WO2022171923A1 - Sistema modular de estimulación eléctrica muscular, con control de potencia - Google Patents
Sistema modular de estimulación eléctrica muscular, con control de potencia Download PDFInfo
- Publication number
- WO2022171923A1 WO2022171923A1 PCT/ES2022/070071 ES2022070071W WO2022171923A1 WO 2022171923 A1 WO2022171923 A1 WO 2022171923A1 ES 2022070071 W ES2022070071 W ES 2022070071W WO 2022171923 A1 WO2022171923 A1 WO 2022171923A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- electrostimulation
- impedance
- muscle stimulation
- power control
- stimulation system
- Prior art date
Links
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 title claims abstract description 36
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 title claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 claims abstract description 9
- 230000002051 biphasic effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims 1
- 208000015114 central nervous system disease Diseases 0.000 abstract description 2
- 230000004118 muscle contraction Effects 0.000 description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 3
- 230000001095 motoneuron effect Effects 0.000 description 3
- 230000001225 therapeutic effect Effects 0.000 description 3
- 230000001684 chronic effect Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000002847 impedance measurement Methods 0.000 description 2
- 230000003387 muscular Effects 0.000 description 2
- 230000002232 neuromuscular Effects 0.000 description 2
- 206010052804 Drug tolerance Diseases 0.000 description 1
- 208000019430 Motor disease Diseases 0.000 description 1
- 206010049565 Muscle fatigue Diseases 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 210000003169 central nervous system Anatomy 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000026781 habituation Effects 0.000 description 1
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 1
- 230000007659 motor function Effects 0.000 description 1
- 230000000926 neurological effect Effects 0.000 description 1
- 230000007823 neuropathy Effects 0.000 description 1
- 201000001119 neuropathy Diseases 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000000554 physical therapy Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000008521 reorganization Effects 0.000 description 1
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 1
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000008733 trauma Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
- A61N1/18—Applying electric currents by contact electrodes
- A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
- A61N1/36—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
- A61N1/36003—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation of motor muscles, e.g. for walking assistance
Definitions
- the present invention generally refers to non-invasive electrical muscle stimulation techniques, preferably for rehabilitation and/or motor compensation applications for people with central nervous system disorders.
- An object of the invention is to provide a personal electrostimulation system with high therapeutic efficiency, which delivers energy in a stable manner throughout the treatment, thus increasing the efficiency of electrostimulation therapy.
- An additional object of the invention is to provide a personal electrostimulation system that is flexible and scalable to different configurations and applications, such as hybrid configurations, where the electrostimulators act in cooperation with robotic devices.
- Electrical stimulation devices in addition to their purely electronic components, were born to respond to a social problem or need, new techniques and methods applied to the rehabilitation of motor functions to improve the quality of life of affected people. Its field of application covers the areas of engineering, neuroscience and physiotherapy, its most widespread use being the rehabilitation and/or motor compensation of people with chronic alterations of the central nervous system. Motor neuroprostheses are a type of system based on functional electrostimulation that include sensors for movement control. Electrical stimulation devices are indicated to compensate, train or rehabilitate neuropathies or motor disorders, typically of neurological origin or due to trauma suffered at the central or peripheral level in acute, subacute and chronic phases.
- the impedance of human skin is high and variable over time, its nominal resistive value can vary between 500 and 2k ohms.
- its value resistive and reactive component
- This variation could cause abrupt variations in the current delivered to the load (electro-stimulator-human interface) generating inappropriate responses or even compromising the safety of the system.
- the voltages at the stimulator-human interface can easily reach more than 100 V considering a current pulse of 100 mA and an impedance of 1 k Ohms.
- human impedance can easily vary between approximately 200 and 2000 Ohms.
- the impedance of the entire electrode-skin-muscle-electrode assembly depends not only on the bioimpedance but also on the electrical characteristics of the skin-electrode interface and the electrode itself.
- a poor placement of the electrodes or a poor condition of the same can mean unexpected impedance values outside the design ranges of the system, which would cause that the electrostimulation actually applied is not the desired one.
- the present invention is described in the attached independent claim, and solves the aforementioned shortcomings of the state of the art, providing a system based on a network of transcutaneous electrostimulation nodes or units, which allows automatic and dynamic control of the power delivered to an area to be treated, depending on the value of the load impedance of the transcutaneous electrostimulation area, and which also facilitates the scalability and configurability of functional electrical stimulation to different applications.
- the system of the invention applies electrostimulation by means of non-invasive transcutaneous electrodes in the muscles to be treated, and consists of pulse trains composed of individual biphasic rectangular pulses, which are dynamically adjusted in amplitude, pulse width and frequency. , based on the dynamic estimation of the nominal values of the impedance of the load, that is, of the area of tissue to be treated, so as to compensate for the variable impedance of the body. That is, if the impedance drops, the delivered power is reduced, and if the impedance rises, the delivered power also rises, so that there are no sudden variations in the delivered power.
- This regulation technique makes it possible to compensate for load variations and thus guarantee adequate power delivery, increasing the efficiency of the electro-stimulator.
- the invention relates to a modular electrical muscle stimulation system with power control, comprising two or more pairs of non-invasive transcutaneous muscle stimulation electrodes, and two or more bioimpedance sensors suitable for measuring the impedance of the tissue area of application of electrostimulation in a patient.
- the impedance sensors are adapted to measure the impedance of the electrode-skin-muscle-electrode assembly.
- the system also comprises at least one control unit, adapted to control the electrical power delivered by each pair of stimulation electrodes based on the impedance values provided by the impedance sensors, so that the electrical power delivered by the electrodes is always within a desired range.
- Muscle stimulation electrodes and bioimpedance sensors are distributed in a network of wireless nodes controlled from a central controller.
- the system comprises a central controller, and two or more wireless electrostimulation nodes, controllable and configurable from the central controller, where each electrostimulation node comprises at least two connection channels, and where each channel has a pair of electrodes and a bioimpedance sensor.
- the central controller coordinates the operation of the wireless stimulation nodes which, in turn, are responsible for applying the necessary electrostimulation at the muscular level in the different joints. Therefore, first it is determined which modules must be activated and the corresponding stimulation channels, as well as the electrostimulation parameters to be applied, and then the central controller sends the update commands to the nodes so that they execute electrostimulation at the muscular level. .
- This electrostimulation may or may not have the objective of producing a motor effect, depending on the chosen assistance technique.
- muscle contraction and, consequently, joint movement will be controlled.
- the system further comprises two or more wireless electrogoniometer sensor nodes, to measure flexion angles in a patient's joint, communicated with the central controller.
- Each wireless electrostimulation node comprises an electrical energy source for powering the node, a control unit connected to the impedance sensors, a current source controlled by the control module, and a channel selector device, so that the generated current is selectively applied to one or more channels.
- Each node also comprises position sensors communicated with the control unit, and the central controller is adapted to receive and process the data from the position sensors and based on them determine which stimulation nodes should be activated, when it is required to apply an electrostimulus. and the values of the electrostimulation parameters, which will vary depending on the exercise or therapeutic effect that is to be achieved, as well as which muscle is the target of the treatment.
- Each node is adapted to generate current pulses through each pair of electrodes, the current pulses being biphasic, either rectangular or trapezoidal.
- Rectangular pulses are preferred because they are the most efficient in generating muscle contractions, reducing the habituation effect.
- compensated symmetrical biphasic pulses are used to provide an equal distribution of charges in the tissue to avoid an electrochemical imbalance that can cause damage to the tissue.
- Trapezoidal pulses that is, rectangular with start and end ramps, achieve more fluid and physiological movements, and also provide comfort during treatment.
- the pulse trains are described by the following parameters that can be modified/updated in each channel of each independent module:
- Amplitude of the individual pulses this parameter is related to the intensity of the contraction once a certain motor threshold has been passed, which varies from person to person.
- Width of individual pulses has a direct effect on the intensity of the contraction. It is generally selected between 100 and 400 microseconds depending on the neuromuscular response.
- Frequency or repetition rate of individual pulses controls the type and intensity of muscle contraction.
- the frequency of the impulses that make up the train must be greater than or equal to 20 Hz, although the most commonly used frequencies are between 20 and 30 Hz, since frequencies above 50 Hz, although they produce a stronger contraction, usually produce muscle fatigue .
- the control unit of each node is adapted to adjust the amplitude, and/or pulse width, and/or frequency based on the estimated impedance values, in order to compensate the impedance in the area of tissue where the pulse is applied.
- electrostimulation adjusting the output power according to the variations of the impedance value of the load, guaranteeing a stable transfer of energy over time, that is, without undesirable abrupt variations of the current delivered to the load, with which obtains a significant increase in the efficiency of the electrostimulation technique.
- the definition of the three main parameters will govern the type of stimulation applied, the objective of which may or may not be to produce an observable motor effect.
- the pulse frequency and width will take a constant value, while the amplitude will be responsible for achieving the motor effect if this is the objective. To achieve this, it is necessary to gradually increase the amplitude until the motor threshold that gives rise to the desired movement is exceeded, without causing discomfort or pain. Exceeding this threshold is linked in many cases to a reorganization of the electrodes, to achieve the appropriate movement, since there is a great variability of response between individuals.
- the system allows the repositioning of the electrodes, their reuse and continuous functional movements, without affecting the continuity of the power delivered, and avoiding saturating the energy source.
- the functional electrical stimulation (FES) node network system object of the invention has a flexible and scalable architecture for different configurations and applications, such as hybrid configurations, where electrostimulators work together with robotic devices.
- the invention therefore provides a distributed and configurable personal area network, to establish modular electrostimulation systems with controlled power to the impedance of the areas to be stimulated, which can be configured and adapted to generate various types of non-invasive muscle electrostimulation, including both stimulations for therapeutic purposes and neuromuscular controls that may be useful to assist daily tasks. Thanks to this architecture, the proposed system can be easily scaled, simply adding wireless electrostimulation nodes, and centrally controlling and configuring all the network nodes.
- Figure 1.- shows a preferred embodiment of a network of personal area nodes with controlled power according to the invention.
- Figure 2.- shows a block diagram of a node of the motor neuroprosthesis with the power control system based on impedance measurement.
- Figure 1 shows an example of an embodiment of a modular electrical muscle stimulation system (1) according to the invention, which incorporates: a central controller (2) and two or more wireless electrostimulation nodes (3), wirelessly controllable and configurable from the central controller (2), and two or more wireless electrogoniometer or inertial sensor nodes (4) to measure the flexion angles in certain joints of the patient.
- each wireless electrostimulation node (3) comprises an electrical power source (5) to power the devices that are part of the node, a control unit (6) connected to the sensors of impedance, a current source (7) controlled by the control unit (6), several connection channels (9) each with a pair of electrodes (10), and a channel selector device (8), so that the generated current is selectively applied to one or more channels (9).
- Each node (3) receives commands from the angular position sensors (11) communicated with the control unit (6), and an impedance measurement device (12) from the same electrodes (10), and communicated with the control unit (6), which dynamically provides impedance values of the medium formed by the first electrode-skin-muscles-second electrode, based on which the control unit (6) adjusts, also dynamically, the parameters of electrostimulation, and the effectiveness of the treatment is monitored.
- Each stimulation node (3) is adapted to generate current pulses through each pair of electrodes (10).
- these current pulses are rectangular or trapezoidal biphasic.
- the control unit (6) is adapted to adjust the amplitude, and/or pulse width, and/or frequency based on the estimated impedance values, in order to compensate the impedance in the area of tissue where electrostimulation is applied. .
- the central controller (2) is adapted to receive and process the data from the position sensors (11) of each node, and based on them determine which stimulation nodes (3) must be activated, when it is required to apply a muscle electrostimulation and the values of the electrostimulation parameters.
- the first-order voltage response of the assembly is measured against an excitation consisting of current-controlled rectangular pulses. This check is performed periodically, to estimate the evolution of electrostimulation, the status of the user interface, and to detect whether or not the applied electrical current is within the desired treatment range.
- the system of the invention also incorporates a user interface to centralize the control and configuration of the set of electrostimulator nodes and electrogoniometer sensor nodes that speeds up and facilitates the configuration of the stimulators and the reception of data from the sensors.
- This interface enables flexible communication allowing easy interconnection of electrostimulation nodes and in turn of the EEF network with other devices. This allows to increase its versatility and range of use under different configurations and applications.
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physical Education & Sports Medicine (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Electrotherapy Devices (AREA)
Abstract
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
SISTEMA MODULAR DE ESTIMULACIÓN ELÉCTRICA MUSCULAR.
CON CONTROL DE POTENCIA
D E S C R I P C I O N
Campo técnico v 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-músculo- electrodo.
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-piel- músculos-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
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.
2.- 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.
3.- 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.
7.- 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.
8.- 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.
9.- 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 electrodo- piel-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.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES202130106A ES2921099A1 (es) | 2021-02-11 | 2021-02-11 | Sistema modular de estimulacion electrica muscular, con control de potencia |
| ESP202130106 | 2021-02-11 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2022171923A1 true WO2022171923A1 (es) | 2022-08-18 |
Family
ID=82837219
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/ES2022/070071 WO2022171923A1 (es) | 2021-02-11 | 2022-02-11 | Sistema modular de estimulación eléctrica muscular, con control de potencia |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2921099A1 (es) |
| WO (1) | WO2022171923A1 (es) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018050879A (ja) * | 2016-09-28 | 2018-04-05 | 株式会社大島製作所 | 電気的刺激装置 |
| WO2019134033A2 (en) * | 2018-01-05 | 2019-07-11 | Myant Inc. | Multi-functional tubular worn garment |
| WO2019151136A1 (ja) * | 2018-01-31 | 2019-08-08 | 株式会社Mtg | 筋肉電気刺激装置 |
-
2021
- 2021-02-11 ES ES202130106A patent/ES2921099A1/es not_active Withdrawn
-
2022
- 2022-02-11 WO PCT/ES2022/070071 patent/WO2022171923A1/es active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018050879A (ja) * | 2016-09-28 | 2018-04-05 | 株式会社大島製作所 | 電気的刺激装置 |
| WO2019134033A2 (en) * | 2018-01-05 | 2019-07-11 | Myant Inc. | Multi-functional tubular worn garment |
| WO2019151136A1 (ja) * | 2018-01-31 | 2019-08-08 | 株式会社Mtg | 筋肉電気刺激装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2921099A1 (es) | 2022-08-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11511106B2 (en) | Transcutaneous electrical nerve stimulation using novel unbalanced biphasic waveform and novel electrode arrangement | |
| US11324943B2 (en) | Devices and methods for vagal nerve stimulation | |
| AU2020204156B2 (en) | Devices and methods for non-invasive capacitive electrical stimulation and their use for vagus nerve stimulation on the neck of a patient | |
| US11801383B2 (en) | Neuromodulation device and method for use | |
| US10507325B2 (en) | Devices and methods for non-invasive capacitive electrical stimulation and their use for vagus nerve stimulation on the neck of a patient | |
| US20120029601A1 (en) | Devices and methods for non-invasive capacitive electrical stimulation and their use for vagus nerve stimulation on the neck of a patient | |
| JP2008500086A (ja) | 電気治療装置 | |
| CN110022929A (zh) | 使用新的不平衡双相波形和新的电极布置的经皮电神经刺激 | |
| ES2661188T3 (es) | Regulador del ritmo cardíaco temporal no invasivo interferencial | |
| WO2022171923A1 (es) | Sistema modular de estimulación eléctrica muscular, con control de potencia | |
| US11400288B2 (en) | Devices and methods for electrical stimulation and their use for vagus nerve stimulation on the neck of a patient | |
| Bracciano | Principles of Electrotherapy | |
| Tomlinson | Modalities Part 3: Electrotherapy and Electromagnetic Therapy | |
| Popović et al. | Methods for movement restoration | |
| BG3455U1 (bg) | Устройство за неинвазивна електростимулация на ендорфинергичния център на мозъка при човека и животните |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 22752386 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 22752386 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |