Desarrollo de un estimulador eléctrico integrado implantable para el control de la micción en lesionados medulares

Abstract

La continencia y la micción dependen de una serie de nervios periféricos que se encuentran situados en la zona sacra de la columna vertebral y regulan la actividad del músculo detrusor ( músculo de la vejiga) y del esfínter. La lesión en la médula altera en mayor o menor grado el control de los músculos y órganos cuyo origen esté por debajo de la zona lesionada. La estimulación eléctrica funcional (FES) permite, mediante la aplicación de estímulos eléctricos, devolver la funcionalidad a dichos órganos.<br/><br/>El objetivo de esta tesis doctoral es el estudio y la realización, mediante circuitería integrada, de un sistema de estimulación eléctrica implantable reconfigurable que permita, mediante estimulación de las raíces sacras en los lesionados medulares, el control de las funciones básicas (micción, defecación y erección). A su vez, se ha implementado un sistema que nos permite verificar el estado del electrodo, una vez que se ha implantado, así como su posible evolución.<br/><br/>A diferencia de los estimuladores existentes, el estimulador implementado nos permite un control exhaustivo de los parámetros de la señal de estimulación, de forma independiente de la distancia entre el implante y la unidad externa. <br/> <br/> A su vez, a lo largo de esta tesis se ha realizado un estudio mediante simulación de la estimulación eléctrica funcional. Se han visto las distintas prestaciones de diversas configuraciones de electrodos. La estimulación eléctrica origina una activación inicial de las fibras de mayor diámetro, antes que las fibras de diámetros menores. Sin embargo, la activación natural implica un orden inverso (primero se activan las fibras de diámetro menor). Esta diferencia da lugar a que, mediante activación eléctrica la graduación de la fuerza sea pobre y se genere una rápida fatiga. Además, existen ciertas aplicaciones específicas (vaciado de la vejiga e intestino...) que requieren la activación de las fibras delgadas sin activación de las fibras de mayor diámetro. Son diversas las técnicas que se están empleando para conseguir esta estimulación selectiva.<br/><br/>En esta tesis se ha estudiado, mediante simulación, la estimulación selectiva de las fibras nerviosas, mediante el empleo del método del bloqueo anódico. Se han generado nuevas señales de estimulación que permiten obtener un ahorro en la carga inyectada durante el estímulo.

Continence and micturition depend on peripheral nerves that are situated in the sacral spinal cord and regulate the activity of the detrusor muscle (bladder muscle) and sphincter. The lesion in the spinal cord modifies the control of muscles and organs which origin is situated under the lesion zone. Functional electrical stimulation (FES) allows, meanwhile the use of electrical stimuli, to recover the functionality. <br/><br/>The goal of this work is the study and development of an electrical stimulation integrated system that allows, meanwhile sacral root stimulation in paraplegic patients, the control of the basic functions (such as micturition, defecation and erection). Moreover, a system that allows to test the electrode and its time evolution, while it is implanted, has been implemented.<br/><br/>By comparing with commercial stimulators, the implemented stimulator allows us to control exactly all the parameters of the stimuli generated, without any modifications due to the external and the implanted unit distance. <br/> <br/>In addition to, along the thesis a computer study of the electrical stimulation has been performed. Different electrode configurations have been analysed. Functional electrical stimulation generates initial large fiber diameter activation, before the small fibers do. However, natural recruitment order is from small to large. This difference cause that, by using electrical stimulation, the strength force be poor and a fast fatigue occurs. Besides, there are several specific applications (bladder and bowel voiding) that need the activation of the small diameter fibers without the large fiber diameter activation. Different techniques are been applied in order to obtain this selective stimulation.<br/><br/>In this thesis, nerve fiber selective stimulation has been studied, by means of simulation. Anodal block technique has been used. New stimulation waveforms have been designed in order to obtain a reduction in the amount of charge injected.