Estimulação elétrica neuromuscular e estimulação eletrotáctil na restauração artificial da preensão e da propriocepção em tetraplégicos

Resumos

This paper discusses the use of electrical stimulation in upper limb sensorial and motor rehabilitation. Neuromuscular electrical stimulation (NMES) was used aiming to restore motor hand function by means of muscle activation sequences to perform daily living activities such as drinking, eating, writing and typewriting. Custom made gloves instrumented with force transducers were used aiming quantitative evaluation of the artificially generated movement. This system was used as a sensorial feedback supplier for an artificial proprioception system. Encoded tactile sensation relating to artificially generated movements was provided by electron-tactile stimulation. The results showed that the sensorial-motor integration attained yielded both functional movement restoration and the recognition of artificial grasp force patterns, in order to allow the neuroprosthetic system to become closer to the biologic system.

Neuromuscular Electrical Stimulation; Electrotactile Stimulation; Movement Restoration; Grasp; Proprioception; Tetraplegia

ARTIGO ORIGINAL

Estimulação elétrica neuromuscular e estimulação eletrotáctil na restauração artificial da preensão e da propriocepção em tetraplégicos

Maria Claudia Ferrari de Castro^I; Alberto Cliquet Jr.^II

^IDoutora em Engenharia Biomédica pela Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da UNICAMP e Pós-Doutoranda junto ao Departamento de Engenharia Elétrica da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (USP)

^IIProfessor Titular da Universidade de São Paulo (USP) junto ao Departamento de Engenharia Elétrica da Escola de Engenharia de São Carlos e Professor Titular junto ao Departamento de Ortopedia e Traumatologia da Faculdade de Ciências Médicas da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)

^{Endereço para correspondência}

RESUMO

Esse trabalho discute o uso da estimulação elétrica na reabilitação sensoriomotora de membros superiores paralisados. A restauração da função motora de preensão foi obtida pela aplicação da estimulação elétrica neuromuscular, em seqüências de ativação adequadas a realização de atividades do cotidiano como comer, beber, escrever e digitar. Uma luva instrumentalizada com sensores de força possibilitou quantificar o padrão de movimento exercido artificialmente. Esse sistema foi utilizado como alça de realimentação para a restauração de uma propriocepção através da aplicação da estimulação eletrotáctil, possibilitando a evocação de sensações tácteis codificadas, relacionadas ao movimento artificial. A integração sensoriomotora se deu pela aplicação simultânea dos sistemas desenvolvidos, possibilitando desde a restauração de padrões funcionais de preensão, até o reconhecimento do padrão de movimento exercido através das sensações evocadas artificialmente.

Descritores - Estimulação Elétrica Neuromuscular. Estimulação Eletrotáctil. Restauração de Movimentos. Preensão. Propriocepção. Tetraplegia

INTRODUÇÃO

Atividades baseadas na preensão e na manipulação de objetos, apesar de comuns no cotidiano, envolvem movimentos complexos requerendo a ativação de várias unidades musculares em uma seqüência tempo-espacial adequada. A destreza e a agilidade dos membros superiores é, portanto, um reflexo da capacidade do sistema nervoso em planejar, coordenar e executar esses movimentos ^(1,2).

Lesões medulares geralmente interrompem a comunicação funcional entre os centros superiores de controle motor e os músculos abaixo do nível da lesão, de tal forma que os comandos vindos dos centros supra-medulares não mais atingem o músculo alvo, bem como informações proprioceptivas, necessárias para realimentar o sistema, não mais atingem os centros de controle, resultando na paralisia dos membros. No caso de lesões aos níveis da quinta e sexta vértebras cervicais (C5 - C6) apesar de preservado o potencial de movimentação do braço (ombro e cotovelo), a função dos membros superiores está prejudicada pela falta de controle da musculatura intrínseca e extrínseca da mão, dificultando ou impedindo a preensão dos objetos necessários para a realização de atividades comuns do cotidiano.

A estimulação elétrica neuromuscular (EENM) é uma técnica de ativação neural, objetivando a obtenção de contrações musculares, mediante a utilização de baixos níveis de corrente. A adoção desta técnica não espera, à princípio, o retorno da função neurológica, mas sim fornecer um meio de restauração artificial da função motora. A ativação controlada das fibras nervosas que inervam grupos de músculos específicos, em uma seqüência tempo-espacial adequada, pode ser utilizada para a geração de padrões funcionais de preensão, contribuindo para a reintegração dos membros superiores na realização de atividades comuns do cotidiano ^(3-9).

Por outro lado, o comprometimento não é apenas da função motora atingindo também a função sensorial. Na prática, do ponto de vista do uso funcional e cotidiano da EENM, isto limita a autonomia e o desempenho dos usuários do sistema em controlar e coordenar o movimento obtido artificialmente, principalmente no que se refere à restauração da preensão. Neste caso, é necessário não apenas deflagrar uma seqüência de ativação preestabelecida, mas também graduar a força exercida, objetivando uma força necessária e suficiente para a preensão dos diferentes objetos. Uma força excessiva, além de poder danificar o objeto, contribui para acelerar o processo de fadiga muscular, um dos principais fatores que inviabilizam o uso cotidiano da EENM. Dessa forma, é necessário também a restauração da função proprioceptiva, realimentando o indivíduo com parâmetros que caracterizam a resposta motora obtida artificialmente, direcionando os ajustes que se fizerem necessários.

A função táctil tem sido estudada para servir como uma entrada sensorial suplementar podendo auxiliar e até mesmos substituir uma outra função sensorial. A estimulação eletrotáctil tem se mostrado uma técnica promissora para a implementação de uma comunicação suplementar através da função táctil. A informação deve ser codificada através da variação de parâmetros de estimulação que serão interpretados, possibilitando ao indivíduo relacionar a sensação táctil evocada à informação que se deseja transmitir ^(10,13,14).

Este trabalho vai de encontro a essas duas problemáticas, enfocando a integração sensoriomotora na restauração da preensão em lesados medulares, apresentando o desenvolvimento e a aplicação de sistemas artificiais baseados em estimulação elétrica neuromuscular e estimulação eletrotáctil.

MATERIAIS E MÉTODOS

Visando a restauração dos movimentos de preensão foi desenvolvido um sistema específico para uso clínico em laboratório. O estimulador é controlado por computador, viabilizando a elaboração e aplicação de diferentes estratégias de estimulação e possibilitando a ativação coordenada de até oito unidades musculares. O sinal de saída corresponde a trens de pulsos monofásicos em tensão, forma de onda quadrada, com largura máxima de 300 ms e freqüência de 20 Hz. A estimulação é liberada transcutaneamente, segundo a seqüência e temporização definidos, através de eletrodos de superfície auto-adesivos posicionados nos pontos motores dos músculos selecionados.

Foram elaboradas seqüências de ativação neural visando a restauração da preensão palmar (Tabela 1) e da preensão lateral (Tabela 2). Esses dois padrões (figura 1), tomados em conjunto, possibilitam a realização da maioria das atividades presentes no cotidiano. A seleção dos músculos baseou-se em estudos anatômicos, cinesiológicos e eletromiográficos em indivíduos normais e na viabilidade de estimulação com eletrodos de superfície, resultando em seis unidades motoras: Extensor Radial do Carpo (ERC), Extensor Comum dos dedos (ECD), Flexor Superficial dos dedos (FSD), Abdutor do polegar (AbP), Oponente do polegar (OpP) e Lumbricais (L). Para coordenar a ativação desses músculos, o movimento foi dividido em quatro sub-fases definidas como abertura, posicionamento, preensão e liberação do objeto. Em cada uma delas os músculos responsáveis pela função pretendida foram ativados segundo uma temporização específica, com exceção da sub-fase de preensão que tem duração variável de acordo com a atividade a ser desempenhada.

Uma terceira seqüência, baseada na ativação dos L e FSD, foi definida visando a obtenção de um posicionamento dos dedos adequados para o uso de um teclado de computador, atividade esta muito comum nos dias atuais, mas que por não envolver a preensão de objetos não pode ser realizada através das seqüências anteriores.

Objetivando a restauração de uma propriocepção de força foram desenvolvidos dois sistemas. O primeiro deles, capaz de detectar e quantificar a força exercida durante a preensão palmar, corresponde a uma luva de lycra com sensores de força (FSRs - force sensing resistors) posicionados na face palmar da falange medial dos dedos indicador e médio e na face lateral da falange distal do polegar ^(8,15,16). O segundo sistema, capaz de codificar a informação da variação da força de preensão através da estimulação eletrotáctil, baseia-se na aplicação do fenômeno phi-táctil, segundo o qual uma imagem táctil em movimento é evocada sobre a pele a partir de três pares de eletrodos, quando a amplitude dos estímulos, aplicados em seqüência, varia de forma complementar. Experimentos preliminares mostraram que os melhores resultados são obtidos com pulsos quadrados de 100 Hz, modulados em amplitude por um sinal de envoltória elíptica de 1 Hz de frequência, mantendo-se uma defasagem de 180 graus entre canais consecutivos. A aplicação dessa configuração particular de estimulação eletrotáctil resulta na percepção de uma elipse, como se um lápis estivesse exercendo pressão contra a pele desenhando de maneira dinâmica a figura (figura 2) ^(12,13).

A segunda etapa corresponde a elaboração de um código que associe a imagem evocada (elipse) a variações da força de preensão, parâmetro a ser transmitido e realimentado ao usuário do sistema de restauração artificial de movimentos. Definiu-se a amplitude de estimulação de cada um dos três canais de estimulação proporcional à força detectada por cada um dos sensores da luva instrumentalizada, de maneira a transmitir o padrão de força exercido, seja qualitativamente, identificando a distribuição da força entre os dedos monitorados, ou quantitativamente, especificando a magnitude da força aplicada.

A integração sensoriomotora pode ser descrita segundo o diagrama da figura 3. O sistema de estimulação elétrica neuromuscular é aplicado objetivando a restauração artificial do padrão de preensão. A luva instrumentalizada detecta e quantifica a força exercida por cada um dos dedos monitorados, definindo assim a amplitude de estimulação de cada um dos canais do estimulador eletrotáctil. A aplicação dessa estimulação, em uma região com sensibilidade preservada (região posterior do ombro), resulta em uma sensação táctil que deverá ser associada ao padrão da força de preensão através do código definido.

RESULTADOS

A aplicação do sistema de EENM com as seqüências de ativação definidas resultou na obtenção de padrões funcionais de preensão palmar e preensão lateral, viabilizando atividades comuns do cotidiano como comer, beber, escrever e datilografar (figura 4).

A ativação do ERC objetivou a obtenção da posição de função da mão. O ECD e o AbP conferem uma abertura da mão adequada para a introdução ou liberação do objeto. Para a preensão palmar a ativação dos L flexiona as articulações metacarpofalangeanas iniciando a aproximação dos dedos com relação ao objeto, enquanto o FSD e o OpP garantem a preensão. Já na preensão lateral a ativação do FSD prepara a mão para receber o objeto na face lateral do indicador, enquanto a ativação do OpP na fase seguinte garante a preensão.

A adequação da resposta motora final foi possível pela definição de amplitudes de estimulação específicas e adequadas para cada uma das unidades motoras, resultando em padrões funcionais próximos aos padrões normais ^(14,15). Estando o objeto fixo e estável na mão o indivíduo pode, através do controle voluntário do cotovelo e ombro, manipulá-lo de maneira a realizar a atividade pretendida.

A relação entre as amplitudes de estimulação das unidades motoras é um parâmetro importante e determinante da qualidade da resposta motora e do movimento pretendido. A ativação dos L pode, dependendo do nível de estimulação aplicado, ativar simultaneamente, pelo espalhamento das linhas de corrente, o extensor do dedo indicador, conferindo uma configuração da mão diferente. Apesar de limitar o desempenho da preensão palmar obtida pela aplicação da seqüência definida na Tabela 1, essa nova configuração pode ser utilizada com outros propósitos. Estando o indicador estendido, a ativação do FSD resulta apenas na flexão dos demais dedos. A configuração resultante, visualizada na figura 4 pode então ser utilizada para a digitação em um teclado de computador.

Com relação ao sistema de restauração da propriocepção de força, a aplicação do código definido resultou na percepção de variações da imagem padrão, caracterizadas por interrupções no traçado da elipse na região correspondente ao dedo que não estava exercendo força ou mesmo a diferenciação de diferentes níveis de pressão percebida sobre a pele correspondendo a diferentes níveis de força exercidos por cada um dos dedos (figura 5). Essa analogia mostrou-se de fácil interpretação por parte dos indivíduos tornando-se eficaz na transmissão do padrão de força exercida artificialmente. Os indivíduos com lesões a partir de C6 puderam descrever claramente o padrão de força exercida artificialmente pela identificação e interpretação da imagem táctil evocada sobre a pele através da aplicação da estimulação eletrotáctil.

Por outro lado, a região estimulada, em função da configuração monopolar dos eletrodos, excede a área com sensibilidade preservada em indivíduos com lesões acima de C6, de tal forma que indivíduos com lesões em C5 e entre C5 e C6 apresentaram uma percepção parcial da imagem, correspondendo a região superior da elipse. A região inferior não pode ser identificada com clareza, limitando a eficácia do código utilizado na transmissão de informação.

DISCUSSÃO

Apesar da complexidade e grande variedade de movimentos da mão é possível restringi-los aos padrões de preensão palmar e preensão lateral, que tomados em conjunto possibilitam a realização da maioria das atividades do cotidiano. A aplicação da EENM torna viável a restauração artificial desses movimentos auxiliando os indivíduos lesados medulares na reaquisição de sua independência.

O sistema de EENM desenvolvido foi adequado ao uso clínico em laboratório, podendo servir como um auxiliar no processo de reabilitação de membros superiores. As seqüências apresentadas possibilitaram ao indivíduo mostrar a sua habilidade em pegar e liberar objetos do cotidiano, viabilizando a realização de atividades como comer, beber, escrever e datilografar.

Além disso, o uso de eletrodos de superfície, considerados inadequados à restauração da preensão, não mostrou ser um limitador do desempenho do sistema, desde que corretamente posicionados nos pontos motores, restringindo apenas o número e as unidades motoras disponíveis à estimulação. Os parâmetros determinantes da qualidade do movimento obtido artificialmente correspondem à condição fisiológica das unidades motoras, seqüência de ativação e a relação de amplitudes de estimulação entre as unidades motoras envolvidas na geração do padrão de preensão.

Contudo, para o uso cotidiano da EENM é preciso o desenvolvimento de um sistema funcional, autônomo, e microprocessado, que permita ao indivíduo, através de um mecanismo de comando, controlar e coordenar o movimento, temporizando e graduando a resposta motora conforme as necessidades da atividade a ser desempenhada.

Por outro lado, o controle do movimento pressupõe uma avaliação dos parâmetros que o definem. Uma vez que a lesão medular afeta não apenas a função motora, mas também a sensorial, é necessário a implementação simultânea de uma propriocepção artificial, direcionando, de forma precisa e consciente, qualquer ação do indivíduo sobre o sistema, proporcionando os meios para ajustar a resposta motora ao movimento pretendido.

O movimento de preensão pode ser caracterizado em função da posição dos dedos e da força exercida. O primeiro parâmetro pode ser facilmente monitorado através da realimentação visual, o que não é possível de ser realizado com a força de preensão. Neste contexto, a estimulação eletrotáctil baseada no fenômeno phi-táctil mostrou-se, em função do código estabelecido, uma técnica promissora de restauração da propriocepção artificial de força de preensão, desde que a região estimulada apresente função sensorial preservada. A utilização da amplitude de estimulação, como parâmetro de transferência da informação, possibilitou a criação de padrões diferentes da imagem evocada sobre a pele, que puderam ser facilmente interpretados na descrição qualitativa e quantitativa do padrão da força exercido.

Já os indivíduos com lesões em C5 apresentaram déficit sensorial em 50% da região estimulada, limitando a percepção da imagem evocada. Nesses casos deverá se promover alterações do código de transferência da informação ou a utilização de uma configuração bipolar de eletrodos, restringindo a região a ser utilizada.

CONCLUSÕES

A restauração de padrões de preensão e da propriocepção de força com a aplicação da EENM e da estimulação eletrotáctil mostrou que a integração sensoriomotora não é apenas viável de ser implementada, mas fundamental para aumentar o desempenho e a funcionalidade da restauração de movimentos de preensão, na tentativa de se aproximar o funcionamento do sistema artificial ao do obtido de forma fisiológica.

AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de agradecer ao CNPq e a FAPESP pelo apoio financeiro na realização deste trabalho.

Trabalho realizado junto ao Departamento de Ortopedia e Traumatologia do Hospital das Clínicas da Faculdade de Ciências Médicas da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP).

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  20 Fev 2006
• Data do Fascículo
  Set 2001