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NVESTIGACIÓN“MODELO ADAPTABLE DE GENERACIÓN DE
FORMAS DE ONDA Y RECONSTRUCCIÓN DE IMAGEN PARA EXCITACIÓN CELULAR EN LA RETINA HUMANA”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIAS DE INGENIERÍA EN MICROELECTRÓNICA
PRESENTA:
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AMARILLODIRECTOR DE TESIS:
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YARZABALMÉXICO D.F. NOVIEMBRE DE 2006
RESUMEN
En la presente tesis se propone un modelo de generación de formas de onda y reconstrucción de imagen basado en lecturas adquiridas por medio de un equipo de electrofisiología, especializado en la evaluación de la actividad eléctrica de la retina y del nervio óptico denominado electrorretinógrafo multifocal (ERG-MF).
Las curvas de respuesta eléctrica de la retina son modeladas por medio de un algoritmo de regresión polinomial aplicando el método de mínimos cuadrados. Estos modelos son empleados en un sistema de filtrado digital adaptable bajo el algoritmo de adaptación de mínimos cuadrados normalizado (NLMS).
En base a la disposición geométrica del patrón de excitación que despliega el ERG-MF, se diseño un algoritmo de procesamiento de video que permite la codificación de la imagen y la correspondencia de las formas de onda, logrando la ubicación por zonas de la señal de excitación.
La salida del filtro adaptable es una señal de alta capacidad de transmisión que requiere de unos cuantos ciclos computacionales para alcanzar la referencia.
ABSTRACT
In the present thesis a waveform generator and image reconstruction model is proposed, based on the lectures acquired by electrophysiology equipment known as multifocal electroretinograph (MF-ERG).
The electric response curves from the retina are modeled by mean a polinomial regression algorithm applying the least mean square method. Those models are employed into an adaptive digital filtering system using the normalized least mean square adaptation algorithm (NLMS).
Based on the MF-ERG displayed pattern’s geometrical disposal a video processing algorithm was designed that allows the image codification and the waveform match, doing the place zone for the excitation signal.
The adaptive filter output is a highly transmittable signal that requires only a few computer cycles in order to reach the reference.
AGRADECIMIENTOS
Instituto Politécnico Nacional
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Culhuacan
Sección de Estudios de Posgrado e Investigación
Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT)
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AGRADECIMIENTOS
A todas aquellas personas que hicieron posible la realización del presente trabajo.
A mis padres Alejandra y Daniel
A mi brillante esposa Olga Vanessa
A la familia Cuatepotzo Jiménez Fernando, Olga, Any y Fer
A los catedráticos y compañeros de la SEPI, muchas gracias.
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ÍNDICE
Página
OBJETIVOS E INTRODUCCIÓN 12
Objetivo general 13
Objetivos particulares 13
Introducción 13
EL OJO HUMANO Y LA DISCAPACIDAD SENSORIAL 15
1.1 Introducción 16
1.2 Fisiología general del ojo humano 16
1.2.1 Estructura del globo ocular 16
1.3 Capas celulares que conforman la retina 18
1.3.1 La retina 18
1.3.2 Retina central y retina periférica 22
1.3.3 Mácula lutea 23
1.4 Ceguera por problemas retinales 24
1.4.1 Enfermedades de la retina 24
1.4.2 Degeneración macular relacionada con la edad (DMRE) 26 1.4.3 Desprendimiento de retina regmatogeno 27
1.4.4 Retinitis pigmentosa 27
1.5 Análisis de los problemas de discapacidad en México 27
1.5.1 La discapacidad en México 27
1.5.2 Tipo de discapacidad 28
1.5.3 Causa de la discapacidad 31
1.5.4 Tipo y causa de la discapacidad 32
1.5.5 Edad promedio al inicio de la discapacidad, la percepción de severidad de la discapacidad y del estado de salud
33
1.5.6 Población económicamente inactiva 34
1.5.7 Ocupación principal 34
1.6 Conclusiones del capítulo I 36
ÍNDICE (continuación)
Página
INVESTIGACIONES EN VISIÓN ARTIFICIAL 37
2.1 Introducción 38
2.2 Prótesis retinales y neuronales 38
2.3 Prótesis, encapsulados y electrodos 42
2.4 Biocompatibilidad de las prótesis retinales 44
2.4.1 Fijación 45
2.4.2 Sello hermético de la electrónica 46
2.4.3 Biocompatibilidad de la estimulación eléctrica 47
2.4.4 Calor generado por el dispositivo 48
2.4.5 Energizado del implante 49
2.4.6 Arreglos y electrodos simples 50
2.5 Conclusiones del capítulo II 54
METODOLOGÍA Y MODELO PROPUESTO 55
3.1 Introducción 56
3.2 Electrorretinografo multifocal 56
3.2.1 Pantalla de excitación 56
3.2.2 Electrodos 57
3.2.3 Controlador 58
3.2.4 Electrorretinograma (ERG) 59
3.3 Método propuesto 60
3.3.1 Procesamiento del ERG como imagen digital 60 3.3.2 Cálculo de los pares ordenados de la curva 61
3.4 Ajuste de curvas 65
3.4.1 Regresión polinomial por mínimos cuadrados 65
3.4.2 Método de eliminación 67
3.5 Modelo estadístico 68
3.5.1 Cuantificación del error en la regresión lineal 70
3.5.2 Modelado de los segmentos de curva 71
3.5.3 Parámetros de los segmentos de las curvas 73
ÍNDICE (continuación)
Página
3.6 Filtrado digital adaptable 76
3.6.1 Filtro de respuesta finita al impulso 76 3.6.2 Filtro adaptable de respuesta finita al impulso 77 3.6.3 Algoritmo de adaptación de mínimos cuadrados normalizado (NLMS) 79
3.7 Modelo propuesto 82
3.8 Conclusiones del capítulo III 83
RESULTADOS 84
4.1 Introducción 85
4.2 Distribución de las zonas de excitación 85
4.3 Procesamiento con mayor resolución 90
CONCLUSIONES 95
5.1 Conclusiones generales 96
5.1.1 Biocompatibilidad eléctrica 96
5.1.2 Biocompatibilidad mecánica 97
5.1.3 Validez del modelo matemático 97
5.1.4 Características del procesamiento de video 98
5.2 Trabajo a futuro 98
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA 101
ANEXO A ARTÍCULOS PUBLICADOS 107
A-1 Modelo Adaptable para Obtener la Respuesta Dinámica de las Corrientes Iónicas del Fotorreceptor
108
A-2 Distributed Retinal Stimulation Model Based on Adaptive System 112 A-3 Adaptive Model to Selectively Stimulate the Ocular Nervous
Terminals with Coded Images
116
A-4 Image Codification for Intraocular Selective Cellular Activation Using an Adaptive Model in Real Time
121
A-5 Image Reconstruction and Waveform Generation Based on Adaptive Digital Filter System
124 A-6 Distributed Retinal Response Model Based on Adaptive System 134
ÍNDICE (continuación)
Página
ANEXO B LISTA DE TABLAS Y FIGURAS 137
ANEXO C GLOSARIO 141
ANEXO D PROGRAMAS 145
D-1 Algoritmo de interfase gráfica de usuario para el procesamiento de la imagen
145
D-4 Algoritmo de detección de borde y cálculo de pares ordenados 149
D-3 Algoritmo de segmentación de curvas 151
D-4 Algoritmo de mínimos cuadrados y eliminación por regla de Cramer 153 D-5 Algoritmo de discriminación para el mejor ajuste 156
D-6 Algoritmo del sistema adaptable 160
D-7 Algoritmo de captura de video y procesamiento de imagen 162
OBJETIVOS E
INTRODUCCIÓN
OBJETIVO GENERAL
Modelar un conjunto de señales eléctricas para estimulación de células retinales, de alta capacidad de transmisión que permitan la reconstrucción de imágenes aplicando un sistema de filtrado digital adaptable.
OBJETIVOS PARTICULARES
Desarrollar una metodología de modelado de curvas de respuesta biológica en base al procesamiento digital de imagen.
Reproducir del comportamiento de la respuesta eléctrica celular de la retina humana ante la excitación proveniente de un impulso luminoso.
Obtener modelos digitales que faciliten la transmisión de datos a través de un canal de comunicación.
INTRODUCCIÓN
En la presente investigación se muestra de manera detallada la fisiología del ojo humano, dando un mayor énfasis a la función sensorial de la retina, y se exponen las características particulares de algunas enfermedades que la afectan. Enseguida se presenta un análisis de datos oficiales que describen la situación de la población con algún tipo de discapacidad en México, incluyendo la discapacidad sensorial de la ceguera.
También se analizan resultados de investigaciones en el área de visión artificial obtenidos durante los últimos 50 años alrededor del mundo, con los cuales se fundamenta la presente investigación.
Se propone una metodología de modelado de curvas no lineales a partir de datos en forma gráfica, para ello se aplica el procesamiento digital de imagen. En la obtención del modelo matemático, se emplea el método de regresión polinomial de mínimos cuadrados; se propone
una técnica práctica de segmentación de curvas y la aplicación de un sistema de filtrado digital adaptable para facilitar la capacidad de transmisión de estos datos.
A continuación se muestran los resultados del modelo propuesto en el procesamiento de video, y la reconstrucción de las imágenes en zonas para diferentes resoluciones.
Finalmente se describe la utilidad del modelo propuesto como parte de un proyecto de diseño para el desarrollo de una interfase electrónica y una prótesis intraocular de excitación eléctrica como trabajo a futuro.
EL OJO HUMANO Y LA
DISCAPACIDAD SENSORIAL
1.1 INTRODUCCIÓN
En México según datos oficiales, el 1.8% de la población total, presenta algún tipo de discapacidad, esto es, alrededor de un millón 795 mil personas, de las cuales aproximadamente el 26% tiene una discapacidad visual, lo que equivale a 466 mil 700 personas, las cuales principalmente utilizan la economía informal para su subsistencia y se encuentran dentro de el 25% del total de la población económicamente inactiva, en la mayoría de los casos, la calidad de vida de las personas con alguna discapacidad visual mejoraría sustancialmente si esta no existiera.
En este primer capítulo, se describe la anatomía y fisiología del ojo humano, prestando mayor atención a la complicada descripción del procesamiento de la información luminosa por parte de la retina. Una vez descrita la fisiología de la retina y sus células se aborda el tema de las principales enfermedades que pueden causar ceguera afectando directamente a ésta. Por último basado en datos estadísticos presentados por el Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI) y la Secretaria de Salud (SSA), es posible determinar las principales causas de discapacidad, y conocer que los problemas visuales son la segunda causa nacional de discapacidad solo después de las discapacidades motrices.
1.2 FISIOLOGÍA GENERAL DEL OJO HUMANO
1.2.1 Estructura del Globo Ocular
En el adulto promedio, el bulbo de ojo, mide unos 2.5 cm de diámetro y solo esta expuesta la parte anterior de su superficie, mientras que al resto lo cubre y protege la orbita en la cual encaja. En general, el ojo se divide en tres capas: túnica fibrosa, vascular y nerviosa (retina).
La túnica fibrosa es la capa externa del bulbo del ojo y se divide en dos partes, esclera y cornea.
La esclera (esclereatica) es una capa de tejido fibroso denso que cubre al bulbo, con excepción de la porción anterior de color, le da forma y protege sus partes internas.
El nervio óptico atraviesa la superficie posterior de esa túnica. La córnea es una capa fibrosa transparente y avascular que cubre al iris, la parte que presenta color variable entre un individuo y otro.
La superficie externa de la cornea posee un recubrimiento epitelial que es continuación de la túnica conjuntiva (conjuntiva) bulbar. En el limbo de la unión de la esclera y de la cornea esta el seno venoso escleral (ángulo iridocorneal). Las características anatómicas del ojo descritas, se muestran en la figura 1.1.
Figura 1.1 Esquema de la anatomía del ojo [3]
La túnica vascular es la capa media del bulbo del ojo y consiste en tres porciones: coroides, cuerpo ciliar e iris que reciben la designación colectiva de uvea.
La coroides es la porción posterior de la uvea y se trata de una membrana delgada de color parduzco oscuro que recubre gran parte de la superficie interna de la esclera y contiene numerosos vasos sanguíneos y pigmento abundante. Absorbe la luz de modo que no se refleje en el interior del ojo. Además aporta nutrimentos a la retina, gracias a su riego sanguíneo abundante. A semejaza de la esclera, la atraviesa el nervio óptico en la parte posterior del bulbo.
La parte anterior de esta capa constituye el cuerpo ciliar que es la porción más gruesa de la túnica vascular y se extiende desde el borde serrato hasta un punto situado justo detrás de la unión esclero-corneal.
Los procesos ciliares son pliegues de la superficie interna del cuerpo ciliar que secretan el humor acuoso, mientras que el músculo ciliar de tipo liso, modifica la forma de la lente para ajustarla la visión de objetos cercanos o lejanos. El iris es la tercera porción de la túnica vascular y se compone de fibras de músculo liso radiales y circulares, dispuestas a manera de rosca.
El orificio redondo negro del centro del iris es la pupila, por la cual penetra la luz al interior del ojo. El iris esta suspendido entre la córnea y la lente y adosado en su borde ciliar.
Cuando la luz es muy intensa, las fibras musculares circulares del iris se contraen y disminuye el tamaño de la pupila, mientras que en presencia de la luz tenue estas se extienden. [1]
1.3 CAPAS CELULARES QUE CONFORMAN LA RETINA
1.3.1 La Retina
Los ojos de los grandes vertebrados, se puede comparar con una cámara fotográfica convencional, en este caso la retina puede ser comparada con la película fotosensible.
La retina reviste dos tercios posteriores del globo ocular cubriendo la coroides, contiene abundantes células fotorreceptoras llamadas, con base en su forma bastones y conos. El ojo humano tiene unos 125 millones de bastones y unos 6.5 millones de conos [2], distribuidos como se muestra en la siguiente gráfica.
Figura 1.2 Distribución de conos y bastones en la retina [3]
La retina consiste en capas, nerviosa o posterior e interna o pigmentada, y cubre a la coroidea (coroides). En su unión con el cuerpo ciliar, termina en el borde irregular llamado borde serrato (ora serrata), que es también el extremo de la capa nerviosa o porción visual de la propia retina. La capa pigmentada se extiende en el sentido anterior sobre la parte posterior del cuerpo ciliar y el iris, y es la porción no visual de la retina.
En el centro de la retina se encuentra un área de forma circular u oval que mide aproximadamente 2 por 1.5 mm, esta zona se denomina papila y corresponde al nervio óptico.
Desde la porción central de la papila emergen los vasos sanguíneos que llegan a la retina (arteria central de la retina).
A unos 17 grados (4.5-5 mm) a la derecha de la papila se encuentra una zona también ovoidea, con una coloración rojiza, que carece de vasos sanguíneos y se denomina fovea, es a este nivel donde se enfocan los rayos luminosos y se produce la máxima agudeza visual.
Figura 1.3 Retina vista a través de un oftalmoscopio [6]
Se denomina región central de la retina a la porción de retina que se encuentra alrededor de la fovea (unos 6 mm alrededor de esta). El resto es retina periférica y llega hasta la zona de la ora serrata (que esta a unos 21 mm desde el centro de la papila). El diámetro total de la retina es aproximadamente de 42 mm.
La luz entra al ojo a través de la cornea, atraviesa la cámara anterior, el cristalino, el humor vítreo y llega a la retina. Una vez aquí debe atravesar todas las capas de la retina (ver figura. 1.4) antes de interaccionar con la porción donde se encuentra los elementos fotosensibles: conos y bastones.
Figura 1.4 Esquema de las diferentes capas de la retina [4]
Cuando realizamos una sección vertical de la retina y la observamos al microscopio, resulta evidente que la retina es mucho más complicada y contiene muchos más elementos que los mostrados en el esquema de la figura. 1.4.
Todas las retinas de vertebrados están compuestas por tres capas que contienen cuerpos celulares y dos capas de interacciones sinápticas (denominadas plexiformes).
La capa nuclear interna (CNI) contiene los cuerpos celulares de los conos y bastones, también los cuerpos celulares de las células horizontales, bipolares y amacrinas y la capa de células ganglionares que contiene los cuerpos celulares de éstas células, además de los de algunas células amacrinas desplazadas. Entre estas tres capas se localizan las capas plexiformes donde se realizan la mayor parte de contactos sinápticos de la retina.
La capa plexiforme externa (CPE) es donde contactan los conos y bastones con las dendritas de las células bipolares y con las células horizontales.
Figura 1.5 Esquema tridimensional de las diferentes capas de la reina [4]
En la CPI se produce la segunda sinápsis de la vía vertical de la retina. Aquí contactan los axones de las células bipolares con las dendritas de las células ganglionares, además a este nivel terminan gran cantidad de prolongaciones de las células amacrinas, que influencian y modulan
la información que es pasada a las células ganglionares. Estas células ganglionares son en última instancia, las que mandan la información ya codificada hacia el sistema nervioso central a través del nervio óptico. [3]
1.3.2 Retina Central y Retina Periférica
Cuando comparamos la retina central con la retina periférica encontramos que la zona de la fovea es considerablemente más gruesa que la de la retina periférica, debido a que a este nivel se encuentran densamente empaquetados gran cantidad de fotorreceptores (sobre todo conos), lo cual hace que incluso se desplacen lateralmente hacia fuera sus células bipolares y ganglionares asociadas.
En la porción central de la retina existen sobre todo conos, mientras que en la retina periférica predominan los bastones.
La nuclear externa, donde se encuentran los cuerpos celulares de los conos y bastones presenta un espesor semejante a largo de toda la retina. Sin embargo en la retina periférica el número de cuerpos de bastones es muy superior al de los conos, y lo opuesto ocurre a nivel de la retina central. A nivel de la retina central los conos presentan unos axones oblicuos que se encuentran desplazados lateralmente respecto a sus pedículos sinápticos a nivel de la CPE.
Estos axones oblicuos, junto con los procesos de las células de Müller que los acompañan dan lugar a una especie de formación en empalizada que se denomina capa de fibras de Henle. Esta capa no existe a nivel de la retina periférica.
La CNI es más gruesa a nivel de las zonas centrales de la retina debido por una parte a la mayor densidad de conos, y por tanto de células bipolares especificas para conos, y por otra a la existencia de células horizontales y amacrinas más pequeñas.
También existen mayor cantidad de células ganglionares, y por tanto de fibras nerviosas a nivel de la retina central. De nuevo esto es debido a que la mayor cantidad de células implicadas en el procesamiento de la información del sistema son conos, a su vez implica mayor cantidad de interacciones sinápticas y por tanto un mayor grosor de la CPI a nivel de la retina central.
El centro de la fovea, se conoce como foveola y es una región muy especializada de la retina que mide menos de 200 micras (difiere en su estructura tanto de la retina periférica como de la retina central). En la figura 1.6 presentamos una imagen de una sección radial a través de esta foveola.
Figura 1.6 Fovea humana [4]
La foveola es una zona donde se produce una alta concentración de conos (no existen bastones). Estos conos adoptan una disposición muy regular dando lugar a un patrón casi perfectamente hexagonal que es más evidente cuando seccionamos tangencialmente los conos a nivel de sus segmentos internos. Esta foveola es avascular y en ella sólo existen conos (no hay células de asociación, ni ganglionares, ni bipolares. Es la zona de máxima agudeza visual.
1.3.3 Mácula Lutea
La porción central de la retina es una región especializada de unos 6 mm de diámetro, en cuyo centro esta la macula (esta comprende a la foveola, la fovea y la región parafoveal. Debido a que esta zona presenta una coloración amarillenta se conoce como macula lutea (mancha amarilla). Esta pigmentación es debida a los reflejos ocasionados por un pigmento, la xantofilina luteínica que se encuentra en los axones de los conos a nivel de la capa de fibras de Henle.
Debido a que la fovea es la porción más importante para la visión humana es necesario protegerla de las radiaciones ultravioleta que podrían lesionarla y producir ceguera. Así se piensa que la función de esta mácula es actuar como una especie de filtro para las radiaciones luminosas de onda más corta, ayudando de esta forma al cristalino.
Cajal sugirió que existían dos tipos principales de vías de procesamiento de la información.
Una cadena principal, en la que la información procedente de los fotorreceptores (conos y bastones) pasaría a las células bipolares y de aquí a las células ganglionares y una cadena de asociación lateral en la que intervendrían las células horizontales (a nivel de la CPE) y las células amacrinas (a nivel de la CPI). Cajal también introdujo la idea de que la mayor parte de las conexiones sinápticas se realizaban a nivel de las capas plexiformes, donde interaccionaban los axones y dendritas de las diferentes células permitiendo que las terminaciones presinápticas establecieran contacto con sus respectivas terminaciones post-sinápticas. [4]
1.4 CEGUERA POR PROBLEMAS RETINALES
1.4.1 Enfermedades de la Retina
La retina humana es una delicada organización de neuronas, tejido nervioso conectivo y vasos sanguíneos. En algunas enfermedades del ojo, la retina se ve afectada y algunos daños degenerativos pueden eventualmente llevar a daños serios a las células nerviosas que llevan al cerebro mensajes vitales de imagen.
Aquí indicamos cuatro distintas condiciones en las cuales la enfermedad en la retina puede resultar en ceguera.
La degeneración macular relacionada a la edad (DMRE) es un problema retinal común una de las principales causas de ceguera en el mundo, el área macular y foveal se afectan debido a que el epitelio pigmentado detrás de la retina se degenera permitiendo que se fugue el fluido detrás de la fovea, de modo que los conos de esta mueren, causando la perdida de la visión central del detalle fino, una retina con DMRE se muestra en la figura 1.7a.
a) Retina con DMRE. b) Retina con glaucoma avanzado.
Figura 1.7 Fotografías de retinas enfermas [6]
El glaucoma es también un problema común, donde la presión intraocular (PIO) es elevada. La presión se incrementa debido a que la cámara anterior del ojo no puede intercambiar fluido propiamente. La presión en la cámara del vítreo se incrementa y presiona los vasos sanguíneos del nervio óptico, donde eventualmente los axones de las células ganglión mueren, el tratamiento para reducir la PIO es esencial en el glaucoma. En la figura 1.7b, se muestra una retina con un grado avanzado de glaucoma.
a) Retina con RP. b) Retina con RPD.
Figura 1.8 Fotografías de retinas enfermas [5]
La retinitis pigmentosa (RP) es una enfermedad hereditaria para la cual no existe una cura aún.
Esta se presenta en diferentes formas y consiste en un amplio número de mutaciones genéticas, la mayoría de los genes que fallan conciernen a los bastones, y son los de la periferia los que inician la degeneración, el paciente se convierte en ciego nocturno gradualmente.
Eventualmente la visión de los pacientes se reduce a un túnel en el cual únicamente la fovea no es dañada, una patología característica es la ocurrencia de un pigmento negro en la retina periférica y vasos sanguíneos adelgazados en la cabeza del nervio óptico.
La retinopatía diabética (RPD) es un efecto colateral de la diabetes que afecta la retina y puede causar ceguera, los vasos sanguíneos vitales del ojo se ven afectados en múltiples e incontrolables maneras. El tratamiento láser es el mas comúnmente utilizado para detener la fuga de fluido hacia la retina. Una retina con este padecimiento se muestra en la figura 1.8b. [4]
Histopatológicamente, la RP se caracteriza por la migración de bacteriófagos y células llenas de melanina dentro de la retina especialmente alrededor de los vasos sanguíneos, además es una atrofia de los fotorreceptores, mas no de las células de la CPI. [5]
1.4.2 Degeneración Macular Relacionada con la Edad (DMRE)
Es la principal causa de ceguera después de los 65 años en los Estados Unidos de Norteamérica, Canadá, Inglaterra, Escocia y Australia. Su prevalencia es del 2% a partir de los 65 años; se incrementa con la edad hasta llegar al 28% en personas entre 75 y 85 años, y se espera que aumente en forma paralela al incremento de la perspectiva de vida del hombre. La DMRE no exudativa se caracteriza por drusen, cambios pigmentarios y atrofia de la coriocapilar. Los drusen son productos de desecho del metabolismo del epitelio pigmentario.
También se puede observar ruptura del epitelio pigmentario con el consiguiente crecimiento anormal vascular de la coriocapilar, que invade el espacio subretiniano (membrana neovascular). La DMRE exudativa se caracteriza por cambios vasculares (membrana coroide neovascular) asociados con exudados duros, drusen blandos y hemorragias, que evoluciona hacia una cicatriz macular disciforme. La forma no exudativa es la más frecuente (90%) aunque el 90% de las cegueras producidas por DMRE se deben a las formas exudativas. Es bilateral pero asimétrica, luego de afectarse un ojo, al año de la pérdida de la visión, en un 12% de los casos se afecta el contra lateral. Más común entre los caucásicos (no pigmentados) que entre los negros e indios. Entre el 10 y 20% del casos tienen antecedentes familiares de degeneración macular relacionada con la edad. Los fumadores tienen un incremento del 6,6% en la prevalencia de la neovascularización en la DMRE, con respecto a la población general.
1.4.3 Desprendimiento de Retina Regmatogeno
Incidencia del 5% de la población general, 1 cada 15.000 habitantes por año, 11% bilaterales (el 30% de éstas son por diálisis infratemporales). El desprendimiento infratemporal es el de mayor bilateralidad, más frecuente en el sexo masculino. La edad promedio es de 54 años. Más frecuente entre los 50 y 70 años. Un tercio de los desprendimientos son traumáticos. Afecta al 2% de los pacientes operados de cataratas, 3 veces más frecuente en ojos miopes.
La mayoría de los casos se dan entre los 25 y los 40 años, más frecuentemente en el ojo derecho y en las estaciones de verano y primavera. La degeneración en empalizada se encuentra en aproximadamente el 7% de la población y es la causa de hasta el 25% de los desprendimientos de retina.
1.4.4 Retinitis Pigmentosa
De las distrofias retinianas es la más frecuente y esta estrechamente relacionada a degeneraciones genéticas, la incidencia mundial es de 1 de cada 4000, 19% autosómica dominante y 19% autosómica recesiva. 8% ligado al cromosoma X. 8% indeterminado. 6%
casos aislados, con un solo individuo afectado en la familia. La alteración de los loci, de los cromosomas 3, 6 y 8 se relacionan con la forma autosómica dominante. La alteración del brazo corto del cromosoma X se asocia con la forma ligada al sexo.
1.5 ANÁLISIS DE LOS PROBLEMAS DE DISCAPACIDAD EN MÉXICO
1.5.1 La Discapacidad en México
El relacionar las variables de tipo de discapacidad y causa, con las demás variables censales, resulta relevante para conocer otras características de la población como son, las características demográficas y sociales, el acceso a los servicios de salud, algunas características educativas; de esta forma el censo del 2000 se convierte en la principal fuente de información en México para proporcionar una caracterización de la población con discapacidad.
En el 2000, a nivel nacional se identificaron 1 millón 795 mil personas con discapacidad, las cuales representaron 1.8% de la población total; es mayor el porcentaje de hombres con discapacidad (52.6%) en comparación con el de mujeres (47.4%), esta situación es similar en todas las entidades federativas del país.
Figura 1.9 Población con discapacidad por sexo [7]
La pirámide poblacional, muestra que la discapacidad se hace más presente conforme se incrementa la edad y los hombres superan a las mujeres hasta los 64 años, a partir de los 65 años, las mujeres presentan proporciones mayores. Así, aunque las mujeres tienen una mayor esperanza de vida, también tienen mayores probabilidades de adquirir alguna discapacidad durante la vejez.
Llama la atención que los hombres, a diferencia de las mujeres, se encuentran más expuestos a sufrir alguna discapacidad entre los 15 y 39 años; es en este grupo de edad donde la prevalencia de discapacidad entre ambos sexos alcanza su mayor diferencia; esta situación puede estar relacionada con las diversas actividades que desarrollan los varones durante la llamada edad productiva, mismas que en combinación con los roles de género, constituyen factores de riesgo para adquirir alguna discapacidad. De acuerdo con los resultados censales, la población con discapacidad se concentra más en las localidades urbanas (72.6%) que en las rurales (27.4%).
1.5.2 Tipo de Discapacidad
Se consideraron cinco tipos de discapacidad: motriz, visual, mental, auditiva y del lenguaje, y se agrupó el resto de los tipos en la categoría denominada otro tipo de discapacidad.
Figura 1.10 Porcentaje de grupos con discapacidad por edad y sexo [7]
La discapacidad motriz es la más frecuente y afecta a 45.3% de la población con discapacidad, y la proporción en mujeres (46.4%) es más alta que en los hombres (44.4%).
En segundo lugar, se encuentra la discapacidad de tipo visual (26%), siendo también el porcentaje de mujeres con este tipo de discapacidad (27.7%) mayor al de hombres (24.5%).
Las discapacidades mentales están presentes en 16.1% de la población con discapacidad; en este caso su prevalencia es mayor en los hombres (17.1%), que en las mujeres (15%).
Respecto a las discapacidades de tipo auditivo, que concentran 15.7% de la población con discapacidad, nuevamente es más alta su presencia entre los varones.
Por su parte, las discapacidades del lenguaje se presentaron en 4.9% de la población con discapacidad; en este tipo de discapacidad no se observó gran diferencia entre hombres y mujeres.
Figura 1.11 Porcentaje de población por tipo de discapacidad [7]
La presencia de los distintos tipos de discapacidad guarda una estrecha relación con la edad.
Las discapacidades auditivas, motrices y visuales tuvieron mayor prevalencia entre las personas de 60 años y más, siendo las mujeres las más afectadas.
Por su parte, las discapacidades del lenguaje y las mentales se mantuvieron casi constantes entre los niños, jóvenes y adultos, reduciendo su incidencia entre las personas de la tercera edad. Si se analiza la forma en la que se distribuyen los tipos de discapacidad en los grupos de edad, se observa que los más frecuentes entre los niños y las niñas de 0 a 14 años, fueron la mental (33.9%) y la motriz (35.1%). Entre los jóvenes de 15 a 29 años, las discapacidades de tipo mental (36.4%) y motriz (31.4%) tienen mayor presencia. Las discapacidades de tipo motriz (43.25%) son las más frecuentes entre las personas de 30 años y más y les siguen las visuales (28.7%); en la etapa de la tercera edad el orden es igual al de los adultos pero con mayores proporciones (motriz, 55.1% y visual 30.5%) y se observa un gran incremento en las de tipo auditivas (21%).
TABLA 1.1 Distribución porcentual de población con discapacidad por grupos de edad según su tipo de discapacidad
Grupos de edad
Motriz Auditiva Del lenguaje
Visual Mental Otro No especificado
Total 45.3 15.7 4.9 26.0 16.1 0.7 0.4
Niños 35.1 12.0 10.3 15.1 39.9 1.8 0.3
Jóvenes 31.4 11.2 10.1 17.3 36.4 0.9 0.5
Adultos 43.2 12.0 4.7 28.7 15.7 0.7 0.5
Adultos mayores 55.1 21.0 1.4 30.5 3.7 0.4 0.3
1.5.3 Causa de la Discapacidad
La causa de la discapacidad se refiere al motivo (biológico y/o sociocultural) por el cual la persona adquirió la discapacidad; para el caso de las personas con discapacidades múltiples, se consideró la causa de la discapacidad principal.
Cabe señalar que esta variable se captó en el instrumento de la encuesta del censo. De cada cien personas con discapacidad en el país, 32 se encuentran discapacitadas a causa de una enfermedad, 23 por edad avanzada, 19 la adquirieron desde el nacimiento y 18 por accidente.
El análisis por sexo muestra que para las mujeres el orden es el mismo al nacional, mientras que para los hombres, el segundo lugar lo ocupan los accidentes y el cuarto la edad avanzada;
estos resultados pueden relacionarse con valores y roles que socialmente son atribuidos a los varones, los cuales constituyen factores de riesgo, y con ellos la adquisición de alguna discapacidad.
TABLA 1.2 Distribución porcentual de población con discapacidad por grupos de edad según la causa de discapacidad
Grupos de edad
Nacimiento Enfermedad Accidente Edad avanzada
Otro No especificado
Total 19.4 31.6 17.7 22.7 1.9 6.7
Niños 62.5 16.5 8.1 NA 1.4 11.5
Jóvenes 47.5 23.8 18.1 NA 1.5 9.1
Adultos 16.1 38.5 27.2 7.0 4.4 6.8
Adultos mayores
1.8 33.4 13.6 46.0 0.5 4.7
Las causas de la discapacidad tienen un peso diferenciado para cada grupo de edad. En el país en el año 2000, entre los niños y las niñas de 0 a 14 años, la principal causa de discapacidad se asoció al nacimiento, e incluyó las genéticas y las originadas en el periodo peri natal (62.5%).
Entre los jóvenes de 15 a 29 años y de los adultos de 30 a 59 años, se observa un incremento importante de las discapacidades originadas por accidentes, siendo estas más frecuentes entre los varones. Finalmente, en el grupo de población de 60 y más años, la edad avanzada (46%) y las enfermedades (33.4%) han provocado más discapacidades, seguramente relacionadas con el proceso de envejecimiento y la presencia de enfermedades crónico degenerativas.
1.5.4 Tipo y Causa de la Discapacidad
El análisis conjunto del tipo y de la causa de la discapacidad, así como su prevalencia por sexo, permiten conocer la relación entre estas variables. Las discapacidades de tipo motriz se originaron principalmente por enfermedades (37.4%) y accidentes (24%); las discapacidades de tipo visual se relacionan principalmente con la edad avanzada (33.7%) y las enfermedades (33.1%). Por su parte, las discapacidades mentales se asocian con problemas en el nacimiento (congénitos o peri natales 53 y 7% respectivamente) y enfermedades (20%), las auditivas presentan un patrón similar a las visuales y en le caso de las del lenguaje predomina su origen a causas relacionadas en la gestación o al nacimiento (63.2%).
TABLA 1.3 Distribución porcentual de población con discapacidad por causa según tipo de discapacidad
Causa de la discapacidad
Motriz Auditiva Del lenguaje
Visual Mental Otro
Total 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
Nacimiento 11.0 16.2 63.2 11.2 53.7 31.9
Enfermedad 37.4 25.6 17.4 33.1 20.0 39.8
Accidente 24.0 11.8 6.5 12.4 9.3 7.6
Edad avanzada 21.4 38.2 2.5 33.7 3.6 6.8
Otro 0.9 1.9 0.8 3.5 1.9 2.8
No especificado 5.3 6.3 9.6 6.1 11.5 11.9
1.5.5 Edad Promedio al Inicio de la Discapacidad, la Percepción de Severidad de la Discapacidad y del Estado de Salud.
La Encuesta Nacional de Salud del año 2000 realizada por la Secretaría de Salud, incluyó en su instrumento de captación las mismas preguntas para identificar al tipo y la causa de la discapacidad utilizada en el censo, adicionalmente captó otras variables como son la edad al inicio, la percepción de severidad de la discapacidad y del estado de salud.
Figura 1.12 Edad promedio de inicio de la discapacidad [7]
En cuanto la edad de inicio, más del 40% de la población con discapacidad, tanto hombres como mujeres adquirió su discapacidad antes de cumplir los 10 años y esta aumentó conforme se incrementa la edad; en general, el promedio de edad nacional para el inicio de la discapacidad es de 27 años, 32 años en el caso de los hombres y 30 años en promedio en las mujeres. La variable sobre la percepción de la severidad de la discapacidad, permitió tener un acercamiento al cómo la persona evalúan su condición de discapacidad; los resultados muestran que el 27.5% consideran la severidad de su discapacidad como leve, 33.3% como moderada y 39.2% como grave, un comportamiento similar se observa entre hombres y mujeres. La otra variable que midió un aspecto perceptual, fue el cómo evalúan su estado de salud, a nivel nacional el 32.2% de la población con discapacidad la consideró como buena, 43.1% regular y 24.7% mala. Para el caso de las mujeres, se observó un incremento en la condición de mala superior a los varones en casi seis puntos porcentuales.
1.5.6 Población Económicamente Inactiva
En el año 2000, la población económicamente inactiva con discapacidad representó 74%. De cada 100 hombres con discapacidad 63 son económicamente inactivos y en el caso de las mujeres 87 están en la misma situación. Del total de hombres con discapacidad que declararon encontrarse económicamente inactivos, 17.9% estaban jubilados o pensionados, 15.5% se encontraban incapacitados para trabajar, 5.9% eran estudiantes, 1.7% se dedicaban a los quehaceres del hogar y 59% manifestaron dedicarse a otro tipo de inactividad.
1.5.7 Ocupación Principal
La ocupación principal es el tipo de trabajo, empleo, puesto u oficio que la población ocupada realizó en su trabajo principal. Entre las dificultades a las que se enfrentan las personas con discapacidad, se encuentran su integración a la vida laboral y el tipo de trabajo que desarrollan, sí a éste problema se suma la tradicional segregación que ubica a hombres y mujeres en ocupaciones diferenciadas, se puede suponer la vulnerabilidad en la que se encuentran.
Figura 1.13 Distribución porcentual de población con discapacidad ocupara por grupos y sexo [7]
De acuerdo con la información censal en el año 2000, el mayor porcentaje de trabajadores domésticos correspondió a mujeres (80.8%) y el menor a hombres (19.2%).
De la misma manera, las mujeres con discapacidad tuvieron mayor participación en ocupaciones relacionadas con los servicios: trabajadoras de la educación (47.7%), oficinistas (44.1%) y comerciantes (39.4%), reduciendo su participación en las ocupaciones más masculinizadas.
Por su parte, en los hombres la mayor participación se observó en ocupaciones como:
operadores de transporte (99.3%), trabajadores en protección y vigilancia (95.6%) y trabajadores agropecuarios (92.5%).
La relación que existe entre la población ocupada y los medios de producción dan lugar a su clasificación como empleados u obreros, jornaleros o peones, patrones, trabajadores por su cuenta y trabajadores sin pago.
De cada 100 personas con discapacidad que se encontraban ocupadas, 33 eran trabajadores por su cuenta, 44 empleados u obreros, 10 jornaleros o peón, seis trabajadores sin pago y sólo tres patrones. [7]
1.6 CONCLUSIONES DEL CAPÍTULO I
En los casos de las enfermedades que afectan directamente a la retina, se pueden dividir en dos tipos, los que inhiben la excitación de los fotorreceptores y las que degeneran el sistema vascular. En el primer caso, las capas celulares posteriores a los fotorreceptores no sufren daño directo, mientras que en el último caso, el conjunto celular finalmente muere.
La discapacidad del tipo visual, es la segunda causa de discapacidad en México (26%), solamente después de la discapacidad del tipo motriz (45.3%), principalmente afecta a la población adulta (adultos 28.7% y adultos mayores 30.5%).
La población afectada tiene muy poca expectativa de superación profesional, ya que principalmente basa su actividad monetaria en la economía informal, y constituye así el 25%
del total de personas desempleadas en México.
INVESTIGACIONES EN
VISIÓN ARTIFICIAL
2.1 INTRODUCCIÓN
En el presente capítulo, se analizan los resultados obtenidos por diferentes grupos de investigación alrededor del mundo a partir de los años 50 y hasta la fecha, haciendo posible la comparación de las teorías y resultados, en cuanto a la experimentación de técnicas aplicadas dentro del área de la visión artificial.
De esta manera es posible sentar las bases teóricas para definir los procedimientos de implantación, encapsulado, experimentos con diferentes materiales y configuraciones de electrodos, formas de onda, valores de voltaje y corriente eléctrica, así como los periodos de duración de los pulsos de excitación requeridos para la activación celular de los diferentes grupos de células retinales y corticales.
Con el análisis de los datos de las diferentes rutas de investigación, es factible determinar de manera analítica, cualitativa y cuantitativa, cuales son los elementos que ofrecen resultados mesurables y de este modo proponer y sustentar la teoría de la presente investigación.
2.2 PROTÉSIS NEURONALES Y RETINALES
Inspirado en los descubrimientos relacionados en estimulación nerviosa en el cerebro y periférica, se han desarrollado experimentos en retinas aisladas de conejo para determinar si las características de la excitación de los axones de las células ganglión pueden realizarse por medio de la orientación de un campo eléctrico de estimulo perpendicular a la ruta del axón. En algunos otros trabajos previos las respuestas fueron mayores para campos de estimulo perpendicular la aplicación practica de estos resultados requerirá del diseño de electrodos que minimicen los campos de acción longitudinal.
Existe un número de parámetros libres que se deben considerar en el diseño de un método de estimulación eléctrica, incluyendo la forma y tamaño de los electrodos, la forma de onda, duración y amplitud de la corriente de estimulación. Mientras que los estudios de estimulación retiniana han utilizado frecuentemente alguna forma convencional en el electrodo, sus dimensiones características van desde unas cuantas micras hasta cientos de ellas.
Además las técnicas modernas de microfabricación, hacen posible el desarrollo de casi cualquier diseño en tamaño y forma. Por otra parte, un amplio rango de formas de onda de corriente, duraciones (que van desde unos cuantos microsegundos hasta varios cientos de milisegundos) y amplitudes (considerando cientos de nanoamperes hasta varios míliamperes), se han usado exitosamente en la estimulación retinal. [8]
En la siguiente figura, se muestra un ejemplo de las configuraciones más comunes en cuanto al diseño de electrodos para estimulación eléctrica retinal.
Figura 2.1 Configuración básica de electrodos [8]
Como ya ha sido mencionado, en las diferentes investigaciones se han utilizado formas de onda tanto monofásica como bifásica, en la siguiente figura se muestran las características principales de esto elementos.
a) b) Figura 2.2 a) Forma de onda monofásica, b) Forma de onda bifásica [9]
TABLA 2.1 Resumen de estímulos y parámetros que entregaron respuesta evocada exitosa con los electrodos ubicados sobre la superficie retinal
Autor (es) Tipo de electrodo
Forma de onda estimulante
Duración del estimulo
Amplitud del estimulo
Sitio de detección
Benjamin et. al.
[9]
Bipolar Mono y Bifásica
400 µs por fase
Hasta 2 mA Nervio óptico
Doty y Grima [9]
Bipolar Monofásica 0.1 ms o
1 ms
1 V hasta 15 V
Corteza visual
Humayun et. al.
[10]
Bipolar Monofásica 75 µs Hasta 100 µA Fosfeno
Humayun et. al.
[11]
Bipolar Bifásica 75 µs por fase
50 a 300 µA (Media fase)
Superficie retinal Chow, A. Y et.
al. [12]
Bipolar Bifásico 400 o 700 µs en total
30 a 600 µA Corteza visual
Veraart, C. [13] Bipolar concéntrico
Monofásico 200 µs 0.4 a 400 µA Una célula Wyatt et. al. [35] Monopolar Monofásica 20 a 500 µs 8 a 24 µA Una célula De forma similar es posible analizar más resultados de excitación con electrodos pero ahora considerando axones no sensibles.
TABLA 2.2 Resultados y características de la aplicación de diferentes electrodos.
Autor (es) Tipo de respuesta
(especie)
Duración del estímulo por
fase
Tipo de electrodo
Colocación del electrodo
Brindley (1955) [9]
Fosfenos (humano)
Unos pocos µs C.D.
Varios monopolares y bipolares de unos
cuantos mm
Contra la conjuntiva;
regreso monopolar por la boca
Crapper y Noell (1963) [9]
Estimulación de células ganglión
(conejo)
0.5 ms Monopolar Vítreo; regreso debajo de la piel del
sacro Doty y
Grima (1962) [9]
Potenciales corticales
(gato)
1 ms Bipolar 1 mm de separación
Superficie epiretinal;
Varias orientaciones relativas al axón Greenberg
(1998) [41]
Estimulación de células ganglión
(rana)
0.52 ms Monopolar 1.5 mm de diámetro
Superficie de la esclera; regreso a
varios mm de distancia sobre el lado
epiretinal Howart
(1954)
Fosfenos (humano)
7 a 100 ms Monopolar Frente; regreso en la mano Humayun
(1996) [11]
Fosfenos (humano)
1 a 4 ms Varios monopolar bipolar 50 a 200 µm de diámetro
Superficie epiretinal;
regreso en el hombro
Humayun (1996) [10]
Fosfenos (humano)
≤ 2 ms Arreglos de 400 µm (discos);
monopolares y bipolares.
Electrodos de alambre de 25 a 125 µm (discos) monopolar y
bipolar
500 µm sobre la superficie epiretinal;
regreso monopolar en un punto a
distancia
Se presentan a continuación resultados clínicos de diferentes proyectos tales como prótesis, biocompatibilidad y pruebas psicofísicas realizadas con diferentes técnicas de fabricación y consideraciones particulares entre diferentes grupos de investigación en el área de visión artificial.
2.3 PROTESIS, ENCAPSULADOS Y ELECTODOS
Durante los principios de la década de los 70’s, quedó claro que pacientes ciegos pueden percibir fosfenos eléctricamente provocados en respuesta a una estimulación ocular, esto fue logrado por medio de un lente de contacto como electrodo estimulante. Estas pruebas indicaron la presencia de por lo menos algunas células retinales funcionales. [9]
Dado que algunas de las enfermedades que provocan ceguera son referidas a daños en las células fotorreceptoras, la idea de estimular las células internas de la retina es propuesta y analizada por éste autor. [9]
Los progresos en el campo de las prótesis neuronales han convergido con los avances en cirugía retinal para lograr el desarrollo de prótesis retinales implantables. Es posible realizar tales implantes a pacientes que presenten problemas de ceguera debido al daño de las células fotorreceptoras como las provocadas por RP o bien por DMRE.
Estas dos enfermedades son muy comunes y provocan un significativo porcentaje de pacientes ciegos. La RP presenta una incidencia de 1 de cada 4000 nacimientos y afecta a 1.5 millones de personas alrededor del mundo. La DMRE es la principal causa de la pérdida visual en personas mayores de 65 años en países occidentales.
Análisis morfométricos postmortem en la retina de pacientes con RP ha demostrado que la capa nuclear interna contiene mas células activas (78.4% células bipolares y otras) en comparación con la capa nuclear externa (4.9% fotorreceptores) y la capa de células ganglionares (29.7%). Resultados similares se han obtenido en pacientes con DMRE, dando por conclusión que existe una degeneración transsináptica limitada lo que hace posible lograr una estimulación a las neuronas retinales remanentes.
Actualmente existen diferentes grupos que han desarrollado prótesis retinales y del nervio óptico, los cuales pueden clasificarse dependiendo el lugar de ubicación del dispositivo: sobre la superficie de la retina (epiretinal), en el espacio subretinal o alrededor del nervio óptico.
Figura 2.3 Prótesis retinal intraocular [9]
Para examinar si las neuronas retinales remanentes podrían ser excitadas eléctricamente de modo que se pudiera restaurar una visión útil, se llevaron a cabo estudios de estimulación retinal intraocular.
Antes de realizar algún tipo de cirugía, los pacientes fueron puestos a prueba, para comprobar la salud de su función retinal interna. Esta prueba se realizo primeramente con un paciente que debía percibir luz en respuesta a un estimulo eléctrico evocado por un lente de contacto controlado por computadora.
Después de la prueba inicial, la cirugía involucraba llevar tres grupos de electrodos aplicando anestesia subconjuntival para colocarlos sobre las escleroctomías para evitar un daño a la función del nervio óptico. Diferentes tipos de electrodos estimulantes manipulables fueron posicionados en a superficie de la retina. Pulsos de corriente generados por computadora fueron entregados por los electrodos y se les preguntó a los pacientes su percepción visual.
Todos los pacientes reportaron la sensación de fosfenos y cuatro o cinco de ellos reportaron aspectos espacio-temporales del estimulo. La resolución fue estimada de 4.5 por 200 consistente con una visión ambulatoria.
2.4 BIOCOMPATIBILIDAD DE LAS PROTESIS RETINALES
El campo de las prótesis retinales es relativamente nuevo y existen pocos reportes de la implantación de tales prótesis y sus reacciones adversas.
En la mayoría de los experimentos realizados se han implementado dispositivos que no cuentan con estimulación eléctrica con la finalidad de examinar la biocompatibilidad mecánica.
Los resultados obtenidos en éste tópico demuestran la biocompatibilidad que los dispositivos basados en estimulación eléctrica pueden proporcionar.
Un experimento realizado a cuatro perros con retinitis pigmentosa inducida, reportó que no existió desprendimiento de retina al utilizar un implante epiretinal. [10]
En un experimento más realizado a diez conejos, reportó solo un caso de problemas graves, en todos los casos el implante se mantuvo estable en su área de fijación original y bajo análisis microscópico no se presentaron cambios en la arquitectura retinal.
En otro experimento, realizado en tres conejos con un arreglo de electrodos implantado en el espacio subretinal, no se reportaron daños corticales. [11]
Figura 2.4 Implantación de prótesis no estimulante sintética a coneja Julia [52]
En un caso de implantación de un electrodo estimulante del nervio óptico en un humano, se reporto la inexistencia de efectos crónicos. Además en pruebas similares realizadas en gatos, no se presentaron daños después de la estimulación eléctrica del nervio ciático con la aplicación de los mismos electrodos. [12]
2.4.1 Fijación
Un dispositivo electrónico implantado puede ser expuesto a movimientos y debe ser fijado de modo que conserve su posición anatómica. En particular las prótesis epiretinales sentirán el efecto de los movimientos rotacionales propios del ojo los cuales pueden alcanzar velocidades de hasta 700 grados de ángulo visual por segundo.
Los métodos de fijación difieren dependiendo de la posición respecto del campo visual. El lugar preferente para la fijación de arreglos intracorticales de estimulación es probablemente la corteza en si misma más no el cráneo debido al constante movimiento del cerebro respecto al cráneo.
Este tipo de arreglos actualmente son insertados ya sea por inserción manual de grupos individuales de 2 o 3 electrodos colocados normales a la superficie cortical a una profundidad de 2 mm [14] o por un sistema neumático que inserta un arreglo de 100 electrodos dentro de la corteza en un tiempo de alrededor de 200 ms. [14]
La implantación subretinal, tiene la ventaja de contar con fuerzas de adherencia entre la retina sensorial y el epitelio pigmentado para mantener el arreglo en su lugar.
En algunas ocasiones puede haber desplazamiento del arreglo después de ser implantado. El procedimiento quirúrgico se realiza de forma extraocular a través de la esclera (ab-externo) o intraocularmente por medio de una retinotomia en sitio después de un procedimiento de vitreoctomia.
Los métodos más usados para la fijación epiretinal has sido bioadhesivos, clavos o grapas retinales e imanes. [15]
En un estudio de un año realizado en conejos, las grapas y el arreglo de electrodos permanecieron firmemente fijos sin efectos secundarios clínicos o histológicos.
En otro estudio nueve compuestos disponibles comercialmente fueron examinados como adhesivos en conejos. Uno de ellos (SS-PEG hydrogel, Shearwater Polymers Inc.) probó ser fuertemente adhesivo y no tóxico a la retina. [16, 17]
2.4.2 Sello hermético de la electrónica
Toda prótesis visual consiste de varios componentes electrónicos tales como receptores de potencia, datos y los procesadores de estimulación, todos estos elementos deben esta herméticamente sellados para evitar el contacto físico con los fluidos biológicos corrosivos.
[18]
Los sellos herméticos del circuito en el caso de los dispositivos de estimulación neuronal son complicados debido a que se requiere de múltiples conductores que deben penetrar el empaquetado hermético para que el circuito de estimulación pueda ser conectado eléctricamente a cada electrodo. Estas conexiones son el punto más vulnerable del sistema.
Figura 2.5 Propuesta de encapsulado en PMMA (Polimetilmetacrilato) [52]
La industria de los marcapasos ha desarrollado encapsulados efectivos usando cápsulas de titanio sellado herméticamente, los empaquetados de vidrio y cerámica también han probado buenos resultados. [19]
Muchos tipos de sueldado y sellado tienden a degradarse con el paso del tiempo, usualmente no son biocompatibles y caros. Los mejores resultados de empaquetado hermético los han propuesto compañías de implante médico como Advanced Bionics (Sylmar, California) que involucra el novedoso uso de polímeros orgánicos en combinación con encapsulados cerámicos y de titanio. [20]
Recientemente una nueva técnica de enlace de silicio-vidrio-aluminio se encuentra en vías de desarrollo, esta técnica proporciona resistencias mecánicas de más de diez megapascales y muy buena hermeticidad. [21]
2.4.3 Biocompatibilidad de la estimulación eléctrica
Cuando aplicamos una estimulación eléctrica es necesario considerar un límite necesario para evitar el daño neuronal.
Los estudios recientes que han tenido mayor impacto en este tópico son los de estimulación de largo plazo de tejido neuronal histopatológicos [22, 23] y los estudios de interfase electrodo- electrolito. [24] Las formas de onda de carga balanceada bifásica son relativamente seguras comparadas contra las formas monofásicas. [25]
Cualquier corriente directa neta (CD) puede provocar después de un tiempo reacciones irreversibles en el electrolito. Una forma de onda de corriente bifásica esta constituida de dos pulsos consecutivos de carga igual pero de polaridad opuesta que no provoca componente de CD. Una forma de onda monofásica simple es inaceptable para estimulación neuronal pues entrega CD que crea un proceso faradico irreversible. Las reacciones faradicas implican transferencia de electrones a través de la interfase electrodo-tejido y la oxidación-reducción de químicos.
Es también necesario conocer que la reversibilidad química requiere que todos los procesos que ocurren en un electrodo sujeto a un pulso eléctrico incluyendo la revolución H2 y O2 pueden ser químicamente revertidos por un pulso de polaridad opuesta.
La reversibilidad química puede ser examinada por análisis químico voltamétrico [26] y otros métodos como los de observación directa de burbujas de gas, espectroscopia ultravioleta o espectrometría de absorción atómica de soluciones in vivo. Los efectos de corrosión sobre la superficie de electrodos se pueden observar por inspección con microscopio electrónico.
Se ha comprobado que los daños provocados por la estimulación inducida eléctrica neuronal dependen de la amplitud de la corriente y la frecuencia del pulso de la densidad de carga y la carga por fase, [27, 28] esta última se define como un medio de la integral de la corriente de estimulo para una fase.
La densidad de carga se define como la carga por fase dividida por el área de la superficie activa electroquímica del electrodo. De esta definición se puede entender que electrodos muy pequeños pueden provocar muy bajos valores de corriente.
Puesto que la densidad de carga total es responsable del daño en los electrodos y el tejido existen límites teóricos de cuan pequeños pueden ser. [29, 30] El total de la carga entregada al tejido no puede ser ignorada aún cuando el límite del tamaño seguro del electrodo no sea rebasado.
2.4.4 Calor generado por el dispositivo
Los diferentes componentes de la prótesis visual pueden producir un calor excesivo y por supuesto causar daño si no se mantienen debajo de un límite de seguridad.
Muchos estudios se ocupan del análisis del daño provocado por la exposición térmica aplicando microonda y otras exposiciones a campos electromagnéticos. El límite de seguridad se considera entre 1.6 (0.06 °C) y 8 W/Kg (0.3 °C), cualquier sobre temperatura es indeseable.
[31]
La habilidad de la retina de disipar y tolerar el calor generado por un calefactor electrónico intraocular se estudió en 16 perros, y demostró que no se puede aplicar mas de 50 mW de potencia sobre un área de 1.4 mm2 directamente sobre la retina por mas de un segundo, sin embargo, usando el mismo calefactor, es posible aplicar una potencia de hasta 500 mW en el vítreo medio por mas de dos horas sin causar ningún daño histológico. [31]
Se concluye que los componentes que producen calor de los dispositivos (bobinas de telemetría por radiofrecuencia y circuitos integrados) pueden ser colocados lejos de la retina, quizá detrás del iris o en el vítreo medio, por otra parte, la colocación de la electrónica directamente en contacto con la retina ya sea de manera epiretinal o subretinal, conlleva un alto riesgo de daño causado por calor, por lo que es recomendable colocar únicamente el arreglo de electrodos en contacto directo con la reina, ya que estos disipan solo una pequeña cantidad de calor.
2.4.5 Energizado del implante
Es de suma importancia aplicar la energía eléctrica adecuada a cualquier implante electrónico.
Algunos estimuladores eléctricos para el tratamiento de dolor crónico utilizan una alimentación a base de baterías que requiere un proceso quirúrgico para la sustitución de elementos descargados.
Alternativamente se puede energizar implantes sin la necesidad de una conexión física por medio de un enlace inductivo, que consta de la unión de dos bobinas de alambre metálico, la bobina primaria, (la bobina que recibe la señal directamente aplicada de un circuito) y la secundaria (la que sufre la inducción de corriente), [32] tal como algunos marcapasos e implantes cocleares.
Existen varios parámetros que se deben considerar en el diseño de un enlace inductivo, los cuales incluyen el diámetro y el número de vueltas tanto del primario como del secundario, así como la posición relativa entre ambas bobinas.
