Memorias II Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, Habana 2001, Mayo 23 al 25, 2001, La Habana, Cuba ELECTRO-ESTIMULACIÓN EN MÚSCULOS EXTRAOCULARES J. Leybón, E. Suaste, C. Druzgalski. CINVESTAV-IPN, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Sección de Bioelectrónica. 07000 México D. F., Apdo. postal 14-740. jleybon@mail.cinvestav.mx RESUMEN Se describe una técnica y aspectos relevantes para efectuar la electro-estimulación de los músculos extraoculares recto medial y recto lateral en conejo muerto, como proceso preliminar para analizar y corroborar datos de literatura sobre la electrofisiología, y poder así controlar la actividad oculomotora horizontal en animales vivos y sustituir la cirugía de Kestenbaum en el tratamiento de pacientes con nistagmo congénito, ya que es el método más usado cuando la afección incluye desviación ocular, posición compensadora de la cabeza yuna amplitud grande del nistagmo. Palabras clave: Nistagmo congénito, músculos extraoculares, electro-estimulación. 1. INTRODUCCIÓN La electro-estimulación es una técnica que ha sido utilizada en la medicina tanto para detectar problemas musculares o de conducción nerviosa (neurología); así como parte de procesos terapéuticos en rehabilitación e inclusive para reducir el dolor. Su aplicación en las estructuras del sistema oculomotor depende de un amplio conocimiento y mucha práctica, ya que la práctica de un estudio electromiográfico utiliza electrodos de aguja que se insertan en los músculos extraoculares atravesando la piel y sin anestesia, sólo para analizar su respuesta [1] (figura 1). La actividad eléctrica del ojo puede dividirse de la siguiente manera: en los potenciales corneoretinales (utilizados en electroretinogramas y electro-oculogramas), en los potenciales en músculo autónomo ciliar y del iris, y en los potenciales eléctricos de los músculos extraoculares (electromiograma). Cooper y Eccles en 1930 investigaron la respuesta mecánica y eléctrica del músculo recto interno en gatos, encontrando un tiempo de contracción de 7.5 mseg; demostraron también que a una elevada proporción de 350 Hz se logra la fusión tetanica, acompañada de una tensión de 100 Gm, lo cual es bastante comparada con el valor de entre 10 - 40 Gm producida durante el nistagmo; además de que los resultados son bastante semejantes con las características de respuesta en humanos (figura 2). Lorente de Nó en 1935 registró corrientes de acción en conejo, encontrando una máxima aceleración angular de 150° angulares con twitches sincronizados en una proporción de 200 por segundo. De Kleyn en 1922 demostró que la anestesia local no altera el ritmo o forma de nistagmo en conejos; por lo que mantiene la teoría que describe al nistagmo como un problema que proviene del sistema nervioso central lo cual fue reafirmado por McIntyre en 1939. (a) (b) Fig. 1. Electromiografía ocular. Fig. 2. Respuesta de músculos extraoculares en humanos en contracción isométrica. 950-7132-57-5 (c) 2001, Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo 00242 2. METODOLOGÍA El nistagmo es una oscilación ocular bifásica rítmica e involuntaria en la que por lo menos una fase siempre es lenta. La fase lenta es patológica y es responsable para la iniciación y la generación del nistagmo; la fase rápida (sacádico) es la corrección que regresa la fóvea hacia el objetivo visual [2]. Aunque el nistagmo congénito (NC) se presenta desde el nacimiento, podría no ser notorio en las primeras semanas o años de vida, y puede acompañarse de un temblor de cabeza y de un déficit visual severo que no se debe a una visión pobre (figura 3). Fig. 3. Señal característica de nistagmo mostrando la descripción de su movilidad espacial. Las pruebas clínicas que permiten diferenciar al NC de otras formas de nistagmo adquirido incluyen la historia de nistagmo en la infancia; pruebas de agudeza visual, etc. La forma más común de registrar el NC es por electronistagmografía [3], y cuando es severo, se corrige en cierto grado con una cirugía desarrollada por Kestenbaum. De acuerdo con las señales características obtenidas de la unidad de movilidad ocular desarrollada propiamente para detectar movimientos oculares mediante la técnica de reflexión de un haz de luz infrarroja sobre el limbo esclerocorneal (figura 4), se han analizado diferentes formas de nistagmo en pacientes de diferentes edades y de ambos sexos apegándonos a la clasificación de Dell'Osso [4], e inclusive se cuenta con un instrumento desarrollado para detectar la posición compensadora de la cabeza (figura 5). Pero, en los resultados post-operatorios, se ha visto que las modificaciones hechas en los músculos extrínsecos aunque corrigen la postura craneal, la diplopía, y en cierto grado la amplitud del nistagmo sobre la posición particular para cada paciente, genera un movimiento involuntario en posiciones antes perfectas; de aquí que no conformes con la aportación de una técnica confiable para detectar y evaluar nistagmo, ahora se propone una metodología para corregirlo. Fig. 5. Sistema de detercción de posiciones compensadoras de la cabeza en pacientes con nistagmo congénito. En primera instancia, se propuso al conejo de laboratorio como animal para probar un sistema de registro de movimientos oculares y de electro-estimulación; esto es para aprovechar sus característicsa de visión monocular, la cual puede compararse al efecto que produce el cerebro de anular la imagen del ojo que más problema presente, e inclusive cuando el nistagmo se acompaña de diplopía (figura 6). Al animal se le colocan unos microelectrodos que estimulan por voltaje en un rango de amplitud máxima de 80 volts, y se registra la respuesta mioeléctrica y el movimiento del globo ocular Fig. 6. Posibles problemas de posición ocular que provocan al cerebro buscar la visión monocular. Fig. 4. Unidad de movilidad ocular para estudios de nistagmo. Se manejo una comparación anatómica y fisiológica entre las estructuras relacionadas con la actividad motriz del ojo de humanos y de conejo; así como de la cavidad ocular que lo contiene (figura 7). Para el registro de las señales, se diseñaron y construyeron unas tarjetas de captura para el BUS ISA que trabajan en la dirección 280 con su respectivo programa desarrollado en Visual Basic; también se diseño y construyo un electro-estimulador portátil pequeño y de bajo costo que permitirá inicialmente controlar manualmente las variables del estimulo eléctrico (amplitud, frecuencia, duración, pulsos). Se cuenta con la supervisión de un cirujano oftalmólogo para las pruebas de disección y para la colocación de microelectrodos implantables. técnica de reflexión de luz infrarroja en el limbo esclerocorneal [4, 5, 6, 7,8 9] (figura 8b). Se inició con conejos sanos y se espera continuar con algunos a los que se les haya provocado movimientos involuntarios oculares, para buscar el control del ojo en base a las características de los músculos que les permiten fortalecerse o fatigarse de acuerdo a una tarea que implique algún esfuerzo [10]. (a) (a) (b) Fig. 7. Comparación anatómica del globo ocular (a) de humano y (b) de conejo. 3. RESULTADOS Con la instrumentación desarrollada, se cuenta ahora con dos sistemas diferentes para capturar movimientos oculares obteniendo por una parte señales que muestran la ubicación espacial del globo ocular, y por otro lado se tienen las señales que muestran la actividad mioeléctrica de la estructura muscular; esto ha permitido corroborar las características de respuesta a impulsos eléctricos de los músculos extraoculares del conejo de acuerdo a la literatura. Se ha comenzado a analizar el efecto producido por la señal electromiográfica de acuerdo al patrón de electroestimulación, y se está en la fase de electroestimulación “in vivo” para mantener una posición ocular durante variados intervalos de tiempo analizando el cambio en el comportamiento del músculo sano (figura 8a), e inclusive se están tratando de detectar posibles molestias provocadas durante el mismo proceso; todo esto apoyados en la experiencia en clínica analizando los registros obtenidos en personas con NC utilizando la (b) Fig. 8. Respuesta de la actividad ocular con nistagmo (a) mioeléctrica, (b) espacial. 4. DISCUSIÓN De acuerdo al avance que se ha tenido, se ha tratado de ir siempre a la par con los resultados expuestos en humanos de acuerdo al comportamiento eléctrico de los músculos extraoculares, y se han tenido que desechar ideas inicialmente sugeridas como lo era el sensado de la temperatura del ojo de acuerdo con la estimulación, y a su véz, implicar un sistema para su control. La selección final del material que se propondrá para los electrodos todavía no es determinada, en virtud de que en animales vivos no se ha desarrollado experimentación con lapsos grandes de operación como para establecer la degradación del materiales o la afección sobre tejido vivo. La automatización del electro-estimulador se contemplará hasta que se llegue a la etapa de manejar animales con problemas de control ocular y se tengan definidos los patrones de operación. Algunos instrumentos desarrollados no son viables para actuar en conejos, por lo que los resultados se comparan con registros en humanos. 5. CONCLUSIONES Aunque se está comenzando a obtener registros de respuesta ante un estímulo eléctrico en músculos extraoculares "in vitro", se está buscando mejorar el proceso de colocación de electrodos mediante una cirugía que afecte lo menos posible las estructuras anatómicas aledañas; también se está buscando la forma óptima de sacar los alambres desde los músculos hacia el exterior del animal para poder establecer un proceso final. Por otra parte, los registros obtenidos en animales muertos corroboran los datos de la literatura y han marcado la pauta para iniciar en animales vivos una serie de experimentos tentativos que busquen mediante el fortalecimiento y/o fatiga de los músculos, una acción parecida a los procesos desarrollados con el método debilitante de Kestenbaum. Cabe resaltar que de acuerdo a la experiencia obtenida con la actividad en clínica, se cuenta con la instrumentación necesaria para evaluar resultados del sistema una vez que se aplique en su etapa final en personas con nistagmo; y mientras tanto, los instrumentos desarrollados corroboran y enriquecen los resultados de otros autores dedicados solo a explicar el comportamiento electrofisiológico de las estructuras musculares; pero en nuestro caso, aplicando esas características de contractibilidad, y en especial teniendo en cuenta que son estructuras principalmente compuestas por fibras rápidas, buscamos el punto de poder efectuar el registro y la estimulación correctora en tiempo real sin tener que esperar tiempo considerable en reconocer el efecto que se causa compitiendo con señales cerebrales constantes y alteradas. Como al sistema se le pretende dar la propiedad de ser ambulatorio una vez que se validen las pruebas en animales vivos, y así lograr un funcionamiento con electro-estimulación crítica, se sigue buscando la manera de colocar los electrodos en forma más rápida y establecer para el conejo la mejor forma para acarrearlo durante el día y la noche con la menor molestia posible; por lo que se piensa recurrir a la telemetría y en un futuro desarrollar circuitos integrados especializados para reducir al mínimo el volumen de la instrumentación AGRADECIMIENTOS Al CONACYT por el apoyo otorgado mediante el convenio 28080-A. REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] G. M. Breinin. "Electrophysiology of the extraocular muscle". University of Toronto Press, Toronto 1962. L. Dell’Osso, G. Gauthier, G. Liberman and L. Stark. "Eye movement recordings as a doagnostic tool in a case of congenital nystagmus". American Journal of Optpmetry. Vol. 49, 3-13, january 1972. L.R. Young, D. Sheena, "Survey of eye movement recording methods". Behavior Res. Methods and Instrum, vol. 7, 397-429, 1975. L. F. Dell'Osso and R. B. Daroff. "Congenital nystagmus waveforms and foveation strategy".Documenta Ophthalmologica, 39, 1,pp. 155-182, 1975. [4] E. Suaste G., P. Rivera, L. Solís , M. Rivera , J. Leybón and E. Suaste P. "Diagnostic System for Clinical Analysis in Congenital Nystagmus," Physics in Medicine and Biology, Vol. 39a , Part 2 , pp. 580, 1994. [5] J. Leybón, J. L. Avila, V. H. Salazar, E. Suaste, P. N. Rivera. "Detección, Análisis y Simulación de los Movimientos Sacádicos en Nistagmo Congénito", Revista Mexicana de Ingeniería Biomédica, Vol. 16, No. 1, pp. 95, 1995. [6] J. Leybón and E. Suaste. “Scanpath and Visual Perception in Patients with Congenital Nystagmus,” Medical and Biomedical Engineering Computing, Part. 1, World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, Nice, France, pp. 420, 1997. [7] E. Suaste, D. Rodríguez, J. Leybón, L. Leija and H. Sossa. “Congenital Nystagmus Waveforms Generator and Symbolic Representation,” 19th International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Chicago IL, USA, pp. 1478-1481, 1997. [8] E. Suaste y J. Leybón. “Desarrollo Instrumental y Metodologico para Analizar el Nistagmo Congénito,” Revista Mexicana de Ingeniería Biomédica, vol. XIX No. 4, pp. 27-36, 1998. [9] E. Suaste, J. Leybón. “Nistagmo congénito, un reto para la evolución tecnico-científica de las metodologias instrumentales,” 1er Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, del 11 al 14 de noviembre 1998, en Mazatlán, México, pp. 659-662. [10] A. F. Fuchs, M. D. Binder. "Fatigue resistance of extraocular muscles". Journal of Neurophysiology. 49, 1, 1983. ELECTROSTIMULATION IN EXTRAOCULAR MUSCLES ABSTRACT It is described a technique and excellent aspects to make the electrostimulation of the lateral right and right medial extraocular muscles in dead rabbit, like preliminary process to analyze and to corroborate literature data on the electrophysiology, and this way to be able to control the horizontal ocular motor activity in alive animals and to substitute the surgery of Kestenbaum in the treatment of patient with congenital nistagmo, since it is the used method when the affection includes ocular deviation, position compensated of the head and a big width of the nistagmo.