NOTA DE APLICACIÓN: Explicación de la Estimulación Aislada

El término estimulación se refiere a la entrega de algún tipo de energía a un tejido biológico para provocar una respuesta observable.

Aunque la energía usada en la estimulación puede ser química, térmica, mecánica o eléctrica, esta discusión se centrará en la estimulación eléctrica. La estimulación eléctrica de tejidos biológicos implica la entrega de corriente y voltaje al sitio de estimulación. Las dos cantidades están relacionadas por la ley de Ohm:

V=IR

Donde V es el voltaje aplicado, I es la corriente y R es la resistencia eléctrica del tejido y/o de los electrodos estimulantes. Esta ecuación simple muestra que si el voltaje es constante, el flujo de corriente disminuirá si la resistencia del tejido/electrodo aumenta, y aumentará si la resistencia disminuye.

Más comúnmente, la resistencia del tejido difiere de muestra a muestra, y la resistencia de los electrodos cambia con la corriente aplicada a lo largo del tiempo en un proceso llamado polarización.

Tipos de Dispositivos de Estímulo

Estimuladores de Voltaje Constante - En la entrega de energía eléctrica a tejidos biológicos, los dispositivos de estímulo pueden mantener constante la corriente o el voltaje durante el proceso de estimulación. Los dispositivos que mantienen el voltaje constante en un valor establecido por el usuario y permiten que la corriente sea determinada por la ley de Ohm se conocen como estimuladores de voltaje constante.

Estimuladores de Corriente Constante - Los dispositivos que mantienen la corriente constante en un valor establecido por el usuario durante el proceso de estimulación y permiten que el voltaje sea determinado por la ley de Ohm se llaman estimuladores de corriente constante.

Los estimuladores de corriente constante son preferidos por dos razones:

• Primero, la corriente es la cantidad que estimula la mayoría de los tejidos excitables.
• En segundo lugar, los electrodos estimulantes tienden a aumentar su resistencia a medida que avanza la estimulación, al igual que algunos tejidos. Un estimulador de corriente constante "detectará" el cambio de resistencia y proporcionará el voltaje necesario para mantener la entrega de corriente a la tasa establecida.

Obviamente, hay un límite en la cantidad de voltaje que un estimulador de corriente constante puede proporcionar. Si la resistencia de la preparación se vuelve infinita, como podría suceder si uno de los electrodos estimulantes se retira del tejido, el estimulador no podría generar un voltaje infinito para compensar.

La cantidad máxima de voltaje que un estimulador de corriente constante puede proporcionar se llama voltaje de cumplimiento. Una vez que se ha alcanzado este voltaje de cumplimiento, aumentos adicionales en la resistencia del tejido causarán una caída en la corriente entregada.

Los aisladores WPI en la serie 300 y DLS ofrecen un voltaje de cumplimiento de 100V con muy bajo ruido. Los aisladores de estímulo, como su nombre indica, también aíslan un estímulo dado de tierra. En el contexto del diseño de instrumentos, la mayoría de las personas piensa en el aislamiento de tierra en relación con la seguridad eléctrica. Desde el punto de vista de la grabación biológica, hay otros aspectos. Considere el circuito en la Figura 1.

El estimulador en este caso es una batería con un interruptor; la corriente sale del terminal positivo de la batería, viaja por el cable estimulador, pasa a través del tejido, y el 100% de la corriente entregada regresa al terminal negativo de la batería. Esta figura también muestra un voltímetro en la preparación.

Los voltajes generados por el tejido como consecuencia del estímulo se registran con respecto al electrodo de tierra del voltímetro.

En la Figura 2 la batería es reemplazada por un estimulador alimentado por línea. Aunque la fuente de estímulo y el voltímetro tienen electrodos de tierra separados, representan el mismo punto eléctrico. Por esta razón, una porción significativa de la corriente de estímulo regresa a tierra a través del cable de tierra del voltímetro.

Artefacto de CC - Si las corrientes son significativas, o los voltajes que intenta medir son muy pequeños, la caída I x R a través de la resistencia del electrodo de tierra del voltímetro se sumará al voltaje registrado del tejido y se verá como un artefacto de CC.

Artefacto de CA - El acoplamiento capacitivo entre el circuito del voltímetro y el circuito aislado puede inducir que la corriente fluya en la tierra del voltímetro. La corriente inducida fluirá transitoriamente a través de la resistencia de la tierra del voltímetro, y su caída I x R se verá como un pico transitorio antes y después de cualquier pulso de corriente entregado por la fuente de corriente. Esto se denomina artefacto de CA.

La razón principal por la que los investigadores usan una fuente de corriente aislada es para minimizar el artefacto. Pero, ¿qué pasa si no está registrando? No hay tierra del voltímetro que produzca un artefacto observable. Si se detiene a considerar los ejemplos anteriores, el artefacto se minimizó o eliminó controlando el camino de la corriente de estímulo.

Estimulación Aislada / Aisladores de Estímulo

Conocer el camino de la corriente puede ser crítico en la estimulación fisiológica. Considere el camino de la corriente en la Figura 3. El animal representado por el gato mal dibujado está asegurado en un marco estereotáxico.

El marco está conectado a tierra. El animal contacta el marco en múltiples puntos. La Figura 3 muestra el modelo de batería y conmutador de un estimulador. Aquí, como antes, toda la corriente que sale del lado positivo de la batería debe regresar al lado negativo. El 100% de la corriente de estímulo debe pasar entre los electrodos de estímulo. En este caso, se conoce tanto el camino como la cantidad exacta de corriente entregada.

La Figura 4 muestra el mismo montaje experimental excepto que la batería ha sido reemplazada por una fuente de voltaje alimentada por la red. La corriente de estímulo ahora regresa a tierra por muchas rutas. La cantidad de corriente que fluye a tierra está determinada por la resistencia entre la fuente y cada uno de los puntos de tierra y se calcula como una red resistiva usando las leyes de Kirchhoff. Muchas áreas no intencionadas del animal pueden ser estimuladas.

En el mundo real no podemos usar una batería y un interruptor, particularmente si las duraciones de corriente son del orden de milisegundos. Se usan dispositivos electrónicos como generadores de pulsos y computadoras para generar la sincronización, y los aisladores impulsados por estos dispositivos se usan para entregar el estímulo.

Al conectar un aislador (incluso uno alimentado por batería) a un generador de pulsos alimentado por la red, conectas la tierra aislada del aislador a la tierra de la red del generador de pulsos. A menos que la conexión eléctrica entre los dos dispositivos se realice sin usar una conexión mecánica entre ellos, se rompe el aislamiento.

Esto es lo que hace que un aislador sea un aislador. El contacto no mecánico entre máquinas que constituye la barrera de aislamiento puede lograrse de una de dos maneras.

• Originalmente, los aisladores estaban aislados por transformador. Las ondas de pulso se aplicaban al devanado primario de un transformador, mientras que el estímulo real se derivaba del devanado secundario. La transferencia se realizaba por inducción. Este enfoque tenía dos desventajas. Los dispositivos no podían pasar corriente continua, por lo que no se podían hacer estimulaciones aisladas de voltaje constante. El enfoque del transformador también tiene una capacitancia intrínsecamente mayor. Esto significa que, aunque la resistencia entre las bobinas primaria y secundaria es muy alta, la alta capacitancia produce un artefacto de CA que es inaceptablemente grande en comparación con otras técnicas de aislamiento.
• El aislamiento óptico es el segundo esquema más popular. El campo casi se ha estandarizado en esto. En términos simples, la onda de pulso de entrada alimenta una luz que brilla a través de la barrera sobre una fotocélula que produce la onda de estímulo. Ha habido innumerables variaciones sobre este tema, y se usa para aislar amplificadores de registro, así como estimuladores.

Los aisladores de WPI (todos son ópticos)

Activado por comandos convencionales de nivel lógico, Modelo A365 puede ser activado por cualquier generador de pulsos, estimulador o salida de computadora. Suena un tono cuando se detecta un circuito de electrodo abierto o cuando se alcanza el cumplimiento del sistema. Un segundo tono opcional suena cuando se aplica una señal a la entrada. También se proporciona un interruptor de prueba para verificar la carga de la batería. Las corrientes de estímulo se ajustan usando una perilla de control de tres dígitos y un interruptor de rango de tres posiciones. La corriente de salida sigue los ajustes de control con una precisión mejor al 1%. La corriente de salida es independiente de la carga; se desarrolla automáticamente un voltaje suficiente para impulsar la corriente deseada a través de la carga, sujeto solo a los límites de cumplimiento. Modelo A365 produce hasta 10 miliamperios de corriente, en tres rangos, a más de 100V de cumplimiento. La polaridad de salida se determina mediante un interruptor de tres posiciones en el panel frontal (+/-/apagado). La corriente bipolar se alterna con la forma de onda de comando, configurando pulsos alternos como positivos o negativos. El recargable A365R se suministra con un paquete de baterías de hidruro metálico de níquel. A362 Se requiere cargador de baterías con el A365R.

El estimulador/aislador Isostim™ ahora puede venir con baterías NiMH en una versión recargable. Combina la facilidad de uso y precisión de los estimuladores de la Serie 300 de WPI con la potencia de salida de un aislador de estímulo. El modo externo/CC convierte el Isostim™ en un aislador de estímulo pasivo.

El modelo A320D funciona con baterías alcalinas de 9 voltios fácilmente disponibles (incluidas). El recargable A320R se suministra con un paquete de baterías de níquel cadmio que proporciona 10-12 horas de operación antes de requerir recarga. El cargador A362 debe usarse con el A320R.

WPI también ofrece un aislador de estímulo de alta corriente, que combina aislamiento óptico con un generador de corriente de ±100 mA. El modelo A365 entrega corrientes positivas, negativas o bipolares. El conector de entrada es un BNC estándar, permitiendo usar señales de cualquier fuente, como líneas D/A o I/O de computadora.

La versión recargable A385 no es adecuada para estimulación transcutánea, y el cargador del sistema A382 debe recargar las baterías. Las luces indicadoras y alarmas audibles mantienen al usuario constantemente informado sobre el estado de carga de la batería.

El aislador de estímulo lineal modelo A395 de WPI, también disponible en versión recargable, replicará una forma de onda programada de cualquier forma o polaridad. Funciona con batería y está fotoeléctricamente aislado de la tensión de entrada, el instrumento regenera como corrientes de salida las formas de onda originales proporcionadas por su convertidor D/A o generador de señales.

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