clase prótesis mioeléctrica

INDICE

Que es una prótesis mioeléctrica?

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reseña histórica

Como es la transmisión del impulso nervioso que inerva un músculo? Como se utiliza esa señal para movilizar una prótesis mioeléctrica?

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Electrodo

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amplificación

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filtrado

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procesamiento procesamiento de la señal( digitalización) digitalización)

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estrategias de control

Distintas partes de una prótesis mioeléctrica

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conos

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suspensión

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baterías

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articulación de codo

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terminales

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Prótesis Mioeléctricas

Las prótesis mioeléctricas son prótesis eléctricas controladas por medio de un poder externo mioeléctrico, estas prótesis son hoy en día el tipo de miembro artificial con más alto grado de rehabilitación. Sintetizan el mejor aspecto estético, tienen gran fuerza y velocidad de prensión, así como muchas posibilidades de combinación y ampliación. El control mioeléctrico se basa en el concepto de que siempre que un músculo en el cuerpo se contrae, se produce una pequeña señal eléctrica (EMG) que es creada por la interacción química en el cuerpo. Esta señal es muy pequeña (5 a 20 μV) Un micro-voltio es una millonésima parte de un voltio. El uso uso de sens sensor ores es llam llamad ados os elec electr trod odos os que que entra entran n en cont contac acto to con con la superficie de la piel permite registrar la señal EMG. Una vez registrada, esta señal se ampli amplific fica a y es proces procesada ada despu después és por un contro controla lador dor que conmut conmuta a los motor motores es encen encendié diénd ndolo oloss y apagá apagándo ndolo loss en la mano, mano, la muñe muñeca ca o el codo codo para para produ producir cir movimiento y funcionalidad. funcionalidad. Éste tipo de prótesis tiene la ventaja de que sólo requieren que el usuario contraiga sus músculos para operarla, a diferencia de las prótesis accionadas por el cuerpo que requieren el movimiento general del cuerpo. Una prótesis controlada en forma mioeléctrica también puede eliminar el arnés de suspensión usando la técnica de suspensión por bloqueo de tejidos Prótesis Híbridas. Una prótesis híbrida combina la acción del cuerpo con el accionamiento por electricidad en una sola prótesis. En su gran mayoría, las prótesis híbridas sirven para individuos individuos que tienen amputaciones o deficiencias deficiencias transhumerales (arriba del codo) Las prótesis híbridas utilizan con frecuencia un codo accionado por el cuerpo y un dispositivo Terminal controlado en forma mioeléctrica (pinza o mano). Reseña histórica

El origen de las prótesis activadas por los músculos del muñón se da en Alemania gracias a Sauerbruch, el cual logra idear como conectar la musculatura flexora del antebrazo con el mecanismo de la mano artificial, mediante varillas de marfil que hacía pasar a través de túneles cutáneos, haciendo posible que la prótesis se moviera de forma activa debido a la contracción muscular. Es hasta 1946 cuando se crean sistemas de propulsión asistida, dando origen a las prótesis neumáticas y eléctricas. Un sistema de propulsión asistida es aquel en el que el movimiento es activado por algún agente externo al cuerpo. Uno de los sistemas protésicos de propulsión asistida es el neumático, el cual fue empleado de manera recurrente durante la crisis de dismelia en Alemania en 1962, debido a que ésta brindaba la opción de que el paciente mantuviera la función táctil activa, gracias a las prótesis de terminal abierto, el cual es un sistema de fijación en el que el muñón asoma por el final de la prótesis. Las prótesis con mando mioeléctrico comienzan a surgir en el año de 1960 en Rusia. Esta opción protésica funciona con pequeños potenciales extraídos durante la cont contra racc cció ión n de las las masa masass musc muscul ular ares es del del muñó muñón, n, sien siendo do esto estoss cond conduc ucid idos os y amplificados para obtener el movimiento de la misma. En sus inicios, este tipo de prótes prótesis is solo solo era coloca colocada da para para ampu amputad tados os de anteb antebraz razo, o, logran logrando do una fuerza fuerza prensora de dos kilos.











Transmisión del impulso nervioso

Neurona

Diagrama básico de una neurona Las Las neuro neurona nass son son un tipo tipo de célul células as del sistema sistema nervio nervioso so cuya cuya princi principal pal característica es la excitabilidad de su membrana plasmática; están especializadas en la recepción de estímulos y conducción conducción del impulso nervioso (en forma de potencial de acción) entre ellas o con otros tipos celulares, como por ejemplo las fibras musculares de la placa motora. Las neuronas presentan unas características morfológicas típicas que sustentan sus funciones: un cuerpo celular, central; una o varias prolongaciones cortas que generalmente transmiten impulsos hacia el soma celular, denominadas dendritas; y una prolongación larga, denominada axón o «cilindroeje», que conduce los impulsos desde el soma hacia otra neurona u órgano diana.

Cuerpo celular del que emergen multitud de neuritas. Axón

El axón es una prolongación del soma neuronal recubierta por una o más células de Schwann en el sistema nervioso periférico de vertebrados, con producción o no de mielina. Puede dividirse, de forma centrífuga al pericarion, en: cono axónico,











Función de las neuronas

Las neuronas tienen la capacidad de comunicarse con precisión, rapidez y a larga distancia con otras células, ya sean nerviosas, musculares o glandulares. A través través de las las neuron neuronas as se transm transmite iten n señal señales es eléctr eléctrica icass denomi denominad nadas as impul impulsos sos nerviosos. Estos impulsos nerviosos viajan por toda la neurona comenzando por las dendritas, y pasa por toda la neurona hasta llegar a los botones terminales, que pueden conectar con otra neurona, fibras musculares o glándulas. La conexión entre una neurona y otra se denomina sinapsis. Las neuronas conforman e interconectan los tres componentes del sistema nervioso: sensitivo, integrador o mixto y motor; De esta manera, un estímulo que es captado en alguna región sensorial entrega cierta información que es conducida a través de las neuronas y es analizada por el componente integrador, el cual puede elaborar una respuesta, cuya señal es conducida a través de las neuronas. Dicha respuesta es ejecutada mediante una acción motora, como la contracción muscular o secreción glandular. El impulso nervioso

Vista esquemática de un potencial de acción ideal, mostrando sus distintas fases. fases . Las Las neuro neurona nass transm transmite iten n ondas ondas de natura naturale leza za eléctr eléctrica ica origi originad nadas as como como cons consec ecue uenc ncia ia de un camb cambio io tran transi sito tori rio o de la perm permea eabi bililida dad d en la memb membra rana na plasmática. Su propagación se debe a la existencia de una diferencia de potencial o potencial de membrana (que surge gracias a las concentraciones distintas de iones a ambos lados de la membrana, según describe el potencial de Nernst) entre la parte interna y externa de la célula (por lo general de -70 mV). La carga de una célula inactiva se mantiene en valores negativos (el interior respecto al exterior) y varía dentro de unos estrechos márgenes. Cuando el potencial de membrana de una célula excitable se despolariza más allá de un cierto umbral (de 65mV a 55mV pp) la célula











Conducción saltatoria

En axones mielínicos, la conducción saltatoria es el proceso por el que los potenciales de acción parecen saltar a lo largo del axón, siendo regenerados sólo en unos anillos no aislados (los nodos de Ranvier). La conducción saltatoria incrementa la velocidad de conducción nerviosa sin tener que incrementar significativamente significativamente el diámetro del axón. La captación de las señales eléctricas producidas por los músculos durante una contracción muscular se conoce como electromiografía. Estas señales son generadas por el intercambio de iones a través de las membranas de las fibras musculares debido a una contracción muscular. Lo que la gente considera normalmente un músculo (por ejemplo, el bíceps de los brazos) consta de miles de células individuales, envueltas en tejido conectivo. Como las células musculares tienen una forma elongada, con frecuencia se llaman fibras. Las fibras musculares están dispuestas en haces llamados fascículos, que se encuentran envueltos en tejido conectivo. Cada fibra muscular esta formada por células fusiformes que contienen muchos núcleos. La membrana celular, que en un músculo se llama sarcolema, tiene múltiples extensiones hacia adentro que forman un grupo de túbulos T (túbulos transversos). El cito citopl plas asma ma de una una fibr fibra a musc muscul ular ar se deno denomi mina na sarc sarcop opla lasm sma, a, y el retí retícu culo lo endoplásmico endoplásmico recibe el nombre de retículo sarcoplásmico. sarcoplásmico.











Las estructuras en forma de hilo llamadas miofibrillas, corren a lo largo de la fibra muscular y están compuestas por dos tipos de estructuras aun más pequeñas, llamadas miofilamentos; los más gruesos, llamados filamentos de miosina, constan de sobre todo de esta proteína, en tanto que los de actina, contienen principalmente esta última proteína. Ambos están dispuestos a lo largo en las fibras musculares, de manera que se superponen entre sí. La superposición de las fibras produce un patrón de bandas o estrías, características del músculo estriado. Un sarcómero es una unidad de filamentos gruesos y delgados, los cuales están unidos en sus extremos por filamentos entrelazados, entrelazados, llamados línea Z. La contracción muscular típica es el resultado del acortamiento de sus células, el cual se realiza por medio del estrechamiento activo de los filamentos de actina y miosina. miosina. Cada sarcómero sarcómero es capaz capaz de tener tener contracci contracción ón indepen independien diente. te. Cuando Cuando muchos sarcómeros se contraen juntos, producen la contracción del músculo como un todo. Durante la contracción muscular, los filamentos de actina se contraen hacia adentro, entre los filamentos de miosina. Cuando esto ocurre el músculo se contrae. El proceso de la contracción muscular se resume de la siguiente manera: 

Cuando un impulso nervioso (mensaje neural) viaja a través de una neurona motora (célula nerviosa que estimula los músculos) y llega a la unión entre esta y el músculo, la primera libera un compuesto llamado acetilcolina, la cual es un neurotransmisor que posibilita el paso de un impulso nervioso desde las terminale t erminaless arborescentes del axón al órgano efector una vez que ha sido activada por la enzima acetilcolinesterasa acetilcolinesterasa y al tiempo tiempo el exceso exceso de acetil acetilcol colina ina es degrad degradad ado o por otra otra enzima enzima llamada colinesterasa. colinesterasa.



La acetilcolina se difunde a través de la unión (fisura mioneural) mioneural) entre la neur neuron ona a y la fibr fibra a musc muscul ular ar y se comb combin ina a con con rece recept ptor ores es en la superficie de esta última.



En respuesta a esto, el sarcolema (membrana celular) sufre un cambio eléctrico llamado despolarización. La despolarización es única en las células musculares no estando confinada a la membrana celular ya que también viaja hacia el interior de ella a lo largo de los túbulos T, iniciando un impulso eléctrico que se distribuye en el sarcolema, el cual se conoce como potencial de acción.



El impulso eléctrico se distribuye a través de los túbulos T y estimula la aber abertu tura ra de los los cana canale less prot protei eico coss en el retí retícu culo lo sarc sarcop oplá lásm smic ico, o, permitiendo la salida de iones de calcio (Ca2+) y su flujo hacia el sarcoplasma lo cual posibilita la contracción muscular.



El relajamiento de los músculos se lleva a cabo cuando el calcio se bombea de nuevo hacia el retículo sarcoplásmico.













eléctr eléctrico ico que que pueden pueden ser medida medidass y acondi acondicio cionad nadas as para para su poster posterio iorr análi análisis sis y tratamiento. Las señales señales electromiográficas electromiográficas (EMG) (EMG) son medidas utilizando los elementos elementos conductivos o electrodos sobre las superficie de la piel. La amplitud de las señales EMG varía desde los μV hasta un bajo rango de mV (menor de 10mV). La amplitud, y las propiedades de las señales EMG tanto en el dominio del tiempo como en la frecuencia dependen de factores tales como: 

El tiempo y la intensidad de la contracción muscular.



La distancia entre el electrodo y la zona de actividad muscular.



Las propiedades de la piel (por ejemplo el espesor de la piel y tejido adiposo).



Las propiedades del electrodo y el amplificador.



La calidad del contacto entre la piel y el electrodo.

La medición y la representación de las señales EMG de superficie dependen de las las prop propie ieda dade dess de los los elec electr trod odos os y su inte intera racc cció ión n con con la piel piel,, el dise diseño ño del del amplificador y la conversión y subsecuente almacenamiento de la señal de formato análogo a digital (A/D). La calidad de la señal EMG medida es usualmente descrita por la relación entre la señal EMG medida y las contribuciones de ruido indeseadas por el ambiente. La meta meta es maxi maximi miza zarr la ampl amplititud ud de la seña señall mien mientra trass se mini minimi miza za el ruid ruido. o. Asumiendo que el diseño del amplificador y el proceso de conversión A/D están por encim encima a de los los están estándar dares es acepta aceptabl bles, es, la relaci relación ón entre entre la señal señal y el ruido ruido esta esta determina determinada da casi exclusiv exclusivamen amente te por los electrodo electrodos, s, y más específica específicamente mente,, las propiedades propiedades del electrodo y el contacto con la piel. Los aspectos más importantes con respecto a los sensores son: el tipo de electrodo, la distancia entre electrodos, y la ubicación de los electrodos.











Tipos de Electrodos

Se utilizan comúnmente dos tipos de electrodos de superficie: •

Electrodos secos en contacto directo con la piel.

Electrodos con gel utilizando un gel electrolítico como interfase química entre la piel y la parte metálica del electrodo. •

secos

Los utilizados para el comando de una prótesis mioeléctrica son los electrodos Electrodos Secos

Los electrodos secos son principalmente utilizados en aplicaciones donde la geometría o tamaño del electrodo no permite gel. Electrodos en barra, y arreglos de electrodos son ejemplos de electrodos secos. Con los electrodos secos es común tener un circuito preamplificador cerca al electrodo, debido a la gran impedancia entre la piel y el electrodo asociada a los electrodos secos. Debido a que los electrodos secos son más pesados (típicamente > 20g) que los electrodos con gel (típicamente < 1g), es más difícil mantener la fijación del electrodo a la piel comparado con los electrodos con gel. Registro de un potencial de acción Una célula viva mantiene una diferencia de potencial entre ambos lados de su membrana, la cual separa el interior de la misma del medio líquido que la rodea. Cuando las células se estimulan, se produce un intercambio iónico entre el interior y el exterior celular, que altera el potencial de reposo dando lugar al potencial de acción. La propa propagac gación ión de estos estos estímu estímulo loss a través través de las estruc estructur turas as celul celulare aress posee posee características vectoriales, vectoriales, una magnitud, una dirección y un sentido La siguiente figura representa como varia la captación de los potenciales de acción a medida que un estimulo se conduce a través de un conjunto de células agrupadas en un tejido.











Electrodo A

Electrodo B

Diferencia de potencial entre electrodos 0 mv

Electrodo A

Electrodo B

Electrodo A

Electrodo B

Electrodo A

Electrodo B

Electrodo A

Electrodo B

Propagación del estimulo debajo del electrodo A

Propagación del estimulo debajo del electrodo A

La figura anterior muestra como es la señal eléctrica de una célula excitada, pero pero cuando cuando utiliz utilizamo amoss un elect electrod rodo o super superfic ficia iall para para detect detectar ar la señal señal eléct eléctric rica a generada por un músculo o grupo muscular en tensión o contracción la señal será una mezcla mezcla de todas todas las fibras fibras muscu muscular lares es excita excitadas das que que se encue encuentr ntran an cerca cerca del electrodo. Estas tendrán distinta amplitud según sea la intensidad con que se contrajo cada fibra o la profundad donde se encuentra con respecto a la superficie de la piel. La frecuencia también variará dependiendo de la frecuencia de disparo de cada fibra muscular detectada por el electrodo, esta puede oscilar entre el rango de 30-750 Hz.











Señal EMG- 40 µ volt de amplitud

Por todo lo expresado, el procesamiento de estos biopotenciales, para ser utilizadas en el control de una prótesis de miembro superior tendrá que pasar por una serie de etapas que adapten su impedancia, eleven su potencial, sean filtradas para evitar evitar inter interfer feren encia ciass del medio medio ambien ambiente te o de otros otros apara aparatos tos elect electrón rónico icos, s, sea rectificada y sea digitalizada. Para tal fin y para un correcto estudio de las mismas podemos dividir este procesamiento en las siguientes etapas: 

Adquisición y adaptación de señales EMG   

  

Preamplificación Preamplificación de señal electromiográfica( EMG) Filtrado Rectificación y Amplificación Amplificación Procesamiento de la señal Digitalización Estrategias de control

A estas etapas de adaptación de las señales EMG se le agregan las etapas destinadas al control del motor eléctrico y adaptación de la impedancia mecánica del mismo:











Preamplificación Preamplificación Señal EMG Señal EMG

Filtrado de Filtrado de señal EMG señal EMG

Rectificación Rectificación Amplificación Amplificación Estrategia de control Digitalización Digitalización

Procesador Digital de Señales

Control del servo

Realimentación Realimentación

Servomoto Servomoto r r

Mano Mano Protésic Protésic a a

Articulación Articulación de Codo de Codo













La señal del impulso nervioso se utiliza para comandar una prótesis mioeléctrica. Por lo que debe ser registrada o leída de alguna forma para luego amplificarla y procesarla debidamente. debidamente. En el comando de prótesis mioeléctricas se utilizan para tal fin electrodos de superficie activos. Estos electrodos poseen placas de metal (generalmente plata 99.99%) que estarán en contacto con la piel y un circuito electrónico que amplificará alrededor de cien veces la señal EMG superficial recogida para luego ser procesada por el CPU.











Una vez amplific amplificada ada la señal EMG se debe considerar considerar la eliminació eliminación n de las componen componentes tes de ruido de alta y baja frecuencia frecuencia y las provenient provenientes es de fuentes del entorno, como la componente componente típica de ruido de baja baja frecuencia introducida introducida por la red de distribución eléctrica de 60 o 50 Hz. Para eliminar esta ultima componente de ruido, lo mas común es utilizar utilizar un filtro tipo NOTCH, aunque aunque no sea lo mas recomendable, recomendable, ya que este podría eliminar o atenuar también las componentes de frecuencia con información útil dada la mayor concentración de energía en las señales de EMG entre los 50 Hz y los 150 Hz, aunque su canal canal de información información va desde los 20 Hz y los los 500 Hz. Para el filtrado de las componentes de ruido de baja frecuencia se utiliza un filtro pasa altos. Un filtro pasa altos de 10 Hz eliminara todas las componentes componentes de ruido inferi inferiore oress a dicha dicha frecue frecuenci ncia a inclu incluida ida las las tensio tensiones nes contin continua uass de offset offset de los los amplificadores amplificadores de instrumentación. instrumentación.

– ESTRATEGIAS DE CONTROL

Un

digi digita talili da

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util utiliz izad ad











En el caso de una prótesis prótesis mioeléctr mioeléctrica ica transradi transradial, al, donde donde solo se tiene una articulación de mano con movimiento de oposición del pulgar y los dedos, o una prótes prótesis is transh transhume umeral ral hibri hibrida da,, donde donde solo solo se cuente cuente con la artic articula ulació ción n del del codo codo mioeléctrico, el control de apertura y cierre de la mano o la flexo-extensión flexo-extensión del codo se podrá controlar con dos electrodos colocados el los vientres de un par de músculos antagónicos lo mas proximales posibles al muñón con, con la contracción de un músculo se abrirá la mano y con el otro se cerrará (ej. Bíceps y tríceps sural). También se puede utilizar un solo electrodo para realizar los movimientos del componente protésico que realizará los movimientos alternativamente seguido a cada contracción, ej. Contracción-apertura Contracción-apertura contracción-cierre. contracción-cierre. El paciente se entrenara para mantener mantener la contracción muscular por encima del umbral durante todo el tiempo que dure el movimiento que desea realizar. Cuando la prótesis prótesis cuente con dos articulaciones articulaciones mioeléctricas. Se suelen usar dos estrategias de control dependiendo de las habilidades del paciente: 

en el primer caso caso se usan los los mismos músculos músculos para los movimientos movimientos opuestos de la articulación o con la contracción simultánea de ambos músculos realizamos el cambio de función de una articulación a la otra.



En el segundo caso se opta por por usar usar una una de las las seña señale less EMG como lógica de triestado, determinando dos umbrales. El cambio de estado entre bajo y el primer umbral sigue siendo utili utilizad zado o para para con contro trolar lar los movimientos de la articulación y el paso del segundo umbral, con una contracción muscular











Realimentación

La real realim imen enta taci ción ón la form forman an todo todoss los los circ circui uito toss comp comple leme ment ntar ario ioss a la realimen realimentació tación n del servomoto servomotorr propiame propiamente nte dicho dicho que envían envían al micropro microprocesa cesador dor alguna alguna señal señal proven provenie iente nte de un transd transduct uctor or y que modifi modificar carán án las señale señaless que controlan los servomotores para aumentar la fuerza de aprensión o soltar el objeto. Estas señales pueden ser producto de:   

sensores de temperatura sensores de presión sensores de deslizamiento deslizamiento

Servomotores

En los párra párrafos fos anterio anteriores res descri describim bimos os las las estra estrateg tegia iass de control control que se encargan encargan de comandar comandar los servomoto servomotores. res. A continuac continuación ión describi describiremo remoss como son estos servomotores. servomotores. Un servomotor es un motor eléctrico que consta con la capacidad de ser controlado, tanto en velocidad como en posición y torque. Tiene integrado o adosado al menos un detector que permita conocer su posicionamiento y/o velocidad. A los detectores de posición se les llama "encoders". Si hablamos de un servo cuyo movimiento es giratorio, será necesario un encoder (un detector que codifica la posición) que nos dé un valor diferente a su salida según cual sea su posición en grados. Por lo general poseen un motor de CC, que gira a velocidad alta, una serie de engranajes para producir la red reducci cción de vel veloci ocidad dad de giro y acre crecen centar tar su capacidad de torque, un potenciómetro conectado al eje de salida (que es ni más ni menos que el encoder) y un











Conos

Los Los conos conos utili utilizad zados os en las las prótes prótesis is mioel mioeléct éctric ricas as los mismos mismos que que en las prótesis mecánicas o de fuerza propia. La diferencia radica en el sistemas de correas, en el caso que se utilicen, ya que estas solo cumplirán la función de suspensión de la prótesis. En estos casos se suele utilizar un correaje en nueve que es mas sencillo y como para el paciente. Cuando se trate de una prótesis para un nivel transhumeral o superior que utilice mano y codo mioeléctrico y en su estrategia de control cuente con un switch para el control del codo, se utilizará un correaje en ocho puesto que en este caso si cumple las funciones de suspensión y control de la prótesis.













Distintos fabricantes Manos































Codos mioeléctricos























Otros componentes Muñecas











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