NOTA SULL'APP: spiegazione della stimolazione isolata

Il termine stimolazione si riferisce all’erogazione di un qualche tipo di energia a un tessuto biologico per provocare una risposta osservabile.

Sebbene l’energia utilizzata nella stimolazione possa essere chimica, termica, meccanica o elettrica, questa trattazione si concentrerà sulla stimolazione elettrica. La stimolazione elettrica dei tessuti biologici comporta l’erogazione di corrente e tensione al sito di stimolazione. Le due grandezze sono legate dalla legge di Ohm:

V=IR

Dove V è la tensione applicata, I è la corrente e R è la resistenza elettrica del tessuto e/o degli elettrodi di stimolazione. Questa semplice equazione mostra che, se la tensione è costante, il flusso di corrente diminuisce quando aumenta la resistenza del tessuto e degli elettrodi, e aumenta quando la resistenza diminuisce.

Più comunemente, la resistenza dei tessuti varia da un campione all’altro e quella degli elettrodi cambia nel tempo al variare della corrente applicata, in un processo detto polarizzazione.

Tipi di dispositivi di stimolazione

Stimolatori a tensione costante - Nell’erogazione di energia elettrica ai tessuti biologici, i dispositivi di stimolazione possono mantenere costante la corrente o la tensione durante la stimolazione. I dispositivi che mantengono costante la tensione, a un valore impostato dall’utente, lasciando che la corrente sia determinata dalla legge di Ohm, sono detti stimolatori a tensione costante.

Stimolatori a corrente costante - I dispositivi che mantengono costante la corrente, a un valore impostato dall’utente durante la stimolazione, lasciando che la tensione sia determinata dalla legge di Ohm, sono detti stimolatori a corrente costante.

Gli stimolatori a corrente costante sono preferibili per due motivi:

• In primo luogo, la corrente è la grandezza che stimola la maggior parte dei tessuti eccitabili.
• In secondo luogo, la resistenza degli elettrodi di stimolazione tende ad aumentare man mano che la stimolazione procede, così come quella di alcuni tessuti. Uno stimolatore a corrente costante «rileva» le variazioni di resistenza e fornisce la tensione necessaria per mantenere la corrente al livello impostato.

È ovvio che la tensione che uno stimolatore a corrente costante può fornire è limitata. Se la resistenza del preparato diventasse infinita, come potrebbe accadere rimuovendo dal tessuto uno degli elettrodi di stimolazione, lo stimolatore non potrebbe generare una tensione infinita per compensarla.

La tensione massima che uno stimolatore a corrente costante può fornire è detta tensione di conformità. Una volta raggiunta questa tensione, ulteriori aumenti della resistenza del tessuto causano una diminuzione della corrente erogata.

Gli isolatori WPI delle serie 300 e DLS series offrono una tensione di conformità di 100 V con un rumore molto basso. Come suggerisce il nome, gli isolatori per stimolazione isolano anche uno stimolo specifico dalla terra. Nel contesto della progettazione di uno strumento, la maggior parte delle persone associa l’isolamento dalla terra alla sicurezza elettrica. Nelle registrazioni biologiche entrano in gioco anche altri aspetti. Si consideri il circuito nella Figura 1.

In questo caso lo stimolatore è una batteria con un interruttore: la corrente esce dal terminale positivo della batteria, scorre lungo il cavo di stimolazione, attraversa il tessuto e il 100% della corrente erogata ritorna al terminale negativo della batteria. Questa figura mostra anche un voltmetro nella preparazione.

Le tensioni generate dal tessuto in conseguenza dello stimolo sono registrate rispetto all'elettrodo di massa del voltmetro.

Nella figura 2 la batteria è sostituita da uno stimolatore alimentato dalla rete. Anche se la sorgente di stimolazione e il voltmetro hanno elettrodi di massa separati, rappresentano lo stesso punto elettrico. Per questo motivo, una parte significativa della corrente di stimolazione ritorna a terra attraverso il cavo di massa del voltmetro.

Artefatto CC - Se le correnti sono significative, o le tensioni che cerchi di misurare sono molto piccole, la caduta I x R sulla resistenza dell'elettrodo di massa del voltmetro si sommerà alla tensione registrata dal tessuto e sarà visibile come artefatto CC.

Artefatto CA - L'accoppiamento capacitivo tra il circuito del voltmetro e il circuito isolato può indurre una corrente a fluire nella massa del voltmetro. La corrente indotta fluirà transitoriamente attraverso la resistenza della massa del voltmetro e la sua caduta I x R sarà visibile come un picco transitorio prima e dopo ogni impulso di corrente erogato dalla sorgente di corrente. Questo fenomeno è detto artefatto CA.

Il motivo principale per cui i ricercatori usano una sorgente di corrente isolata è ridurre al minimo l'artefatto. Ma cosa succede se non stai registrando? Non c'è una massa del voltmetro che produca un artefatto osservabile. Se ti fermi a considerare gli esempi precedenti, l'artefatto è stato ridotto al minimo o eliminato controllando il percorso della corrente di stimolazione.

Stimolazione isolata / isolatori di stimolo

Conoscere il percorso della corrente può essere fondamentale nella stimolazione fisiologica. Considera il percorso della corrente nella figura 3. L'animale, rappresentato da un gatto disegnato male, è fissato in un telaio stereotassico.

La struttura è collegata a terra. L'animale è a contatto con la struttura in più punti. La figura 3 mostra il modello con batteria e interruttore di uno stimolatore. In questo caso, come prima, tutta la corrente che esce dal polo positivo della batteria deve tornare al polo negativo. Il 100% della corrente di stimolazione deve passare tra gli elettrodi di stimolazione. In questo caso si conoscono sia il percorso sia l'esatta quantità di corrente erogata.

La figura 4 mostra la stessa configurazione sperimentale, con la batteria sostituita da una sorgente di tensione alimentata dalla rete. La corrente di stimolazione ora ritorna a massa attraverso numerosi percorsi. La quantità di corrente che fluisce verso massa è determinata dalla resistenza tra la sorgente e ciascun punto di massa e si calcola come una rete resistiva usando le leggi di Kirchhoff. Potrebbero essere stimolate molte zone dell’animale non previste.

Nel mondo reale non possiamo usare una batteria e un interruttore, soprattutto se la durata della corrente è dell’ordine dei millisecondi. Per generare la temporizzazione si usano dispositivi elettronici come generatori di impulsi e computer, mentre per erogare lo stimolo si usano isolatori pilotati da questi dispositivi.

Collegando un isolatore (anche se alimentato a batteria) a un generatore di impulsi alimentato dalla rete, si collega la massa isolata dell’isolatore alla massa di rete del generatore di impulsi. Se il collegamento elettrico tra i due dispositivi viene realizzato tramite un collegamento meccanico, si interrompe l’isolamento.

È questo che rende isolatore un isolatore. Il contatto non meccanico tra le macchine che costituisce la barriera di isolamento può essere realizzato in due modi.

• In origine, gli isolatori erano isolati tramite trasformatori. Le onde di impulso venivano applicate all’avvolgimento primario di un trasformatore, mentre lo stimolo vero e proprio veniva ricavato dall’avvolgimento secondario. Il trasferimento avveniva per induzione. Questo approccio presentava due svantaggi. I dispositivi non potevano trasmettere la corrente continua, quindi non era possibile effettuare stimolazioni isolate a tensione costante. Inoltre, l’approccio basato sui trasformatori ha una capacità intrinsecamente più elevata. Ciò significa che, sebbene la resistenza tra gli avvolgimenti primario e secondario sia molto alta, l’elevata capacità produce un artefatto in corrente alternata troppo grande rispetto a quello delle altre tecniche di isolamento.
• L’isolamento ottico è il secondo metodo più diffuso. In questo settore è diventato praticamente lo standard. In parole semplici, l’impulso in ingresso alimenta una luce che attraversa la barriera e raggiunge una fotocellula, che genera l’onda di stimolazione. Esistono innumerevoli varianti di questo principio, utilizzato per isolare sia gli amplificatori di registrazione sia gli stimolatori.

Isolatori WPI (tutti ottici)

Attivato da comandi convenzionali a livello logico, modello A365 può essere comandato da qualsiasi generatore di impulsi, stimolatore o uscita di un computer. Quando viene rilevato un circuito dell’elettrodo aperto o viene raggiunto il limite di conformità del sistema, viene emesso un segnale acustico. Un secondo segnale acustico opzionale viene emesso quando viene applicato un segnale all’ingresso. È inoltre presente un interruttore di prova per controllare la carica della batteria. Le correnti di stimolazione si impostano con una manopola di controllo a tre cifre e un selettore di gamma a tre posizioni. La corrente di uscita segue le impostazioni del controllo con una precisione superiore all’1%. La corrente di uscita è indipendente dal carico; la tensione necessaria per far passare la corrente desiderata attraverso il carico viene generata automaticamente, nel rispetto dei limiti di conformità. Modello A365 eroga una corrente fino a 10 milliampere, in tre intervalli, con una tensione di conformità superiore a 100 V. La polarità di uscita è determinata da un interruttore a tre posizioni sul pannello frontale (+/-/off). La corrente bipolare è commutata dalla forma d'onda di comando, impostando impulsi alternati positivi o negativi. Il modello ricaricabile A365R è fornito con un pacco batterie al nichel-metallo idruro. Il A362 È necessario il caricabatterie per il modello A365R.

Lo stimolatore/isolatore Isostim™ è ora disponibile anche in versione ricaricabile con batterie NiMH. Combina la facilità d'uso e la precisione degli stimolatori WPI della serie 300 con la potenza di uscita di un isolatore di stimolo. La modalità esterna/CC trasforma Isostim™ in un isolatore di stimolo passivo.

Il modello A320D è alimentato da comuni batterie alcaline da 9 V (incluse). Il modello ricaricabile A320R è fornito con un pacco batterie al nichel-cadmio che garantisce 10-12 ore di funzionamento prima di dover essere ricaricato. Con il modello A320R è necessario utilizzare il caricabatterie A362.

WPI offre anche un isolatore di stimolo ad alta corrente, che combina l'isolamento ottico con un generatore di corrente da ±100 mA. Il modello A365 eroga correnti positive, negative o bipolari. Il connettore d'ingresso è un BNC standard, che consente di utilizzare segnali provenienti da qualsiasi sorgente, ad esempio dalle linee D/A o I/O di un computer.

La versione ricaricabile A385 non è adatta alla stimolazione transcutanea e le batterie devono essere ricaricate con il caricabatterie di sistema A382. Le spie luminose e gli allarmi acustici tengono l'utente costantemente informato sullo stato di carica della batteria.

L'isolatore lineare di stimolo WPI modello A395, disponibile anche in versione ricaricabile, riproduce una forma d'onda programmata di qualsiasi forma o polarità. Alimentato a batteria e isolato fotoelettricamente dalla tensione di pilotaggio in ingresso, lo strumento rigenera in uscita, sotto forma di correnti, le forme d'onda originali fornite dal convertitore D/A o dal generatore di segnali.

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