensidad de la contracción muscular. Para que la contracción muscular sea tetánica, la frecuencia de los impulsos que forman el tren debe ser mayor o igual a 20 Hz, si bien las frecuencias más utilizadas son entre 20 y 30 Hz, ya que frecuencias por encima de 50 Hz, aunque producen una contracción más fuerte, suelen producir fatiga muscular.

• Duración del tren de pulsos.

• Disposición de los pulsos en el tren de pulsos.

La unidad de control de cada nodo, está adaptada para ajustar la amplitud, y/o ancho de pulso, y/o frecuencia en función de los valores de impedancia estimados, con objeto de compensar la impedancia en la zona de tejido de aplicación de la electroestimulación, ajustando la potencia de salida acorde a las variaciones del valor de impedancia de la carga, garantizando una transferencia estable de energía a lo largo del tiempo, es decir, sin indeseables variaciones abruptas de la corriente entregada a la carga, con lo que se obtiene un aumento significativo de la eficiencia de la técnica de electroestimulación.

La definición de los tres parámetros principales (amplitud, ancho de pulso y frecuencia de los pulsos individuales) regirá el tipo de estimulación aplicada, pudiendo ser el objetivo de esta producir o no un efecto motor observable. La frecuencia y ancho de pulso tomarán un valor constante, mientras que la amplitud se encargará de lograr el efecto motor en caso de que este sea el objetivo. Para conseguirlo, es necesario ir aumentando gradualmente la amplitud hasta superar el umbral motor que dé lugar al movimiento buscado, sin causar incomodidad o dolor. La superación de este umbral va unida en muchos casos a una reorganización de los electrodos, para lograr el movimiento adecuado, ya que existe gran variabilidad de respuesta entre individuos.

Por lo tanto, gracias a que se mide la impedancia de todo el conjunto electrodo-pielmúsculos-electrodo, que depende no solo de la bioimpedancia sino también de las características eléctricas de la interfaz piel-electrodo y del electrodo mismo, el sistema permite el reposicionamiento de los electrodos, su reutilización y movimientos funcionales continuos, sin que ello afecte a la continuidad de la potencia entregada, y evite saturar la fuente de energía.

El sistema en red de nodos de Estimulación Eléctrica Funcional (EEF) objeto de la invención, dispone de una arquitectura flexible y escalable a diferentes configuraciones y aplicaciones, como las configuraciones híbridas, donde los electroestimuladores actúan de forma conjunta con dispositivos robóticos.

La invención por lo tanto proporciona una red de área personal distribuida y configurable, para establecer sistemas modulares de electroestimulación de potencia controlada a la impedancia de las zonas a estimular, que puedan configurarse y adaptarse para generar diversos tipos de electroestimulación muscular no-invasiva, incluyendo tanto estimulaciones con fines terapéuticos como controles neuromusculares que puedan ser útiles para asistir tareas cotidianas. Gracias a esta arquitectura, el sistema propuesto se puede escalar fácilmente, simplemente añadiendo nodos de electroestimulación inalámbricos, y controlando y configurando de forma centralizada todos los nodos de la red.

Breve descripción de las figuras

Una realización preferente de la invención se describe a continuación con relación a las siguientes figuras:

Figura 1.- muestra una realización preferente de una red de nodos de área personal con potencia controlada según la invención.

Figura 2.- muestra un diagrama de bloques de un nodo de la neuroprótesis motora con el sistema de control de potencia basado en la medición de impedancia.

Realización preferente de la invención

La Figura 1 muestra un ejemplo de realización de un sistema (1) modular de estimulación eléctrica muscular según la invención, que incorpora: un controlador central (2) y dos o más nodos inalámbricos de electroestimulación (3), controlables y configurables de forma inalámbrica desde el controlador central (2), y dos o más nodos inalámbricos de sensores electrogoniómetros o inerciales (4) para medir los ángulos de flexión en determinadas articulaciones del paciente.

En la realización de la Figura 1, se dispone de cuatro nodos inalámbricos de electroestimulación (3), y cuatro nodos de sensores electrogoniómetros o inerciales (4), cada uno de ellos con cuatro canales de conexión (9), y a su vez cada canal de cada nodo incorpora un sensor de bioimpedancia en base al cual se regula automáticamente y de forma dinámica la potencia entregada durante el tratamiento.

Como se aprecia en la Figura 2, cada nodo inalámbricos de electroestimulación (3), comprende una fuente de energía eléctrica (5) para la alimentación de los dispositivos que forman parte del nodo, una unidad de control (6) comunicado con los sensores de impedancia, una fuente de corriente (7) controlada por la unidad de control (6), varios canales de conexión (9) cada uno con una pareja de electrodos (10), y un dispositivo selector de canal (8), de modo que la corriente generada se aplica selectivamente a uno o más canales (9).

Cada nodo (3) recibe comandos de los sensores de posición angular (11) comunicados con la unidad de control (6), y un dispositivo de medida de impedancia (12) a partir de los mismos electrodos (10), y comunicado con la unidad de control (6), que proporciona de forma dinámica valores de impedancia del medio formado por primer electrodo-piel-músculos-segundo electrodo, en base a los cuales la unidad de control (6) ajusta, también de forma dinámica, los parámetros de electroestimulación, y se monitoriza la efectividad del tratamiento.

Cada nodo de estimulación (3) está adaptado para generar pulsos de corriente a través de cada par de electrodos (10). Preferentemente, estos pulsos de corriente son bifásicos rectangulares o trapezoidales.

La unidad de control (6) está adaptada para ajustar la amplitud, y/o ancho de pulso, y/o frecuencia en función de los valores de impedancia estimados, con objeto de compensar la impedancia en la zona de tejido de aplicación de la electroestimulación.

El controlador central (2) está adaptado para recibir y procesar los datos de los sensores de posición (11) de cada nodo, y en base a ellos determinar qué nodos de estimulación (3) deben activarse, cuando se requiere aplicar un electroestímulo muscular y los valores de los parámetros de la electroestimulación.

Para comprobar la efectividad del tratamiento, se mide la respuesta en tensión de primer orden del conjunto frente a una excitación consistente en pulsos rectangulares controlados en corriente. Se realiza esta comprobación de forma periódica, para estimar la evolución de la electroestimulación, el estado de la interfaz de usuario, y para detectar si la corriente eléctrica aplicada está o no dentro del rango de tratamiento deseado.

El sistema de la invención, incorpora además una interfaz de usuario para centralizar el control y configuración del conjunto de nodos de electroestimuladores y nodos de sensores electrogoniómetros que agiliza y facilita la configuración de los estimuladores y la recepción de datos de los sensores. Esta interfaz permite la comunicación flexible que permite la fácil interconexión de nodos de electroestimulación y a su vez de la red EEF con otros dispositivos. Esto permite aumentar su versatilidad y rango de uso bajo diferentes configuraciones y aplicaciones.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1.

Sistema modular de estimulación eléctrica muscular con control de potencia, caracterizado porque comprende:

dos o más pares de electrodos de estimulación muscular transcutáneos,

dos o más sensores de bioimpedancia, adecuados para medir la impedancia de la zona de tejido de aplicación de la electroestimulación en un paciente,

al menos una unidad de control adaptado para controlar la potencia eléctrica entregada por cada par de electrodos de estimulación, en función de los valores de impedancia proporcionados por los sensores de impedancia, de modo que la potencia eléctrica entregada por los electrodos este dentro de un rango deseado.

Sistema modular de estimulación eléctrica muscular con control de potencia, según la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende un controlador central, y dos o más nodos inalámbricos de electroestimulación, controlables y configurables desde el controlador central, donde cada nodo de electroestimulación comprende al menos dos canales de conexión, y donde cada canal dispone de un par de electrodos y un sensor de bioimpedancia.

Sistema modular de estimulación eléctrica muscular con control de potencia, según la reivindicación 2, caracterizado porque además comprende dos o más nodos inalámbricos de sensores electrogoniómetros para medir los ángulos de flexión en una articulación de un paciente, comunicados con el controlador central.

4.

Sistema modular de estimulación eléctrica muscular con control de potencia, según la reivindicación 2, caracterizado porque cada nodo inalámbrico de electroestimulación, comprende una fuente de energía eléctrica para la alimentación del nodo, una unidad de control comunicado con los sensores de impedancia, una fuente de corriente controlada por el módulo de control, y un dispositivo selector de canal, de modo que la corriente generada se aplica selectivamente a uno o más canales.

5.

Sistema modular de estimulación eléctrica muscular con control de potencia, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada nodo además comprende sensores de posición comunicados con la unidad de control.

6.

Sistema modular de estimulación eléctrica muscular con control de potencia, según la reivindicación 5, caracterizado porque el controlador central está adaptado para recibir y procesar los datos de los sensores de posición y en base a ellos determinar qué nodos de estimulación deben activarse, cuando se requiere aplicar un electroestímulo muscular y los valores de los parámetros de la electroestimulación.

Sistema modular de estimulación eléctrica muscular con control de potencia, según la reivindicación 6, caracterizado porque cada nodo está adaptado para generar pulsos de corriente a través de cada par de electrodos, y porque los pulsos de corriente son bifásicos rectangulares o trapezoidales.

Sistema modular de estimulación eléctrica muscular con control de potencia, según la reivindicación 6, caracterizado porque la unidad de control está adaptada para ajustar la amplitud, y/o ancho de pulso, y/o frecuencia en función de los valores de impedancia estimados, para compensar la impedancia en la zona de tejido de aplicación de la electroestimulación.

Sistema modular de estimulación eléctrica muscular con control de potencia, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los sensores de impedancia están adaptados para medir la impedancia del conjunto formado por electrodopiel-músculo-electrodo.

10.

Sistema modular de estimulación eléctrica muscular con control de potencia, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dispone de medios para monitorizar los efectos de la electroestimulación, determinando si la corriente eléctrica aplicada está dentro del rango establecido.