New technology for non-invasive electrical stimulation of peripheral nerves.
Loading...
Date
2025
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Universidad de Concepción
Abstract
Las lesiones en la médula espinal (SCI por sus siglas en inglés) suelen provocar alteraciones motoras significativas, afectando gravemente la calidad de vida y los costos asociados al cuidado. Aunque la recuperación funcional tras una lesión medular es generalmente limitada, las técnicas de estimulación eléctrica ofrecen vías prometedoras para la restauración parcial del movimiento. Los diseños tradicionales de electrodos y las formas de onda utilizadas en la estimulación han permanecido prácticamente sin cambios desde la década de 1890, lo que ha derivado en una baja selectividad espacial y escasa penetración en los tejidos, limitando su aplicación a nervios superficiales. Este estudio investiga la estimulación por corrientes interferenciales (ICS por sus siglas en inglés) en combinación con nuevas geometrías de electrodos y técnicas de posicionamiento anatómico, utilizando modelado avanzado por elementos finitos y simulación de nervios. Los hallazgos revelan nuevas posibilidades de activación del músculo cuádriceps, esencial para actividades como ponerse de pie y caminar. Se evaluaron distintas formas de electrodos, incluyendo cuadradas, circulares y anillos concéntricos, para determinar su impacto en la eficiencia de activación muscular. Los resultados indicaron que la estimulación interferencial activa eficazmente el cuádriceps, siendo la configuración de electrodos cuadrados la que generó respuestas musculares comparables a las de la estimulación eléctrica funcional estándar (FES por sus siglas en inglés), aunque requirió mayores amplitudes de corriente. Otras configuraciones mostraron una eficacia variable en la generación de contracciones musculares consistentes. Por primera vez, esta investigación demuestra la posibilidad de “redirigir” electrónicamente la región de activación en tres dimensiones, adaptándose a desplazamientos en los puntos motores. El estudio también examina las percepciones de dolor e incomodidad asociadas a los distintos diseños de electrodos, encontrando que, si bien algunas configuraciones de estimulación interferencial disminuyen la incomodidad, pueden requerir intensidades de corriente superiores a las de la estimulación tradicional para lograr respuestas musculares óptimas. En conjunto, la investigación destaca el potencial de esta técnica, junto con diseños de electrodos optimizados, para mejorar las terapias de rehabilitación en personas con trastornos neuromusculares. Se proyectan futuros estudios orientados al perfeccionamiento de estos diseños y a la evaluación de los efectos a largo plazo sobre la función muscular.
Spinal cord injuries (SCIs) often lead to significant motor impairments, severely affecting quality of life and care costs. Although functional recovery post-SCI is generally limited, Electrical Stimulation (ES) techniques present promising avenues for partial restoration of movement. Traditional electrode designs and stimulation waveforms have remained largely unchanged since the 1890s, resulting in inadequate spatial selectivity and tissue penetration, which constrain applications to superficial nerves. This study investigates Interferential Current Stimulation (ICS) in conjunction with novel electrode geometries and anatomical positioning, utilising advanced Finite Element (FE) and nerve modelling. The findings reveal new activation possibilities for the quadriceps muscle, which is critical for activities such as standing and walking. Various electrode shapes, including square, circular, and concentric ring designs, were evaluated for their impact on muscle activation efficiency. Results indicated that ICS effectively activates the quadriceps, with the ICSSquare configuration yielding muscle responses comparable to those of standard FES, albeit requiring higher current amplitudes. Other configurations showed varying effectiveness in generating consistent muscle contractions. For the first time, this research demonstrates the potential for electronically "steering" the activation region in 3D, adapting to shifts in motor points. The study also examines the perceptions of pain and discomfort associated with various electrode designs, finding that while some ICS configurations alleviate discomfort, they may require higher current than traditional FES to achieve optimal muscle responses. Overall, the research highlights ICS’s potential, in conjunction with optimised electrode designs, to enhance rehabilitation therapies for neuromuscular disorders. Future studies are planned to refine these designs and investigate the long-term effects on muscle function.
Spinal cord injuries (SCIs) often lead to significant motor impairments, severely affecting quality of life and care costs. Although functional recovery post-SCI is generally limited, Electrical Stimulation (ES) techniques present promising avenues for partial restoration of movement. Traditional electrode designs and stimulation waveforms have remained largely unchanged since the 1890s, resulting in inadequate spatial selectivity and tissue penetration, which constrain applications to superficial nerves. This study investigates Interferential Current Stimulation (ICS) in conjunction with novel electrode geometries and anatomical positioning, utilising advanced Finite Element (FE) and nerve modelling. The findings reveal new activation possibilities for the quadriceps muscle, which is critical for activities such as standing and walking. Various electrode shapes, including square, circular, and concentric ring designs, were evaluated for their impact on muscle activation efficiency. Results indicated that ICS effectively activates the quadriceps, with the ICSSquare configuration yielding muscle responses comparable to those of standard FES, albeit requiring higher current amplitudes. Other configurations showed varying effectiveness in generating consistent muscle contractions. For the first time, this research demonstrates the potential for electronically "steering" the activation region in 3D, adapting to shifts in motor points. The study also examines the perceptions of pain and discomfort associated with various electrode designs, finding that while some ICS configurations alleviate discomfort, they may require higher current than traditional FES to achieve optimal muscle responses. Overall, the research highlights ICS’s potential, in conjunction with optimised electrode designs, to enhance rehabilitation therapies for neuromuscular disorders. Future studies are planned to refine these designs and investigate the long-term effects on muscle function.
Description
Tesis presentada para optar al grado de Doctor/a en Ciencias de la Ingeniería con mención en Ingeniería Eléctrica
Keywords
Estimulación eléctrica, Electrodos, Médula espinal, Rehabilitación