Introduzione alla stimolazione elettrica NM PDF

Introduzione alla stimolazione elettrica NM Bioingegneria della Riabilitazione aa 2023/2024 CdLM Ingegneria Biomedica Richiamo di anatomia: fibre dei nervi (misti) Si possono riscontrare tre tipi di popolazioni neuronali...

Introduzione alla stimolazione elettrica NM Bioingegneria della Riabilitazione aa 2023/2024 CdLM Ingegneria Biomedica Richiamo di anatomia: fibre dei nervi (misti) Si possono riscontrare tre tipi di popolazioni neuronali afferenti: 1. Afferenti propriocettive: The largest neurons with diameters up to 20 μm, are responsible for feedback on body image, muscle lengths and joint angles. 2. Afferenti cutanee: associated with skin sensor information, have a size spectrum from approximately 14 μm down to 5 μm 3. Deep pain neurons: the size range around 1 μm  Il diametro delle fibre efferenti è compreso tra 8 e 18 μm La dizione stimolazione elettrica terapeutica del compartimento neuromuscolare è un termine generico che indica la somministrazione di energia elettrica a fini terapeutici. Risulta necessario distinguere le diverse forme di applicazione: ACRONIMI E RIFERIMENTI Nello specifico.. Stimolazione elettrica neuromuscolare (NMES): è in genere fornita ad elevate frequenze (20-50 Hz), avendo come target le fibre nervose, ma con il fine di produrre una contrazione (e talvolta la tetania) muscolare. Stimolazione elettrica funzionale (FES): simile alla precedente; con il termine FES, tuttavia, ci si riferisce al processo di accoppiamento della stimolazione con un compito funzionale. ”For example, if I were to stim a patient's wrist extensors in a nonspecific, repetitive way, it would be NMES. If I paired it with a functional task related to grasp and release or self-feeding, now it becomes functional and FES”. Stimolazione elettrica transcutanea (TENS): è una forma alternativa, si utilizza soprattutto a basse frequenze; la TENS è utilizzata soprattutto in ambito di terapia del dolore (pain modulation stimulation). Questa tipologia si rivolge specificamente a fibre nervose sensoriali e non a fibre motorie; pertanto non si produce (generalmente) nessuna contrazione visibile. EFFETTI BIOLOGICI DELLA CORRENTE ELLETTRICA Il passaggio di corrente elettrica nell’organismo produce diversi effetti, che possono variare sia in termini qualitativi che quantitativi a seconda del tipo di corrente utilizzato. Tra questi, i più rilevanti sono: effetto eccito-motorio effetto chimico: l’ applicazione di una differenza di potenziale su di un tessuto determina una migrazione di cariche verso i poli, che risulta essere: o proporzionale all’intensità e alla durata dell’impulso o responsabile degli effetti collaterali polari delle correnti (ustioni chimiche ai poli) effetto iperemico: Tutti i tipi di corrente agiscono determinando vasodilatazione, superficiale e profonda (quest’ ultima si instaura più lentamente, ma è più duratura vs. superficiale) effetto antalgico: per effetto della rimozione di sostanze algogene mediante vasodilatazione, blocco degli impulsi nocicettivi, liberazione di endorfine (es. serotonina) Stimolazione elettrica neuromuscolare La stimolazione elettrica neuromuscolare (NMES) è caratterizzata dall’ applicazione (di treni) di stimoli elettrici al sistema neuromuscolare. L’ obiettivo di tale stimolazione consiste nel triggerare contrazioni muscolari mediante l’ attivazione di branche nervose intramuscolari. Le proprietà elettriche dello stimolo (corrente/voltaggio) determinano il numero delle MU reclutate, mentre la frequenza dello stimolo determina la frequenza di scarica (discharge rate)  Tutte le MU sono attivate dalla stimolazione in maniera sincrona  I fattori di variabilità sono ridotti nelle contrazioni indotte rispetto a quelle volontarie Utilizzo della NMES - valido strumento di ricerca per l’ assessment in vivo delle funzioni neuromuscolari1 : sia di muscoli sani sia di quelli affetti da patologia, sia in condizioni di riposo, sia in condizioni di fatica di fatica - muscle training: in soggetti «normali», negli atleti, in soggetti affetti da patologia - prevenzione dell’atrofia da disuso - attivazione di muscoli denervati (con parametri di stimolazioni specifici) - controllo funzionale di estremità con deficit della forza Ambiti di utilizzo in medicina - riabilitazione di pazienti con diverse condizioni neurologiche - medicina geriatrica - riabilitazione cardiovascolare Perché si parla di stimolazione di branche nervose e non direttamente di muscolo? Laapportata quantità di corrente Q che deve essere per raggiungere la soglia di stimolo è data dal prodotto dell'intensità di corrente per la durata dell'impulso Q=ixt Dove Q = quantità di carica da iniettare (C) i = intensità di corrente (A) t = durata dell'impulso (ms) La risposta è molto semplice: la soglia di carico (che è influenzata inevitabilmente da ampiezza e durata dello stimolo) per la generazione di un potenziale d’ azione nella fibra muscolare è molto più alta della stessa soglia per le cellule nervose Parametri degli impulsi somministrati Il principio di funzionamento della stimolazione elettrica si avvale dell’ utilizzo di opportuni stimolatori elettrici in grado di somministrare impulsi di corrente. I principali parametri che caratterizzano un impulso sono: Intensità Durata Frequenza (mA) (µs) (Hz) In particolare, per l’eccitazione di un tessuto risulta di fondamentale importanza il rapporto intensità/durata. Tale rapporto non è costante tutti i gruppi muscolari, ma varia in funzione dei distretti corporei in cui i muscoli si trovano Reobase: indica l’intensità di corrente minima in grado di eccitare un tessuto; si misura in mA. Cronassia: indica il tempo la durata dello stimolo necessario a stimolare il tessuto, la cui intensità è doppia della reobase. Tecniche di stimolazione Esistono due tipi principali di tecniche, distinte in base alla configurazione di stimolazione: STIMOLAZIONE MONOPOLARE STIMOLAZIONE BIPOLARE Le principali differenze consistono nel posizionamento degli elettrodi e nelle dimensioni di quest’ultimi Arrangement monopolare La stimolazione elettrica avviene solo in prossimità di uno dei due elettrodi utilizzati. L’ elettrodo stimolante (generalmente chiamato «elettrodo attivo») possiede piccole dimensioni (pochi cm2) e viene posizionato al di sopra di un punto di stimolazione muscolare (muscle motor point stimulation1) o, più raramente, nelle prossimità di un nervo (nerve point stimulation). Il secondo elettrodo (chiamato spesso anche «referenza», «elettrodo dispersivo» o «elettrodo di ritorno»), più grande, viene posizionato normalmente sul muscolo antagonista.  Mediante questa configurazione, la densità di corrente in prossimità dell’ elettrodo di stimolazione eccede il livello di eccitazione della branca nervosa, mentre le grandi dimensioni del secondo assicurano che la densità di corrente al di sotto dell’ elettrodo sia al di sotto della soglia di eccitazione FOCUS ON: MUSCLE MOTOR POINT DEF: Con il termine muscle motor point (MMP) ci si riferisce al punto di stimolazione reperibile sulla superficie cutanea in cui si riesce ad ottenere la maggiore risposta muscolare (registrata elettrofisiologicamente) del muscolo oggetto di stimolazione con la minima erogazione di corrente Il MMP non deve essere confuso con il motor entry point (che invece rappresenta la localizzazione dell’ingresso delle branche motorie di un nervo entrano all’interno della guaina muscolare). Il MMP può essere multiplo per alcuni muscoli e dovrebbe essere identificato (quando possibile) mediante studi preliminari. Una precisa localizzazione dei motor point è importante anche per l’ efficacia dei blocchi nervosi con anestetici. Il MMP e la zona di innervazione non necessariamente coincidono ma spesso sono molto vicini tra di loro Arrangement bipolare In questo caso vengono utilizzati due elettrodi di dimensioni simili. Rispetto alla configurazione monopolare, nella configurazione bipolare la distribuzione di corrente è molto più confinata nello spazio e la densità di corrente è più uniforme tra i due elettrodi.  Questo implica il fatto che la stimolazione elettrica avvenga al di sotto di entrambi gli elettrodi Arrangement monopolare vs. bipolare Arrangement monopolare: la stimolazione elettrica avviene solo in prossimità di uno dei due elettrodi utilizzati. L’ elettrodo stimolante (generalmente chiamato «elettrodo attivo») possiede piccole dimensioni (pochi cm2) e viene posizionato al di sopra di un punto di stimolazione muscolare (muscle motor point stimulation1) o, più raramente, nelle prossimità di un nervo (nerve point stimulation). Il secondo elettrodo (chiamato spesso anche «referenza», «elettrodo dispersivo» o «elettrodo di ritorno»), più grande, viene posizionato normalmente sul muscolo antagonista. Mediante questa configurazione, la densità di corrente in prossimità dell’ elettrodo di stimolazione eccede il livello di eccitazione della branca nervosa, mentre le grandi dimensioni del secondo assicurano che la densità di corrente al di sotto dell’ elettrodo sia al di sotto della soglia di eccitazione Arrangement bipolare: vengono utilizzati due elettrodi di dimensioni simili. Rispetto alla configurazione monopolare, nella configurazione bipolare la distribuzione di corrente è molto più confinata nello spazio e la densità di corrente è più uniforme tra i due elettrodi. In entrambe le configurazioni il posizionamento e le dimensioni degli elettrodi risultano fondamentali! Configurazioni MP vs. BP: diversi usi Arrangement monopolare: generalmente utilizzato in ricerca, dove viene associato a tecniche di EMG o MMG, in modo da caratterizzare le proprietà periferiche delle MU. Tuttavia è utile anche nel caso di un’ attivazione selettiva di un’area localmente ristretta (necessario in caso di test diagnostici, ma anche di interventi terapeutici, che richiedano un’ attivazione selettiva, senza che gli antagonisti possano venir attivati). Esempi di utilizzo: 1. Aree di locale denervazione circondate da strutture nervose intatte 2. Ipersensitività locale 3. Attivazione selettiva di agonisti e antagonisti in caso di muscles disbalance 4. Per evitare l’induzione di campi elettrici in impianti o ferite localizzate vicino ai target terapeutici. Arrangement bipolare: molto utilizzata in riabilitazione e nei protocolli di training. In questi casi l’ obiettivo primario è quello di aumentare la forza, mentre, parallelamente, si cerca di ridurre il livello di corrente somministrato (e il relativo discomfort). Gli elettrodi vengono posizionati, in genere, in prossimità dei tendini (prox & dist)  in questo modo le linee di corrente scorrono attraverso la direzione longitudinale del muscolo, «massimizzando» il numero degli assoni attivati; tuttavia, è sempre teoricamente possibile l’ attivazione di muscoli non target (e spesso dei m. antagonisti dei m. target!) Open Questions Nonostante l’ uso in ricerca, nelle applicazioni cliniche e recentemente anche in taluni aspetti di vita quotidiana, rimangono alcune domande aperte: 1. Reclutamento durante una contrazione indotta 2. Effetto dei diversi parametri di stimolazione: grande varietà di forme d’onda, protocolli, metodologie di applicazione  difficoltà nel comparare i diversi studi per trarre conclusioni definitive 3. Effetti a lungo termine Open Questions Nonostante l’ uso in ricerca, nelle applicazioni cliniche e recentemente anche in taluni aspetti di vita quotidiana, rimangono alcune domande aperte: 1. Reclutamento durante una contrazione indotta 2. Effetto dei diversi parametri di stimolazione: grande varietà di forme d’onda, protocolli, metodologie di applicazione  difficoltà nel comparare i diversi studi per trarre conclusioni definitive 3. Effetti a lungo termine Il reclutamento «inverso» Il coinvolgimento delle unità motorie durante la NMES cambia in maniera considerevole rispetto al reclutamento durante una contrazione volontaria  l’ ordine di attivazione delle MU durante contrazioni elicitate elettricamente è tuttora argomento di discussione Secondo la visione classica:  Gli assoni a sezione maggiore, avendo una soglia di attivazione più bassa, vengono elicitati prima rispetto agli assoni più piccoli  Altri fattori che possono influenzare il reclutamento: distanza delle branche assonali dall’ elettrodo di stimolazione orientamento delle branche assonali rispetto al campo elettrico cambiamenti locali dell’ eccitabilità assonale ATTIVAZIONE INVERSA ATTIVAZIONE RANDOMICA Open Questions Nonostante l’ uso in ricerca, nelle applicazioni cliniche e recentemente anche in taluni aspetti di vita quotidiana, rimangono alcune domande aperte: 1. Reclutamento durante una contrazione indotta 2. Effetto dei diversi parametri di stimolazione: grande varietà di forme d’onda, protocolli, metodologie di applicazione  difficoltà nel comparare i diversi studi per trarre conclusioni definitive 3. Effetti a lungo termine Stimolatori NMES Sono progettati per impartire corrente / tensione (ma possibili anche sistemi ibridi)1 Stimolazione regolata in tensione (controlled voltage - CV): la corrente trasmessa ai tessuti si deforma in base alle proprietà non lineari dell’ impedenza. Aumentando impedenza, diminuisce la corrente (e possibile rischio di ustioni) Stimolazione regolata in corrente (controlled current – CC): la forma dell’ impulso desiderato viene somministrata fedelmente in termini di corrente, in questo caso la tensione viene deformata dall’impedenza di carico /load impedance (determinata da proprietà di resistenza elettrica all’ interfaccia cute elettrodo e del tessuto attraversato) Sostanzialmente, l’effetto netto non cambia tra le due modalità a patto che le proprietà dell’ interfaccia rimangano inalterate durante la stimolazione. In caso di variazione dell’impedenza, ci sono importanti aspetti di sicurezza da considerare2 Il generatore di stimoli lavora in bassa tensione, producendo gli impulsi (in genere di pochi V) con le sequenze di stimolazione  verranno poi inviati allo stadio di uscita per essere «iniettati», dopo essere stati opportunamente amplificati (guadagni di circa 100x). Le caratteristiche dell’ impulso (intensità, durata, frequenza e forma d’ onda) possono essere modificate dall’ utente mediante apposita interfaccia o da sensoristica esterna (FES) Stimolatori FES Sono progettati per impartire corrente / tensione (ma possibili anche sistemi ibridi) Stimolazione regolata in tensione (controlled voltage - CV): la corrente trasmessa ai tessuti si deforma in base alle proprietà non lineari dell’ impedenza. Aumentando impedenza, diminuisce la corrente (e possibile rischio di ustioni) Stimolazione regolata in corrente (controlled current – CC): la forma dell’ impulso desiderato viene somministrata fedelmente in termini di corrente, in questo caso la tensione viene deformata dall’impedenza di carico /load impedance (determinata da proprietà di resistenza elettrica all’ interfaccia cute elettrodo e del tessuto attraversato) Sostanzialmente, l’effetto netto non cambia tra le due modalità a patto che le proprietà dell’ interfaccia rimangano inalterate durante la stimolazione. In caso di variazione dell’impedenza, ci sono importanti aspetti di sicurezza da considerare I più recenti stimolatori FES sono composti da: Sensore Sistema di condizionamento: condiziona il segnale ricevuto dal sensore e provvede ad interpretarlo in termini di temporizzazione del pattern da generare (il segnale condizionato sarà dato come input al generatore di stimoli) Generatore di stimoli: porzione di circuito dove viene definita la frequenza, la durata e la forma d’onda dello stimolo (circuito di controllo delle caratteristiche del treno di impulsi da generare) Stadio di uscita del generatore: stadio che serve ad amplificare l’intensità dello stimolo stesso. Caratteristiche degli impulsi somministrati 1. Forma d’ onda 2. Intensità (0–120 mA / 0–120 V) 3. Durata (normalmente compreso tra 100 µs e 1 ms) 4. Frequenza (normalmente compreso tra 1 e 120 Hz)  La maggior parte degli stimolatori permette di pre-regolare durata e frequenza in determinati range, mentre le variazioni di intensità sono libere durante la stimolazione. Caratteristiche degli impulsi somministrati 1. Forma d’ onda 2. Intensità (0–120 mA / 0–120 V) 3. Durata (normalmente compreso tra 100 µs e 1 ms) 4. Frequenza (normalmente compreso tra 1 e 120 Hz)  La maggior parte degli stimolatori permette di pre-regolare durata e frequenza in determinati range, mentre le variazioni di intensità sono libere durante la stimolazione. FORME D’ONDA La forma d’onda scelta deve tenere conto dei seguenti fattori: 1. Effetto fisiologico desiderato 2. Potenziale danneggiamento del tessuto 3. Potenziale degradazione dell’ elettrodo  La forma d’onda più utilizzata è quella rettangolare Considerazioni sulle forme d’ onda Nell’ applicazione di stimoli monofasici si osserva una soglia significativamente più bassa per le strutture neurali più vicine all’ elettrodo catodico rispetto a quello anodico. Se sono somministrati stimoli bifasici, la soglia più bassa si osserva nei neuroni più vicini all’anodo (“anode first” polarity). “The best possible selectivity in activating nerve structures can be accomplished using a small size active electrode, which is chosen as cathode for monopolar stimuli or as anode of the first phase of a biphasic stimulus”. Schick, T. Functional Electrical Stimulation in Neurorehabilitation: Synergy Effects of Technology and Therapy (English Edition) (p.115). Springer International Publishing. Caratteristiche degli impulsi somministrati 1. Forma d’ onda 2. Intensità (0–120 mA / 0–120 V) 3. Durata (normalmente compreso tra 100 µs e 1 ms) 4. Frequenza (normalmente compreso tra 1 e 120 Hz)  La maggior parte degli stimolatori permette di pre-regolare durata e frequenza in determinati range, mentre le variazioni di intensità sono libere durante la stimolazione. TRENI DI IMPULSI L’ intensità e la durata dell’impulso stimolante devono essere sufficienti per arrivare alla soglia di eccitabilità del tessuto variazioni al di sotto di questo livello non comportano effetti; il reclutamento può avvenire aumentando intensità o la durata dello stimolo (o entrambe) Una volta superata la soglia, tutte le fibre della MU si contraggono per effetto del PdA indotto, generando una forza (che, dopo aver raggiunto un certo livello di stimolazione, non può essere incrementata perché viene raggiunta la saturazione muscolare) Caratteristiche degli impulsi somministrati 1. Forma d’ onda 2. Intensità (0–120 mA / 0–120 V) 3. Durata (normalmente compreso tra 100 µs e 1 ms) 4. Frequenza (normalmente compreso tra 1 e 120 Hz)  La maggior parte degli stimolatori permette di pre-regolare durata e frequenza in determinati range, mentre le variazioni di intensità sono libere durante la stimolazione. Ruolo della frequenza La frequenza assume un ruolo fondamentale nelle dinamiche di contrazione e nell’ insorgenza della fatica. Attraverso stimolazioni sottosoglia, si reclutano neuroni afferenti di grandi dimensioni con effetti nella riduzione del dolore neuropatico e della spasticità e nell’ aumento delle funzioni muscolari. Per queste applicazioni, un meticoloso setup dei parametri di frequenza (oltre che di intensità) sono necessari. Quando si aumenta l’ intensità della stimolazione sino a raggiungere le contrazioni muscolari, la coattivazione dei neuroni afferenti non può essere abolita. Come conseguenza si possono avere effetti positivi e negativi. Per esempio, nelle SCI si potrebbe avere un aumento della spasticità, (ma non in tutti i casi, bisogna trovare il protocollo più adeguato). Stimolazione ad impulso singolo La somministrazione di singoli impulsi o la somministrazione di impuli ripetitivi con una frequenza molto bassa vengono generalmente effettuate nelle procedure di testing neuromuscolare; tipiche applicazioni includono: 1. detezione della soglia di reclutamento neuromuscolare (tipico test eseguito alla frequenza di 1 Hz; aumentando l’intensità della stimolazione graduatamente partendo da stimolazioni sottosoglia si può trovare il valore di soglia di attivazione, senza particolare discomfort per il Paziente  “single stimuli usually do not cause sensible discomfort even if delivered with very high intensity, but as soon as trains of stimuli with usual application frequencies are delivered discomfort is perceived at much lower intensity levels. Therefore, if sensory perception is intact, it is not possible to determine a tolerable intensity maximum with single stimuli” 2. promozione della perfusione muscolare 3. aumento dell’ eccitabilità di fibre muscolari denervate Stimolazioni a bassa frequenza Frequenze inferiori a 10 Hz sono spesso utilizzate: 1. per un periodo di riscaldamento («warm-up») prima del training NMES/FES 2. nella fase di “active relaxation”, nelle pause tra le fasi attive di contrazione 3. nella fase terminale di un ciclo attivo, assumendo la funzione di “terminal active regeneration” Tali stimolazioni non evocano fusi muscolari, ma movimenti di shaking che possono aumentare la perfusione muscolare e favorire il washout di metaboliti di scarto Stimolazioni elicitanti contrazioni «fuse» Aumentando la frequenza di stimolazione significa “costringere” il muscolo a produrre un insieme di “shaking contractions.” Ulteriori aumenti, sino a raggiungere la “frequenza di fusione” determinano la comparsa di contrazioni tetaniche. Per incrementi successivi si verifica il fenomeno della fatica, responsabile di molteplici problemi nelle applicazioni funzionali e di un possibile overuse metabolico con danno muscolare. La frequenza selezionata dovrebbe generalmente comportare la comparsa di un fuso in contrazione. La frequenza di fusione non presenta valori assoluti ed è influenzata (soprattutto) da fattori metabolici. Soggettivamente, la sensazione di percepire un’ attivazione muscolare avviene per range di frequenza compresi tra 25–30 Hz, diventando più netta per ulteriori incrementi. Per la maggior parte delle applicazioni, si consiglia un inizio prudente. Oltre che ad una selezione sensata della frequenza della stimolazione, tale raccomandazione si estende anche alla scelta della durata delle sessioni di allenamento, dell’ intensità di stimolazione e del timing di on-off Training di muscoli plegici & accomodazione Per il training neuromuscolare di muscoli plegici o estremamente paretici, viene generalmente applicata una stimolazione fasica  la contrazione è indotta per limitati intervalli di tempo seguiti da pause di inattività. Per tale motivo, altri parametri addizionali risultano fondamentali per l’ efficacia del training; tra questi si ricordano: - tempi di attivazione/inattivazione (on/off time) - tempi di rampa per le transizioni on-off: tempi di rampa-on lenti permettono l’ esecuzione di movimenti più coordinati, utili in caso di spasticità ACCOMODAZIONE: Se il potenziale di membrana aumenta molto lentamente (in un tempo di msec anziché frazioni di msec) i canali del Na+ di inattivazione si chiuderanno simultaneamente all’ apertura di quelli di attivazione. Di conseguenza, la contrazione non sarà efficace come auspicato. Infatti, per ottenere una stimolazione indotta in una fibra nervosa il cui potenziale interno aumenta lentamente sarà – sempre se possibile – un aumento veloce del voltaggio Sommario: parametri NM/FES & rilevanza clinica 1. Intensità (ampiezza): per ottenere una risposta significativa, spesso non basta superare solo la soglia sensitiva, ma anche quella motoria; CAVE: sensibilità del Paziente! (ma superata la soglia motoria difficilmente può peggiorare l’ aspetto sensitivo) 2. Frequenza: per avere contrazioni tetaniche bisogna superare i 20 Hz, normalmente si applicano frequenze tra 25-30 Hz; frequenze a 50 Hz sono ancora efficaci senza determinare eccessiva fatica muscolare 3. Durata: compresa nel range del msec (