ELECTRO-ESTIMULACIÓN EN MÚSCULOS EXTRAOCULARES

J. Leybón, E. Suaste, C. Druzgalski.CINVESTAV-IPN, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Sección de Bioelectrónica.

07000 México D. F., Apdo. postal 14-740.jleybon@mail.cinvestav.mx

RESUMENSe describe una técnica y aspectos relevantes paraefectuar la electro-estimulación de los músculosextraoculares recto medial y recto lateral en conejomuerto, como proceso preliminar para analizar ycorroborar datos de literatura sobre la electrofisiología, ypoder así controlar la actividad oculomotora horizontal enanimales vivos y sustituir la cirugía de Kestenbaum en eltratamiento de pacientes con nistagmo congénito, ya quees el método más usado cuando la afección incluyedesviación ocular, posición compensadora de la cabezayuna amplitud grande del nistagmo.Palabras clave: Nistagmo congénito, músculosextraoculares, electro-estimulación.

1. INTRODUCCIÓN

La electro-estimulación es una técnica que ha sidoutilizada en la medicina tanto para detectar problemasmusculares o de conducción nerviosa (neurología); asícomo parte de procesos terapéuticos en rehabilitación einclusive para reducir el dolor. Su aplicación en lasestructuras del sistema oculomotor depende de un amplioconocimiento y mucha práctica, ya que la práctica de unestudio electromiográfico utiliza electrodos de aguja quese insertan en los músculos extraoculares atravesando lapiel y sin anestesia, sólo para analizar su respuesta [1](figura 1).

La actividad eléctrica del ojo puede dividirse de lasiguiente manera: en los potenciales corneoretinales(utilizados en electroretinogramas y electro-oculogramas),en los potenciales en músculo autónomo ciliar y del iris, yen los potenciales eléctricos de los músculosextraoculares (electromiograma).

Fig. 1. Electromiografía ocular.

Cooper y Eccles en 1930 investigaron la respuestamecánica y eléctrica del músculo recto interno en gatos,encontrando un tiempo de contracción de 7.5 mseg;demostraron también que a una elevada proporción de350 Hz se logra la fusión tetanica, acompañada de unatensión de 100 Gm, lo cual es bastante comparada con elvalor de entre 10 - 40 Gm producida durante el nistagmo;además de que los resultados son bastante semejantes conlas características de respuesta en humanos (figura 2).Lorente de Nó en 1935 registró corrientes de acción enconejo, encontrando una máxima aceleración angular de150° angulares con twitches sincronizados en unaproporción de 200 por segundo. De Kleyn en 1922demostró que la anestesia local no altera el ritmo o formade nistagmo en conejos; por lo que mantiene la teoría quedescribe al nistagmo como un problema que proviene delsistema nervioso central lo cual fue reafirmado porMcIntyre en 1939.

(a)

(b)

Fig. 2. Respuesta de músculos extraoculares en humanos en contracciónisométrica.

2. METODOLOGÍA

El nistagmo es una oscilación ocular bifásica rítmica einvoluntaria en la que por lo menos una fase siempre eslenta. La fase lenta es patológica y es responsable parala iniciación y la generación del nistagmo; la fase rápida(sacádico) es la corrección que regresa la fóvea hacia elobjetivo visual [2]. Aunque el nistagmo congénito (NC)se presenta desde el nacimiento, podría no ser notorio enlas primeras semanas o años de vida, y puedeacompañarse de un temblor de cabeza y de un déficitvisual severo que no se debe a una visión pobre (figura 3).

Fig. 3. Señal característica de nistagmo mostrando la descripción desu movilidad espacial.

Las pruebas clínicas que permiten diferenciar al NC deotras formas de nistagmo adquirido incluyen la historia denistagmo en la infancia; pruebas de agudeza visual, etc.La forma más común de registrar el NC es porelectronistagmografía [3], y cuando es severo, se corrigeen cierto grado con una cirugía desarrollada porKestenbaum.De acuerdo con las señales características obtenidas de launidad de movilidad ocular desarrollada propiamente paradetectar movimientos oculares mediante la técnica dereflexión de un haz de luz infrarroja sobre el limboesclerocorneal (figura 4), se han analizado diferentesformas de nistagmo en pacientes de diferentes edades y deambos sexos apegándonos a la clasificación de Dell'Osso[4], e inclusive se cuenta con un instrumento desarrolladopara detectar la posición compensadora de la cabeza(figura 5). Pero, en los resultados post-operatorios, se havisto que las modificaciones hechas en los músculosextrínsecos aunque corrigen la postura craneal, ladiplopía, y en cierto grado la amplitud del nistagmo sobrela posición particular para cada paciente, genera unmovimiento involuntario en posiciones antes perfectas; deaquí que no conformes con la aportación de una técnicaconfiable para detectar y evaluar nistagmo, ahora sepropone una metodología para corregirlo.

Fig. 4. Unidad de movilidad ocular para estudios de nistagmo.

Fig. 5. Sistema de detercción de posiciones compensadoras de lacabeza en pacientes con nistagmo congénito.

En primera instancia, se propuso al conejo de laboratoriocomo animal para probar un sistema de registro demovimientos oculares y de electro-estimulación; esto espara aprovechar sus característicsa de visión monocular,la cual puede compararse al efecto que produce el cerebrode anular la imagen del ojo que más problema presente, einclusive cuando el nistagmo se acompaña de diplopía(figura 6). Al animal se le colocan unos microelectrodosque estimulan por voltaje en un rango de amplitudmáxima de 80 volts, y se registra la respuesta mioeléctricay el movimiento del globo ocular

Fig. 6. Posibles problemas de posición ocular que provocan alcerebro buscar la visión monocular.

Se manejo una comparación anatómica y fisiológica entrelas estructuras relacionadas con la actividad motriz del ojode humanos y de conejo; así como de la cavidad ocularque lo contiene (figura 7). Para el registro de las señales,se diseñaron y construyeron unas tarjetas de captura parael BUS ISA que trabajan en la dirección 280 con surespectivo programa desarrollado en Visual Basic;también se diseño y construyo un electro-estimuladorportátil pequeño y de bajo costo que permitiráinicialmente controlar manualmente las variables del

estimulo eléctrico (amplitud, frecuencia, duración,pulsos). Se cuenta con la supervisión de un cirujanooftalmólogo para las pruebas de disección y para lacolocación de microelectrodos implantables.

(a)

(b)

Fig. 7. Comparación anatómica del globo ocular (a) de humano y(b) de conejo.

3. RESULTADOS

Con la instrumentación desarrollada, se cuenta ahora condos sistemas diferentes para capturar movimientosoculares obteniendo por una parte señales que muestran laubicación espacial del globo ocular, y por otro lado setienen las señales que muestran la actividad mioeléctricade la estructura muscular; esto ha permitido corroborar lascaracterísticas de respuesta a impulsos eléctricos de losmúsculos extraoculares del conejo de acuerdo a laliteratura.Se ha comenzado a analizar el efecto producido por laseñal electromiográfica de acuerdo al patrón deelectroestimulación, y se está en la fase de electro-estimulación “in vivo” para mantener una posición oculardurante variados intervalos de tiempo analizando elcambio en el comportamiento del músculo sano (figura8a), e inclusive se están tratando de detectar posiblesmolestias provocadas durante el mismo proceso; todo estoapoyados en la experiencia en clínica analizando losregistros obtenidos en personas con NC utilizando la

técnica de reflexión de luz infrarroja en el limboesclerocorneal [4, 5, 6, 7,8 9] (figura 8b). Se inició conconejos sanos y se espera continuar con algunos a los quese les haya provocado movimientos involuntariosoculares, para buscar el control del ojo en base a lascaracterísticas de los músculos que les permitenfortalecerse o fatigarse de acuerdo a una tarea queimplique algún esfuerzo [10].

(a)

(b)

Fig. 8. Respuesta de la actividad ocular con nistagmo (a) mioeléctrica,(b) espacial.

4. DISCUSIÓN

De acuerdo al avance que se ha tenido, se ha tratado de irsiempre a la par con los resultados expuestos en humanosde acuerdo al comportamiento eléctrico de los músculosextraoculares, y se han tenido que desechar ideasinicialmente sugeridas como lo era el sensado de latemperatura del ojo de acuerdo con la estimulación, y a suvéz, implicar un sistema para su control. La selecciónfinal del material que se propondrá para los electrodostodavía no es determinada, en virtud de que en animalesvivos no se ha desarrollado experimentación con lapsosgrandes de operación como para establecer la degradacióndel materiales o la afección sobre tejido vivo. Laautomatización del electro-estimulador se contemplaráhasta que se llegue a la etapa de manejar animales conproblemas de control ocular y se tengan definidos lospatrones de operación. Algunos instrumentosdesarrollados no son viables para actuar en conejos, por lo

que los resultados se comparan con registros en humanos.

5. CONCLUSIONES

Aunque se está comenzando a obtener registros derespuesta ante un estímulo eléctrico en músculosextraoculares "in vitro", se está buscando mejorar elproceso de colocación de electrodos mediante una cirugíaque afecte lo menos posible las estructuras anatómicasaledañas; también se está buscando la forma óptima desacar los alambres desde los músculos hacia el exteriordel animal para poder establecer un proceso final. Porotra parte, los registros obtenidos en animales muertoscorroboran los datos de la literatura y han marcado lapauta para iniciar en animales vivos una serie deexperimentos tentativos que busquen mediante elfortalecimiento y/o fatiga de los músculos, una acciónparecida a los procesos desarrollados con el métododebilitante de Kestenbaum.

Cabe resaltar que de acuerdo a la experiencia obtenidacon la actividad en clínica, se cuenta con lainstrumentación necesaria para evaluar resultados delsistema una vez que se aplique en su etapa final enpersonas con nistagmo; y mientras tanto, los instrumentosdesarrollados corroboran y enriquecen los resultados deotros autores dedicados solo a explicar el comportamientoelectrofisiológico de las estructuras musculares; pero ennuestro caso, aplicando esas características decontractibilidad, y en especial teniendo en cuenta que sonestructuras principalmente compuestas por fibras rápidas,buscamos el punto de poder efectuar el registro y laestimulación correctora en tiempo real sin tener queesperar tiempo considerable en reconocer el efecto que secausa compitiendo con señales cerebrales constantes yalteradas.

Como al sistema se le pretende dar la propiedad de serambulatorio una vez que se validen las pruebas enanimales vivos, y así lograr un funcionamiento conelectro-estimulación crítica, se sigue buscando la manerade colocar los electrodos en forma más rápida y establecerpara el conejo la mejor forma para acarrearlo durante eldía y la noche con la menor molestia posible; por lo quese piensa recurrir a la telemetría y en un futuro desarrollarcircuitos integrados especializados para reducir al mínimoel volumen de la instrumentación

AGRADECIMIENTOS

Al CONACYT por el apoyo otorgado mediante elconvenio 28080-A.

REFERENCIAS

[1] G. M. Breinin. "Electrophysiology of the extraocular muscle".University of Toronto Press, Toronto 1962.

[2] L. Dell’Osso, G. Gauthier, G. Liberman and L. Stark. "Eyemovement recordings as a doagnostic tool in a case of congenitalnystagmus". American Journal of Optpmetry. Vol. 49, 3-13,january 1972.

[3] L.R. Young, D. Sheena, "Survey of eye movement recordingmethods". Behavior Res. Methods and Instrum, vol. 7, 397-429,1975.

[4] L. F. Dell'Osso and R. B. Daroff. "Congenital nystagmus

waveforms and foveation strategy".Documenta Ophthalmologica,39, 1,pp. 155-182, 1975.

[4] E. Suaste G., P. Rivera, L. Solís , M. Rivera , J. Leybón and E.Suaste P. "Diagnostic System for Clinical Analysis in CongenitalNystagmus," Physics in Medicine and Biology, Vol. 39a , Part2 , pp. 580, 1994.

[5] J. Leybón, J. L. Avila, V. H. Salazar, E. Suaste, P. N. Rivera."Detección, Análisis y Simulación de los Movimientos Sacádicosen Nistagmo Congénito", Revista Mexicana de IngenieríaBiomédica, Vol. 16, No. 1, pp. 95, 1995.

[6] J. Leybón and E. Suaste. “Scanpath and Visual Perception inPatients with Congenital Nystagmus,” Medical and BiomedicalEngineering Computing, Part. 1, World Congress on MedicalPhysics and Biomedical Engineering, Nice, France, pp. 420,1997.

[7] E. Suaste, D. Rodríguez, J. Leybón, L. Leija and H. Sossa.“Congenital Nystagmus Waveforms Generator and SymbolicRepresentation,” 19th International Conference of the IEEEEngineering in Medicine and Biology Society, Chicago IL, USA,pp. 1478-1481, 1997.

[8] E. Suaste y J. Leybón. “Desarrollo Instrumental y Metodologicopara Analizar el Nistagmo Congénito,” Revista Mexicana deIngeniería Biomédica, vol. XIX No. 4, pp. 27-36, 1998.

[9] E. Suaste, J. Leybón. “Nistagmo congénito, un reto para laevolución tecnico-científica de las metodologias instrumentales,”1er Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, del 11 al14 de noviembre 1998, en Mazatlán, México, pp. 659-662.

[10] A. F. Fuchs, M. D. Binder. "Fatigue resistance of extraocularmuscles". Journal of Neurophysiology. 49, 1, 1983.

ELECTROSTIMULATION IN EXTRAOCULAR MUSCLES

ABSTRACT

It is described a technique and excellent aspects to make the electrostimulation of the lateral right and rightmedial extraocular muscles in dead rabbit, like preliminary process to analyze and to corroborate literaturedata on the electrophysiology, and this way to be able to control the horizontal ocular motor activity in aliveanimals and to substitute the surgery of Kestenbaum in the treatment of patient with congenital nistagmo,since it is the used method when the affection includes ocular deviation, position compensated of the head anda big width of the nistagmo.