TECNOLOG@ y DESARROLLORevista de Ciencia, Tecnologa y Medio AmbienteVOLUMEN II . AO 2004SEPARATA

ELECTROGONIMETRO COMO DISPOSITIVO DE REALIMENTACIN (BIOFEEDBACK) PARA ELECTRO- ESTIMULACIN CONTROLADAEmilio Lpez Beltrn

UNIVERSIDAD ALFONSO X EL SABIO Escuela Politcnica SuperiorVillanueva de la Caada (Madrid) Del texto: Emilio Lpez BeltrnNoviembre, 2004http://www.uax.es/publicaciones/archivos/TECELS04 003.pdf De la edicin: Revista Tecnolog@ y desarrolloEscuela Politcnica Superior.Universidad Alfonso X el Sabio.28691, Villanueva de la Caada (Madrid).ISSN: 1696-8085Editor: Julio Merino Garca tecnologia@uax.esNo est permitida la reproduccin total o parcial de este artculo, ni su almacenamiento o transmisin ya sea electrnico, qumico, mecnico, por fotocopia u otros mtodos, sin permisoprevio por escrito de la revista.ELECTROGONIMETRO COMO DISPOSITIVO DE REALIMENTACIN (BIOFEEDBACK) PARA ELECTRO- ESTIMULACIN CONTROLADAEmilio Lpez BeltrnDoctor en Ciencias Fsicas, Departamento de Electrnica y Sistemas, Escuela Politcnica Superior, Universidad Alfonso X El Sabio, Avda. de la Universidad n 1, Villanueva de la Caada, 28691 Madrid. Spain. Tlf.: 918109234, e-mail: elopebel@uax.esRESUMEN:Las terapias de rehabilitacin suelen requerir la participacin activa del paciente. Ejemplo de ello son personas con lesiones cuya capacidad de movimiento de las extremidades ha sido considerablemente mermada. El presente trabajo trata sobre un sistema de rehabilitacin donde es preciso que exista un mnimo de capacidad de movimiento voluntario residual en la extremidad a ser tratada. En particular, se presenta el diseo de un electrogonimetro, como componente del sistema de rehabilitacin, que se utiliza como elemento de interaccin con el paciente, indicndole el grado de participacin/progreso, durante el proceso de la rehabilitacin. Cuando el paciente logra mover la extremidad alcanzando un rango de movimiento establecido por el gonimetro, se activa un electroestimulador conectado a la extremidad, continuando as el movimiento ligeramente, desactivndose ste cuando el electrogonimetro detecta un segundo umbral de rango de movimiento. El refuerzo positivo que experimenta el paciente trae como consecuencia un mayor grado de implicacin con el objetivo de alcanzar la mxima recuperacin posible.PALABRAS CLAVE: Gonimetro, electrogonimetro, electroestimulacin, biofeedback, rehabilitacin.ABSTRACT:Rehabilitation therapies usually require active patient participation. People who suffered an injury, where the capacity of movement of a limb is considerably diminished, is an example of this kind of rehabilitation. The work presented in this paper considers a rehabilitation system where it is necessary that there ramains a minimum residual voluntary capacity of movement of the limb to be treated. In particular, a design of an electrogoniometer is described, which is a component of the rehabilitation system, that acts as an interative element whith the patient allowing him/her to visually monitor his/her degree of participation/progress during the rehabilitation process. Whenever the patient reaches a voluntary range of motion of the limb, previosly set as a threshold in the electrogoniometer, an electrical stimulator, connected to the limb, is turned on and aids the patient to continue his/her movement slightly further (muscle facilitation), and as a second threshold of movement is reached, the electrical stimulator is turned off. It is expected that this positive reinforcement that the patient experiences brings him/her to a higher level of motivation which should favor a maximum possible recovery in limb voluntary motion.KEY-WORDS: Goniometer, electrogoniometer, electrical stimulation, biofeedback, rehabilitation.El presente trabajo se realiz en colaboracin entre la Universidad de Minnesota y MEDTRONIC INC., Neuro-Division, Minnesota, U.S.A. Financiado por NIH (National Institutes of Health), U.S.A.2. Emilio Lpez Beltrn1.IntroduccinEn el presente trabajo se dise e implement un electrogonimetro como elemento fundamental en la interaccin con el paciente de un sistema de rehabilitacin. Los pacientes, cuyo rango de movimiento de alguna o varias extremidades ha sido severamente mermado, pero no totalmente, podran someterse a terapias de rehabilitacin utilizando un sistema como el que se describe en este artculo.La palabra gonimetro viene del griego gnia (ngulo) y metron (medida). Sirve para medir ngulos de giro alrededor de un eje. Por lo tanto, el gonimetro tiene un eje de giro o pivote al que se le acoplan dos segmentos o alidadas (Cervera, en lnea). En todo gonimetro se necesita que una de las alidadas sea fija y la otra mvil, de tal manera que una de ellas seale sobre un disco graduado (fijo mvil). En la Figura 1 se muestra un gonimetro.Figura 1. Esquema de un gonimetro.En rehabilitacin y terapia ocupacional se emplea para la medicin de ngulos articulares. Adicionalmente puede aportar valiosa informacin sobre la posicin, la velocidad y la aceleracin angular de determinadas articulaciones o de implementos deportivos articulados en general. En el presente trabajo el gonimetro se ha utilizado para medir ngulo de giro con el fin de determinar rango de movimiento de las articulaciones de las extremidades.Para medir el rango de movimiento de una extremidad, el electrogonimetro se posiciona de tal manera que su eje de giro coincida con el eje de giro de la articulacin o eje mecnico. Este proceso no es tan sencillo debido a la complejidad de las articulaciones. Si bien se considera que el movimiento de las articulaciones es primordialmente de rotacin, giro, basculacin, es frecuente que el eje de giro se desplace con el movimiento. En consecuencia, el punto de pivote del electrogonimetro normalmente se posiciona de tal manera que coincida con el punto medio del desplazamiento del eje de giro de la articulacin, teniendo encuenta que la trayectoria que describe dicho desplazamiento es del tipo ovoide (Williams et al., 2001). Debido a que en la terapia de rehabilitacin se trabaja con pequeos movimientos o giros de la articulacin, la seleccin del eje mecnico podra realizarse como el eje de rotacin conjunta ms habitual.Las articulaciones constituyen uniones de huesos (del ingls joint articulation). Entre las articulaciones que es posible aplicar sta rehabilitacin se encuentran hombro, codo, mueca, rodilla y tobillo. Son articulaciones que poseen un elevado grado de movimiento. Pueden diferir en los movimientos permitidos debido a la manera en que se unen los huesos o grupos de huesos, el cartlago o cartlagos y la cpsula fibrosa que los envuelve, las uniones con los tendones o ligamentos, que a su vez unen con los msculos que producen los movimientos de los huesos que forman la articulacin.Para explicar el sistema de rehabilitacin nos centraremos en la articulacin del codo. Como la terapia se centra en movimientos aislados, el mismo mtodo se aplicar para otras articulaciones. El codo, que es la unin del brazo con el antebrazo, es una articulacin sinovial compuesta. Realmente est constituida por tres articulaciones (Daza Lesmes, 1996). El tipo de movimiento del codo es de basculacin asociada a giro y rotacin conjunta. En definitiva, el codo permite flexin y extensin, que conjuntamente est acompaada de una ligera rotacin (Williams et al., 2001). Para describir el funcionamiento del sistema de rehabilitacin nos hemos centrado en el movimiento de giro, examinando nicamente el rango de movimiento de flexin. Este movimiento de giro es de tipo pivote restringido a un solo eje transversal. Por este motivo al codo se le asocia un grado de libertad. Por contraposicin, al hombro, por ejemplo, se le asocian tres grados de libertad, el mximo para articulaciones en el cuerpo humano.Una vez colocado el electrogonimetro para detectar el ngulo de la articulacin del codo, se colocan los electrodos en el brazo directamente sobre los msculos flexores (Daza Lesmes, 1996). Los electrodos se conectan a un electroestimulador o FES (Functional Electrical Stimulation), que puede ser un TENS (Transcutaneous Electrical Nerve Stimulator) o a un aparato de NMES (Neuromuscular Electrical Stimulation) (Roth Gersh, 1992). El paciente se sienta y coloca el brazo sobre un soporte o mesa, donde el codo est semiflexionado, adoptando una postura cmoda. En la Figura 2 se muestra el sistema de rehabilitacin. Para realizar la rehabilitacin no es necesario que el codo est lo ms extendido posible.4. Emilio Lpez BeltrnFigura 2. Sistema de rehabilitacin.El protocolo de rehabilitacin es el siguiente. El paciente inicia un movimiento voluntario del brazo. El electrogonimetro registra el ngulo alcanzado por el codo. Teniendo en cuenta este movimiento voluntario, se marca un primer ngulo (umbral) en el electrogonimetro. Para que la terapia contine, el paciente debe alcanzar ese ngulo. Si el ngulo es alcanzado, el electrogonimetro servir de interruptor para activar o encender el electroestimulador. Con el electroestimulador activado se contina, de manera externa, la contraccin de los msculos flexores. Se precisa que dicha contraccin sea lo ms parecido posible a una contraccin voluntaria. El paciente observa en todo momento el movimiento, el cual se ha prolongado con la ayuda del electroestimulador, de tal manera que se aumente ligeramente el rango que el paciente puede alcanzar de manera voluntaria. Esto se consigue marcando un segundo ngulo umbral en el electrogonimetro que, una vez alcanzado, apagar el electroestimulador. El brazo retornar a su posicin original por la accin de la gravedad.El efecto que se produce con este ligero aumento del movimiento del brazo ms all del acto voluntario, constituye un refuerzo positivo que estimular al paciente a aumentar de manera voluntaria su capacidad de movimiento. El hecho de que el paciente sea consciente de unparmetro de su cuerpo e intente modificarlo, constituye un comportamiento totalmente anlogo a lo que tradicionalmente se conoce como biofeedback (Arlandis Guzmn et al., 2000). El proceso de rehabilitacin se repite las veces y las sesiones que considere el terapeuta.Esta terapia de rehabilitacin se propone para pacientes con lesiones o enfermedades que han afectado los mecanismos neuro-musculares del control del movimiento. Por ejemplo, se podra aplicar a personas que tras sufrir un accidente han quedado hemipljicos o parapljicos, donde ha permanecido alguna capacidad residual voluntaria de movimiento de las extremidades. El xito de este proceso de rehabilitacin se basa en el fenmeno de la plasticidad (Bishop, 1982), que consiste en la capacidad de regeneracin pudindose establecer o reclutar nuevas vas nerviosas en pacientes que han sufrido daos en las vas nerviosas aferentes de la columna. Tambin puede aplicarse como mecanismo de ayuda al paciente a realizar el movimiento, donde el electroestimulador acta mientras el paciente ejecuta el movimiento de manera voluntaria, dando lugar a procedimientos de facilitacin o reeducacin muscular (Roth Gersh, 1992). Incluso, este sistema se podra utilizar en el tratamiento de la espasticidad, para pacientes que han sufrido un trauma en el sistema nervioso central, interfiriendo en la recuperacin del control normal del movimiento de las extremidades (Roth Gersh, 1992). Adicionalmente, resulta de gran utilidad en la recuperacin de pacientes con lesiones menos graves, como por ejemplo al sufrir una lesin al practicar deporte, donde la extremidad puede moverse sin causar dolor, agilizando el proceso de recuperacin.2. ElectrogonimetroEl electrogonimetro que se ha diseado e implementado detecta el movimiento de algunas articulaciones de las extremidades en humanos. Para ello, detecta el ngulo de desplazamiento de las articulaciones. Incorpora la posibilidad de detectar dos posiciones o ngulos de desplazamiento. Estos ngulos o umbrales detectados servirn para encender y apagar un electroestimulador cuyos electrodos estarn colocados en la superficie de la piel directamente sobre los msculos que causan movimiento de la articulacin. Cuando la articulacin alcanza el primer umbral de ngulo, el circuito encender el electroestimulador provocando la continuidad del movimiento de la articulacin hasta alcanzar un segundo umbral de posicin. En esta posicin se apagar el electroestimulador, cesando el movimiento inducido de la articulacin. La articulacin retorna a su posicin de reposo cayendo por la accin de la gravedad, estando el paciente preparado para iniciar otro intento.6. Emilio Lpez BeltrnSe construy un gonimetro con un eje de pivote y dos alidadas de aluminio de 15 cm de longitud, siendo una de stas fija al eje de pivote. La alidada fija fue colocada en el brazo, de tal manera que la alidada mvil poda girar junto con el movimiento de giro del codo. Se tomaron en consideracin tanto aspectos econmicos como mecnicos en el diseo, siendo aluminio un material idneo, tanto por su ligereza como su precio.Para convertir ngulo de giro a una correspondiente seal elctrica, en el eje de pivote se coloc un potencimetro. Se utiliz un potencimetro de giro suave y preciso (JDK) de 5 K ajustable de una vuelta, de 23 mm y 5 W de potencia nominal. Son buenos disipadores de calor, presentan una tolerancia del elemento resistivo de 10%, permitiendo una rotacin nominal de 360 (270 elctricos/300 mecnicos). Para obtener el grado de precisin del potencimetro se realizaron varias pruebas de calibracin y se obtuvo una correlacin entre el voltaje del potencimetro (Vp) y su correspondiente resistencia, indicada por el terminal movible, de 0,999 (comportamiento casi perfecto lineal), donde no se encontr evidencia de presencia de histresis.A partir de la seal de voltaje del potencimetro se procedi al diseo de la parte electrnica, que consista en el circuito que controlaba al electroestimulador, incorporando un circuito lgico que anulaba el encendido del electroestimulador cuando el electrogonimetro retornaba a su posicin de reposo.El objetivo principal del circuito consista en proporcionar una seal de on y off para controlar encender/apagar el electroestimulador. Estas seales de on y off vienen determinadas por los dos umbrales de deteccin, de tal manera que permite variar de manera independiente tanto la posicin de on como la de off.Dado que la mayora de los electroestimuladores funcionan con una batera de 9 V, tambin el electrogonimetro fue alimentado con 9 V. Por lo tanto, la salida del electrogonimetro consista en una seal de voltaje en forma de pulso de 9 V, cuyos extremos del pulso se pueden variar de manera independiente.En el diseo del circuito, haba que garantizar una relacin lineal entre ngulo de desplazamiento y voltaje Vp. Para ello es esencial no extraer corriente alguna (en el mayor grado posible) a travs del terminal de contacto de giro del potencimetro, manteniendo as una corriente constante en el circuito de captacin de Vp mientras el potencimetro rota. Este requisito es indispensable para garantizar la proporcionalidad lineal entre Vp y R (resistencia variable del potencimetro). Esto se consigui acoplando ste circuito de captacin medianteamplificadores y diodos, proveyendo as unas impedancias de captacin de Vp elevadas (ver Figura 3).Vo (inicio) = +9 VVT (inicio) = 0 VVo (electroestimulador encendido) = -9 VVT (electroestimulador encendido) = +9VVo (electroestimulador apagado) = -9 VVT (electroestimulador apagado) = 0 V Figura 3. Circuito electrnico del electrogonimetroDel circuito de la Figura 3 se observa que se pueden ajustar dos voltajes de umbral, VC1 y VC2, donde VC1 representa el ngulo umbral que debe alcanzar el paciente y VC2 representa el ngulo umbral para apagar el electroestimulador, por lo tanto VC1