12/13/2019

1

12/13/2019

2

• Deo perifernog nervnog sistema koji je odgovoran za prenos voljnihpokretačkih informacija od CNS-a ka mišićima – eferentni nervi

• Odgovoran je za skoro sve voljne pokrete mišića

• Somatosenzorni sistem jedeo senzornog nervnogsistema koji je zadužen zaosečaj dodira, pritiska, bola,toplote, položaja, pokreta ivibracija.

• Receptori se nalaze u koži,mišićima, mišićnimomotačima, zglobovima i saCNS ih povezuju aferentninervi

12/13/2019

3

• Transportna kašnjenja senzornih i motornih informacija kroz nervni sistemsu reda veličine nekoliko desetina milisekundi, tj. nekoliko redova veličineveća od kašnjenja u elektronskim sistemima.

• I pod pretpostavkom da je mozak nebrojeno puta moćniji u procesiranjusignala, neverovatno je da sistem miliona senzora i aktuatora, čije seinformacije veoma sporo prenose, funkcioniše nepogrešivo.

• Voljni pokreti su graciozni i spretni. Precizna analiza hoda, na primer,pokazuje da je tokom hoda stopalo odignuto samo 10 do 20mm iznadpodloge i da vertikalna pozicija stopala od koraka do koraka variramanje od 4mm.

• Ovo je neverovatna preciznost s obzirom na to da je pozicija stopalatokom zamaha određena radom 5 nezavisnih zglobova i da je petnaestmišića zaduženo samo za pokrete kolena.

12/13/2019

4

• Mehaničke proteze - veštački delovi tela – ruka, noga, deoruke, deo noge, zglobovi, šaka... Koriste se kada je osobiamputiran deo tela.

• Neuralne proteze – premošćavaju oštećen deo nervnog sistema.

• Kada se primenjuju:• Pri oštećenju motornog korteksa• Pri oštećenje kičmene moždine• Potreban preduslov:• Očuvani periferni nervi, mišići,

kosti i zglobovi

12/13/2019

5

Komandni interfejs

FES

Povratnasprega

12/13/2019

6

• Funkcionalna električna stimulacija se koristi za vraćanje funkcijenervnomišićnom sistemu čoveka oštećenom fizičkom povredom,bolešću ili nekim drugim uzrokom.

• Zasniva se na višekanalnoj električnoj stimulaciji perifernihmotornih nerava sa ciljem izazivanja funkcionalnog pokretanalik prirodnom pokretu.

• Generisanje stimulusa na pojedinim stimulacionim kanalimastimulatora, odnosno vremenska sekvenca aktivacije mišićatreba da odgovara prirodnoj sekvenci pokreta.

• Počeci primene funkcionalne električne stimulacije sežu u šezdesetegodine dvadesetog veka, kada je projektovan i proizveden prviupotrebljiv električni stimulator, namenjen korekciji poremećajapadajućeg stopala.

• 1980. godine Kralj i saradnici su uspeli da kod pacijenta saparaplegijom proizvedu funkcionalne pokrete koji su rezultovali sanekoliko samostalnih koraka.

• Predstojeće godine i decenije su obeležene velikim napretkom napolju analogne i digitalne elektronike, senzorskih tehnologija imetoda obrade signala.

• Veoma značajan doprinos u ovoj oblasti dao je akademik DejanPopović

12/13/2019

7

• Po konfiguraciji se sistemi električne stimulacije dele na sisteme zapovršinsku stimulaciju (Surface Electrical Stimulation) i implantibilnesisteme za stimulaciju (Implantible Electrical Stimulation).

• Kod sistema za površinsku električnu stimulaciju elektrode se nalazena površini kože, a stimulator je nošen na telu ili je fiksan ambulantniuređaj.

• Kod implantibilnih sistema i stimulator i elektrode se nalaze u telu.• Površinske elektrode se postavljaju iznad mišića ili mesta gde se blizu

površine nalazi periferni motorni nerv.• Implantirane elektrode mogu da se postavljaju direktno na mišić

(epimizijalne), u mišić (intramuskularne) i na nerv (epineuralne) gde sunajčešće cuff elektrode.

• Postoji i treći, kombinovani sistem (perkutana stimulacija), kojipodrazumeva postavljanje elektroda neposredno ispod kože a ublizini motorne tačke mišića, dok je stimulator eksterni.

• Prednost sistema za površinsku stimulaciju je neinvazivnost metode, jerpostavljanje ne zahteva hirurške zahvate. Mane su iritacija kože imehaničke poteškoće postavljanja elektroda i celog sistema koji popravilu poseduje mnoštvo provodnika. Površinskom stimulacijom seteže dopire do mišića koji su duboko u telu, kao što je na primer mišićkoji pomera kuk (fleksor kuka), a koji je veoma značajan za proceshodanja.

• Implantibilni sistemi kao glavnu prednost imaju bolju selektivnost, alimana je to što se zahteva klinička ugradnja i sofisticiranopodešavanje.

• Što se tiče krajnjeg efekta korišćenja, pokazuje se da je zaterapeutske potrebe pogodnija površinska stimulacija, dok suimplantibilni sistemi pogodniji za sisteme jednostavne funkcionalnekorekcije, kao što je padajuće stopalo.

12/13/2019

8

• Optimalna učestanost funkcionalne stimulacije je od 30Hz do 60Hz.• Amplituda i širina stimulacionog impulsa su u direktnoj relaciji sa

količinom naelektrisanja koja je potrebna da bi se proizveo željeniodziv. Amplitude se kreću u opsegu od nekoliko mA za male mišiće dopreko 100mA za velike mišiće. Širina impulsa se kreće u opsegu 20µsdo 1000µs.

• Amplituda stimulacionih impulsa se može povećavati na računsmanjivanja širine impulsa i obrnuto, ali postoje minimalne granice iza jedan i za drugi parametar koje su neophodne da bi se proizveoakcioni potencijal i mišićni odziv.

• Kvalitetna stimulacija podrazumeva i mogućnost modulacijefrekvencije, amplitude i širine impulsa određenim modulacionimfunkcijama.

• U jednostavnijim aplikacijama koristi se modulacija amplitudetrapezoidalnom funkcijom koja je definisana vremenima usponai opadanja. Napredniji sistemi imaju mogućnost generisanjakompleksnijih oblika modulacije i dodavanje pseudoslučajnihoscilacija parametara oko nominalne vrednosti, kao što jeprikazano na slici.

• Pokazano je da se u nekim aplikacijama na taj način postižemanji zamor mišića.

12/13/2019

9

• Komandni interfejs i povratnu spregu moguće je ostvaritibiološkim ili veštačkim senzorima.

• Kod bioloških senzora kao izvor signala koriste se razne vrstebiopotencijala koji se adekvatnom akvizicijom i daljomobradom mogu iskoristiti za zadavanje komande ili zatvaranjepovratne sprege.

• Od bioloških senzorskih tehnologija najčešće korišćen je EMGkojim se meri aktivnost mišića, EEG kojim se meri moždanaaktivnost i ENG kojim se meri aktivnost perifernih nerava.

• Upotreba veštačkih senzora podrazumeva primenu raznih vrstaelektričnih, elektromehaničkih i drugih veštačkih senzora.

• Goniometri, tenzometri, FSR, inercijalni senzori, mehaničkiprekidači…

• EMG može da se koristi ili kao okidni ulaz za zadavanjesekvence stimulacije, ili kao kontrolna veličina u modulu zamerenje zamora mišića (Slika). Prednost EMG merenja je u tomešto je to neinvazivna metoda i što se relativno lako vrši merenje.

• Jedna od mana EMG merenja je korišćenje elektroda različitihod stimulacionih. Druga mana je nemogućnost merenja u tokusame stimulacije, zato što stimulacioni impulsi velikih amplitudapotpuno maskiraju merenja EMG signala.

12/13/2019

10

U prvom slučaju merenje može da se obavlja i u zoni ispod nekompletne lezije, ili u zoniiznad kompletne lezije ukoliko postoje mišići čije je voljno pokretanje moguće ostvariti.

U drugom slučaju meri se takozvani električno evocirani EMG (EEMG) pomoću kojeg sepraćenjem indukovanih oblika M-talasa može proceniti aktivnost mišića koji se stimulišu.

aktivnosti stimulisanih

• Aparatura za kvalitetno snimanje EEG signala i obrada signala jekomplikovana, što ograničava današnju primenu EEG-a u kontroli FES-a samo na laboratorijske postavke.

• Bolji rezultati mogu da se postignu invazivnim metodama kojepodrazumevaju implantaciju EEG elektroda direktno u moždanu koru.

• Merenje ENG signala je po pravilu invazivna tehnologija, jer zahtevaimplantaciju cuff elektroda oko samog senzornog nerva. Ipak,metoda je i pored invazivnosti prihvaćena. Danas postoje ikomercijalni sistemi koji ovakva merenja koriste za kontrolu FES-a.

• Pokazano je da se merenjem nervne aktivnosti sa velikompouzdanošću mogu prepoznati karakteristični događaji kao što sukontakt pete sa podlogom i odizanje palca od podloge tokomsekvence hodanja.

12/13/2019

11

• Prvi takvi senzorski sistemi su se zasnivali na tasterima,prekidačima, potenciometrima i sličnim elektromehaničkimuređajima.

• Kasnije su se pojavili fleksibilniji elektrogoniometri, koji seodlikuju tačnošću i jednostavnim interfejsom premaupravljačkom sistemu, ali mana su im velika osetljivost namehanička naprezanja.

• Glavna prednost potenciometara i elektrogoniometara je štodirektno očitavaju uglove i ne zahtevaju komplikovanu dodatnuobradu.

• Za potrebe prepoznavanja kontakta ekstremiteta sa podlogomili objektima korišćene su razne vrste piezoelektričnih, otpornihili kapacitivnih senzora.

• U novije vreme najveća pažnja se poklanja inercijalnimsenzorima zasnovanim na MEMS (MicroelectromechanicalSystems) tehnologiji.

• To su minijaturne elektromehaničke naprave - čipovi sposobneda mere kinematičke veličine.

• Danas su dostupni analogni i digitalni senzori ubrzanja(akcelerometri) i senzori ugaone brzine (žiroskopi). Osnovneprednosti ovih senzora su minijaturne dimenzije, prilagođenostpovezivanju na namenske računarske sisteme i mala potrošnja.

12/13/2019

12

• Ultrazvučni senzori su odavno poznati ali nisu bili značajnijekorišćeni u FES aplikacijama. Kao individualni senzori mogu dase koriste za merenje nekih parametara hoda, kao što je naprimer dužina koraka. Postoje kompleksni ultrazvučni senzorskisistemi koji su za sada laboratorijskog tipa i vezani su zapokretne trake (Treadmill) i zato mogu biti korišćeni samo uterapijskim aplikacijama.

• Sistemi kamera (Camera Systems) se koriste za potrebe analizekretanja i po pravilu su vezani za laboratorijske uslove. Veomasu precizni i daju mogućnost analize kretanja u realnomvremenu. Ograničenost na laboratorijske uslove ih takođeograničava na terapijske primene.

• Mnogi sistemi u otvorenoj sprezi, naročito oni koji obezbeđujuhodanje, rade na principu fiksno podešenih mašina konačnih stanja.

• U njima se ciklično ponavljaju programirane sekvence i stabilni su uzpretpostavku da telo sledi komande koje zadaje stimulacija.

• U slučaju bilo kakvog neplaniranog ispadanja iz sekvence, sistempostaje nestabilan i javlja se mogućnost pogrešne aktivnosti, štopredstavlja veliki problem.

• Algoritmi upravljanja sa povratnom su se u početku zasnivali naupotrebi lineranih kontrolera i to uglavnom PID regulatora. Ubrzo seispostavilo da nelinearan sistem, kakav jeste ljudsko telo, teškoprihvata linearna upravljanja pa se prešlo na kombinacije nelinearnihkompenzatora, koji se koriste za upravljanje u otvorenoj sprezi istandardnih linearnih PID regulatora.

12/13/2019

13

• Veliki uspeh je prognoziran kontrolerima baziranim na primeniveštračkih neuronskih mreža, čiji rad je upravo inspirisanbiološkim nervnim sistemom. U poslednjih trideset godinapojavilo se mnoštvo realizacija tog tipa.

• Prednost veštačkih neuronskih mreža je što imaju sposobnostučenja, tj. prilagođavanja svojih parametara novonastalimokolnostima. Nedostatak je relativna složenost implementacije iu mnogim slučajevima neprihvatljivo dugačko vremeprilagođavanja tj. učenja mreže.

• Prirodni mehanizam kontrole pokreta uključuje povratnu spregu.U modelu povratne sprege senzorno-motornog sistema (Slika) mogu semodelovati tri kašnjenja koja utiču na ponašanje i odziv sistema:1. kašnjenje povratne sprege τF koje se javlja kao posledica

transporta informacije od perifernog senzorno-motornog sistemaekstremiteta čije se upravljanje obezbeđuje,

2. kašnjenje motorne komande τE koje u sebi sadrži vremenaprocesiranja signala u centralnom nervnom sistemu i prenosainformacije od centralnog sistema preko motornog nerva do mišića i

3. elektromehaničko kašnjenje τM koje predstavlja vreme odtrenutka kada se pojavi nervni impuls u mišiću do momenta kadadođe do pojave sile u njemu

12/13/2019

14

• Sistem za funkcionalnu električnu stimulaciju treba da zamenisenzorno-procesni deo biološkog sistema i da što bolje oponašabiološki mehanizam kontrole.

• To podrazumeva da kašnjenja u FES sistemu budu manja ilijednaka kašnjenjima u prirodnom sistemu, što se izražavarelacijom: τFES ≤ τF + τE

• Kod gornjih ekstremiteta koji imaju kraće nervne putanje tovreme iznosi τFESmin=46ms, dok je kod donjih ekstremitetanešto duže i iznosi τFESmax=86ms. Motorno kašnjenje se neuzima u obzir jer ono postoji u oba sistema.

12/13/2019

15

• Kod osoba sa povredom kičmene moždine, FES se može koristitiza:

• 1. stvaranje izometričkih kontrakcija mišića u svrhu jačanjamišića

• 2. stvaranje kontrakcija protiv otpora koji se javlja prilikomvožnje bicikla ili pružanja noge

• 3. kao trajna ortoza za omogućavanje hoda ili hvata rukom,odnosno neuralne proteze za hod i hvatanje

• 4. za iskorišćenje neuroplastičnosti i prevežbavanje voljnoghvatanja i funkcija hoda, tj. FES terapije

12/13/2019

16

• Padajuće stopalo je stanje karakterisanoslabošću ili paralizom mišića koji su uključeni upodizanje prednjeg dela stopala.

• Najčešće je uzrokovano oštećenjem nerva.• To uzrokuje da osoba ili vuče stopalo i prste ili

da se služi hodom sa visokim podizanjem noge(slika).

1. Faza oslanjanja-nema stimulacije.2. Detektor na stopalu detektuje podizanje pete i započinje stimulacijaelektrodama !3. Ovo proizvodi dorzifleksiju (podizanje prednjeg dela stopala) i everziju tokomfaze njihanja. Stimuliše se fleksor na prednjoj strani potkolenice.4. Detektor na stopalu detektuje dodir o zemlju i prekida se stimulacija prispuštanju stopala na tlo.

Everzija

12/13/2019

17

Posao podizanja ienergija obezbeđenisu ekstenzorimakolena zajedno saekstenzorima kuka itrupa.Ugao skočnogzgloba se najmanjemenja, dok se ugaokolena i kuka znatnoviše menjaju.

12/13/2019

18

• Zbog nedostatka stabilnosti, paraplegičan pacijent (sakolenima koja su blokirana fesom) ne može da stoji bez osloncana rukama.

• Stoga će pacijent morati da koristi ruke i tokom ustajanja.Očekuje se da se uz pomoć ruku i delimično očuvanih mišićatrupa kompenzuje sila potrebna za pomeranje kukova.

• Takođe se pretpostavlja da nije potrebna stimulacija skočnihzglobova zbog pomoći ruku i malog momenta sile zglobova.

• Zaključuje se da je potrebno da FES obezbedi dovoljno sileekstenzorima kolena.

Pomeraj centra gravitacije i centra pritiska u anterio-posteriornom (napred-nazad) i lateralno-medijalnom (levo-desno) pravcu u toku mirnog stajanja (levo).Skica tri segmentnog modela za analizu stabilnog stajanja

(desno)

12/13/2019

19

• Trenutno se testira prva generacija implantibilnih FES sistema za donjeekstremitete (za stajanje, podršku trupa i hodanje). (Slika)

• Implantirane komponente se sastoje od osmokanalnog prijemnika/stimulatora,epimizijalnih i/ili intramuskularnih elektroda i povezujućih žica;

• Eksterne komponente uključuju kontrolnu jedinicu, punive baterije i jedinicu zaprogramiranje.

• Elektrode su implantirane u kvadriceps, gluteus i lumbar erector spinae mišić(leđni mišić), u obe strane tela.

• Jedan ispitanik sa nepotpunom povredom kičmene moždine je primioosmokanalni implant, koji mu je omogućio hodanje sa koriščenjem pomoćnihkolica za stabilnost.

• Isto takvo hodanje kod pacijenata sa potpunom povredom kičmene moždinemože da se postigne sa 16-kanalnom stimulacijom i dodavanjem implantiranihelektroda za aktivaciju flexora kuka i dorzifleksora skočnog zgloba.

• Korišćenjem ovog sistema, ispitanici su mogli da stoje sa kolicima i opcionalnimAFO (Ankle Foot Orthosis) više od 10 minuta, i neki su mogli da puste jednu rukusa kolica.

• Šematski prikaz prethodnog sistema (CWRU sistem za stajanje)

12/13/2019

20

• Poznata je činjenica da je za hod i njegovu ritmičnost zaslužancentralni generator ritma koji se ne nalazi u mozgu već u kičmenojmoždini. Iz tog razloga se čovek spretno kreće i kada ne razmišljao samom kretanju.

• Neočekivani poremećaj, kao što je na primer promena visinestepenika ili udubljenje na ravnoj podlozi može da naruši hod iizbaci ga iz ritma, ali prebacivanje kontrole iz podsvesne ritmičnena svesnu moždanu uspešno može da povrati stabilnost.

• Na mehanizam hoda utiče povratna sprega sa samih mišića, kože izglobova, koja se vraća i na odlučivanje u kičmenoj moždini i usamom moždanom motornom korteksu.

• Lokomotorni sistem omogućava kretanje čoveka u prostoru.• Elementi ovog sistema su kosti, mišići i zglobovi.

12/13/2019

21

• 2 faze: faza oslonca (stance) i faza njihanja (swing)

12/13/2019

22

Prethodna slika sa ilustracijama

Može se primetiti da se stimulišu samo glavne grupe mišića, dok se u prirodnomhodu koristi veći broj mišića.

• Hibridni FES se odnose na istovremeno korišćenje FES-a i RGO(Reciprocating Gait Orthosis) u pokušaju da se poboljšastabilnost u toku stajanja i smanji korišćenje energije.

• RGO je koleno-zglob-stopalo ortoza povezana satorakolumbalnosakralnom ortozom preko kukova. Koristi sečetvorokanalnom površinskom stimulacijom za fleksiju i ekstenzijukukova.

12/13/2019

23

• Nakon moždanogudara

• Postoje različitetehnike za korekciju

• Moguće lokacije uticaja na motorne šeme tremora električnomstimulacijom.

12/13/2019

24

• Najjednostavniji način za smanjenje tremora je potpuno ilidelimično ukrućenje zgloba istovremenom stimulacijomantagonističkih mišića (tzv. kokontrakcija). Na taj način se možepostići željeni efekat na potiskivanje tremora, ali uz dvaneprihvatljiva nedostatka: ovakva stimulacija je veoma zamornaza mišiće a osim tremora sprečavaju se i voljni pokreti(manipulacija, hvatanje i sl.).

• Istraživanja koje je započela grupa Artura Prohaske devedesetihgodina prošlog veka na Alberta univerzitetu u Kanadi jepokazalo da se u kratkim vremenskim intervalima tremor možesmanjiti funkcionalnom električnom stimulacijom ukoliko sestimulacija primenjuje u suprotnoj fazi (kontra-fazi) od tremora(Slika), a da se pri tome ne ometaju voljni pokreti subjekta.

12/13/2019

25

• Lateralni hvat podrazumeva držanje predmeta izmedju palca ikažiprsta, transverzalno dlanu.

• Palmarni hvat podrazumeva oslanjannje predmeta na dlan.• Precizni hvat je onaj kod koga prstima predmet držim paralelno

dlanu.

Tri osnovna tipa hvata

Cilindrični Sferični Kuka Pincet Trokraki Lumbrikalni

12/13/2019

26

• Elektrode koje su selektovane zaotvaranje ruke A ( elektrode na stranisuprotnoj od dlana (dorsal) ), hvatanjaB i stabilizacija C (elektrode na stranidlana (volar) ) za tri pacijenta

Primer look up tabele koja daje informaciju obroju elektrode i intenzitetu struje zaželjeno pomeranje prstiju, hvatanje ili stiskanje.

Hvatanje - multipad elektrode

• Ovo je jedan od najranijih i najjednostavnijih sistema.

• Proizveden je u formi trokanalnog stimulatora namenjenog za kontroluhvata. Jedan kanal stimuliše ispravljanje prstiju, drugi kanal stimulišesavijanje prstiju, a treći kanal stimuliše savijanje palca.

• Kao kontrolni signal, tj. povratna sprega, koristi se ugao u zglobuizmeđu podlaktice i šake. Merenje ugla se vrši pretvaračem koji jeugrađen u isto kućište u kome se nalazi i elektronski sklop stimulatora.

• Uređaj je upakovan u kompaktnu jednodelnu rukavicu koja se postavljana gornji deo podlaktice. Na kožu subjekta se lepe elektrode koje sagornje strane imaju metalne kontakte. Preko tih kontakata ostvaruje seveza elektroda sa provodnim mrežastim površinama koje se nalaze saunutrašnje strane rukavice. Na taj način se obezbeđuje mogućnostprilagođavanja pozicije elektroda individualnoj autonomiji svakogsubjekta, a dovoljno velike provodne mreže uvek obezbeđuju potrebnugalvansku vezu.

12/13/2019

27

• Ovaj sistem je namenjen za poboljšanje hvata kod subjekatakoji imaju dovoljno očuvan voljni pokret zgloba šake. Savijanjezgloba šake je iskorišćeno za aktivaciju stimulacije savijanjaprstiju, a ispravljanje zgloba šake je iskorišćeno za ispravljanjeprstiju.

• Kontrola: Voljno savijajući zglob šake subjekt kontroliše stepenstimulacije prstiju.

• NESS H200 je proizvod firme BIONESS. Sastoji se iz specijalnodizajnirane proteze za ruku koja u sebi sadrži elektrode i jednukontrolnu jedinicu.

• Postoji ukupno pet elektroda. Takva konfiguracija omogućavakontrolu i generisanje različitih tipova hvata.

• Korišćenjem različitih umetaka postiže se fleksibilnost upozicioniranju elektroda unutar omotača proteze iprilagođavanje individualnoj anatomiji subjekta.

• Proteza i kontrolna jedinica su povezane kablom. Na kontrolnojjedinici je realizovan korisnički interfejs preko koga se vršipodešavanje i upravljanje stimulacijom.

12/13/2019

28

Kontrola: Stimulacija radi isključivo u otvorenoj sprezi. Postoji nekolikopredefinisanih profila stimulacije koji se prilagođavaju subjektu prilikominstalacije inicijalnog podešavanja sistema prema subjektu.

• Bio je komercijalno dostupan do 2001, kada ga je proizvođačpovukao sa tržišta iz poslovnih razloga.

• Sistem se sastoji osmokanalnog stimulatora/prijemnikaimplantiranog u prednji zid grudnog koša, povezanog sa osamepimizijalnih ili intramuskularnih elektroda za fleksore iekstenzore prstiju.

• Kontrola: Pokreti ramena druge ruke kontrolišu stepenotvaranja i zatvaranja šake.

12/13/2019

29