Improved Functional Electrical Stimulation (FES) system for optimised muscle selectivity

• Autores: Katerina Koutsou
• Directores de la Tesis: José Luis Pons Rovira (dir. tes.), Juan Camilo Moreno Sastoque (codir. tes.), Eduardo Rocón de Lima (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2022
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Thierry Keller (presid.), Luciano Boquete Vázquez (secret.), Ángel Manuel Gil Agudo (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Electrónica: Sistemas Electrónicos Avanzados. Sistemas Inteligentes por la Universidad de Alcalá
• Calificación: Sobresaliente
• Materias:
  • Ciencias médicas
    • Medicina del trabajo
      • Rehabilitación (médica)
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de la instrumentación
      • Instrumentos electrónicos
    • Tecnología médica
      • Prótesis
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en:  TESEO  e_Buah 
• Resumen
  • español

    En el presente trabajo de Tesis se aborda el tema de selectividad en la activación muscular en las aplicaciones de estimulación eléctrica funcional en el miembro superior. Este tipo de tecnología presenta una serie de problemas, de los cuales se destaca la dificultad de estimular solo un musculo debido al reducido tamaño de ellos y la alta densidad de músculos presentes. El problema este, llamado "oveflow" en inglés, aparece debido a la dificultad de controlar el camino de la corriente eléctrica debajo de la piel hacia el musculo.

    Los electrodos tipo matriz han sido la apuesta de varios estudios para afrontar estas dificultades y varias soluciones se han presentado los últimos 10 años. Estos estudios se enfocan en el desarrollo de sistemas y de la tecnología electrónica necesaria. Sin embargo, faltan estudios de los parámetros que influyen en la activación selectiva de los músculos y como optimizar todos estos parámetros.

    El objetivo de esta tesis es el desarrollo de un sistema de estimulación eléctrica funcional superficial, basado en los electrodos tipo matriz, que optimiza la selectividad muscular. Se conoce desde la bibliografía que el camino de la corriente eléctrica debajo de la piel depende de una serie de factores. Entre ellos se encuentran la posición, la forma y el tamaño del electrodo de cátodo, la posición del electrodo de ánodo y la impedancia de la membrana de gel del electrodo. Esta tesis se enfoca en optimizar estos factores que permiten modular el campo eléctrico que se genera debajo del electrodo.

    El sistema que se ha desarrollado se usó con ese objetivo. El sistema se ha evaluado en dos escenarios: en pacientes con temblor y pacientes con lesión medular.

  • English

    The present Ph.D thesis addresses the issue of muscle selectivity in applications of superficial functional electrical stimulation in the upper limb. This type of tecnology presents a series of problems, in particular the difficulty to slectively stimulate only one muscle. The problem, name “ovelflow”, appears due to the complexity of controlling the path of the electric current under the skin towards the muscle.

    The stimulation electrode arrays have been the objective of several studies to face these difficulties and several solutions have been presented in the last 10 years. These studies focused on the development of systems and the necessary electronic technology. However, studies of the parameters that influence the selective activation of muscles and how to optimize all these parameters are lacking.

    The objective of this thesis, having made a thourough bibliographic review of electrode arrays and functional electrical stimulation technology, is the development of a functional electrical stimulation system, based on electrode arrays, that optimizes muscle selectivity. It is known from the bibliography that the path of the electrical current under the skin is influenced by a number of factors. Among them are the position, the shape and size of the cathode electrode, the position of the anode electrode and the impedance of the electrode hydrogel membrane. The controlo of these factors enable the management of the electric field that is generated below the electrode.

    This system developed was used as a testbed to investigate how to optimize all factors that influence muscle selectivity. The final solution was evaluated in two scenarios: patients with tremor and patients with spinal cord injury.