Estimulação elétrica funcional - Functional electrical stimulation
A estimulação elétrica funcional ( FES ) é uma técnica que utiliza pulsos elétricos de baixa energia para gerar artificialmente os movimentos corporais em indivíduos paralisados devido a lesões no sistema nervoso central . Mais especificamente, a FES pode ser usada para gerar contração muscular em membros paralisados para produzir funções como agarrar, andar, esvaziar a bexiga e ficar em pé. Esta tecnologia foi originalmente usada para desenvolver neuropróteses que foram implementadas para substituir permanentemente funções prejudicadas em indivíduos com lesão medular (LM), traumatismo craniano , acidente vascular cerebral e outros distúrbios neurológicos . Em outras palavras, uma pessoa usaria o dispositivo toda vez que quisesse gerar uma função desejada. A FES às vezes também é chamada de estimulação elétrica neuromuscular ( NMES ).
A tecnologia FES tem sido usada para fornecer terapias para retreinar as funções motoras voluntárias, como agarrar, alcançar e andar. Nesta modalidade, o FES é usado como uma terapia de curto prazo, cujo objetivo é a restauração da função voluntária e não a dependência vitalícia do dispositivo FES, daí o nome de terapia de estimulação elétrica funcional , terapia FES ( FET ou FEST ). Em outras palavras, o FEST é usado como uma intervenção de curto prazo para ajudar o sistema nervoso central da pessoa a reaprender a executar funções prejudicadas, ao invés de tornar a pessoa dependente de neuropróteses para o resto de sua vida. Os ensaios clínicos de Fase II iniciais conduzidos com o FEST para alcançar, agarrar e caminhar foram realizados no KITE, o braço de pesquisa do Instituto de Reabilitação de Toronto .
Princípios
Os neurônios são células eletricamente ativas . Nos neurônios, a informação é codificada e transmitida como uma série de impulsos elétricos chamados potenciais de ação , que representam uma breve mudança no potencial elétrico da célula de aproximadamente 80-90 mV. Os sinais nervosos são modulados em frequência; isto é, o número de potenciais de ação que ocorrem em uma unidade de tempo é proporcional à intensidade do sinal transmitido. A frequência típica do potencial de ação está entre 4 e 12 Hz. Uma estimulação elétrica pode provocar artificialmente esse potencial de ação, alterando o potencial elétrico através da membrana de uma célula nervosa (isso também inclui o axônio do nervo) induzindo carga elétrica na vizinhança imediata da membrana externa da célula.
Os dispositivos FES tiram proveito dessa propriedade para ativar eletricamente as células nervosas, que podem então ativar os músculos ou outros nervos. No entanto, deve-se ter cuidado especial ao projetar dispositivos FES seguros, pois a corrente elétrica através do tecido pode levar a efeitos adversos, como diminuição da excitabilidade ou morte celular. Isso pode ser devido a danos térmicos, eletroporação da membrana celular, produtos tóxicos de reações eletroquímicas na superfície do eletrodo ou superexcitação dos neurônios ou músculos alvo. Normalmente a FES se preocupa com a estimulação de neurônios e nervos . Em algumas aplicações, a FES pode ser usada para estimular diretamente os músculos , se seus nervos periféricos tiverem sido cortados ou danificados (ou seja, músculos desnervados). No entanto, a maioria dos sistemas FES usados hoje estimulam os nervos ou os pontos onde ocorre a junção entre o nervo e o músculo. O feixe nervoso estimulado inclui nervos motores (nervos eferentes - nervos descendentes do sistema nervoso central para os músculos) e nervos sensoriais (nervos aferentes - nervos ascendentes dos órgãos sensoriais para o sistema nervoso central).
A carga elétrica pode estimular os nervos motores e sensoriais. Em algumas aplicações, os nervos são estimulados a gerar atividade muscular localizada, ou seja, a estimulação visa gerar contração muscular direta. Em outras aplicações, a estimulação é usada para ativar reflexos simples ou complexos . Em outras palavras, os nervos aferentes são estimulados a evocar um reflexo, que normalmente é expresso como uma contração coordenada de um ou mais músculos em resposta à estimulação do nervo sensorial.
Quando um nervo é estimulado, isto é, quando carga elétrica suficiente é fornecida a uma célula nervosa, ocorre uma despolarização localizada da parede celular, resultando em um potencial de ação que se propaga em ambas as extremidades do axônio . Normalmente, uma "onda" de potenciais de ação se propagará ao longo do axônio em direção ao músculo (propagação ortodrômica) e, simultaneamente, a outra "onda" de potenciais de ação se propagará em direção ao corpo celular no sistema nervoso central (propagação antidrômica). Embora a direção de propagação no caso da estimulação antidrômica e da estimulação do nervo sensorial seja a mesma, ou seja, em direção ao sistema nervoso central, seus efeitos finais são muito diferentes. O estímulo antidrômico foi considerado um efeito colateral irrelevante da FES. No entanto, nos últimos anos, uma hipótese foi apresentada sugerindo o papel potencial da estimulação antidrômica na neurorreabilitação. Normalmente, a FES se preocupa com a estimulação ortodrômica e a usa para gerar contrações musculares coordenadas.
No caso em que os nervos sensoriais são estimulados, os arcos reflexos são acionados pela estimulação nos axônios dos nervos sensoriais em locais periféricos específicos. Um exemplo de tal reflexo é o reflexo de retirada dos flexores . O reflexo de retirada dos flexores ocorre naturalmente quando uma sensação dolorosa repentina é aplicada à planta do pé. Isso resulta na flexão do quadril, joelho e tornozelo da perna afetada e extensão da perna contralateral para afastar o pé do estímulo doloroso o mais rápido possível. A estimulação nervosa sensorial pode ser usada para gerar tarefas motoras desejadas, como evocar o reflexo de retirada dos flexores para facilitar a caminhada em indivíduos após um AVC , ou pode ser usada para alterar os reflexos ou a função do sistema nervoso central. No último caso, a estimulação elétrica é comumente descrita pelo termo neuromodulação .
Os nervos podem ser estimulados usando eletrodos de superfície (transcutâneos) ou subcutâneos (percutâneos ou implantados). Os eletrodos de superfície são colocados na superfície da pele acima do nervo ou músculo que precisa ser "ativado". Eles são não invasivos, fáceis de aplicar e geralmente baratos. Até recentemente, a crença comum no campo FES era que, devido à impedância de contato eletrodo-pele, impedância da pele e tecido e dispersão de corrente durante a estimulação, pulsos de intensidade muito mais alta são necessários para estimular os nervos usando eletrodos de estimulação de superfície em comparação com o eletrodos subcutâneos.
(Esta afirmação está correta para todos os estimuladores disponíveis comercialmente, exceto o estimulador MyndMove (desenvolvido meu Milos R. Popovic ), que implementou um novo pulso de estimulação que permite ao estimulador gerar contrações musculares sem causar desconforto durante a estimulação, o que é um problema comum comercialmente sistemas de estimulação elétrica transcutânea disponíveis, com base nas patentes dos EUA 8.880.178 (2014), 9.440.077 (2016) e 9.592.380 (2016) e patentes estrangeiras relacionadas.)
Uma das principais limitações da estimulação elétrica transcutânea é que alguns nervos, por exemplo aqueles que inervam os flexores do quadril, são muito profundos para serem estimulados com eletrodos de superfície. Essa limitação pode ser parcialmente resolvida usando matrizes de eletrodos, que podem usar vários contatos elétricos para aumentar a seletividade.
Os eletrodos subcutâneos podem ser divididos em eletrodos percutâneos e implantados. Os eletrodos percutâneos consistem em fios finos inseridos através da pele e no tecido muscular próximo ao nervo-alvo. Esses eletrodos normalmente permanecem no local por um curto período de tempo e são considerados apenas para intervenções FES de curto prazo. No entanto, é importante mencionar que alguns grupos, como o Cleveland FES Center , têm sido capazes de usar eletrodos percutâneos com segurança em pacientes individuais por meses e anos. Uma das desvantagens de usar os eletrodos percutâneos é que eles são propensos a infecções e deve-se tomar cuidado especial para prevenir tais eventos.
A outra classe de eletrodos subcutâneos são os eletrodos implantados. Estes são implantados permanentemente no corpo do consumidor e permanecem no corpo pelo resto da vida do consumidor. Em comparação com os eletrodos de estimulação de superfície, os eletrodos implantados e percutâneos têm potencialmente uma seletividade de estimulação mais alta, que é uma característica desejada dos sistemas FES. Para alcançar maior seletividade ao aplicar amplitudes de estimulação mais baixas, é recomendado que o cátodo e o ânodo estejam nas proximidades do nervo que é estimulado. As desvantagens dos eletrodos implantados são que exigem um procedimento cirúrgico invasivo para instalar e, como é o caso de toda intervenção cirúrgica, existe a possibilidade de infecção após a implantação.
Os protocolos de estimulação típicos usados na FES clínica envolvem trens de pulsos elétricos. Pulsos bifásicos com carga balanceada são empregados porque melhoram a segurança da estimulação elétrica e minimizam alguns dos efeitos adversos. A duração do pulso, a amplitude do pulso e a frequência do pulso são os principais parâmetros regulados pelos dispositivos FES. Os dispositivos FES podem ser regulados por corrente ou tensão. Os sistemas FES regulados atuais sempre fornecem a mesma carga ao tecido, independentemente da resistência da pele / tecido. Por causa disso, os atuais sistemas FES regulados não requerem ajustes frequentes da intensidade de estimulação. Os dispositivos regulados por voltagem podem exigir ajustes mais frequentes da intensidade de estimulação, pois a carga que eles fornecem muda conforme a resistência da pele / tecido muda. As propriedades dos trens de pulso de estimulação e quantos canais são usados durante a estimulação definem o quão complexa e sofisticada é a função induzida por FES. O sistema pode ser tão simples, como os sistemas FES para fortalecimento muscular, ou complexos, como os sistemas FES usados para alcançar e agarrar simultaneamente, ou locomoção bípede.
Nota: Este parágrafo foi desenvolvido em parte usando material da seguinte referência. Para obter mais informações sobre a FES, consulte essa e outras referências fornecidas no parágrafo.
História
A estimulação elétrica foi utilizada desde o antigo Egito, quando se acreditava que colocar torpedos em uma piscina com um ser humano era terapêutico. A FES - que envolve estimular o órgão-alvo durante um movimento funcional (por exemplo, caminhar, pegar um item) - foi inicialmente referida como eletroterapia funcional por Liberson. Foi só em 1967 que o termo estimulação elétrica funcional foi cunhado por Moe e Post, e usado em uma patente intitulada "Estimulação elétrica de músculo privado de controle nervoso com o objetivo de fornecer contração muscular e produzir um momento funcionalmente útil". A patente de Offner descreve um sistema usado para tratar a queda do pé .
Os primeiros dispositivos FES comercialmente disponíveis tratavam a queda do pé estimulando o nervo fibular durante a marcha. Neste caso, um interruptor, localizado na extremidade do calcanhar de um sapato do usuário, ativaria um estimulador usado pelo usuário.
Aplicativos comuns
Lesão da medula espinal
Lesões na medula espinhal interferem nos sinais elétricos entre o cérebro e os músculos, resultando em paralisia abaixo do nível da lesão. A restauração da função dos membros, bem como a regulação da função dos órgãos são a principal aplicação da FES, embora a FES também seja usada para o tratamento de dor, pressão, prevenção de feridas, etc. Alguns exemplos de aplicações da FES envolvem o uso de neuropróteses que permitem às pessoas com paraplegia para andar, ficar de pé, restaurar a função de preensão das mãos em pessoas com tetraplegia ou restaurar a função intestinal e da bexiga. A FES de alta intensidade dos músculos quadríceps permite que pacientes com lesão completa do neurônio motor inferior aumentem a massa muscular, o diâmetro das fibras musculares, melhorem a organização ultraestrutural do material contrátil, aumentem a produção de força durante a estimulação elétrica e realizem exercícios em pé assistidos por FES.
Andando com lesão na medula espinhal
Kralj e seus colegas descreveram uma técnica para marcha paraplégica usando estimulação de superfície, que continua sendo o método mais popular em uso hoje. Eletrodos são colocados sobre os músculos quadríceps e nervos fibulares bilateralmente. O usuário controla a neuroprótese com dois botões fixados nas alças esquerda e direita de um andador, ou em bengalas ou muletas. Quando a neuroprótese é ligada, ambos os músculos quadríceps são estimulados para fornecer uma postura em pé. Eletrodos são colocados sobre os músculos quadríceps e nervos fibulares bilateralmente. O usuário controla a neuroprótese com dois botões fixados nas alças esquerda e direita de um andador, ou em bengalas ou muletas. Quando a neuroprótese é ligada, ambos os músculos quadríceps são estimulados para fornecer uma postura em pé.
A abordagem de Kralj foi estendida por Graupe et al. em um sistema FES digital que emprega o poder do processamento de sinal digital para resultar no sistema FES Parastep, com base nas patentes dos EUA 5.014.705 (1991), 5.016.636 (1991), 5.070.873 (1991), 5.081.989 (1992), 5.092.329 (1992) e patentes estrangeiras relacionadas. O sistema Parastep se tornou o primeiro sistema FES para ficar em pé e andar a receber a aprovação do FDA dos EUA (FDA, PMA P900038, 1994) e tornou-se disponível comercialmente.
O design digital do Parastep permite uma redução considerável na taxa de fadiga do paciente, reduzindo drasticamente a largura do pulso de estimulação (100-140 microssegundos) e a taxa de pulso (12-24 por segundo), resultando em tempos de caminhada de 20- 60 minutos e distâncias médias de caminhada de 450 metros por caminhada, para pacientes paraplégicos completos de nível torácico adequadamente treinados que concluem o treinamento que inclui sessões diárias de esteira, com alguns pacientes excedendo uma milha por caminhada. Além disso, a caminhada baseada em Parestep resultou em vários benefícios médicos e psicológicos, incluindo a restauração do fluxo sanguíneo quase normal para as extremidades inferiores e manutenção do declínio da densidade óssea.
O desempenho da caminhada com o sistema Parastep depende muito de um rigoroso treinamento de condicionamento da parte superior do corpo e da conclusão de 3-5 meses de um programa de treinamento diário de uma a duas horas, que inclui 30 ou mais minutos de treinamento em esteira.
Uma abordagem alternativa para as técnicas acima é o sistema FES para caminhada desenvolvido usando a neuroprótese Compex Motion, por Popovic et al. . A neuroprótese Compex Motion para caminhada é um sistema FES de superfície de oito a dezesseis canais usado para restaurar a caminhada voluntária em indivíduos com acidente vascular cerebral e lesão da medula espinhal. Este sistema não aplica estimulação do nervo fibular para permitir a locomoção. Em vez disso, ele ativa todos os músculos dos membros inferiores relevantes em uma sequência semelhante à que o cérebro usa para permitir a locomoção. Os sistemas assistivos híbridos (HAS) e as neuropróteses ambulantes RGO são dispositivos que também aplicam aparelho ortodôntico ativo e passivo, respectivamente. Os suspensórios foram introduzidos para fornecer estabilidade adicional ao ficar em pé e ao caminhar. Uma das principais limitações das neuropróteses para caminhada baseadas na estimulação de superfície é que os flexores do quadril não podem ser estimulados diretamente. Portanto, a flexão do quadril durante a caminhada deve vir de esforço voluntário, que muitas vezes está ausente na paraplegia, ou do reflexo de retirada dos flexores. Os sistemas implantados têm a vantagem de poder estimular os flexores do quadril e, portanto, fornecer melhor seletividade muscular e, potencialmente, melhores padrões de marcha. Sistemas híbridos com exoesqueleto também têm sido propostos para resolver esse problema. Essas tecnologias foram consideradas bem-sucedidas e promissoras, mas no momento esses sistemas FES são usados principalmente para fins de exercícios e raramente como uma alternativa para a mobilidade em cadeiras de rodas.
Recuperação de acidente vascular cerebral e membro superior
Na fase aguda da recuperação do AVC , o uso de estimulação elétrica cíclica aumenta a força isométrica dos extensores do punho. Para aumentar a força dos extensores do punho, deve haver um grau de função motora no punho poupado após o AVC e ter hemiplegia significativa . Os pacientes que obterão benefícios da estimulação elétrica cíclica dos extensores do punho devem estar altamente motivados para prosseguir com o tratamento . Após 8 semanas de estimulação elétrica, um aumento na força de preensão pode ser aparente. Muitas escalas, que avaliam o nível de incapacidade das extremidades superiores após um derrame, usam a força de preensão como um item comum. Portanto, aumentar a força dos extensores do punho diminuirá o nível de incapacidade dos membros superiores.
Pacientes com hemiplegia após um acidente vascular cerebral comumente experimentam dor no ombro e subluxação; ambos interferirão no processo de reabilitação. A estimulação elétrica funcional mostrou-se eficaz no tratamento da dor e na redução da subluxação do ombro, bem como na aceleração do grau e da taxa de recuperação motora. Além disso, os benefícios do FES são mantidos ao longo do tempo; pesquisas demonstraram que os benefícios são mantidos por pelo menos 24 meses.
Abaixe o pé
O pé caído é um sintoma comum na hemiplegia , caracterizado por uma falta de dorsiflexão durante a fase de balanço da marcha, resultando em passadas curtas e arrastadas. Foi demonstrado que a FES pode ser usada para compensar efetivamente o pé caído durante a fase de balanço da marcha. No momento imediatamente anterior à fase de afastamento do calcanhar da marcha, o estimulador fornece um estímulo ao nervo fibular comum, o que resulta na contração dos músculos responsáveis pela dorsiflexão. Atualmente, há uma série de estimuladores de queda do pé que usam tecnologias FES de superfície e implantadas. Os estimuladores de pé caído têm sido usados com sucesso em várias populações de pacientes, como acidente vascular cerebral , lesão da medula espinhal e esclerose múltipla .
O termo "efeito ortótico" pode ser usado para descrever a melhora imediata na função observada quando o indivíduo liga seu dispositivo FES em comparação com uma caminhada sem ajuda. Essa melhora desaparece assim que a pessoa desliga seu dispositivo FES. Em contraste, um "treinamento" ou "efeito terapêutico" é usado para descrever uma melhora de longo prazo ou restauração da função após um período de uso do dispositivo que ainda está presente mesmo quando o dispositivo está desligado. Uma complicação adicional para medir um efeito ortótico e qualquer treinamento de longo prazo ou efeitos terapêuticos é a presença do chamado "efeito de transporte temporário". Liberson et al., 1961 foi o primeiro a observar que alguns pacientes com AVC pareceram se beneficiar de uma melhora temporária na função e foram capazes de flexionar o pé por até uma hora após a estimulação elétrica ter sido desligada. Foi levantada a hipótese de que esta melhora temporária na função pode estar ligada a um treinamento de longo prazo ou efeito terapêutico.
Golpe
Pacientes com AVC hemiparético, que são afetados pela denervação, atrofia muscular e espasticidade, normalmente experimentam um padrão de marcha anormal devido à fraqueza muscular e à incapacidade de contrair voluntariamente determinados músculos do tornozelo e do quadril na fase apropriada da caminhada. Liberson et al., (1961) foram os primeiros a serem pioneiros na FES em pacientes com AVC. Mais recentemente, vários estudos foram conduzidos nesta área. Uma revisão sistemática realizada em 2012 sobre o uso de FES em AVC crônico incluiu sete ensaios clínicos randomizados com um total de 231 participantes. A revisão encontrou um pequeno efeito de tratamento para o uso de FES para o teste de caminhada de 6 minutos.
Esclerose múltipla
Descobriu-se que a FES também é útil para tratar a queda do pé em pessoas com esclerose múltipla . O primeiro uso foi relatado em 1977 por Carnstam et al., Que descobriram que era possível gerar aumentos de força por meio da estimulação fibular. Um estudo mais recente examinou o uso de FES em comparação com um grupo de exercícios e descobriu que, embora houvesse um efeito ortótico para o grupo FES, nenhum efeito de treinamento na velocidade de caminhada foi encontrado. Uma análise qualitativa posterior , incluindo todos os participantes do mesmo estudo, encontrou melhorias nas atividades de vida diária e um número reduzido de quedas para aqueles que usam FES em comparação com exercícios. Um outro estudo observacional longitudinal em pequena escala (n = 32) encontrou evidências de um efeito significativo de treinamento por meio do uso de FES. Com o tratamento NMES, houve ganhos mensuráveis na função ambulatorial.
No entanto, um outro grande estudo observacional (n = 187) apoiou os achados anteriores e encontrou uma melhora significativa no efeito ortótico para a velocidade de caminhada.
Paralisia cerebral
Descobriu-se que o FES é útil para tratar os sintomas da paralisia cerebral . Um recente ensaio clínico randomizado (n = 32) encontrou efeitos ortopédicos e de treinamento significativos para crianças com paralisia cerebral espástica unilateral. Melhorias foram encontradas na espasticidade gastrocnêmio, mobilidade da comunidade e habilidades de equilíbrio. Uma recente revisão abrangente da literatura na área do uso de estimulação elétrica e FES para tratar crianças com deficiência incluiu principalmente estudos em crianças com paralisia cerebral. Os revisores resumiram as evidências como o tratamento tendo o potencial de melhorar uma série de áreas diferentes, incluindo massa e força muscular, espasticidade, amplitude de movimento passiva, função da extremidade superior, velocidade de caminhada, posicionamento do pé e cinemática do tornozelo. A revisão ainda conclui que os eventos adversos foram raros e a tecnologia é segura e bem tolerada por esta população. As aplicações da FES para crianças com paralisia cerebral são semelhantes às dos adultos. Algumas aplicações comuns dos dispositivos FES incluem a estimulação dos músculos durante a mobilização para fortalecer a atividade muscular, para reduzir a espasticidade muscular, para facilitar o início da atividade muscular ou para fornecer uma memória de movimento.
Diretrizes do Instituto Nacional de Excelência em Saúde e Cuidados (NICE) (Reino Unido)
O NICE publicou diretrizes completas sobre o tratamento do pé caído de origem neurológica central (IPG278). A NICE afirmou que "as evidências atuais sobre a segurança e eficácia (em termos de melhoria da marcha) da estimulação elétrica funcional (FES) para pé caído de origem neurológica central parecem adequadas para apoiar o uso deste procedimento, desde que arranjos normais estejam em vigor para governança clínica, consentimento e auditoria ".
Na cultura popular
- O romance No Hard Feelings de Mark Coggins (2015) apresenta uma protagonista com uma lesão na medula espinhal que recupera a mobilidade por meio de tecnologia FES avançada desenvolvida por uma startup biomédica fictícia.
Veja também
Referências
Leitura adicional
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