Stimolazione Elettrica NM PDF

NERVI PERIFERICI I nervi periferici sono formati da fibre nervose: EFFERENTI: inviano i comandi motori dal SNC ai muscoli ed hanno un diametro di 8-10 μm; AFFERENTI: inviano i segnali sensoriali dai muscoli al SNC. Le fibre nervose afferenti si suddividono in:...

NERVI PERIFERICI I nervi periferici sono formati da fibre nervose: EFFERENTI: inviano i comandi motori dal SNC ai muscoli ed hanno un diametro di 8-10 μm; AFFERENTI: inviano i segnali sensoriali dai muscoli al SNC. Le fibre nervose afferenti si suddividono in: ➔ Afferenti propriocettive: hanno un diametro di 20 μm; ➔ Afferenti cutanee: hanno un diametro di 5-14 μm; ➔ Afferenti del dolore profondo: hanno un diametro di 8-18 μm. Le branche nervose intramuscolari sono le ramificazioni dei nervi periferici che si estendono all'interno dei muscoli. Queste branche nervose portano sia fibre nervose afferenti che efferenti ai muscoli, permettendo la comunicazione tra il SNC e i muscoli. STIMOLAZIONE ELETTRICA NEUROMUSCOLARE Con stimolazione elettrica neuromuscolare si intende l'applicazione di stimoli elettrici attraverso degli stimolatori elettrici a fini terapeutici. Tuttavia occorre fare una distinzione: ➔ Stimolazione elettrica terapeutica (TES): applicazione di stimoli elettrici per indurre la risposta nervosa desiderata per la terapia. ➔ Stimolazione elettrica neuromuscolare (NMES): applicazione di stimoli elettrici alle branche nervose intramuscolari per consentire la contrazione del muscolo in modo da rinforzare un determinato distretto muscolare. L’applicazione degli stimoli elettrici avviene sulle branche nervose intramuscolari e NON direttamente sul muscolo, questo perché la soglia di corrente elettrica che bisogna superare per stimolare i nervi è più bassa rispetto a quella del muscolo. Le proprietà dello stimolo stimolo (voltaggio o corrente) determinano il numero delle unità motorie reclutate, mentre la frequenza dello stimolo determina la frequenza di firing. ➔ Stimolazione elettrica funzionale (FES): è simile alla NMES, tuttavia consiste nell’applicazione di stimoli elettrici alle branche nervose intramuscolari per effettuare un compito specifico. L’obiettivo della FES è ricreare un movimento il più possibile simile a quello fisiologico; ➔ Stimolazione elettrica transcutanea del nervo (TENS): applicazione di stimoli elettrici su un nervo periferico per modulare il dolore. Difatti la TENS è utilizzata soprattutto per le terapie del dolore e si rivolge specificamente a nervi periferici sensoriali e non motori (pertanto non si ha contrazione visibile). Utilizzi della NMES In generale la NMES viene utilizzata per effettuare: ➔ Assessment in vivo: si valutano le funzioni neuromuscolari in muscoli sani e patologici, sia a riposo che in condizioni di fatica; ➔ Prevenzione dell’atrofia da disuso: si mantiene attiva l'attività dei muscoli in modo che NON vadano incontro ad atrofia in mancanza di movimento; In particolare: Configurazione monopolare: molto utilizzata nella ricerca, per: ➔ Attivazione selettiva dei muscoli agonisti o antagonisti in caso di squilibri muscolari (ovvero quando agonisti e antagonisti producono forze diverse). ➔ Attivazione di muscoli parzialmente denervati: si stimolano muscoli con una parziale innervazione; Configurazione bipolare: molto utilizzata nella riabilitazione e per il muscle training (sia per soggetti sani che affetti da patologia) per aumentare la forza muscolare e ridurre il discomfort ovvero la quantità di corrente elettrica somministrata al soggetto. Per far questo gli elettrodi vengono posizionati in prossimità dei tendini in modo che gli stimoli elettrici si spostano lungo il muscolo e che vengano attivate il maggior numero di branche nervose intramuscolari del muscolo agonista. Tuttavia questo potrebbe causare anche l’attivazione dei muscoli antagonisti. Cosa accade al passaggio di corrente elettrica nel corpo Quando una corrente elettrica passa attraverso il corpo, provoca vari effetti tra cui: ➔ EFFETTO ECCITO-MOTORIO: quando si applica uno stimolo elettrico, si verifica la contrazione del muscolo. ➔ EFFETTO CHIMICO: quando si applica uno stimolo elettrico, si verifica lo spostamento delle cariche elettriche verso i poli (ovvero verso gli elettrodi). Questo spostamento è proporzionale all'intensità e alla durata dello stimolo elettrico e può causare effetti collaterali come ustioni ai poli a causa dell’accumulo delle cariche elettriche. ➔ EFFETTO IPEREMICO: quando si applica uno stimolo elettrico, si verifica la vasodilatazione dei vasi sanguigni (sia superficiali che profondi). ➔ EFFETTO ANTALGICO: quando si applica uno stimolo elettrico, si verifica una riduzione del dolore. Questo è consentito da: Rimozione delle sostanze algogene (che causano dolore), ciò avviene attraverso la vasodilatazione vista prima; Blocco degli impulsi nocicettivi (sono i segnali di dolore inviati dai nervi all'encefalo); Rilascio di endorfine (riducono il dolore). Controindicazioni delle stimolazioni elettriche Le stimolazioni elettriche NON si possono effettuare nel caso di: ➔ Infiammazione acuta; ➔ Gravidanza; ➔ Presenza di dispositivi elettronici, inclusi pacemaker cardiaci; ➔ Trombosi, tubercolosi o condizioni emorragiche; ➔ Tumori; ➔ Non si può effettuare nella parte anteriore del collo, sopra gli occhi o agli organi riproduttivi. Configurazioni per la NMES/FES Esistono due possibili configurazioni per la NMES che si differenziano per la dimensione e il posizionamento degli elettrodi utilizzati. La configurazione può essere: ➔ MONOPOLARE: vengono utilizzati due elettrodi e la stimolazione elettrica avviene al di sotto di un solo elettrodo. Questi due elettrodi sono: Elettrodo stimolante (o elettrodo attivo): ha delle piccole dimensioni e può essere posizionato: - nel muscle motor point stimulation ovvero il punto della pelle in cui si ha la maggiore risposta muscolare con la minima erogazione di corrente. Per localizzare il muscle motor point stimulation occorre effettuare uno studio preliminare, inoltre occorre considerare che alcuni muscoli hanno più muscle motor point stimulation. - nel nerve point stimulation: ovvero il punto: ovvero il punto della pelle in cui si ha la maggiore risposta nervosa con la minima erogazione di corrente. L’utilizzo del nerve point stimulation è più RARO. Elettrodo dispersivo (o referenza): ha delle grandi dimensioni e viene posizionato sul muscolo antagonista. Le piccole dimensioni dell’elettrodo stimolante consentono di concentrare in una piccola area la corrente elettrica (aumento della densità elettrica), in questo modo è possibile superare la soglia di corrente elettrica necessaria per stimolare le branche nervose intramuscolari. Al contrario, le grandi dimensioni dell’elettrodo dispersivo consentono di disperdere in una grande area la corrente elettrica (diminuizione della densità elettrica), in questo modo NON è possibile superare la soglia di corrente elettrica necessaria per stimolare le branche nervose intramuscolari. ➔ BIPOLARE: vengono utilizzati due elettrodi e la stimolazione elettrica avviene al di sotto di entrambi gli elettrodi. I due elettrodi hanno dimensioni simili pertanto la distribuzione dello stimolo elettrico è più confinata nello spazio (tra i due elettrodi) e la densità di corrente è più uniforme rispetto alla configurazione monopolare. Registrazione del segnale sEMG durante NMES/FES Durante NMES/FES è possibile registrare il segnale sEMG che in questo caso è dato dalla somma dei MAP di più unità motorie attivate e prende il nome di CMAP (Compound Motor Action Potential) o onda M. All’ aumento dell’ intensità dello stimolo elettrico si ha un aumento dell’ ampiezza dell’ onda M. Una volta raggiunta la massima ampiezza ovvero il momento in cui tutte le unità motorie si sono attivate, l’onda M forma un plateau. Di conseguenza l’incremento dell’intensità dello stimolo elettrico determina il numero di unità motorie che devono essere reclutate, in questo caso si parla di reclutamento incrementale. Stimolatori elettrici NMES/FES Gli stimolatori elettrici NMES/FES sono progettati per effettuare due tipi di stimolazione, ovvero: ➔ Stimolazione regolata in tensione (controlled voltage - CV): avviene attraverso le seguenti fasi: 1) L’utilizzatore seleziona il livello di tensione desiderato (tensione di riferimento); 2) Un generatore di stimoli produce degli stimoli elettrici con una bassa tensione. Questi stimoli vengono inviati allo stadio di uscita dello stimolatore (o output stage) dove vengono amplificati ed immessi nel muscolo attraverso gli elettrodi. 3) Durante la propagazione degli impulsi, lo stimolatore cerca di mantenere costante la tensione al valore della tensione di riferimento. In particolare, se l'impedenza del carico ovvero l’impedenza del tessuto aumenta (o diminuisce), lo stimolatore ridurrà (o aumenterà) la corrente in modo che la tensione rimanga costante. ➔ Stimolazione regolata in corrente (controlled current – CC): avviene attraverso le seguenti fasi: 1) L’utilizzatore seleziona il livello di corrente desiderato (corrente di riferimento); 2) Un generatore di stimoli produce degli stimoli elettrici con una bassa tensione. Questi stimoli vengono inviati allo stadio di uscita dello stimolatore (o output stage) dove vengono amplificati ed immessi nel muscolo attraverso gli elettrodi. 3) Durante la propagazione degli impulsi, lo stimolatore cerca di mantenere costante la corrente al valore della corrente di riferimento. In particolare, se l'impedenza del carico ovvero l’impedenza del tessuto aumenta (o diminuisce), lo stimolatore ridurrà (o aumenterà) la tensione in modo che la corrente rimanga costante. L’impedenza del carico comprende impedenza opposta dal tessuto e impedenza elettrodo-pelle. In caso di variazione dell’impedenza di carico occorre fare importanti considerazioni sulla sicurezza. Infatti nel caso di: - stimolazione CV: se aumenta l’impedenza di carico lo stimolatore riduce la corrente e questo determina una minore probabilità di effetti chimici e quindi di formazione di ustioni. - stimolazione CC: se aumenta l’impedenza di carico la corrente rimane costante, tuttavia se l'elettrodo perde il contatto con la pelle, la corrente viene concentrata  in un'area di contatto elettrodo-cute ridotta, e questo determina una maggiore probabilità di effetti chimici e quindi di formazione di ustioni. La maggior parte degli stimolatori commerciali utilizza la modalità CC, ma la scelta tra CV e CC dipende dalle applicazioni e dalla sicurezza. Recentemente sono stati realizzati degli stimolatori elettrici FES composti da: Sensore: rileva un segnale; Circuito di condizionamento: condiziona il segnale che sarà dato come input al generatori di stimoli; Generatore di stimoli; Stadio di uscita dello stimolatore. Modellizzazione degli stimolatori elettrici L'interfaccia elettrodo-cute/muscolo dello stimolatore elettrico viene modellizzata come un impedenza del carico ZC, quest’ultima è costituita da una resistenza R1 (bulk tissue resistance) e da un’ altra resistenza R2 collegata in parallelo ad un condensatore C. R1, R2 e C prendono il nome componenti resistivi e capacitivi dell’ interfaccia elettrodo-cute/muscolo. Stimolatore elettrico CV Lo stimolatore elettrico CV è formato da un generatore di tensione che impone una differenza di potenziale costante tra gli elettrodi A e B chiamata VAB (supponiamo VAB = Vp). La corrente IS che scorre nel carico (tessuto) dipende dall’impedenza di carico ed è data da: 𝑝 𝑉 −𝑉 𝐶 𝐼𝑠 = 𝑅1 1) Nel momento in cui il condensatore è scarico si ha che la tensione del condensatore è data da: 𝑉 𝑝 𝑉𝐶 = 0 ⇒ 𝐼𝑠 = 𝑅1 2) Nel momento in cui il condensatore inizia a caricarsi si ha che VC aumenta mentre la IS diminuisce. Il condensatore si carica secondo una costante di tempo data da: τ1 = 𝐶 (𝑅1 // 𝑅2) 3) Nel momento il condensatore si carica completamente, VC raggiunge un valore di: 𝑉 𝑅 𝑝 2 𝑉𝐶 = 𝑅1+𝑅2 4) Nel momento in cui NON viene più imposta la tensione Vp, il condensatore inizia a scaricarsi (sempre secondo la costante di tempo 𝞃1) attraverso R1//R2 e la corrente IS torna al valore iniziale. Il condensatore si scarica attraverso R1//R2 in quanto nel momento in cui il generatore di tensione NON non eroga più tensione, il circuito diventa chiuso e rimane solo R1//R2. Stimolatore elettrico CC Lo stimolatore elettrico CC è formato da un generatore di corrente che impone una corrente IS (supponiamo IS = Ip) che NON dipende dall’impedenza di carico. La tensione VAB è data da: 𝑉𝐴𝐵 = 𝑉𝐶 + 𝐼𝑝𝑅1 1) Nel momento in cui il condensatore è scarico si ha che la tensione del condensatore è data da: 𝑉𝐶 = 0 ⇒ 𝑉𝐴𝐵 = 𝐼𝑝𝑅1  2) Il condensatore inizia a caricarsi con un aumento di VC e di VAB (l’aumento di quest'ultimo inizia con un giardino pari a IpR1). Il condensatore si carica secondo una costante di tempo data da: τ2 = 𝐶 (𝑅2) 3) Nel momento il condensatore si carica completamente, VC raggiunge un valore di: 𝑉𝐶 = 𝐼𝑝 𝑅2 4) Nel momento in cui NON viene più imposta la corrente IS, il condensatore inizia a scaricarsi (sempre secondo la costante di tempo 𝞃2) e VAB torna al valore iniziale. L’obiettivo di uno stimolatore elettrico CC è quello di mantenere costante la corrente IS, per fare ciò lo stimolatore deve modulare continuamente la tensione attraverso dei sistemi retroazionati, che tipicamente sono composti da amplificatori a transconduttanza ovvero dei componenti che convertono una tensione in una corrente costante. Il sistema retroazionato si occupa di: Misurare continuamente la corrente effettiva IL che scorre nel carico; Confronta continuamente IL con il valore di corrente desiderato IS ; Ogni volta che è presente una discrepanza tra IL e IS , il sistema retroazionato modula la tensione all’ ingresso dell’amplificatore a transconduttanza in modo da rendere IL=IS. In particolare la corrente costante IS viene ottenuta attraverso seguente formula: 𝐼𝑆 = 𝑉𝑐𝑚𝑑 / 𝑅𝑆 Vcmd è la tensione di comando che viene modulata all’ingresso dell’amplificatore a transconduttanza. La Vcmd viene impostata automaticamente dal sistema o dall’operatore RS è la resistenza di uscita dello stimolatore È inoltre importante che IS sia minore del rapporto tra la massima tensione generabile dallo stimolatore VHV e ZC. 𝑉 𝐻𝑉 𝐼𝑆 < 𝑍𝑐 Decadimento Per decadimento si intende il passaggio dalla fase di carica a quella di scarica del condensatore. Il decadimento ai capi degli elettrodi dello stimolatore CV è più veloce rispetto a quello ai capi degli elettrodi dello stimolatore CC, ciò avviene in quanto 𝞃1