INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAS AVANZADAS

UPIITA

Trabajo Terminal.

“Control electrónico de movimiento y posición horizontal del ojo”

Que para obtener el Titulo de

“Ingeniero en Biónica”

Presenta

Enrique Contreras Hernández

Asesores.

______________________            ___________________  M. en C. Ricardo Roberto                   Dr. Jaime Leybón  

     Horta Olivares                             Ibarra                    

______________________________M. en C. Juan Antonio Jaramillo

Gómez

Presidente del jurado    Profesor Titular

___________________            _________________M. en C. José G. Solís         Dra. Lilia Martínez Pérez           Villela  

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Agradecimientos

Deseo expresar mi mas profundo agradecimiento al Instituto Politécnico Nacional, a la Unidad Profesional Interdisciplinaria de ingenierías y tecnologías avanzadas y a mi país por haberme dado la oportunidad de formarme en una profesión.Pero muy especialmente a   todos mis profesores  y  a  mis  asesores  que me han escuchado, brindado su tiempo y que sin su ayuda no hubiera sido posible realizar este trabajo. M. en C. Juan Antonio Jaramillo Gómez

M. en C. Ricardo Roberto Horta Olivares

Dr. en C. Jaime Leybón Ibarra

Y por su gran ayuda en las cirugías

M. V. Z. Antonio Verduzco

Así como a los amigos que me han brindado su ayuda en los momentos difíciles.

Gustavo Álvarez Garduño

Carlos Ávila Salazar

Luis Alberto Castellanos Rivera

José Alberto de la Cruz Cadena

Carlos Francisco Melgoza Castillo

Eden Morales Narvaez 

A mi tío:

Rogelio Galindo Falcón

Y por último a mis padres.

José de Jesús Contreras Véliz

Esther Hernández Vargas

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Índice de tablas.

                                                                                                                                        Página

Tabla 1. Mediciones electrooculográficas en intervalos de 15° y ganancia de 200 .............21

Tabla 2. Mediciones electrooculográficas en intervalos de 5° y ganancia de 200................21

Tabla 3. Mediciones electrooculográficas en intervalos de 1° y ganancia de 200................22

Tabla 4. Resultados de la electroestimulación en perro........................................................28

Tabla 5. Respuesta a la electroestimulación en el músculo fibroso del cuyo.......................29

Tabla 6. Respuesta a la estimulación en el músculo recto lateral del cuyo...........................31

Tabla 7. Respuesta a la estimulación en el músculo recto lateral del conejo........................31

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Índice de figuras

          Página Figura 1. Vista frontal del cráneo*..........................................................................................5     Figura 2.Vista lateral del cráneo * .........................................................................................5Figura 3.Base del cráneo vista por arriba*.............................................................................6Figura 4.Ubicación de los músculos extrínsecos del ojo**....................................................7Figura 5. Potencial corneoretinal..........................................................................................10Figura 6. Diagrama de diferentes trenes de pulso rectangulares en serie.............................12Figura 7.  Diagrama a bloques del generador de trenes de pulso rectangulares...................13Figura 8. Diagrama del circuito de control de duración y pausa de los trenes.....................13Figura 9. Circuito de control digital de las características de trenes de pulso                Rectangulares........................................................................................................14Figura 10. Diagrama de la configuración del 555 en su modo de multivibrador                  Astable................................................................................................................14Figura 11.Etapa de potencia del electroestimulador.............................................................15Figura 12. Puntos de colocación de los electrodos para el registro                   electrooculográfico horizontal............................................................................17Figura 13. Etapas del electrooculógrafo...............................................................................17Figura 14. Amplificador de instrumentación con corrector de basal....................................18Figura 15. Corrector de nivel de CD.....................................................................................19Figura 16. Esquema del filtro muesca de 60 Hz...................................................................20Figura 17. Diagrama del filtro pasabajas..............................................................................20Figura 18.Gráficas correspondientes a la tabla 1 de mediciones                 electrooculográficas con diferentes niveles de CD de referencia........................21Figura 19. Mediciones efectuadas cada 5° ...........................................................................22 Figura 20. Gráfica del registro electrooculográfico de –45° a 45° con un grado de                  Precisión..............................................................................................................23Figura 21. Señal EOG con la mirada al frente......................................................................23Figura 22. Variación en el nivel de CD de la señal EOG al mirar hacia la izquierda..........24Figura 23. Etapas del electromiógrafo..................................................................................24Figura 24. Diagrama del filtro pasabajas con frecuencia de corte de 150 Hz......................25Figura 25. Señal mioeléctrica del músculo elevador del párpado........................................25Figura 26. Inversor de voltaje ICL 7662..............................................................................26Figura 27. Exposición del músculo recto lateral del cuyo...................................................29Figura 28. Gráfica de la señal de estímulo...........................................................................29Figura 29. Gráfica de la señal de respuesta del músculo.....................................................29Figura 30. Señal EMG normal (sin movimiento)................................................................30Figura 31. Respuesta electromiográfica después del estímulo............................................30Figura 32. Electroestimulación en el músculo recto lateral externo del ojo del conejo......32Figura B.1. Curva intensidad contracción...........................................................................39Figura C.1. Exposición y separación del músculo recto de la cápsula de Tenon................40

(*) Tomado de [11](**) Tomado de [1]

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5

Índice general

Página

Agradecimientos......................................................................................................................iÍndice de tablas.......................................................................................................................iiÍndice de figuras.....................................................................................................................iii

CAPÍTULO 0. BASES DEL PROYECTO

0.1 Resumen............................................................................................................................10.2 Palabras clave....................................................................................................................10.3 Abstract.............................................................................................................................10.4 Keywords..........................................................................................................................1

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

1 Antecedentes del proyecto...................................................................................................2

CAPÍTULO 2. OBJETIVOS

2.2 Objetivos...........................................................................................................................32.1 Objetivo particular............................................................................................................32.2 Objetivos generales...........................................................................................................3

CAPÍTULO 3. JUSTIFICACIÓN

3 Justificación.........................................................................................................................4

CAPÍTULO 4. MARCO TEÓRICO4.1 Anatomía Orbital...............................................................................................................5 4.2 Sistema oculomotor en seres humanos.............................................................................6 4.2.1 Músculo elevador del párpado.......................................................................................7 4.2.2 Músculos rectos del ojo..................................................................................................7 4.2.3 Músculos oblicuos del ojo..............................................................................................84.3 Nistagmo...........................................................................................................................84.4 Métodos de control del nistagmo......................................................................................84.4.1 Prismoterapia..................................................................................................................84.4.2 Método quirúrgico..........................................................................................................94.4.3 Agentes farmacológicos.................................................................................................9 4.4.4 Bioretroalimentación acústica........................................................................................9 4.4.5 Método debilitante para el nistagmo congénito.............................................................94.5 Potencial corneoretinal......................................................................................................9 4.5.1 Medición del potencial corneoretinal.............................................................................94.6 Nistagmo vestibular........................................................................................................10

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CAPÍTULO 5. DESARROLLO Y PRUEBA DE LA INSTRUMENTACIÓN

5.1 Diseño del electroestimulador.........................................................................................125.1.1 Control digital..............................................................................................................125.1.2 Control analógico.........................................................................................................125.2 Solución...........................................................................................................................125.2.1 Diagramas electrónicos de los circuitos.......................................................................135.3 Diseño de la etapa de potencia........................................................................................145.3.1 Solución........................................................................................................................145.4 Registro de movimientos oculares..................................................................................165.5 Técnicas usadas en el registro de movimientos oculares................................................165.5.1 Videooculografía..........................................................................................................165.5.2 Optooculografía............................................................................................................165.5.3 Electrooculografía........................................................................................................165.5.4 Otras técnicas de registro de movimiento ocular.........................................................165.6 Diseño y construcción de un electrooculógrafo..............................................................175.6.1 Especificaciones para el registro electrooculográfico..................................................175.6.2 Parámetros utilizados en el diagnóstico del nistagmo..................................................175.6.3 Amplificador de instrumentación con corrector de basal.............................................185.6.4 Corrector de nivel de CD.............................................................................................185.6.5 Filtro muesca de 60 Hz................................................................................................195.6.6 Filtro pasabajas............................................................................................................205.7 Resultados de las pruebas hechas con el EOG................................................................215.8 Diseño y construcción de un electromiógrafo.................................................................245.8.1 Características del potencial mioeléctrico de los músculos rectos laterales del ojo....245.8.2 Características del registro del potencial electromiográfico........................................245.9 Etapas del electromiógrafo..............................................................................................245.10 Filtro pasabajas de 150 Hz............................................................................................255.11 Inversor de voltaje.........................................................................................................265.12 Características de consumo eléctrico............................................................................26

CAPÍTULO 6. EXPERIMENTACIÓN 

6.1 Desarrollo........................................................................................................................276.2 Anestesia utilizada..........................................................................................................276.3 Metodología....................................................................................................................276.4 Experimento 1................................................................................................................286.5 Experimento 2................................................................................................................296.6 Experimento 3................................................................................................................306.7 Experimento 4................................................................................................................31

CAPÍTULO 7. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS DE LAS PRUEBASDE ELECTROESTIMULACIÓN.......................................................................................33

CAPÍTULO 8. CONCLUSIONES......................................................................................34

APÉNDICES

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Apéndice A. Experimentación animal.................................................................................36A.1 Leyes para el uso y la experimentación con animales..................................................36

Apéndice B. Estimulación eléctrica funcional......................................................................38B.1 Inicios de la electroestimulación....................................................................................38B.2 Anatomía y fisiología neuromuscular............................................................................38B.3 Electrofisiología neuromuscular.....................................................................................38B.4 Electrodiagnóstico..........................................................................................................38B.5 Cronaxia y reobase.........................................................................................................39B.6 Conductibilidad nerviosa................................................................................................39

Apéndice C. Cirugía ocular...................................................................................................40C.1 Anatomía quirúrgica.......................................................................................................40C.2 Técnica recomendada.....................................................................................................40

Bibliografía...........................................................................................................................41 

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CONTROL ELECTRÓNICO DE POSICIÓN Y MOVIMIENTO HORIZONTAL DEL OJO.

RESUMEN

Los ojos son órganos de fundamental importancia en la visión y un mal funcionamiento de estos o de los sistemas que actúan conjuntamente con él, como son los músculos extrínsecos (sistema oculomotor), el nervio óptico, las cavidades oculares y las regiones corticales de los lóbulos frontales, se refleja en diferentes problemas de la vista. Es importante corregir cualquier problema se presente en los ojos, ya que a través de estos obtenemos mas del 80% de la información visual que poseemos y por lo tanto es importante que lleven a cabo un  funcionamiento correcto [1], [2], [3].

El nistagmo es una enfermedad cuyo síntoma es el movimiento involuntario de los músculos de los ojos, que es causado por anomalías de funcionamiento en las áreas del cerebro que controlan el movimiento ocular, pero en la actualidad  no   se   comprende  exactamente  el  mecanismo de  este   trastorno.  El  nistagmo puede  ser   congénito (presente al nacer) o puede ser causado por una enfermedad o lesión en nuestra vida [1], [4], [5].

Las personas que padecen nistagmo no pueden enfocar bien los objetos, esto genera varios problemas entre ellos el mas importante es la ceguera causada por la atrofia de la retina, debido al desuso de esta.

Este trabajo presenta un método de control de la posición horizontal del ojo mediante la electroestimulación de los músculos rectos laterales, cuyo fin es crear las bases de una técnica para el control del nistagmo horizontal basada en electroestimulación.

Palabras   clave:   Electroestimulación,   electrooculografía,   electromiografía,   nistagmo,   sistema   oculomotor, movimientos oculares.

ABSTRACT

In view eyes are very important organs, bad performance of them or the systems that adjoining operate with them like extrinsic muscles (oculomotor system), optic nervous, the ocular cavity and the cortical regions of frontal lobules will be reflect in different sight problems. Is important to correct any problem in eyes, because trough it we get more of  80 percent of the total visual information that we possess and therefore is quite important these have well function [13].

Nystagmus  is  a  sickness  to manifest  as  involuntary movements of  eye muscles,  generated by a brain region anomaly destined to control the ocular movement, but nowadays it has not been the mechanism of this sickness. Nystagmus may be congenital or aquired by a lesion or illness in our life [1], [4], [5].

People with nistagmus can´t focus objects, which generate several problems, most important is blinder by retina atrofiament by not to give up using.

This  project  presents  a  horizontal  eye position control  method based on electrical  stimulation of   the   lateral straight muscle eyes, whose purpose is to create the basis of a technique in control of horizontal nystagmus  upon electrical stimulation.

Keywords: Electrical stimulation, electrooculography, electromyography, nystagmus, oculomotor system, eye movements.

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1. INTRODUCCIÓN

ANTECEDENTES DEL PROYECTO

Este proyecto se sustenta en la tesis del Dr. Jaime Leybón Ibarra [1]. En su trabajo de investigación analiza que tipo de señales y con que características permiten mover el ojo en dirección horizontal, sus pruebas se realizaron en diferentes animales y como resultado se concluyo que el perro, el cuyo y el conejo son los modelos animales mas accesibles y adecuados para llevar a cabo las pruebas de electroestimulación por los siguientes motivos:

• El perro y el  conejo presentan  un   tamaño del  globo  ocular  más  cercano al  del  ser  humano (2.5cm de diámetro).

• La orbita ocular ósea no impide el libre acceso a los rectos lateral y medial del ojo, si éste se gira.• La exposición de los rectos lateral y medial se consigue con una incisión en la esclera.• La respuesta electromiográfica de los músculos del perro se comparó en forma aceptable con la literatura 

relacionada a la respuesta electrofisiológica en seres humanos (a través de la correlación de señales).• Aunque son animales de diferente especie existe una gran semejanza en el tipo de fibras que presentan los 

músculos oculares.

Este trabajo se fundamenta en que el sistema oculomotor esta formado por estructuras excitables eléctricamente, es decir por los músculos oculares.

Existen muchas aplicaciones  de   la  electroestimulación en el  área de  la  medicina,  cuyos resultados han sido benéficos, tal es el caso del desfibrilador o de la rehabilitación por electroestimulación de los músculos atrofiados o dañados (estimulación eléctrica funcional) [68]; por lo que es factible considerar la electroestimulación en el tratamiento del nistagmo.

Se tienen métodos de cirugía, tratamiento con prismas, bioretroalimentación auditiva, etc. para corregir dicha enfermedad, pero no se cuentan con métodos terapéuticos basados en electroestimulación para corregir dichas deficiencias, por lo que la electroestimulación representa una técnica alternativa terapéutica nueva [1].

Cabe aclarar que el uso de sistemas electrónicos aplicados en el área de la neurología referente al sistema visual, sólo se ha dirigido a proporcionar  una señal  eléctrica que se  relacione con el  movimiento del  globo ocular (electrooculografía, videooculografía y electromiografía ocular); es decir, las señales eléctricas no son parte de un proceso terapéutico o rehabilitatorio [1], [9].

La hipótesis planteada que refleja el principio de operación que tendrá el dispositivo, considera que los músculos extraoculares   en   su  calidad  de  estructuras   excitables,   pueden   ser  obligados  a   contraerse  mediante   estímulos eléctricos aplicados directamente o a través de su inervación [1], [6], [7], [10].

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2. OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Diseñar y construir un dispositivo electroestimulador de los músculos rectos laterales del ojo, para controlar su movimiento y posición horizontal en grados con el fin de desarrollar las bases de una técnica que ofrezca un tratamiento terapéutico alternativo en la rehabilitación de personas que padecen nistagmo horizontal a través de la electroestimulación del sistema oculomotor.

OBJETIVOS PARTICULARES

1.Diseñar y construir un generador  de trenes de pulsos rectangulares programables en su ciclo útil y en su periodo, con una duración mínima de 10 microsegundos y máxima de 10 minutos, con amplitud variable de 0 a 80 volts. 

2.Diseñar y construir un circuito electrooculógrafo que permita medir los grados de variación de la posición horizontal del globo ocular en un rango de –30 a 30 grados, diseñar y construir un electromiógrafo que sirva para registrar la actividad eléctrica de los músculos rectos laterales de los ojos.

3. Utilizar los dispositivos construidos para llevar cabo pruebas de electroestimulación en diferentes modelos animales sanos (perro, cuyo y conejo); posteriormente realizar las mismas pruebas de electroestimulación, pero ahora   generándoles   el   movimiento   involuntario   en   uno   de   sus   ojos   mediante   la   prueba   calórica   (nistagmo vestibular), comparar los resultados. 

4.Con los resultados obtenidos en las pruebas elaborar una bioestadística que resuma los tipos de señales y sus características,   tales   como   su   duración,   ciclo   útil   y   frecuencia,   que   generan   las   posiciones   y   movimientos horizontales deseados en el globo ocular, además del periodo de inhibición  y los efectos que generan este tipo de señales, sin causar daño.  

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3. JUSTIFICACIÓN

Se esta siguiendo la continuación de un proyecto que se encuentra en sus primeras etapas y que pretende el desarrollo de un electroestimulador corrector del nistagmo horizontal, cuyo fin es ayudar a la rehabilitación de las personas que sufren de esta enfermedad, de modo que la rehabilitación les permita tener una mejor calidad  de vida.  Es importante mencionar que solo se tratará del control del movimiento horizontal de los ojos mediante la electroestimulación y no de la creación de un dispositivo que controle el nistagmo horizontal en una persona, ya que esto corresponderá a la etapa final del proyecto.

En el área de biónica tenemos dos divisiones, la primera es la sintéticaanalógica que trata del análisis y estudio de sistemas biológicos con el fin de elaborar sistemas y técnicas análogas a los sistemas biológicos, y con ello resolver diversos problemas sociales o técnicos. La segunda es la sintéticacompuesta, que trata del estudio de sistemas formados por una parte viva interconectados con una parte artificial o sintética, que interactúa con la parte viva, por lo que este trabajo se ubica en la segunda división.   

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4. MARCO TEÓRICO

ANATOMÍA ORBITAL

Cada uno de los espacios de las cavidades orbitales están constituidos de 4 paredes en forma de pirámide a los lados de la nariz, denominadas paredes medias y laterales. El margen orbital esta formado por el hueso frontal arriba, el hueso zigomático lateralmente y el zigomático y el maxilar inferiormente (ver figuras 1 y 2), el volumen de la orbita es de 30ml, con el ancho de la entrada de 40mm y la altura de 35mm aproximadamente.

Figura 1. Vista frontal del cráneo [11]

Figura 2. Vista lateral del cráneo [11].

Las paredes orbitales están compuestas de 7 huesos: frontal, etmoides, lacrimal, maxilar, esfenoides, palatino y zigomático (ver figuras 2 y 3). La parte superior de la bóveda ocular esta compuesta por el hueso frontal y el ala menor por el esfenoides. La pared lateral de la orbita esta compuesta por el hueso frontal, el zigomático, y el ala mayor por el esfenoides. La pared media esta compuesta por los huesos maxilar, lacrimal, etmoides, esfenoides y frontal.

Los músculos rectos dividen el globo en 4 principales lóbulos: el lateral superior e inferior y el medial superior e inferior, este es a su vez esta dividido en (1) orbita periférica ocular, la cual es periférica al cono muscular y a sus membranas intermusculares; y (2) la orbita central ocular la cual esta dentro del cono muscular.

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Figura 3. Base del cráneo vista por arriba [11].

Hay 4 espacios quirúrgicos de la orbita, 3 de los cuales son particularmente importantes. Primero es el periférico o espacio subperiostal, el espacio potencial entre la periórbita y el hueso. El segundo es el extraconal o espacio medio, que es el espacio dentro del periostio externo al cono muscular formado por los músculos extraoculares y sus membranas intramusculares y limitado anteriormente por el séptum orbital. El tercer espacio es el intraconal o espacio interno, el cual es el espacio alrededor del nervio óptico limitado exteriormente por el cono muscular y anteriormente por   la  cápsula  de Tenon.  El cuarto  espacio que  es  de  poca   importancia  clínica es  el  espacio episcleral, que es el espacio potencial entre la cápsula de Tenon y el ojo [1114].

          Sistema Oculomotor en Seres Humanos.

Dentro de la cavidad orbitaria existen 7 músculos extrínsecos estriados que controlan el movimiento de los ojos [4], [11], [13], estos se encuentran separados en tres pares de músculos además del músculo elevador del párpado tal como se muestra en la siguiente figura:   

1) Elevador del párpado superior2) los rectos internos y externos3) los rectos superiores e inferiores4) los oblicuos superior e inferior

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     Figura 4. Ubicación de los músculos extrínsecos del ojo [1].

Elevador del párpado superior. Es un músculo aplanado que se extiende desde el vértice de la órbita hasta el espesor del párpado superior, la contracción del músculo elevador del párpado superior lo dirige hacia arriba y atrás, lo separa del párpado inferior y deja al descubierto la córnea y una porción de la esclerótica.  Músculos rectos del ojo. Toman su inserción común en el vértice de la órbita, y de aquí se dirigen hacia delante, anexos a cada una de las cuatro paredes de la cavidad orbitaria, hasta alcanzar el globo, se insertan en la esclerótica a distancias variables de la periferia de la cornea. La inserción de los cuatro músculos se hace por medio de un tendón llamado “tendón de Zinn”. El músculo recto inferior se dirige por la cara inferior del elevador del párpado hasta alcanzar la cápsula de Tenon la cual cubre en su parte superior y después atraviesa de la zona ecuatorial del ojo, y la perfora para insertarse en la esclerótica. El músculo recto interno se extiende adosado a la pared interna de la órbita, alcanza la cápsula de Tenon, con la que entra en contacto y luego perfora hasta alcanzar su inserción en la capa fibrosa del ojo.  Músculo recto inferior. Esta en relación por abajo con el piso de la órbita y mas adelante con el oblicuo menor, por arriba de él se encuentra el nervio óptico, después llega a la aponeurosis de Tenon la cual atraviesa por encima del oblicuo menor y su tendón va a fijarse a la esclerótica.  Músculo recto externo. Sigue la pared externa de la órbita, por arriba y por afuera del recto inferior y por abajo do los bordes externos del recto superior y del elevador del párpado, emite hacia delante y hacia fuera un tendón orbital el cual va a fijarse a la parte media del reborde externo de la órbita.

Acción de los cuatro músculos rectos. La inserción común de estos músculos se encuentran en la parte posterior de la órbita y su punto móvil delante de la esclerótica además de la presencia de prolongaciones orbitarias y de la cápsula de Tenon que viene a formar una especie de cavidad articular cóncava hacia adelante y fija que impide al globo deslizarse hacia atrás. De esta manera el ojo gira en diferentes direcciones dependiendo del músculo que se contraiga.

Los músculos rectos hacen que el ojo se mueva en plano horizontal ya que su punto de inserción esta más cerca del plano medio que su inserción escleral. La contracción del recto interno gira el ojo dirigiendo la córnea  hacia adentro; el recto externo tiene efecto opuesto pues hace que la córnea se dirigirse hacia fuera.

Músculos oblicuos del ojo. Son dos y se denominan por su tamaño y posición en oblicuo superior o mayor y oblicuo inferior o menor.  El oblicuo mayor  tiene mayores dimensiones, es un músculo reflejo que se extiende desde el vértice de la orbita al cuadrante superoexterno del hemisferio posterior del ojo, se inserta en la parte 

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superointerna de la vaina del nervio óptico; el oblicuo inferior es el único de los músculos extrínsecos que no se inserta en las cercanías del vértice de la cavidad, su inserción esta en la parte posterior de su piso.Su acción se da conjuntamente con los rectos superior e inferior, los dos músculos oblicuos hacen girar al globo alrededor de un eje de rotación dirigido de adelante atrás, de afuera adentro y un poco de arriba abajo. Si se contrae el oblicuo mayor, la córnea se dirige hacia fuera y abajo, cuando actúa el oblicuo menor, el ojo gira en tal sentido que la córnea se dirige hacia arriba y hacia fuera. Los rectos actúan teniendo su inserción fija en el fondo de la órbita, mientras que ambos oblicuos realizan su función desde un plano anterior a su inserción escleral. los rectos tienden a llevar el globo hacia atrás, lo que no es posible gracias a sus aletas ligamentosas y la cápsula de Tenon, los músculos oblicuos actúan como antagonistas estableciendo una relación de equilibrio [10], [11], [15].

En ellos encontramos principalmente dos tipos de fibras contráctiles que difieren en varios parámetros; como son por su inervación,  y por su acción. Los músculos extraoculares, llegan a medir 40mm de largo el recto medial se encuentra a 5.5mm, el recto inferior a 6.5mm, el recto lateral a 6.9mm, y el recto superior a 7.7 mm. El oblicuo superior es un músculo de 30mm con un tendón de 30mm, su contracción o elongación son máximas de 8mm, y es un valor que se mantiene constante. El oblicuo inferior se origina en la cresta posterior de la fosa lacrimal y se inserta en el borde inferior del recto lateral a 12mm atrás su inserción.[1], [11], [12].

  NISTAGMO

las personas que padecen nistagmo presentan movimientos oculares involuntarios causados por la contracción de los músculos extraoculares  estos están caracterizados por diferentes tipos de movimiento y frecuencias;  como se menciono anteriormente las regiones de control del movimiento ocular se encuentran en las regiones corticales de los lóbulos frontales de modo que aunque el nistagmo puede ser congénito también se presenta en personas que han sufrido un daño en dichas regiones, ya sea a través de una lesión, por medio de la intoxicación o por una enfermedad [1], [4], [5]. 

MÉTODOS DE CONTROL DEL NISTAGMO

Existen varios métodos para el control del nistagmo, todos ellos actúan sobre las estructuras anatómicas que mueven   el   globo   ocular,   estos   son   la   prismoterapia,   el   método   quirúrgico,   los   agentes   farmacológicos,   la bioretroalimentación acústica y el método debilitante para el tratamiento del nistagmo congénito [1], [4], [5], [9], [10], [1618].

Prismoterapia.Colocando prismas al frente de los ojos se produce un redireccionamiento óptico de la línea de visión poniendo en línea los elementos retinianos correspondientes. Se puede llevarse a cabo de dos maneras:

(I) Cuando el nistagmo es mínimo (o algunas veces ausente) en cierta posición de la mirada lateral conjugada con un consecuente incremento de la agudeza visual; y particularmente cuando el paciente busca activamente tal posición por medio de una postura anormal de la cabeza; se pueden colocar prismas de una apropiada e igual fuerza enfrente de cada ojo.(II) Cuando el nistagmo es mínimo (o algunas veces ausente) en una posición de convergencia, de manera que existe  una mejora significativa en  la  agudeza visual  cuando se enfocan objetos cercanos,  se pueden colocar prismas de apropiada e  igual   fuerza  frente  a  cada ojo;  por   lo  que  los  ojos  se  mantienen en  la  posición de convergencia y permiten la fijación binocular de un objeto al frente y distante.

Método quirúrgico.Se ha reconocido que la intensidad del nistagmo tiene un efecto inverso con la agudeza visual, y ésta varía en cada paciente con diferente dirección de la mirada.  Consecuentemente, tales pacientes prefieren dirigir la mirada hacia un punto donde la intensidad del nistagmo es mínima (punto nulo del nistagmo). La principal ayuda que brinda la cirugía del nistagmo, es eliminación de la postura compensatoria de la cabeza; esto mediante la rotación de ambos ojos en la dirección que la cabeza gira y con esto hacer que coincidan el punto nulo con la posición primaria de la mirada. La técnica de contempla una intervención quirúrgica sobre los cuatro músculos rectos horizontales mediante un procedimiento de "recesión/resección" que consiste en "reforzar y debilitar" el músculo; Se refuerza un músculo por un procedimiento llamado resección, donde se desprende el músculo del ojo, se estira 

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para volverlo más largo en una distancia medida y se vuelve a fijar al ojo. El acortamiento es el procedimiento estándar de debilitamiento, donde se desprende el músculo del ojo, se libera de sus inserciones faciales y se le permite retraerse; se sutura de nuevo al ojo por detrás de su inserción original. 

Agentes farmacológicos.Estos pueden actuar sobre un ojo específicamente para disminuir o bloquear su movimiento y forzar así al otro a buscar el acomodo para enfocar una imagen binocularmente. Para los procedimientos de debilitamiento muscular se aplica una dosis de toxina botulínica en el músculo extraocular produciendo parálisis de dicho músculo, cuya profundidad y duración dependen de la dosis. Las dosis empleadas son tan pequeñas que no causan toxicidad general. La parálisis persiste de manera típica varios meses. El ojo cambia hacia el campo de acción del músculo antagonista y a continuación, empieza a volver a su posición original conforme el músculo original recupera su fuerza. Durante el tiempo en que está desviado el ojo. 

Bioretroalimentación acústica.Otra   técnica   de   importancia   relevante   en   el   tratamiento   de   procesos   fisiológicos   es   mediante   la   bioretroalimentación auditiva, la cual provee al paciente de información auditiva inmediata procedente de procesos biológicos.

Método debilitante para el tratamiento del nistagmo congénito.El   método   debilitante   es   actualmente   el   método   más   usado   cuando   el   grado   de   afección   de   nistagmo   es considerable,  y no basta la aplicación de lentes o fármacos para su corrección. La finalidad de este método quirúrgico consiste en disminuir la amplitud y frecuencia de los movimientos nistagmicos, corregir el estrabismo y corregir la posición compensadora de la cabeza. Las técnicas quirúrgicas utilizadas son: 

• Retroinserción de músculos rectos horizontal y vertical.• Anteroinserción de músculos oblicuos.

• Miotomía (partir el músculo en su sección más carnosa) y miectomía (extirpar una sección del músculo) de oblicuos inferiores.

• Tenotomías (cortar un tendón) parciales o totales de oblicuos superiores.  

POTENCIAL CORNEORETINAL

El ojo crea un dipolo eléctrico causado por un potencial de corriente directa entre la retina y la cornea (potencial corneoretinal); como consecuencia de esto 1° de arco visual produce 10 V aproximadamente a un cm del canto exterior del ojo y esta relación se puede considerar lineal, es decir, 2° producirán 20 V, 35° producirán 350 V, etc. ; la magnitud de esta señal varia de 0.4 a 1 mV. Ver figura 5.

Esta   señal   se   ve   afectada   por   otras   señales   del   cuerpo   humano   como   la   electrocardiográfica   (ECG),   la electroencefalográfica   (EEG),   la  electromiográfica  de   los  músculos   faciales  y  el  cambio  de   impedancia  del esqueleto [1], [3], [5], [7], [9], [15].

Figura 5. Potencial corneoretinal.

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MEDICIÓN DEL POTENCIAL CORNEORETINAL

Para medir y detectar pequeños cambios en la posición del ojo se debe obtener una lectura de la diferencia de potencial entre el canto externo de los ojos si el movimiento es horizontal; si se quiere hacer la medición del movimiento vertical, entonces se mide la diferencia de potencial arriba del párpado respecto a la parte inferior frontal   del   ojo.  El  procedimiento  del   registro  de  potencial   oculográfico   se  hace  mediante   la   colocación de electrodos   en   los   puntos   mencionados   anteriormente   y   se   registra   la   señal   con   un   amplificador   de instrumentación.[1], [3], [19].  

La resistencia del camino por el que fluye la corriente en el cráneo es de 3 K   aproximadamente, por lo que el amplificador de instrumentación usado para amplificar el potencial corneoretinal deberá de tener una impedancia de  entrada  de al  menos 1 M    o  mas,  si  queremos una buena señal  de  salida [5],   también es  necesario considerar otros tres factores si queremos obtener una buena señal electrooculográfica: 

a)El esqueleto. El sitio de colocación de los electrodos en el esqueleto debe estar lo mas cercano posible a la orbita del ojo y lejos de los músculos que  producen movimientos faciales. La resistencia del esqueleto varia de 200 a 5000  .

b)La pasta electrolítica. Esta sirve para reducir la resistencia entre el esqueleto y el electrodo, además que debe ser aplicada solo en la superficie donde será colocado el electrodo. Después de la aplicación de la pasta se debe esperar 5 minutos antes de comenzar la lectura del ENG (electronistagmograma), ya que después de este tiempo la resistencia de la interfase esqueletopasta se vuelve estable.

c)Los electrodos. Existen 2 tipos básicos de electrodos de uso general, los de tipo EEG y los diseñados para la grabación de CD, y aunque los de tipo EEG son mas baratos, no se pueden usar en grabación de CD debido a algunos fenómenos de tipo iónico que existen entre el electrolito y el metal. El electrodo mas conveniente de usar en  mediciones de ENG es el electrodo de platacloruro de plata. 

NISTAGMO VESTIBULAR (PRUEBA CALÓRICA).

La introducción de  agua fría o caliente  en el  conducto auditivo  también produce nistagmo,  porque produce corrientes de convección en  los canales semicirculares del  oído  interno,  también se puede utilizar  cualquier dispositivo que genere calor  sin dañar  al  sujeto de prueba,  tal  como una resistencia  térmica;   la   temperatura máxima permisible es de 7°C por encima de la temperatura corporal normal.

El  movimiento   reflejado  en   los  ojos  es  normal,  y   se  utiliza  para  explorar   si   el   aparato  vestibular   funciona correctamente.  Esta  es  una  prueba clínica  denominada  “prueba calórica”    y  al  efecto  generado  se   le   llama nistagmo vestibular, cuyo efecto es principalmente en el plano horizontal, debido a que los canales horizontales son los máximamente afectados. La prueba se aplica primero en un oído y después en el segundo, si la respuesta en   el   sistema   visual   es   la   misma     para   ambas   estimulaciones   entonces   el   sistema   vestibular   funciona correctamente [5], [14].

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5. DESARROLLO  Y PRUEBA DE LA INSTRUMENTACIÓN.

DISEÑO DEL ELECTROESTIMULADOR

Puesto que se van a realizar pruebas de electroestimulación con diferentes tipos de trenes de pulsos rectangulares se   necesita un dispositivo capaz   de generar dichos trenes, además debe ser posible programar la duración de cada tren de pulsos, así como sus parámetros correspondientes de periodo y ciclo útil además  de un tiempo de pausa entre cada ciclo de trenes. 

El periodo mínimo de tiempo que se necesita para cada tren es de 20 microsegundos con  un ciclo útil mínimo de 10 microsegundos  y como máximo  10 minutos. Debido a costos y disposición de material se opto por utilizar el microcontrolador  PIC 16F871 de  microchip,   este  dispositivo  es  el  más   adecuado de   los  microcontroladores disponibles debido a las funciones que se pueden ejecutar con el y su fácil programación,  ya que cada instrucción de su programación se realiza en 1 microsegundo, con un cristal de 4 MHz por lo que resulta adecuado para manejar los tiempos requeridos. La siguiente gráfica muestra un ejemplo de los trenes generados por el PIC.

Figura 6. Diagrama de diferentes trenes de pulso rectangulares en serie

Originalmente se estableció que el control del periodo y del ciclo alto de cada tren de pulsos rectangulares se pudiera controlar de dos maneras, analógica y digitalmente, en la practica se opto por el control digital, ya que una vez programadas las características de pulso,  no es necesario invertir   tiempo en calibrar el  pulso con el osciloscopio como se tendría que hacer en el caso analógico. A continuaciones describen ambos métodos.

1Digital. Mediante un teclado se le indica al   PIC cuantos diferentes   trenes de pulso rectangulares se quieren generar, la duración del periodo y del ciclo útil de cada uno de ellos, así como el tiempo de pausa entre cada uno de los ciclos de trenes.

2Analógico. Utilizando un circuito integrado 555 configurado en su forma de multivibrador astable se genera cada uno de los trenes de pulsos. Se eligió este oscilador debido a que su consumo de corriente y voltaje están dentro del rango que puede proporcionar el PIC, además no necesita de fuentes de CA para su funcionamiento. En esta forma se controlan las duraciones del ciclo útil y del periodo de cada uno de los trenes mediante un potenciómetro, es decir se lleva un control de manera manual, la desventaja del control analógico esta en que no se pueden conocer   las  características  del   tren de pulsos sin contar  con un contador de frecuencia o  con un osciloscopio. 

SOLUCIÓN

Para solucionar ambos requerimientos de la manera mas simple, se utilizo un PIC que active y desactive cada dispositivo generador de trenes de pulso (Un PIC en el caso digital y un 555 en el caso analógico); es decir aquí  solo se programara la duración de cada tren y el tiempo de pausa entre cada uno de los trenes. A través de cada pin del PIC se enviara una pulso al segundo PIC o al 555 que estará en alto cuando se quiera que se genere el primer   tren  de  pulsos  y  después  ese  pulso  pasará   a   estado  bajo  deteniendo  la   ejecución  del  primer   tren  e indicando que comienza la pausa entre este ultimo tren y el siguiente.

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Para la generación digital de trenes un segundo PIC estará observando permanentemente en sus pines que tren y que duración tiempo se le esta solicitando ejecutar. Además se agrego una pantalla de cristal líquido de 2 líneas y 16 caracteres donde se puedan visualizar los datos de las características de los trenes de pulso rectangulares que se están ingresando al PIC, así como también la sustitución de un teclado lineal por un teclado matricial de 4X4 con un mayor número de teclas que el anterior  y por lo tanto con mas facilidad en el ingreso de datos.  Para la generación analógica de trenes de pulso, el PIC solamente enciende y apaga con su señal de salida en alto o en bajo ( 5V o 0V) cada uno de los C.I. 555.

    Circuito analógico                                                         Circuito digital     

                                                                                        

Figura 7. Diagrama a bloques del generador de pulsos rectangulares

DIAGRAMAS ELECTRÓNICOS DE LOS CIRCUITOS

Figura 8. Diagrama del circuito de control de la duración y pausa de los trenes

Control de duración y pausa.

PIC 16F871

Programación   de   No.   de   trenes duración y   tiempo de  pausa  de  cada uno de ellos. 

Generación de trenes de pulso de  acuerdo  al   estado  en   sus pines

Activación   y   desactivación   de cada   circuito   555   en configuración   de   multivibrador astable

Control   de   características   de trenes   de   pulso   por   medio   de potenciómetros

Control   de   características   de cada  tren de pulsos por  medio de la programación 

Salida al electroestimulador

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Figura 9 .Circuito del control digital de  las características de los pulsos rectangulares

Figura 10. Diagrama eléctrónico de la configuración del 555 en su modo de multivibrador astable(control analógico de pulsos)

DISEÑO DE LA  ETAPA DE POTENCIA.

La electroestimulación se llevo a cabo por medio de señales compuestas por diferentes tipos de pulsos de trenes rectangulares de voltaje en serie, con un tiempo de pausa entre cada uno de ellos, aplicados en los músculos rectos laterales de los ojos. Para conseguir este efecto se fija un voltaje de CD cuyo valor se varia de 0 a 80 volts, según las especificaciones indicadas en la bibliografía [1]. El tren de salida de la etapa anterior polariza la base de un transistor modelo TIP 48, para que funcione a manera de interruptor y establezca continuidad entre la tierra y el   voltaje   de   CD,   se   escogió   el   transistor   TIP   48   debido   a   la   frecuencia   necesaria   para   llevar   a   cabo   la conmutación mencionada, un dispositivo mecánico no seria capaz de generar las velocidades de conmutación generadas por el ciclo de trenes rectangulares (microsegundos), además este dispositivo puede soportar voltajes de colectoremisor de hasta 350V. 

SOLUCIÓN.

La primera opción para el diseño de la fuente variable de 0 a 80V, fue diseñar una fuente variable de primer orden, es decir un transformador con un puente rectificador,  un capacitor de filtraje y varios reguladores de voltaje variables del tipo LM317, y un fusible de protección contra corrientes excesivas. Sin embargo se requiere de un transformador de aislamiento el cual fue inaccesible debido a su precio, pues se debe mandar construir, ya que no lo hay de forma comercial, tampoco se pudo encontrar en ese momento de un regulador de voltaje variable en un rango de 80V, pero se aclara que tal dispositivo existe comercialmente (TL783).

La mejor opción disponible fue construir una fuente conmutada en configuración de inversor (convertidor DCDC) que multiplica el voltaje de entrada y lo eleva a la salida de acuerdo a la relación de vueltas en los bobinados del  transformador.  Considerando una eficiencia del 90% y una razón de vueltas de 10:1,  para un voltaje de entrada máximo de 12V  tenemos a la salida un máximo de (12V)(0.9)(10)(2)=216V. 

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La conmutación de voltaje en el secundario del transformador se realiza por medio de transistores que se saturan y cortan por medio de un 555 en su configuración de multivibrador astable.

La corriente máxima deseada a la salida es de 10mA,así el circuito entrega una potencia de 0.8W, puesto que la potencia en el primario debe ser la misma que en el secundario multiplicada por el factor de eficiencia entonces se requiere una corriente de:

I 0=0 . 8W

90 12 V =74 mA

Para calcular   los  resistores  del  circuito consideramos el  voltaje baseemisor  del   transistor y  la  corriente que necesitamos en el circuito, además se le colocarán dos diodos de switcheo rápido paralelos a las bobinas del transformador para evitar el daño a los transistores, el modelo del diodo es el IN4148 y se eligió este dispositivo porque soporta la corriente y el voltaje que se necesita.

  R=12 V−0 . 7V74 mA

≈220

A la salida del transformador tenemos un voltaje alterno de DC, que se debe rectificar y filtrar con un puente de diodos y un capacitor, para un voltaje de rizo de 0.05V a una frecuencia de muestreo de 100Hz obtenemos:

C=10 mA 0 . 05V 10

170 Hz ≈29 . 4 F

La figura 11 muestra el diagrama electrónico de la etapa de potencia del electroestimulador:

Figura 11. Etapa de potencia del electroestimulador.

REGISTRO DE MOVIMIENTOS OCULARES

El registro del movimiento de los ojos tiene muchas aplicaciones, por ejemplo en la investigación durante la lectura, estudio del sueño, neurología, otorrinolaringología y electronistagmografía por mencionar algunas [9]

TÉCNICAS UTILIZADAS EN EL REGISTRO DE LOS MOVIMIENTOS OCULARES

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Videooculografia

Consiste en observar   los cambios de posición del  globo ocular  mediante  la  grabación en video de este;   las imágenes obtenidas se digitalizan y manipulan mediante técnicas de procesamiento de imágenes, así se puede medir la variación en la posición del ojo de manera precisa. Se trata de una técnica no invasiva.

Optooculografía

Esta técnica se basa en la reflexión de un haz de luz infrarroja proyectado en el limbo esclerocorneal. Un giro del globo ocular producirá una desviación en la trayectoria del haz infrarrojo reflejado en el ojo.  

Electrooculografía

La electrooculografía  se  basa  en  la  medición del  potencial  corneoretinal  mencionado anteriormente,  el  cual constituye   un   dipolo   eléctrico   que   se   propaga   en   la   cabeza;  El   potencial   corneoretinal   está   producido   por hiperpolarizaciones y despolarizaciones de las células nerviosas de la retina. Un cambio en la posición del ojo, genera un cambio de posición en el dipolo que tiene su polo positivo en la cornea y el polo negativo en la retina, lo que se refleja en un cambio de potencial eléctrico.

  Si se fija la mirada al frente, el dipolo se encuentra en posición simétrica respecto a los ojos por lo que el potencial registrado es de cero volts, si se mira hacia los lados entonces cambiara la magnitud y el signo del potencial (que depende de si se mira hacia la izquierda o hacia la derecha) aumentando 10 V por cada grado.

El potencial corneoretinal varia de 5 V hasta 0.6 mV y se ve afectado por las condiciones de iluminación. En condiciones   escotópicas   (en   la   oscuridad)   es   aproximadamente   el   doble   que   en   condiciones   fotópicas   (con iluminación); además también influye la fatiga de la retina [1], [9].

OTRAS TÉCNICAS DE REGISTRO DE MOVIMIENTO OCULAR.

Han existido diversas técnicas para el registro de movimiento de los ojos, en 1906 Delabarre fija una varilla ligera directamente en la córnea de un ojo anestesiado por medio de anillos pegados y el movimiento fue registrado por un  kimógrafo  de   tambor   rotatorio;  Schoot   reconoce   la  actividad  eléctrica  del  ojo  y   la  usa  para  monitorear movimientos horizontales y verticales; otro método se basa en la curvatura de la cornea, se hace incidir un haz de luz sobre el ojo, que se reflejará dependiendo del ángulo que se forme respecto a la forma cuasiesférica del ojo. Otras se basan en las propiedades ópticas del ojo, consecuencia de la frontera claraobscura entre la esclerótica blanca y el iris de color oscuro[1], [20].

El presente proyecto es una etapa de la construcción de un prototipo portátil corrector de nistagmo horizontal, este sistema debe sensar el movimiento y posición de los ojos y con base a la señal registrada, aplicará una señal adecuada  de  electroestimulación,  por   lo  que  se   llega  a   la  conclusión de  que   esta  ultima  técnica   es   la  mas adecuada,  puesto que no requiere  de  dispositivos   infrarrojos  que obstruyan  la  visibilidad o de   incomodas y costosas cámaras de video que procesen la imagen tomada del ojo. 

También es importante especificar los intervalos de medición llevados en las pruebas con el electrooculógrafo. Cuando se mira con interés un objeto que se encuentra a los lados se produce un movimiento natural de la cabeza, de fijación de la vista para mirarlo mas cómodamente si este se encuentra afuera del campo de visión horizontal de –30° a 30° [21], [22].

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL ELECTROOCULÓGRAFO

Puesto   que   el   registro   de   posición   de   los   ojos   se   realiza   horizontalmente   los   electrodos   de   registro electrooculográfico se deben colocar en el canto externo del margen del ojo, sobre la unión del hueso frontal y zigomático, un tercer electrodo que sirve como punto de referencia se coloca en el centro de la frente como se muestra en la siguiente figura.

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   Figura12. Puntos de colocación de electrodos para el registro electrooculográfico horizontal

Como ya se menciono anteriormente, el orden las señales electrooculográficas es de microvolts; por lo que dichas señales   se verán afectadas considerablemente por cualquier fuente de ruido, de modo que para su registro se utilizaron electrodos de copa de plata con pasta para registro encefalográfico, para eliminar en la mejor forma el ruido del ambiente externo se utilizo cable de plata, el cable de plata no se polariza después de llevar a cabo una medición prolongada ya que si esto sucediera, se obtendrían mediciones incorrectas [21].  

Figura 13. Etapas del electrooculógrafo.

Las especificaciones para el registro electrónico de movimientos oculares son las siguientes [1], [3]: • El sistema debe ser lineal en un 1% en un rango de 0° a 50°.• La sensibilidad debe permitir registrar un movimiento de 1°.

• La impedancia de entrada del amplificador de instrumentación debe ser de al menos 1M .• La razón de rechazo en modo común debe ser de 80 dB.

Todas las características mencionadas anteriormente son necesarias en el diseño del electrooculógrafo, excepto la primera, que solo debe ser de 30°, pues el campo visual que alcanza un sujeto antes de mover la cabeza para mirar cómodamente un punto fuera de ese rango es de 30° [19].

Los siguientes parámetros del movimiento ocular se utilizan en el diagnostico del nistagmo[1]:

• Amplitud: leve (menor de 5°), moderada (5°15°), severa (más de 15°).• Frecuencia : lenta (1 Hz), mediana (12 Hz), rápida (más de 2 Hz).• Velocidad de fase: fases iguales (pendular), fases diferentes (sacudida).

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN CON CORRECTOR DE BASAL

El   amplificador  de   instrumentación  utilizado  es   el   INA114  de  Texas   Instruments,   ya  que  de   acuerdo  a   las especificaciones técnicas, este dispositivo tiene la mayor razón de rechazo en modo común, comparada con otros amplificadores disponibles (120db), una impedancia de entrada de 10G , además de que se puede ajustar la ganancia   (de  1   a   10000)  variando   la   resistencia  de  un   potenciómetro   conectado   entre   los   pines  1   y  8   del amplificador; esto último es muy importante ya que la señal electrooculográfica de cada persona varia debido a los factores antes mencionados y por tanto se debe ajustar el dispositivo cada vez que se efectúe una medición. La ecuación general para la ganancia de este dispositivo es la siguiente:

Obtención de la señal EOG

Amplificación de la señal

Corrección de nivel de CD

Filtrado de la señal

Registro de la señal

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G=150 K

RGEn la práctica es frecuente observar que el amplificador de instrumentación se satura o que la señal registrada se suma a una señal de CD que esta variando constantemente, esto puede deberse al movimiento de los cables de los electrodos o al ruido ambiental. El propósito del corrector de basal es mantener fijo el nivel de CD a la salida del amplificador de instrumentación, a  través de una retroalimentación del nivel de CD de salida respecto al de referencia con un filtro de paso bajo (figura 14).

Figura 14. Amplificador de instrumentación con corrector de basal.

CORRECTOR DE NIVEL DE CD.

En algunas ocasiones de manera contraria a lo que nos indica la teoría, el potencial corneoretinal registrado no es cero cuando la mirada esta dirigida hacia el frente, esto puede suceder por diversas causas tales como la anatomía asimétrica de la persona o por la colocación de los electrodos; para solucionar este problema es suficiente con sumar la señal EOG obtenida con una señal de voltaje de CD que tenga la misma amplitud que el potencial corneoretinal cuando se mira al frente, pero diferente signo de modo que se obtenga un potencial neto de cero cuando se mira hacia el frente.

Figura15. Corrector de nivel de CD.

FILTRO MUESCA DE 60 HZ.

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Para   eliminar   el   ruido   generado   por   la   interferencia   de   las   líneas   de   transmisión   eléctrica   o   el   ruido electromagnético de las fuentes de iluminación, se utilizo un filtro supresor de banda angosta de 60 Hz. El filtro esta   formado por una  red T gemela,  compuesta de  dos redes  T.  Una se compone de dos capacitores  y  una resistencia y la segunda de una resistencia y dos capacitores. Para aumentar el factor de calidad de la red T gemela, ésta se utiliza junto con un seguidor de voltaje. 

CÁLCULO DE LOS COMPONENTES

La frecuencia de supresión (60 Hz) esta dada por la siguiente formula:

f C=1

2πRCEligiendo un capacitor 0.047 F obtenemos R:

R=1

2π 60 Hz 0 . 047×10−6 F =56. 44 K

R3=R/2=28.22  y C3=2C=0.094  F

Para seleccionar el amplificador operacional se buscaron aquellos dispositivos que reunieran las características mas   adecuadas  para   el   filtro,   como  son   la  RRMC (80dB),   respuesta   en   frecuencia   (plana   en   la   frecuencia deseada), la impedancia de entrada ( 1012

, que es mas de la necesaria), además del tamaño mas pequeño. En las  pruebas  realizadas amplificador operacional  mas adecuado debido al  costo,  disponibilidad   y  a  que  esta construido internamente con 4 amplificadores operacionales que son necesarios para el corrector de basal y   el filtro de paso bajo es el  TL084 de la marca Texas Instruments, así el filtro queda como se ilustra en la figura 16.

Figura 16. Esquema del filtro muesca de 60 Hz.

Aun cuando la señal electrooculográfica es filtrada con un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte menor a 60 Hz.,se obtienen una mejor calidad de señal si esta se filtra primero con un filtro muesca de 60 Hz..

FILTRO PASABAJAS

Este es un filtro de Sallin y Key de segundo orden, con una atenuación de 40dB/década arriba de la frecuencia de corte[19], dicha frecuencia de corte esta dada por :

f c=1

2πR1 R4C1C2

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Figura 17. Diagrama del filtro pasabajas. 

Podemos hacer   R1=R4   y   C1=C2 ,  y  haciendo  la   resistencia  igual  a  47K, para   filtrar  un nivel  de CD utilizamos una frecuencia de corte muy baja igual a 3.5 Hz. obtenemos el valor del capacitor:

C=1

2π 3 .5 Hz 47 K ≈1 F

 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS CON EL EOG.

Las siguientes tablas muestran los valores de voltaje medido   en las pruebas hechas con el electrooculógrafo, considerando diferentes ganancias y diferentes escalas, además de el resultado obtenido con el corrector de nivel de CD; los grados negativos representan a la mirada hacia la izquierda y los positivos hacia la derecha.

Tabla 1. Mediciones en intervalos de 15° y ganancia de 200.

Grados 45 30 15 0 15 30 45

Voltaje (Volts)

1.858 1.829 1.8 1.77 1.74 1.709 1.681.877 1.853 1.822 1.79 1.766 1.733 1.7122.48 2.47 2.44 2.41 2.39 2.36 2.32

                                                                                                                                                                     

         

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Figura 18. Gráficas correspondientes a la tabla1 de mediciones electrooculográficas, con diferentes niveles de CD de referencia

  En esta tabla al igual que en la siguiente, las mediciones se han hecho sin control del nivel de CD con la mirada al centro y en diferentes instantes de tiempo, se observa que el nivel de CD en 0° va disminuyendo y debido al  tiempo que toma la estabilización iónica de la interfase electrolitopie, también obsérvese el cambio de pendiente de  la  gráfica   tres   respecto a  la  primera  y  la  segunda,  esto  es  causado por  el  cambio de   la  posición de  los electrodos(cambio de polarización). Las diferentes pruebas que se seleccionaron son aquellas donde se mantuvo mas tiempo estable el voltaje. Aquí el voltaje en promedio fue de 10  V /° . 

Tabla 2. Mediciones efectuadas cada 5°.Grados Voltaje Grados Voltaje

45 1.887 5 1.78540 1.868 10 1.77435 1.861 15 1.766

Grados  Voltaje Grados Voltaje30 1.853 20 1.75225 1.842 25 1.74620 1.833 30 1.73315 1.822 35 1.72510 1.813 40 1.7165 1.805 45 1.710 1.79

Figura19.  Mediciones efectuadas cada 5°  

En esta ultima figura se observa que el potencial corneoretinal cambio su valor a 8.  V /°  El resultado de la prueba hecha con todas las etapas propuestas para el electrooculógrafo son las siguientes:

Tabla 3. Mediciones electrooculográficas en intervalos de un grado y ganancia de 200. Grados Voltaje Grados Voltaje Grados Voltaje Grados Voltaje Grados Voltaje Grados Voltaje

45 0.361 30 0.24 15 0.121 0 0 15 0.012 30 0.02444 0.352 29 0.232 14 0.112 1 0 16 0.0128 31 0.024743 0.345 28 0.225 13 0.104 2 0.0019 17 0.0136 32 0.025642 0.336 27 0.216 12 0.096 3 0.0025 18 0.0144 33 0.0265

28

41 0.329 26 0.208 11 0.089 4 0.0032 19 0.0153 34 0.027240 0.32 25 0.2001 10 0.081 5 0.004 20 0.0162 35 0.028439 0.312 24 0.192 9 0.072 6 0.0048 21 0.0169 36 0.028838 0.305 23 0.185 8 0.065 7 0.0056 22 0.0176 37 0.029637 0.299 22 0.176 7 0.056 8 0.0065 23 0.0184 38 0.030536 0.288 21 0.168 6 0.048 9 0.0073 24 0.0192 39 0.031235 0.281 20 0.16 5 0.04 10 0.0081 25 0.02 40 0.032134 0.272 19 0.152 4 0.032 11 0.0089 26 0.0208 41 0.032833 0.264 18 0.145 3 0.024 12 0.0096 27 0.0216 42 0.033632 0.256 17 0.137 2 0.016 13 0.0104 28 0.0224 43 0.034431 0.248 16 0.128 1 1E04 14 0.0112 29 0.0232 44 0.0352

45 0.0362

Nótese que en este registro electrooculográfico se ha calibrado el nivel de voltaje de CD para que sea de cero volts en cero grados (mirada al frente), la ganancia es de 1000 y el voltaje es en promedio de 8 V por cada grado.

En base a la tabla anterior obtenemos los siguientes valores de error: El error mínimo porcentual es de 0El error máximo porcentuales de 18.75El error promedio porcentual es de 0.5274

Figura 20. Gráfica del registro electrooculografico de –45° a 45° con un grado de precisión.

Puesto que el máximo error permisible es del 1% de acuerdo a las especificaciones entonces el electrooculógrafo tiene suficiente precisión. El  rango de las mediciones vario de –45 a 45 grados por efectos de prueba, ya que en las referencias se menciona que se pierde linealidad en la relación voltajegrados a partir de los 50 grados [1], [3] y el rango necesario y suficiente para las pruebas posteriores es de –30 a 30 grados.

Todas   las  gráficas  poseen  una   tendencia   lineal  que   aumenta  o  disminuye de   acuerdo  al   error  promedio,   la diferencia principal entre las cuatro primeras respecto de la última gráfica es que al calibrar el nivel de CD en 0°,  es posible obtener una mayor ganancia y por lo tanto una mayor resolución.

La señal electrooculográfica con la mirada al centro se muestra en la figura 21, su magnitud es de 0V ya que se ha compensado la desviación con el corrector de nivel de CD; en la figura 22 se aprecia un cambio en el nivel de CD de 2V al girar los ojos  hacia la izquierda.

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           Figura 21. Señal EOG  con la mirada al frente (5V/div,10ms/div). 

Figura 22. Variación en el nivel de CD en la señal EOG al mirar hacia la izquierda (5V/div,10ms/div).

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ELECTROMIÓGRAFO.

Aunque en un principio solo se plantea la necesidad de registrar el movimiento horizontal de los ojos con el electrooculógrafo, es necesario tener un registro de la señal eléctrica en los músculos rectos laterales del ojo, puesto que esto permite comprender mejor la respuesta de los músculos a la electroestimulación y compararla con la respuesta mioeléctrica de los músculos del ojo humano en un estudio posterior.

Las características del potencial mioeléctrico de los músculos rectos laterales del ojo son las siguientes[1]:

• Presentan movimientos sacádicos del orden de 10° y ocasionalmente arriba de 60° en 30 ms.• Presentan un temblor irregular en su movimiento de 0.05° a 2° cuyo espectro de frecuencia se extiende hasta 

150 Hz., aunque la parte más importante está entre 0 Hz y 30 Hz.• Lo más importante a considerar son los movimientos sacádicos que deben registrarse con un sistema que 

tenga una respuesta constante hasta 150 Hz.• Su máxima amplitud se extiende hasta 0.6mV

Un sistema de registro de este potencial deberá tener las siguientes características[1]:

• La impedancia de entrada del amplificador de instrumentación debe ser de al menos 1M .• La razón de rechazo en modo común debe ser de 80 dB.• El ruido debe ser mucho menor a la señal más pequeña y puede considerarse satisfactorio si es menor de 3 Hz 

y mayor de 200 Hz.

En base a las características anteriores se diseño el dispositivo con las siguientes etapas:

  Amplificador de señal

Filtro muesca a 60 Hz.

Filtro pasabajas, Fc=150 Hz.

Corrector de basal

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Figura 23.Etapas del electromiógrafo.

En todas las etapas del electromiógrafo se manejan circuitos idénticos a los del electrooculógrafo, puesto que en ambos casos se presentaron problemas como la saturación del amplificador de instrumentación y la distorsión de la señal generada por el ruido de 60 Hz., excepto que la frecuencia de corte del filtro pasabajas es ahora de 150 Hz. puesto que hasta dicha frecuencia se hallan las señales mioeléctricas de los músculos extraoculares.

FILTRO PASABAJAS 150 HZ.

El circuito de la figura 24 es un filtro de Sallin y Key de segundo orden, con una atenuación de 40dB/década arriba de la frecuencia de corte [22], es idéntico al filtro pasabajas del electrooculógrafo y por lo tanto la ecuación de la frecuencia de corte es la misma. Hacemos  R1=R4  y   C1=C2 , y haciendo la resistencia igual a 1K, para la frecuencia igual a 150 Hz. obtenemos el valor del capacitor:

C=1

2π 150 Hz 1K≈1 F

Figura 24 .Diagrama del filtro pasabajas con frecuencia de corte de 150 Hz.

Se requiere que este filtro tenga una respuesta en frecuencia de tipo butterworth, ya que dicha respuesta es plana en la banda de paso por lo que se requiere que las resistencias que están en retroalimentación en la   entrada inversora satisfagan la relación  R1 /R2=0 . 586 , escogiendo  R2 de 1K se obtiene  R1=586 . Se probo la funcionalidad del electromiógrafo en el músculo elevador del párpado, la señal resultante se muestra en la  figura 25.

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Figura 25. Señal  mioeléctrica del músculo elevador del párpado (5V/div,10ms/div).

Para adquirir digitalmente la señal electromiográfica se utilizo del programa “Winscope”, que funciona como un osciloscopio de CA. Este programa se puede bajar libremente del internet; puesto que la señal electrooculográfica es de C.D. no es posible adquirirla por este programa, así que se empleo la hiperterminal de la computadora, la cual recibe por vía serial los datos, a través de un PIC. 

     INVERSOR DE VOLTAJE

Para la alimentación los amplificadores operacionales (TL082) y los amplificadores de instrumentación (INA114) del electromiógrafo y el electrooculógrafo con una sola fuente de voltaje (pila de 12V4.5A/hora), se construyo un circuito inversor de voltaje que funcione como fuente de alimentación negativa. Se utilizo el circuito integrado ICL 7662 de Intersil, que es un multiplicador e inversor de voltaje, su rango de alimentación varia de los 2.8 a los 20 volts de alimentación, obteniéndose una fuente de voltaje de –2.8 a   –20 volts a la salida. Para utilizar la configuración de  inversor  es  suficiente  con conectar  dos  capacitores externos como se  muestra en  la   figura número 26.

Figura 26. Inversor de voltaje ICL7662

CARACTERÍSTICAS DE CONSUMO ELÉCTRICO.

Generador de trenes de pulso:Cada uno de los pines de los microcontroladores pueden drenar y suministrar un máximo de 25mA a 5 volts. El NE555 es capaz de proveer en su salida hasta 200mA, necesita un mínimo de 10 mA y 5 volts para funcionar, por lo que todas las partes que componen el dispositivo generador de trenes de pulsos son compatibles eléctricamente. Electrooculógrafo y electromiógrafo:El amplificador de instrumentación INA144 posee un rango de protección en sus entradas de –40 a 40 volts y un consumo de  ±1 . 35  a ±18  volts dependiendo del rango de amplificación deseado. La máxima potencia de consumo del circuito es de 1.053 W.

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6. EXPERIMENTACIÓN

DESARRROLLO

El propósito del diseño de los circuitos electromiógrafo, electrooculógrafo y electroestimulador es su aplicación en   la   electroestimulación directa   sobre   el   vientre  de   los  músculos   rectos  oculares   externos  de   los  modelos animales   propuestos.   La   metodología   utilizada   en   la   experimentación   representa   un   grado   considerable   de dificultad   y   considerando   que   este   proyecto   es   el   seguimiento   del   trabajo   “Electroestimulador   con   fines ortoptistas” [1], se considera lo mas conveniente seguir la misma técnica de experimentación utilizada en dicho trabajo.

El trabajo con animales de laboratorio implica un cuidado especial en ellos, no solamente es importante cuidar su bienestar físico, también se debe tener en cuenta la fatiga y el estrés que pueden sufrir los animales por diversos factores como el estar encerrados en una jaula y el trato que reciban, la fatiga y el estrés son factores que afectan los   sistemas   circulatorio  y  metabólico  que  pueden   inducir  un   estado  de   choque,   en   ese  momento   existe   la posibilidad de que el anestésico aplicado no produzca los efectos deseados [23], [24].

Para realizar los experimentos se dispuso de uno de los laboratorios del bioterio del INR, la cirugía de exposición de   los  músculos  estuvo  a  cargo de  un médico veterinario,  esta  cirugía  es  una  modificación del  método de Kestenbaum y se describe con detalle el apéndice C. Se realizaron 4 experimentos,  el primero en perro ,  el segundo y tercero en cuyo y el cuarto en conejo. Al perro se le retiro el alimento 18 horas antes de la cirugía, con objeto de evitar que este vomitara y además permitir que la anestesia haga efecto mas rápidamente, el agua se suministro de manera normal a todos los animales. En el caso de los roedores no fue necesario retirar el alimento, ya que regularmente no vomitan [1], [23].

ANESTESIA UTILIZADA.

En el caso de los 3 animales (perro, cuyo y conejo) se aplico un preanestesico tranquilizante vía intramuscular cuya función es la de relajante muscular. La sustancia activa es la xilazina, la dosis es de 2mg/kg;el producto comercial es el rompun.

Como anestésico se utilizo la ketamina, en el caso del perro se aplico vía intravenosa y en el cuyo y el conejo vía intramuscular, la dosis es de 40mg/kg; el producto comercial es el ketalin 

METODOLOGÍA

Una vez expuesto uno de los músculos rectos laterales externos, se procede a buscar un pulso base capaz de generar con un mínimo voltaje la excitación del músculo y por lo tanto el movimiento del globo ocular en forma horizontal, para esto se fue incrementando el ancho de pulso y variando la amplitud. La importancia de este pulso radica en que debe excitar solamente al músculo extraocular y a ningún otro músculo facial.

Se realizaron 4 pruebas de electroestimulación, debido a la dificultad que representa el manejo de perros y de acuerdo a los resultados obtenidos se decidió que era necesario depurar el método de experimentación tanto en la cirugía como en la estimulación eléctrica por lo que solo se uso al  perro en el  primer experimento, para el segundo y tercer experimento se utilizaron cuyos y en el cuarto experimento un conejo; el motivo de utilizar estos modelos animales se explica en los antecedentes del proyecto. 

La  validación de   los  modelos   animal   radica   en  el   fácil   acceso   a   los  músculos,   la  disponibilidad  y   lo  más importante que es el predominio de cierto tipo de fibras en sus músculos oculares aunque se trate de diferentes especies.

Varios estudios han mostrado que los músculos extraoculares se componen de tres a cuatro diferentes poblaciones de fibras inervadas en forma única, y de dos poblaciones distintas de fibras inervadas en forma múltiple, los músculos extraoculares se acoplan al esquema general de los músculos rápidos y los lentos, ya que se componen por lo menos de dos tipos  de fibras.  Las  fibras periféricas  tienen diámetro pequeño,  son oxidativas  y  están preparadas para sostener actividades largas; mientras que las fibras internas que son más grandes y no oxidativas, 

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se reclutan en movimientos más grandes y rápidos, sin embargo, el conocimiento acerca de la contracción y del funcionamiento de éstos músculos esta aún incompleto [1]. 

PRUEBA 1.

Características del animal.Especie: Perro.  Edad: 3 años.Peso: 6.2 Kg. Sexo: hembra.

Se llevo a cabo la electroestimulación observando el efecto de un solo pulso al que se le vario el ancho de duración con los siguientes valores 10ms, 30ms, 100ms, 300ms, 400ms, 500ms y 600ms. El pulso de 300ms se utilizo para obtener el valor de la reobase (en términos de voltaje y no de corriente, ya que se esta estimulando con voltaje y la reobase es la mínima corriente necesaria para producir estimulación con ese ancho de pulso) después se incremento en 400, 500 y 600ms con objeto de observar los efectos producidos.

Después se utilizaron pulsos con un ancho de 10 y 30ms, la siguiente tabla muestra los valores mínimos de voltaje que generaron una respuesta así como el periodo de pausa después del pulso que es el doble de tiempo de ancho de pulso para evitar la fatiga del músculo [8].

Tabla 4. Resultados de la electroestimulación en el perro.

Ancho de pulso (ms) Tiempo de pausa (ms) Voltaje mínimo (volts)10 20 2530 60 20100 200 10300 600 10400 800 10500 1000 9600 2000 9

Estos valores serán utilizados como una base datos en las pruebas que se realicen posteriormente tales como encontrar la impedancia de estos músculos, aquí se verifica que el ancho de pulso varia inversamente con la intensidad, además se observo que arriba de cierta amplitud un cierto intervalo de ancho de pulso (en este caso de 100 a 400ms y arriba de 500ms) la contracción del músculo no se hace mas fuerte tal como se indica en [8]. En este conjunto de valores no se consiguió que se estimulara únicamente el músculo extraocular. 

Figura 27. Exposición del músculo recto lateral externo del cuyo.

PRUEBA 2.

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Características del animal.Especie: CuyoEdad: 3.5 mesesPeso: 1Kg.Sexo: Macho

Con el propósito de probar el electromiógrafo y el electroestimulador para verificar la máxima corriente que este puede entregar, así como la gráfica de la respuesta del músculo al pulso, se estimulo el músculo   fibroso de la pata; las gráficas se aprecian el las figuras 28, 29, 30 y 31; se observa una respuesta electromiográfica típica de un músculo esquelético [7], [8]. 

Tabla 5. Respuesta a la estimulación en el músculo fibroso del cuyo.

Ancho de pulso (ms) Tiempo de pausa (ms) Voltaje mínimo (Volts)100 200 5300 600 3 El tiempo de estimulación con ambos pulsos fue de 45 minutos.

                                                                Figura 28.Grafica de la señal de estímulo.                       Figura 29. Grafica de la respuesta del músculo.

       Figura 30. Señal electromiográfica normal (sin movimiento).

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  Figura 31. Respuesta electromiográfica después del estímulo.

Después se expuso el músculo recto lateral del ojo izquierdo y se estímulo con un ancho de pulso de 10ms y una pausa de 1 segundo; el mínimo voltaje que genero la estimulación fue de 3 volts. El tiempo de estimulación fue de 5 minutos, después de los 5 minutos no se obtuvo respuesta. Ver figura 27.

PRUEBA 3.Características del animal.Especie: CuyoEdad: 3.54 mesesPeso: 1.2 Kg.Sexo: Macho

Una vez probado el electroestimulador se procedió a estimular únicamente el músculo recto ocular externo del ojo derecho.   Se   comenzó   con   un   ancho   de   pulso   de   10ms   y   una   pausa   de   2   segundos   entre   cada   pulso incrementándose cada vez mas la amplitud del pulso, después se disminuyo a cero la amplitud y se duplico el ancho de pulso y se volvió a incrementar la amplitud; se procedió así hasta llegar a 200ms. 

Tabla 6. Respuesta a la estimulación en el músculo recto lateral del cuyo.

Ancho de pulso (ms) Voltaje (volts) Ancho de pulso (ms) Voltaje (volts)10 4.2 110 220 4.2 120 230 4.1 130 *40 4.1 140 *50 2.7# 150 *60 2.7 160 3.170 2.5# 170 3.280 3.2 180 3.490 3.2# 190 3.4100ms 2.2 200 3.3

Los valores donde hay un símbolo de gato, son aquellos donde se encontraron los mejores resultados ya que en estos se produjo únicamente el movimiento del músculo ocular, a diferencia de los otros valores donde también se observo que se estimulaban algunos músculos faciales y el músculo de la oreja. Aquellos que están acompañados por asterisco no ofrecieron respuesta en ninguna amplitud.

PRUEBA 4.

Características del animal.

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Especie: ConejoEdad: 1añoPeso: 2.85 Kg.Sexo: Hembra.

De acuerdo  a   las  observaciones  obtenidas  en  los  experimentos  anteriores  se   limito   la  corriente  a  5mA;  los motivos se exponen en el análisis de resultados. Se comenzó con un pulso de 10ms de ancho y se siguió el mismo procedimiento usado en el experimento 3, pero ahora hasta 160ms de tiempo de ancho.

Tabla 7. Respuesta a la estimulación en el músculo recto lateral del conejo.

Ancho de pulso (ms) Voltaje (volts) Ancho de pulso (ms) Voltaje (volts)10 25 90 *20 22 100 *30 17 (mín)25 (máx)# 110 *40 15 120 *50 14 (min)21 (máx)# 130 *60 11 140 22 (una sola contracción)70 10 150 *80 89 160 *

Los valores que están señalados con un símbolo de gato son los mejores resultados, pues en estos al igual que en el cuyo se puede observar que únicamente se produce contracción en el músculo ocular. En los valores señalados con un asterisco no se produjo contracción alguna. La razón se menciona en la discusión de resultados.

Figura 32. Electroestimulación en el músculo recto lateral externo del ojo del conejo.

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7. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS EN LAS PRUEBAS DE ELECTROESTIMULACIÓN.

En todas las pruebas se partió de un ancho de pulso de 10ms, ya que la aplicación de pulsos con menor duración se aplica   regularmente en otro tipo de pruebas tales como la de conductibilidad nerviosa [8]. Sin embargo, posteriormente que se obtenga mas información de la respuesta fisioeléctrica de los músculos extraoculares se procederá a realizar pruebas con anchos de pulso cuya duración sea a partir de 0.01ms con el fin de ampliar el conocimiento de la respuesta de los músculos extraoculares a este tipo de estímulos 

En el primer experimento se busco la reobase en términos de voltaje, ya que como se explica en el apéndice B este es uno de los parámetros que suelen tener mayor importancia en el análisis electrofisiológico de un músculo. En todas las pruebas se observa una respuesta normal del estimulador eléctrico en términos de voltajeduración, (ver apéndice B, figura b.1) sin embargo con el perro no es posible obtener una respuesta donde se estimule únicamente el músculo extraocular ya que también se estimulan los músculos de la periferia del ojo, por ese motivo se decidió continuar las pruebas con otro tipo de animales.

En el segundo experimento se probo la eficacia del electroestimulador en un músculo esquelético de la pierna del cuyo,   donde   se   observa   una   respuesta   normal   del   pulso   de   estímulo,   además   se   observa   la   respuesta electromiográfica del músculo en reposo y después de la excitación en las figuras 30 y 31 respectivamente.

Respecto a los resultados obtenidos en la estimulación del músculo extraocular de ambos cuyos se observo que el rango de voltaje de estimulación esta alrededor de los 3 volts para pulsos con un ancho de entre 10 y 100ms, los dos mejores resultados se encontraron con dos anchos de pulso, el primero de 70ms y 3.5 volts de amplitud y el segundo con 90msde ancho de pulso y 3.2 volts de amplitud. 

Hasta este  punto se había utilizado una  intensidad máxima de 10mA,  la  cual  está  por  debajo del   límite de seguridad de acuerdo a las normas establecidas, a pesar de esto después de la estimulación se observaron daños por quemadura que se atribuyen a que la corriente era demasiada por lo que se redujo esta a la mitad (5mA) y se efectuó la siguiente prueba.

En el último experimento (conejo) se aprecia un movimiento mas claro del globo ocular, se comienza con un ancho de pulso de 10ms hasta llegar a los 160ms, el mejor registro se da a los 30ms, sin embargo después de 80ms no   se  observo   respuesta  del  músculo  a  ningún estimulo  hasta   los  140ms donde   se  observo  una   sola contracción;. La razón por la que ya no se genero contracción arriba de 80ms es que se aprecia un daño en el músculo debido a que la corriente era demasiada y aunque previamente se redujo su valor muy por debajo del límite de seguridad de acuerdo a los resultados del experimento anterior se deduce que es necesario disminuirla hasta el orden de decenas de microamperes antes de realizar posteriormente cualquier otra prueba.

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8. CONCLUSIONES.           El generador de trenes de pulso funciono eficientemente en sus configuraciones (digital y analógica), pero en la practica es mas cómodo utilizar el modo digital, ya que con este se pueden generar anchos de pulso con una precisión de un microsegundo, los cuales no necesitan calibrarse manualmente en un osciloscopio, con lo que se ahorra tiempo.

En pruebas posteriores se tendrá que limitar la corriente hasta el orden de las decenas de microamperes con dos propósitos, el primero y mas importante que es evitar las quemaduras electroquímicas y el segundo disminuir la corriente hasta encontrar la mínima intensidad capaz de generar el estímulo y que consuma la menor cantidad de energía de su alimentación.

De   acuerdo   al   punto   anterior   se   debe   cambiar   la   metodología   y   partir   de   un   mínimo   de   corriente   e   ir incrementando su valor hasta encontrar la mínima capaz de generar contracción muscular. De esto también se concluye que los músculos oculares por su tamaño y densidad son mas sensibles a la electroestimulación que el resto de músculos esqueléticos del cuerpo, por lo que se debe de utilizar una amplitud de corriente menor a 5mA, aunque en la literatura se mencione que el rango de seguridad se encuentra por encima de los 10 mA.

 De acuerdo a los resultados se obtuvieron tres buenos patrones de pulso base en diferentes animales, (dos para cuyo y  uno  para   conejo)   lo  que  sustenta   la  hipótesis   inicial  de  manipular  el  movimiento  del  ojo  mediante diferentes tipos de pulsos eléctricos. 

Referente al electrooculógrafo, es un dato interesante observar que aunque se utiliza en la etapa final de este un filtro pasabajas de segundo orden con una frecuencia mucho menor a 60Hz (3.5 Hz) es necesario utilizar primero un filtro muesca de 60Hz para obtener una buena calidad de señal.

La relación lineal entre el movimiento horizontal del globo ocular (en grados) y potencial corneoretinal permite conocer la dirección de la mirada con una resolución de 2° de acuerdo al error porcentual obtenido en las pruebas, el cual es menor al error permitido en las pruebas clínicas de electrooculografía.

La desventaja del registro electrooculográfico es que antes de realizar las mediciones se deben esperar al menos 20 minutos después de haber colocado los electrodos, con objeto de establecer un equilibrio de potencial iónico entre la piel y el electrolito.

En la literatura se indica que se obtiene un buen registro electrooculografico colocando los electrodos a una distancia de 1.5 cm del canto del ojo, sin embargo en las pruebas realizadas esto no sucede así debido a que el dispositivo es mas sensible a los potenciales eléctricos generados en otras partes del cuerpo, por lo que es mejor colocar los electrodos lo mas cercano al margen del ojo en la unión del hueso frontal y zigomático.

En las pruebas posteriores será necesario tomar en cuenta no solo las características de señal movimiento, sino también los cambios histoquímicos que se produzcan en los músculos después de ser estimulados. En la experimentación con animales se debe de cuidar el bienestar de estos antes, durante y después de las pruebas a realizarse, teniendo en cuenta que durante el experimento hay que partir de un mínimo riesgo con el fin de evitar dañarlos innecesariamente. El apéndice A muestra algunos de los artículos que se deben seguir durante la experimentación con animales.

Se deberá incluir un pulso de polaridad inversa al final de los trenes de pulso de electroestimulación. El fin es despolarizar   los   electrodos   para   rechazar   la   acumulación   de   iones   que   puedan   producir   algún   cambio electroquímico en  la   interfase electrodomúsculo y así  evitar  que se vea afectada  la   señal  mioeléctrica y   la respuesta normal  del músculo a la electroestimulación.

En las pruebas a realizarse posteriormente se realizara la electroestimulación programando el número de pulsos que se quiere que tenga en el tren y no la duración de este, ya que esto permitirá observar mejor los efectos generados.

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APÉNDICE A

EXPERIMENTACIÓN ANIMAL.

Es importante tener en cuente una serie de puntos tanto de carácter ético como experimental en el momento de utilizar un animal o un humano en una prueba.

La ética se puede definir como un compromiso moral, que constituye una responsabilidad individual consciente [1], donde no solamente son importantes los sentimientos y el trato hacia los animales, es importante tener en cuenta los siguientes factores: La salud del animal, Las condiciones de vida, el diseño del experimento, el recurso humano, observaciones clínicas que evidencian la presencia del dolor y el estrés en los animales de laboratorio [23],   [24].  Muchas organizaciones  como Physicians  Comittee   for  a  Responsible Medicine,  EuroNICHE,  the American  Antivivisection  Society,   the  National  Antivivisection  Society,   the  New England  Antivivisection Society   y   muchas   otras,  desarrollan   y   ofrecen   métodos   pedagógicos   que   no   suponen   sufrimiento   para   los animales  (tengamos   en   cuenta   que,   por   ejemplo,   las   facultades   de   Medicina   de   Stanford,   Harvard,   NY, Ohio,etc....no   utilizan   animales   para   prácticas   docentes   y   en   Israel   se   ha   prohibido   recientemente   realizar experimentos con animales en el ámbito educativo).

 ADDA [25] presentó un Proyecto de Ley de Objeción de Conciencia a las prácticas con animales con el fin de promover la implementación de los métodos docentes que no requieren animales y proteger al mismo tiempo a la persona que rechaza estas prácticas y aboga por aprender de una manera más ética.

LEYES PARA USO Y EXPERIMENTACIÓN CON ANIMALES.

Encabezada por la Organización Mundial de Sanidad Animal, Más de 450 participantes provenientes de 70 países se reunieron en la Conferencia Mundial sobre Bienestar Animal en París, Francia, del 23 al 25 de febrero de este año. Con el   fin  de  sentar   las  bases en  la  definición de  normas  internacionales  para  el  manejo de animales procurando su bienestar con base en estudios científicos, dicha conferencia ha servido para reconciliar: la ciencia, la ética, los valores culturales y las realidades prácticas, proveer guías y normas internacionales. Se mencionan algunos de los artículos considerados mas relevantes que forman parte de la sección de enseñanza e investigación con animales:

Artículo   74.  Las   disposiciones   del   presente   Capítulo   regulan   la   utilización   de   animales   en   enseñanza   e investigación, ya sea que ésta se realice por instituciones públicas o privadas, incluyendo las académicas, del sector salud, del sector industrial y del sector pecuario.Artículo 75. En la utilización de animales en la enseñanza e investigación, se deberá garantizar en todo momento su bienestar,  de  conformidad con  lo  establecido en el  Capítulo  III  de   la  presente Ley,  en  la  medida que  el protocolo de investigación lo permita.Artículo 76. Las personas físicas y morales que utilicen animales con fines de enseñanza o investigación tienen la obligación de salvaguardar su bienestar como un factor esencial al planear y llevar a cabo experimentos o actividad docente.Los docentes o investigadores son los responsables directos de mantener los niveles adecuados de bienestar de los animales utilizados en sus actividades. El personal involucrado en la enseñanza o en un proyecto de investigación, bajo la responsabilidad directa del docente o investigador, deberá contar con la capacitación necesaria para el cuidado y manejo de los animales.Artículo 79. La Comisión Intersecretarial de Bienestar y Sanidad Animal establecerá un Sistema Nacional de Instituciones que realicen Investigación y Enseñanza con Animales, el cual tendrá por objeto registrar a todas las instituciones públicas o privadas que utilicen animales.Artículo. 84. Queda prohibida la utilización de animales silvestres capturados en su hábitat, si existen animales apropiados y disponibles criados en cautiverio.Artículo 85. Durante el desarrollo del proyecto de investigación, el investigador tiene la obligación de anticipar y tomar las medidas necesarias para reducir o evitar el dolor y sufrimiento de los animales empleados. En el caso de   que   éstos   desarrollen   signos   de   dolor   y   sufrimiento   severo,   se   deberán   tomar   las   medidas   necesarias incluyendo, en su caso, la utilización de la eutanasia, de conformidad con lo establecido en el Capítulo VII de la presente Ley.

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A pesar de la creación de diferentes códigos internacionales de experimentación animal, no se logra resolver el dilema acerca de si realmente esta justificada la experimentación con animales,  algunos códigos como el       “ Manual sobre el Cuidado y Uso de Animales de Experimentación del Consejo Canadiense de Protección de los Animales (CCPA)” mencionan que “El uso de animales en la investigación, enseñanza y pruebas, es aceptable  solamente si contribuye en forma efectiva a la mejor comprensión de principios biológicos fundamentales, o al  desarrollo de conocimientos que, razonablemente, podemos esperar que beneficien a los seres humanos o a  los   animales.   Los   animales   deberían   usarse   únicamente   cuando   el   investigador   haya   buscado   sin   éxito  encontrar   una   alternativa   aceptable”.  Por   supuesto   existen   muchos   puntos   de   vista   respecto   a   esto,   e independientemente del dilema es bien conocido que gracias a la experimentación con animales o humanos [26], se han logrado impresionantes avances en la medicina que han salvado mas vidas que las que se han perdido, pero al parecer lo mejor será encontrar una técnica de experimentación que no requiera del uso de ningún ser vivo en el futuro.

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APÉNDICE B

ESTIMULACIÓN ELÉCTRICA FUNCIONAL.

El propósito de la estimulación eléctrica funcional (FES, por sus siglas en ingles), es obligar a un músculo a contraerse   con   el   fin   de   provocar   algún   movimiento   natural   del   cuerpo   que   por   diversas   causas   como enfermedades o accidentes se ha atrofiado o ha perdido movilidad. Entre sus aplicaciones se encuentran las de devolver a un paralítico la marcha, hasta el control de los diferentes músculos esfínter del cuerpo[7], [8].

INICIOS DE LA ELECTROESTIMULACIÓN.

Se sabe de intentos del uso de la electricidad en con fines terapéuticos al menos desde los tiempos de Galeno (160 D.C.),   donde     aplicaba   el   pez   torpedo   en   la   cabeza   de   pacientes   con   cefaleas.   Pero   se   practica   el electrodiagnóstico  y   la  electroterapia  con bases  experimentales   firmes desde  el   siglo XX,  consagrándose  su práctica clínica en la 2a guerra mundial.

ANATOMÍA Y FISIOPATOLOGÍA NEUROMUSCULAR

El   circuito   neuromuscular   periférico,   conecta   a   cada   una   de   las   neuronas   motoras   centrales   con   su correspondiente neurona motora periférica a través de la médula espinal. Una lesión en un área motor cerebral producirá inmovilidad en todos o parte de los músculos contralaterales.

Sin embargo si estos músculos conservan sana su inervación periférica (la vía motora hacia la médula y la vía sensitiva   desde   la   médula),   podrán   ser   inducidos   a   contraerse   mediante   estímulos   eléctricos   aplicados propiamente a los circuitos constitutivos del circuito neuromuscular periférico.

Se puede producir una contracción del músculo electroestimulando el nervio motor del mismo, pero si el nervio ha sido lesionado, entonces la aplicación de un estímulo eléctrico sobre el cabo nervioso distal puede ser incapaz de  generar   la   contracción.  En este  último  caso   se   recurre   a   aplicar  un   impulso   eléctrico  de   características especiales sobre el músculo directamente.   

ELECTROFISIOLOGÍA NEUROMUSCULAR.

Cuando una neurona motora cerebral debe hacer mover un músculo, genera un impulso eléctrico, que viaja sin decrementarse por todo el axón hasta llegar a otra neurona motora situada en el hasta anterior de la médula nerviosa que toma el impulso y a través de la placa motora se lo comunica al músculo que debe contraerse.El impulso nervioso se puede generar externamente. Este generan dentro de los axones de los nervios, impulsos eléctricos similares a los producidos en condiciones fisiológicas normales, el estímulo externo debe superar un umbral de intensidad.

El   nervio   intacto   esta   formado  por   cientos   a   miles  de   axones,   por   lo  que   puede   que   no   todos   éstos   sean estimulados al mismo tiempo debido a que la corriente aplicada sobre el nervio será drenada por zonas de baja impedancia.

ELECTRODIAGNÓSTICO

Al estudiar la respuesta de los músculos a estímulos eléctricos surgieron curvas y parámetros que sirven para establecer el estado de inervación motora normal del músculo así como los estados de reinervación y denervación y degeneración nerviosa.Dichas curvas que presentan mayor utilidad en la práctica clínica son las de intensidad duración (ID) y las de tensiónduración (VD). A partir de la curva ID, pueden hallarse dos parámetros de gran importancia, la cronaxia y la reobase.Para trazar las curvas ID o VD, se fija un cierto ancho de pulso deseado y se varia la corriente o el voltaje hasta obtener la mínima intensidad que es capaz de producir una contracción en el músculo estudiado.

En la practica se acepta que la salida de pulsos de amplitud constante provoquen molestias menores al paciente. Además   se   le  coloca  al  paciente  un  electrodo  indiferente  o  dispersivo en  una  zona alejada  del  músculo,  el 

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electrodo deberá tener una superficie de 50 cm2 , ser no polarizable, recubierto con una capa de AgCl y cubierto por una almohadilla de gasa en solución salina. Este electrodo se conecta normalmente al polo positivo.

El electrodo activo consta de un mago aislado y un extremo esférico de AgAgCl de1cm de diámetro.  Este electrodo se aplica en el punto donde el nervio penetra en el músculo, ya que es el punto mas sensible para provocar   contracción   y   se   conecta   normalmente   al   polo   negativo,   ya   que   así   se   obtienen   las   mayores contracciones para una energía determinada.Para trazar curvas ID y VD se emplean pulsos rectangulares de las siguientes duraciones: 0.01, 0.03, 0.1, 0.3, 1, 3, 10, 30, 100 y 300 mseg.

Una curva normal muestra una disminución de la energía aplicada conforme aumenta el ancho de pulso.

Figura B.1. Curva Intensidadcontracción.

CRONAXIA Y REOBASE

Reobase:  si  se aplica al músculo un estímulo de duración infinita  y se registra  la mínima intensidad que lo hace contraerse, se habrá obtenido el valor de la reobase (100 a 300ms).

Cronaxia: Si se duplica el valor de la reobase y se registra la mínima duración de pulso se habrá obtenido la  Cronaxia.

CONDUCTIBILIDAD NERVIOSA

Los impulsos de 0.01 a 0.03 ms de duración sirven para hacer el test de conductibilidad nerviosa. Si se estimula el cabo distal  de un nervio motor recién lesionado, se obtendrá  contracción del  músculo hasta llegar a  la zona lesionada.

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APÉNDICE C.

CIRUGÍA OCULAR.

La cirugía para acceder a los músculos rectos laterales se basa en el método de Kestenbaum de reseción/resección de los músculos rectos oculares, para tratamiento del nistagmo [16]. El método se aplica hasta la parte donde se expone el músculo, puesto que el interés radica en estimularlo y no en extirparlo de sus inserciones. 

Anatomía quirúrgica.

La exposición de los músculos rectos esta principalmente implicada con sus inserciones tendinosas. Los tendones están compuestos de fibras de tejido elástico. Las fibras son principalmente longitudinales y tienen un brillo fácilmente identificable de las capas superficiales de la esclera. Es importante tener en cuenta la anatomía de los músculos rectos laterales e inferiores. El oblicuo inferior se origina cerca del fin medial del canto inferior orbital, desde   la   cresta   exterior  de   la   fosa   lagrimal,   se   inserta    debajo  del  borde   inferior  del  músculo   recto   lateral aproximadamente a 12mm de la  inserción del recto lateral. Es importante recordar esto cuando sujetamos el músculo recto lateral con un gancho.

Figura C.1. Exposición y separación del músculo recto de la cápsula de Tenon.

El recto inferior esta sujetado al ligamento de Lockwood y el oblicuo   esta girado y sujetado al séptum orbital inferior y mas abajo a la estructura del párpado. Frecuentemente la disección de estos tejidos planos es esencial si se   necesita   evitar   cambios   en   la   posición   del   párpado   cuando   se   efectúa   la   reseción   del   recto   inferior,   la ramificación inferior de el tercer nervio craneal inerva el oblicuo inferior y penetra este músculo como si cruzara el borde lateral del recto inferior, aproximadamente a 12mm  posteriormente a la inserción del recto inferior.

Técnica recomendada.

El globo ocular es expuesto con un especulo ocular estándar; una sutura Dexon 50 es usada como sutura de una tracción pasada a través de la córnea exactamente antes de la conjuntiva. El ojo es rotado para exponer el músculo recto lateral al que se le va a aplicar la reseción y la sutura de tracción es fijada al pliegue quirúrgico con un hemostato curvado.

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BIBLIOGRAFÍA

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[13]Dolciani, Riddle, “Principios básicos de anatomía humana”, capítulo 6. Thompson Editores, 1983.

[14]Levy, Berne “Fisiología”. Ed. Médica Panamá, 1983.

[15] R. Barea, L.  Boquete, L. M. Bergazo, E. López, “Electrooculographic guidance of a wheelchair using eye movements codification”. Electronics departament, University of Alcala., 1990.

[16] Walthman S., Keates R., Carroll D., ”Surgery of the eye”. Churchill Livingstone, 1988. [17] García N, Arias López MC, Gómez Villaescusa F. Tratamiento del nistagmus por medio del «Método Debilitante». Acta Estrabológica 1996; 25: 141146. 

[18] ArroyoYllanes ME, FonteVázquez A, PérezPérez JF. Modified Anderson procedure for correcting abnormal mixed head position in nystagmus. Br J Ophthalmol 2002; 86: 267269. 

[19]R. W. Ditchburn,”Eyemovements and visual perception, Calderon pressOxford, 1992.

[20]Suaste E., Leybón J., “Desarrollo instrumental y metodológico para analizar y corregir el nistagmo congénito”. Revista Mexicana de ingeniería Biomédica, volumen XIX, No. 4 1998 [21] Aston R. “Principles of  biomedical instrumentation and measurement”. Merril Publishing company, 1978.

[22]Floyd L. Thomas , “Dispositivos electrónicos 3”. Noriega Editores, 1988.

[23]Riojo Lo Bianco, Ruiz Oroniaz, “Tratado elemental de zoología”. Ed. ECLASA, 1996.

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[24] Skinner E. James, “Neurociencias: Manual de laboratorio”, apéndice. Trillas, 1989.

[25]Asociación para la defensa de los derechos del animal. Página de internet. http://www.addaong.org [26]Experimentación con animales. Página de internet. http://www.bvs.sld.cu/revistas/anu/vol1_1_01/anu2401.htm  20k

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