Desenvolvimento de um sistema de eletroestimulação para aplicações em estudos de condução nervosa

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2018.A eletroestimulação é um método amplamente utilizado na prática clínica e na pesquisa, seja voltado para funções de diagnóstico e investigativas ou para finalidades terapêuticas. Quando utilizada na avaliação das funções neuromusculares, é conhecida como Estudo da Condução Nervosa (ECN). O ECN inclui a aplicação de um estímulo elétrico sobre um nervo periférico, induzindo a ocorrência de um Potencial de Ação (PA), o qual é registrado em outro ponto ao longo do mesmo nervo. A análise das características do PA (amplitude, latência, duração, área e velocidade de condução) fornecem informações acerca da integridade funcional de nervos motores ou sensoriais, tornando possível a identificação do envolvimento ou não de nervos periféricos em processos patológicos. Desta forma, este trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema portátil de eletroestimulação, voltado para aplicação em ECN. O sistema desenvolvido tem dimensões de 15x15x6 cm e pode ser dividido em dois módulos principais: (a) módulo de estímulo, que gera estímulos monofásicos, com amplitudes entre 0,84 e 230 V e durações de 100 µs ou 200 µs; (b) módulo de registro, baseado na utilização do front-end ADS1298, o qual possui resolução de 24 bits, frequência de amostragem de 32 kHz, ganho selecionável de 1, 2, 4, 6, 8 e 12 e CMRR de 115 dB. Além disso, o sistema possui uma interface gráfica, responsável pelo controle digital e a configuração dos parâmetros do sistema, além da apresentação dos PA adquiridos após o estímulo e do feedback da tensão ajustada. De acordo com os testes para avaliação do sistema, a leitura de tensão apresentou um erro máximo de não linearidade de 0,98%; a média da variação de leitura de tensão em relação a amplitude real do pulso é de 2,82% e o incremento máximo de tensão apresentou valores de 2,32±0,64V (média±desvio padrão). Neste trabalho, também foi realizado um ECN do nervo ulnar motor, em indivíduos saudáveis (n = 25), com idade de 25,9±4,2 anos, com a finalidade de estabelecer valores de referência e avaliar o correto funcionamento do dispositivo. Os principais resultados para o ponto de estímulo distal foram: amplitude de 9,2±1,4 mV, latência de 2,3±0,3 ms, duração do PA de 6,8±1 ms e área de 27,2±5 µV/s. Para o ponto de estímulo proximal, os resultados foram: amplitude de 8,4±1,7 mV, latência de 5,5±0,6 ms, duração do PA de 7,0±1,0 ms e área de 25,5±4,8 µV/s. A velocidade de condução nervosa motora foi de 63,5±6,4 m/s. A amplitude e a área, distal para proximal, tiveram uma redução de 8,69% e 6,25%, respectivamente. Os resultados apresentados estão de acordo com os limites de referência estabelecidos em trabalhos normativos, confirmados estatisticamente com testes t de uma amostra, considerando um nível de significância de 5% (i.e. amplitude = 6,0 mV; latência 51 m/s). Portanto, conclui-se que o sistema de eletroestimulação desenvolvido demonstrou ser uma solução integrada e portátil, para aplicações na avaliação de funções neuromusculares.Abstract : Electrical stimulation is a widely used method in clinical practice and research, whether for diagnostic and investigative functions or for therapeutic purposes. When used for assessment of the neuromuscular function, is known as Nerve Conduction Studies (NCS). NCS involves the application of an electrical stimulus over a peripheral nerve, inducing the occurrence of an Action Potential (AP), which is recorded at another point along the same nerve. The analysis of the AP characteristics (amplitude, latency, duration, area and conduction velocity) provides information about the functional integrity of motor and sensory nerves, thus making it possible to identify the involvement or not of peripheral nerves in pathological processes. Thus, this work describes the development of a portable electrostimulation system for NCS applications. The developed system has dimensions of 15x15x6 cm and can be divided into two main modules: (i) stimulus module, which generates monophasic stimulus, with amplitudes between 0.84 V and 230 V and duration of 100 µs or 200 µs; and (ii) recording module, based on ADS1298 front-end, which has 24-bit resolution, sampling frequency of 32 kHz, selectable gain of 1, 2, 4, 6, 8 and 12 and CMRR of 115 dB. In addition, the system has a graphical interface, responsible for the digital control and configuration of the system parameters, besides the presentation of the AP acquired after the stimulus and the feedback of the adjusted voltage. According to the system evaluation tests, the voltage reading showed a maximum non-linearity error of 0.98%; the mean of the voltage reading in relation to the actual pulse amplitude was 2.82% and the voltage maximum increment showed values of 2.32±0.64 V (mean±standard deviation). Furthermore, it was performed a NCS for ulnar motor nerve in healthy subjects (n=25), aged 25.9±4.2 years, in order to establish reference values and evaluate the correct operation of the device. The main results for the distal stimulus point were: amplitude of 9.2±1.4 mV, latency of 2.3±0.3 ms, AP duration of 6.8±1.0 ms and area of 27.2±5.0 µV/s. Considering the proximal stimulus point, the results were: amplitude of 8.4±1.7 mV, latency of 5.5±0.6 ms, AP duration of 7.0±1.0 ms and area of 25.5±4.8 µV/s. The motor nerve conduction velocity was 63.5±6.4 m/s. The amplitude and area, distal to proximal, had a reduction of 8.69% and 6.25%, respectively. The presented results are in agreement with reference limits established in normative works, statistically confirmed with one-sample t tests, considering a significance level of 5% (i.e. amplitude = 6,0 mV; latency 51 m/s). Therefore, it is concluded that the developed electrostimulation system proved to be an integrated and portable solution, for applications in the evaluation of neuromuscular functions

Differences in motor unit behavior during isometric contractions in patients with diabetic peripheral neuropathy at various disease severities

The aim of this study was to determine whether HD-sEMG is sensitive to detecting changes in motor unit behavior amongst healthy adults and type 2 diabetes mellitus (T2DM) patients presenting diabetic peripheral neuropathy (DPN) at different levels. Healthy control subjects (CON, n = 8) and T2DM patients presenting no DPN symptoms (ABS, n = 8), moderate DPN (MOD, n = 18), and severe DPN (SEV, n = 12) performed isometric ankle dorsiflexion at 30 % maximum voluntary contraction while high-density surface EMG (HD-sEMG) was recorded from the tibialis anterior muscle. HD-sEMG signals were decomposed, providing estimates of discharge rate, motor unit conduction velocity (MUCV), and motor unit territory area (MUTA). As a result, the ABS group presented reduced MUCV compared to CON. The groups with diabetes presented significantly larger MUTA compared to the CON group (p < 0.01), and the SEV group presented a significantly lower discharge rate compared to CON and ABS (p < 0.01). In addition, the SEV group presented significantly higher CoVforce compared to CON and MOD. These results support the use of HD-SEMG as a method to detect peripheral and central changes related to DPN