Систем за функционалну електричну стимулацију базиран на електродама са већим бројем проводних поља

Abstract

Функционална електрична стимулација (ФЕС) је техника артифицијелне активације инервисаних скелетних мишића пацијената након повреде или болести централног нервног система (ЦНС) путем ексцитације мотонеурона електричним импулсима. Ова метода омогућује пацијентима који су изгубили моћ вољне контроле појединих мишића или комплетних удова да коришћењем електронског уређаја ( стимулатора) поврате неке од функција неопходних за повећање квалитета живота. Сам процес електричне стимулације обухвата интерпретацију команди пацијента или терапеута, дефинисање параметара стимулације, генерисање струјних импулса прецизно одређених параметара (облик импулса, амплитуда, трајање и фреквенција), конвертовање струје електрона у струју јона која ствара услове за ексцитацију неурона. Примена електричне стимулације је започела и развије се интензивно од шездесетих година двадесетог века, али су унапређења у свим аспектима неопходна у циљу широког прихватања и употребе система за ФЕС. Највећи проблеми при пројектовању и примени ФЕС система су дефинисање и реализација управљачког механизма, нефизиолошко активирање мишића које резултује замором и неселективношћу стимулације, односно потреба за независним управљањем појединачним мишићима упркос просторној близини њихових моторних неурона и активирању рефлексних одговора ексцитацијом сензорних неурона. Решавањем ових отворених питања бави се више научних група широм света и користи различите приступе. Тако је развијена технологија имплантираних система којом је могуће постићи селективну стимулацију мотонеурона, али која са собом носи ризике везане за хируршку операцију . Висока цена, инвазивност, потреба за одржавањем система која укључује могућност поновљене операције као и техничка несавршеност имплантираних уређаја су, уз чињеницу да добитак за пацијента није довољан, примарни разлози малог броја оваквих система у свету. Са друге стране, површинска стимулација не конкурише имплантираном систему у погледу селективности стимулације, естетике и једноставности припреме система при свакој употреби. Као унапређење технике површинске стимулације, у последњој деценији развијена је методологија коришћења површинске електроде сачињене од већег броја независних поља (матричне електроде) чиме су отклоњени неке од недостатака конвенционалне површинске стимулације. Такође, коришћење матричних електрода отвара потенцијал увођења нових образаца стимулације намењених приближавању вештачки генерисаних и природних покрета...

Functional electrical stimulation (FES) is a technique for activation of innervated skeletal muscles in patients after injury or disease of the central nervous system (CNS) by controlled bursts of electrical impulses. The FES allows patients who have lost their volitional control of movement to restore some of the functions necessary for the improved quality of life. Аn effective FES comprises the following: interpretation of command signal originating from a patient or a therapist, selection of the appropriate set of parameters of stimulation for a given patient and her/his status, generation of electrical pulses with precisely defined parameters (pulse shape, amplitude, duration, and frequency) that are converted into ionic current in the tissues where the neurons will be excited. FES has been introduced in sixties of the XX century for the assistance of the dropfoot and closing of the hand. New designs and improved knowhow in the domain of neurosciences contributed to the improved performance of the FES; yet, it still has not reached its maturity and it is not used widely in the clinical and home environment. Major problems are the non-physiological activation of muscles that results in fast occurrence of fatigue, lack of selectivity (the independent management of individual muscles, despite their spatial proximity innervations zone) and control which would allow the user to concentrate on what she/he is doing and not on how to use the FES. One approach presented in literature and brought to the market suggests implanted systems that provide selective stimulation of motoneurons but introduce risks associated with surgical procedure. More precisely, the high cost, invasiveness, the need to maintain such a system which includes the possibility of repeated surgery and technical imperfection of implanted devices are the reasons that only a small number of such systems have been accepted by the users. On the other hand, conventional surface stimulation cannot achieve sufficient level of selectivity, aesthetics and ease of the system set-up for application, which are the reasons for slow translation of the technology to practice. During the last decade methodology based on electrode comprising multiple, independent pads (multi-pad electrode) succeeded to resolve some of drawbacks associated with conventional surface electrical stimulation. In parallel, the utilization of multi-pad electrodes permits application of new stimulation paradigms designed for generating "natural like" artificial movements...