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Proyecto de Innovación Tecnológica 2016

DATOS DEL PROYECTO

Título del Proyecto: Continuación: Desarrollo de un sistema de control de la postura, navegación personal y simulación de movimiento.

Disciplina: Biotecnología, neurobiología, salud pública

Tiene una solicitud de patente: No ( ) Si ( X ) Número de solicitud: Otorgada 39534, US 13-619105; En proceso: 39535 US 13-618477.

Patente No 2379007 Otorgada por la oficina de patentes internacional en Rusia con vigencia desde Enero de 2010 hasta el año 2028. Título de la patente "Simulador móvil de la postura vertical para el diseño y pruebas de las prótesis vestibulares". http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet Patente No. 2500375 otorgada por la oficina de patentes internacional en Rusia con vigencia del 10 de diciembre de 2013 al 8 de enero de 2032 (ROSPATENT 2012123665/14(036206). Título de la patente “Mecanismo de corrección automática para la estabilización de la mirada, en la dirección del movimiento, en condiciones de microgravedad.” http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet Patente US 8855774 B2 Vestibular prosthesis. Otorgada Oficina de Patentes y Marcas de los Estados Unidos no. de registro: US 13/619,105. Vigencia hasta el 2032. Solicitud de patente "Posturographic system using a balance board" ingresada a la Oficina de Patentes y Marcas de los Estados Unidos. Dicha solicitud tuvo fecha de ingreso el día 14 de septiembre de 2012 no. de registro: US 13/618,477. Ya tuvo una

Indique el Área de aplicación

( X ) Salud ( ) Energía y Medio

Ambiente ( ) Electrónica, Computación y

Comunicaciones

( ) Agroalimentación ( ) Biotecnología

( ) Materiales

( ) Otro ______________

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primera respuesta de oficina de patentes americanas y ya respondimos las objeciones. Se mantiene en proceso. Solicitud de patente "Prótesis vestibular" Presentada al Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial el 8 de julio de 2013 no. de expediente: MX/a/2013/007969. Solicitud de patente "Sistema posturográfico usando una plataforma de balance" Presentada al Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial el 8 de julio de 2013 no. de expediente: MX/a/2013/007965.

Si colaboran más integrantes mencionarlos: Dra. María del Rosario Vega - Profesor Titular Tiempo Completo del Instituto de Fisiología, SNI-II Dr. Vladimir Alexandrov - Profesor Titular Tiempo Completo de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas, SNI-II Dra. Tamara Alexandrova - Profesor de la Universidad Estatal de Moscú y Profesora Visitante de la BUAP en el Instituto de Fisiología. Dra. Maribel Reyes Romero - Profesor Escuela de Biología de la BUAP. Nombre del estudiante becario: Octavio González Petlacalco Matricula: 200928577 Programa Académico: Maestría en Ciencias Fisiológicas. Nombre del estudiante becario: María Claudia Gómez Méndez Matricula: 201020698 Programa Académico: Licenciatura en Biología Nombre del estudiante becario: Elisa Rivera Illades Matrícula: 201213560 Programa Académico: Licenciatura en Biología

INFORMACIÓN DEL PROYECTO

Resumen:

En este trabajo se propone usar la estimulación galvánica vestibular para estabilizar la postura de sujetos en diferentes condiciones y definir la amplitud y duración de estímulos que nos permitan producir influencias significativas y controlables en las respuestas de origen vestibular y simular el efecto de la rotación de la cabeza en sujetos experimentales en una cabina para simulación de vuelo (plataforma de Stewart). Para alcanzar este objetivo se ha desarrollado un diseño experimental cruzado en el que las variables independientes son las características del estímulo (Estimulación Galvánica Vestibular (EGV), amplitud de estímulo, duración de estímulo, posición de electrodo) y las variables dependientes se obtendrán de parámetros que se miden mediante posturografía, nistagmografía, potenciales miogénicos vestibulares y mediciones de los desplazamientos de la cabeza con un sistema de microgiróscopos y microacelerómetros. El conjunto de mediciones nos permitirá definir el efecto de la EGV sobre la estabilidad del sujeto y la capacidad de la EGV para simular las sensaciones que se producen durante los giros en un avión, comparando las respuestas

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producidas por la EGV con las producidas por la estimulación mecánica en una plataforma de Stewar. Como resultado de este trabajo obtendremos datos precisos que nos permitan cuantificar de forma paramétrica los efectos de la EGV y sus características sobre la postura y el conjunto de reflejos vestibulares para mantener la postura y el equilibrio. Estos datos son la base para el desarrollo de una diadema de EGV que permita convertir la salida de los sensores que forman una prótesis o auxiliar vestibular en influencias específicas a los diferentes grupos de aferentes vestibulares y que produzcan efectos conductuales precisos, controlados y utilizables para estabilizar un sujeto y para simular la sensación de movimiento que se produce en la cabina de un avión. Todo esto constituye la interfaz entre el auxiliar vestibular que hemos propuesto en la patente US 13/618,477 y los sujetos portadores de dicho sistema. Palabras Claves: Prótesis vestibular, balance, equilibrio, simulador de vuelo, posturografía, oculografía, potenciales vestibulares miogénicos, giroscopios, acelerómetros Describir el problema tecnológico a resolver:

Las caídas y la inestabilidad de la marcha son afecciones frecuentes en ancianos. En particular, las caídas se encuentran entre las principales causas de morbilidad ya que pueden ocasionar complicaciones físicas severas como fracturas de cadera, fémur, húmero, muñeca y costillas, además de lesiones dolorosas de tejidos blandos. Cerca de la tercera parte de las personas de 65 años de edad o más que viven en el hogar sufre una caída cada año (Kane, 2001). Las caídas y sus complicaciones concomitantes deben ser evitables y cada vez es mayor el número de estudios que sugieren que cuando menos algunos tipos de caídas pueden prevenirse. Se ha encontrado que los cambios en el control de la postura y en la marcha desempeñen un papel importante en muchas caídas entre los ancianos. La edad avanzada se relaciona con disminución de los estímulos propioceptivos, reflejos correctivos más lentos y aumento en la oscilación de la postura, sobre todo cuando se pretende evitar un riesgo ambiental o un tropiezo inesperado. El mareo y la inestabilidad son quejas usuales tanto en los ancianos que sufren caídas como en los que no se caen. El vértigo (sensación de movimiento rotatorio) es un factor causal menos frecuente de caídas en la población geriátrica y suele relacionarse con alteraciones del oído interno como laberintitis aguda, enfermedad de Méniere y vértigo postural benigno. Este trabajo busca evaluar la factibilidad de utilizar la respuesta provocada por la Estimulación Galvánica Vestibular (EGV) en un auxiliar vestibular que sea capaz de prevenir una caída. Por otra parte, en los pilotos de avión existen conflictos importantes en cuento a la información que reciben visualmente y la de su desplazamiento en el espacio. De hecho la función vestibular lleva a que los pilotos tengan una percepción distorsionada del grado de inclinación de un avión, lo que obliga a usar instrumentos para corregir estas alteraciones perceptuales (Aleksandrov y cols. 2015). Una parte fundamental en el proceso de la aviación es el entrenamiento de los pilotos en simuladores de vuelo (plataforma de Stewart o centrifuga), aunque estas plataformas tienen importantes limitaciones en cuanto al tipo de estímulos de movimiento que producen. Por ello en este proyecto en colaboración con colegas del INAOE y la Secretaría de Marina se analizará la factibilidad de usar la EGV para producir la sensación de movimiento en pilotos en entrenamiento.

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En este trabajo se estudia el uso de la estimulación galvánica vestibular para estabilizar la postura de sujetos y definir los parámetros de amplitud, duración y localización de los electrodos que produzcan influencias más significativas y controlables de respuesta vestibular. Para alcanzar este objetivo se ha desarrollado un diseño experimental cruzado en el que las variables independientes son las características del estímulo (EGV, amplitud de estímulo, duración de estímulo, posición de electrodo) y las variables dependientes se obtendrán de parámetros que se miden mediante posturografía, nistagmografía y mediciones del desplazamiento de la cabeza con un sistema de microgiróscopos y microacelerómetros. El conjunto de mediciones nos permitirá definir el efecto de la EGV sobre la dirección, amplitud y velocidad de desplazamiento del centro de masa del sujeto, sobre la amplitud, dirección y velocidad de movimientos oculares producidos por la EGV, y sobre la dirección, amplitud y velocidad de movimientos de la cabeza. Antecedentes del Proyecto a desarrollar:

La postura bípeda es inherentemente inestable y sujeta a perturbaciones producidas por el ciclo cardiaco y la respiración (Basci y cols. 2005). Mantenerse de pie, puede modelarse como un péndulo invertido, ya que se tiene una base estrecha para sostenerse y el centro de gravedad en una posición más alta. El péndulo puede balancearse activamente para impedir que se caiga. El control de la postura en los mamíferos bípedos, involucra integración compleja de información propioceptiva, vestibular y visual (Jamon, 2014). El sistema vestibular tiene un papel fundamental en la orientación espacial. Los órganos sensoriales vestibulares periféricos actúan como sensores de las aceleraciones lineal y angular de la cabeza. Los centros de control cerebrales usan esta entrada para definir la posición cefálica en relación al entorno relacionándola con entradas de otros sistemas sensoriales y para producir respuestas motoras que ayuden a mantener el equilibrio y la posición de la mirada (Basci, 2005; Jamon, 2014; Jones, 2000). El Sistema Nervioso Central utiliza sistemas reflejos originados en el vestíbulo que han sido ampliamente estudiados por sus implicaciones clínicas. Estos son principalmente el reflejo vestibuloocular (RVO: estabiliza el campo visual haciendo que el ojo se mueva coordinadamente con la cabeza) y el reflejo vestibuloespinal (RVE: interviene en la consecución del equilibrio estático y dinámico, manteniendo la posición erguida). Los reflejos vestibulares son arcos reflejos de tres neuronas. Sus elementos básicos son la célula ciliada, una neurona bipolar aferente con su soma en el ganglio de Scarpa (vestibular primaria), una interneurona con soma en los núcleos vestibulares (vestibular secundaria) y una motoneurona. Además, el aparato vestibular inicia reflejos que modulan el movimiento, previenen oscilaciones y definen una vertical para realinear el cuerpo. Los reflejos laberínticos actúan en consonancia, y en dirección opuesta, a los reflejos del cuello, así ambos efectos se cancelan y la cabeza queda fija sobre el tronco. En cambio, los otolitos se activan por aceleración lineal e inclinación de la cabeza (Cullen, 2012). Cabe destacar que aunque en esta presentación enfatizamos el papel del vestíbulo que es nuestro sistema de trabajo, en los procesos de estabilización de la posición y en la navegación participan importantes regiones del cerebro entre las que destaca el cerebelo y regiones hipocampales y la corteza entorrinal. El sistema vestibular Es la parte más antigua del oído interno. La información vestibular se integra con información propioceptiva y visual de tal forma que la combinación de todas produce la sensación de movimiento. El vestíbulo se compone de un sistema de túbulos especializados que contienen fluido (canales semicirculares), y de gravirreceptores denominados otolitos

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(utrículo y sáculo), los cuales indican la orientación de la cabeza con respecto a la vertical, es decir, responden a fuerzas gravitoinerciales (g – a , gravitación menos aceleración lineal) (Fife, 2010). En el hombre, el sistema vestibular cumple con tres funciones: 1). Es el órgano del equilibrio, responsable de aportar la sensación subjetiva de movimiento y orientación en el espacio. 2). Ajusta la actividad muscular y la posición del cuerpo para prevenir caídas, aportando entradas vestibulares al sistema de control de la postura. 3). Influye en los movimientos oculares para estabilizar los ojos en el espacio durante movimientos de la cabeza. 4) Contribuye a generar un marco de referencia que permite al sujeto definir su posición en el espacio y las características de sus desplazamientos. Los tres canales semicirculares ubicados en cada oído interno responden principalmente a la aceleración angular. La actividad de las neuronas que los inervan indica un cambio en la velocidad angular de la cabeza. En cambio, los organos otoliticos, también ubicados en el oído responden a la aceleración lineal. La actividad neuronal producida por todos estos organelos que forman el sistema vestibular se combina con la visual, exteroceptiva, interoceptiva y, ocasionalmente, con las auditivas en un sistema del cual se derivan la orientación espacial, y el mantenimiento del equilibrio. La pérdida de la función vestibular provoca inestabilidad en la mirada y pérdida de balance en la postura (Hegeman, 2005). Si un componente del sistema vestibular es excesivamente activo o anormalmente silente, el cerebro recibe información inadecuada sobre la aceleración y, en consecuencia, los reflejos provocados por aferencias vestibulares se ven afectados (Angelaki,1999). En el humano, los tres canales semicirculares están dispuestos casi ortogonales entre ellos. El arreglo ortogonal determina que generen una señal neuronal indicando la rotación de la cabeza en cualquier dirección, esto provoca la respuesta compensatoria de movimiento de los ojos y del cuerpo (Krizkova, 1996). En los organos otolíticos -utrículo y sáculo- existe una masa gelatinosa que es más densa que el fluido circundante. Esto lo hace capaz de desplazarse en respuesta a una fuerza gravitoinercial provocada por aceleración lineal (Fife, 2010). La generación de la entrada vestibular ocurre con la inclinación del haz de cilios de las células ciliadas que son las células sensoriales. Estas células hacen sinapsis con fibras nerviosas localizadas en su base (aferentes primarias). Los desplazamientos de los cilios cambian la polaridad eléctrica de la membrana de las células ciliadas, activando diversos canales iónicos sensibles a voltaje, que finalmente determinan la forma del potencial de receptor en la célula ciliada y la activación de una corriente de calcio entrante (Almanza y cols., 2003 y 2007) que finalmente da origen a la liberación de neurotransmisor de las células ciliadas y a la activación de las neuronas aferentes vestibulares (Soto y cols, 1998).

Integración entre sensores lineales y angulares La noción de que los canales semicirculares responden únicamente a movimientos angulares y los otolitos a movimientos lineales es, claramente, una simplificación del sistema. Se ha demostrado que existe una influencia de la gravedad en los canales semicirculares directamente, registrando la descarga de los nervios en respuesta a la inclinación angular en el pez cazón (Lowenstein, 1972). Angelaki (1999) realizó combinaciones de movimientos rotacionales con traslaciones en monos rhesus con el fin de explicar el reajuste ocular durante aceleraciones inerciales de traslación. Los resultados demostraron que los canales también aportan información útil para discriminar entre diferentes fuentes de aceleración lineal. De hecho, sus resultados demuestran que se requiere de la integración tanto de información de los otolitos como de los canales para

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diferenciar entre diferentes tipos de movimientos y determinar la posición de la cabeza (Figura 1).

Figura 1. Diagrama esquemático que resume dos procesamientos necesarios para transformar la señal vestibular primaria en parámetros de movimiento inercial. Señales de velocidad angular provenientes de los canales semicirculares (ω) se utilizan para segregar aquellas señales de aceleración lineal provenientes de las aferentes otolíticas primarias (α) y convertirlas en componentes gravitacionales y de traslación (f). Estimados gravitacionales también se utilizan para transformar señales de velocidad angular de la cabeza provenientes de los canales semicirculares (ω) en velocidad inercial (ωs) (Tomado de Angelaki, 1999). Fundamentación Técnica del Proyecto:

Estimulación galvánica vestibular (EGV) Aunque esta herramienta comenzó a ser utilizada hace cerca de 100 años, hasta hace apenas 15 adquirió relevancia en el área de investigación vestibular, ya que permite extraer una respuesta de este sistema sin excitar otras entradas sensoriales y sin interferir necesariamente con la función del cuerpo entero (Day, 1999); es decir, aísla la entrada sensorial, lo cual es imposible si se estimula de manera natural (Cathers y cols., 2005). El método consiste en aplicar una corriente constante de alrededor de 1 mA, a través de dos electrodos de Ag-AgCl, colocados sobre ambas apófisis mastoides (Britton y cols., 2003). El estímulo provoca la inclinación del sujeto hacia el electrodo de mayor potencial, y después de un segundo del inicio del estímulo induce una sensación de aceleración (Hlavacka, 1996). Cuando se aplica una corriente alterna a baja frecuencia, el estímulo tiene influencia en la estabilización de la mirada y el grado de desplazamiento del ojo depende del valor de la corriente aplicada (Hlvacka y cols., 1996). En cambio, cuando se aplica corriente directa, lo que se obtiene es una sensación de desplazamiento con inclinación del cuerpo. La estimulación galvánica modula la descarga tónica de las aferentes, actuando directamente en aquellas que se encuentran cercanas al sitio de disparo post-sináptico. La corriente catódica aumenta la frecuencia de descarga, mientras que la anódica la disminuye (Britton y cols. 2003, Wardman y cols., 2003). Otra posibilidad es que la EGV modula el potencial del epitelio de la crista y la mácula. Esto implica que la estimulación interfiere en el mecanismo de transducción de las células ciliadas. Las aferentes que responden a la EGV son de tipo irregular e inervan a neuronas secundarias con proyección espinal. La EGV catódica o anódica afecta la descarga de las aferentes de los canales semicirculares de la misma manera que lo haría una aceleración angular ipsilateral y contralateral. La respuesta es análoga en monos y en humanos (Fernández y Goldberg, 1976).

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La EGV altera el patrón de descarga de las aferentes de una forma que no tiene equivalente natural ya que aumenta la frecuencia de descarga de las aferentes ipsilaterales al ánodo, sin importar la dirección a la cual son sensibles. También aumenta la frecuencia de descarga de los canales ipsilaterales anterior y posterior, como sucede en un giro de la cabeza (Fitzpatrick y Day, 2004). Respuestas opuestas no tienen equivalente natural y deben cancelarse al ser de igual magnitud y dirección contraria. Como resultado, la EGV provoca patrones de descarga que corresponden a viraje y giro simultáneamente, con referencia al plano del aparato vestibular. En un estudio con EGV y electromiografía en el sóleo y el tríceps braquial, Britton y cols. (1993) observaron dos respuestas: una de latencia corta (60-70 ms) y otra de latencia media (120 ms). Ellos proponen los tractos vestíbuloespinales y retículoespinales, respectivamente, como posibles candidatos para producir ambas respuestas. Ya que las señales de los canales (respuesta corta) y las señales otolíticas (respuesta mediana) tienen implicaciones diferentes en el movimiento del cuerpo y poseen distintas funciones, lo que muy probablemente se relaciona con que son procesadas y transmitidas por distintas vías. Los cambios en la musculatura del cuello, cabeza y tronco sugieren el paso de la actividad en respuesta al estímulo galvánico a través del tracto medial vestíbuloespinal, el cual proyecta predominantemente a los segmentos lumbosacros. Esto concuerda con Balter y cols. (2004), quienes aplicaron la EGV durante la marcha y encontraron que la respuesta a la estimulación galvánica comienza en los miembros superiores y finaliza en los inferiores. La polaridad del estímulo determinará la dirección de la respuesta (Fitzpatrick y Day, 2004). La EGV es diferente a una perturbación sorpresiva del equilibrio, como en un empujón, ya que la respuesta es idéntica cuando el estímulo no se espera como cuando se aplica por el mismo sujeto. Esta estimulación es capaz de perturbar un complejo proceso motor que involucra el cambio de posición de todos los segmentos corporales, desde la cabeza hasta los pies (Day, 1999). Cabe destacar que si bien se ha estudiado la EGV en diversos trabajos, no existen estudios multifactoriales y adecuadamente parametrizados que permitan determinar su potencialidad para activar de manera selectiva uno u otro canal semicircular o las aferente provenientes de sáculo y utrículo. Justamente en este proyecto pretendemos definir de forma paramétrica la influencia de la EGV en la posición del centro de masa, dirección de la cabeza, movimiento de los ojos y respuestas reflejas espinales, para definir las características de la EGV que activan cada uno de los elementos del vestíbulo. Modalidades de estimulación galvánica vestibular El grupo de Fitzpatrick y Day describen tres modalidades para la estimulación galvánica de acuerdo a su modelo: 1) EGV Bipolar - La señal de los canales semicirculares durante este tipo de estimulación, indican un giro de gran magnitud, y viraje de menor magnitud, hacia el lado del cátodo. Por lo tanto, se producirá una inclinación hacia el ánodo. 2) EGV Unilateral – Provoca una inclinación que tiene una trayectoria oblicua al eje interaural. La respuesta observada es hacia el ánodo o lejos del cátodo. El componente sagital del desplazamiento es hacia el frente cuando se aplica corriente catódica, y hacia atrás cuando la corriente es anódica. 3) EGV Bilateral unipolar – Los sujetos se inclinan hacia el frente con EGV catódica a ambos lados, y hacia atrás con EGV anódica en ambos lados.

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Nuestro grupo de investigación ha desarrollado una propuesta de auxiliar vestibular (prótesis) que se basa en el uso de la EGV. En dicha propuesta se utiliza un sistema de microgiróscopos y microacelerómetros para sensar los desplazamientos de la cabeza, procesar la salida de dichos sensores a través de un modelo de la función vestibular (Aleksandrov y cols, 2014; Sadovnichi y cols, 2012 y 2013) y finalmente inyectar una corriente eléctrica en las regiones periauriculares, corriente que está determinada en sus características por la salida del modelo matemático y que deberá inducir la sensación de inclinación o de translación en los sujeto y producir reflejos vestíbulo-oculares, vestíbulo-cólicos y vestíbulo-espinales que lleven al sujeto a corregir su posición (Figura 2).

Figura 2. Esquema simplificado de un sistema de prótesis vestibular. Los movimientos de la cabeza del sujeto son medidos por el sistema de microgiróscopos y microacelerómetros, y la salida de estos sensores es procesada por el modelo computacional cuya salida es acondicionada y determina el patrón de corriente a aplicar en los electrodos. Un elemento clave de este sistema es la EGV ya que en ello reside la operatividad del sistema y el conjunto de electrodos con los que se realiza la EGV es en última instancia la interfaz entre el sistema y el sujeto. Para ello hemos propuesto el desarrollo de una diadema con un conjunto de electrodos que se colocará en la cabeza del individuo y que permite entonces aplicar pulsos de corriente DC a la región periauricular y corregir la posición en función de la salida del sistema protésico (Figura 3).

Figura 3. Diadema de estimulación. Este es el elemento que permite realizar la interfaz entre el dispositivo electrónico de detección y procesamiento con el sujeto. En los sistemas protésicos este es usualmente el elemento más complejo ya que tiene que tratarse de un sistema biocompatible y que sea adecuado para su uso en forma continua por un sujeto que, en la fase médica del sistema, será muy probablemente un sujeto enfermo. Por ello su diseño y características son críticas para el éxito del sistema propuesto.

Objetivo:

Dadas las características de la respuesta de los seres humanos a la estimulación eléctrica superficial conocida como “Estimulación Galvánica Vestibular”, es factible incorporar este estímulo en un auxiliar vestibular, el cual sentará las bases para el desarrollo de un auxiliar vestibular implantable. En particular con esta propuesta pretendemos determinar las

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diferentes modalidades del procedimiento conocido como Estimulación Galvánica Vestibular (EGV) con el fin de ser utilizada en un auxiliar vestibular. El sistema de estimulación será útil además en sujetos normales para producir sensaciones de movimiento (realidad virtual) que permitirán usarlo en el desarrollo de sistemas de simulación de vuelo y entrenamiento de pilotos. Objetivos específicos:

Desarrollo de un sistema especializado de EGV. Prueba y análisis comparativo de diferentes sistemas de EGV, incluyendo el desarrollado por nosotros y uno que es el de mayor uso en la comunidad médica para estimulación eléctrica transcraneana (el aparato de la marca Soterix). Determinar la influencia del nivel de intensidad y duración de la estimulación galvánica en la región periauricular sobre la postura, dirección de los ojos y posición de la cabeza del sujeto. Determinar el efecto de diferentes posiciones de los electrodos en la postura, dirección de los ojos y posición de la cabeza del sujeto. Determinar las condiciones idóneas de amplitud, duración y localización del estímulo para generar señales que simulen la entrada vestibular normal y permitan generar respuestas reflejas adecuadas para el control de la postura y estabilización de la mirada. Generar algoritmos de estimulación adecuados para producir la sensación de movimiento y controlar la posición de un sujeto. Proponer un mecanismo que explique el efecto de la estimulación galvánica en las aferentes vestibulares. Estudiar el papel del ruido (resonancia estocástica) en las respuestas a la EGV en sujetos. Diseñar y construir una diadema de EGV que será la interfaz entre el sujeto y el sistema de auxiliar vestibular (prótesis) que hemos propuesto y desarrollado y que recibió ya el registro como patente en los Estados Unidos. US 13/619,105. Los autores de la misma son: Soto E, Vega R, Alexandrov V, Alexandrova T, Gerrero W, Reyes M y Pliego A. Metodología:

Se realizarán experimentos de estimulación eléctrica en las regiones periauriculares en sujetos voluntarios y también se registrará la actividad de las neuronas aferentes en la preparación del vestíbulo aislado de la rata y se estudiará el efecto de estimulación eléctrica de campo sobre la descarga de dichas neuronas. Adicionalmente se realizarán experimentos en el Instituto Nacional de Óptica Astrofísica y Electrónica (INAOE) usando la plataforma de Stewart que ellos han desarrollado para simulación de vuelo. En estos experimentos se determinará si la EGV permite simular de forma adecuada la sensación producida por el movimiento de la plataforma en pilotos (para ello se cuenta con convenio marco INAOE-BUAP y convenio específico de trabajo). Todos los sujetos participantes llenarán una hoja de consentimiento informado y se realizará una historia clínica general y examen médico básico, de acuerdo a estándares éticos internacionales. A pesar de que se ha demostrado ampliamente que la EGV es inocua y las

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corrientes que utilizamos son minúsculas, por razones éticas y de orden académico y por respeto a la ética que guía las actividades académicas se observa este aspecto de manera rigurosa, ya que se trata de registros que se realizan usualmente en estudiantes de la propia universidad y militares en el caso de los experimentos de simulador de vuelo. Se usarán criterios de selección sobre los sujetos experimentales excluyendo a todos los que tengan patología cardiovascular preexistente y a todos los sujetos con antecedentes que sugieran la preexistencia de algún tipo de alteración auditiva o vestibular. En esta fase del estudio, entonces, trabajaremos exclusivamente con adultos jóvenes sanos. Cabe destacar que dos de los participantes en el proyecto somos médicos y seremos los responsables de que se preste la atención adecuada y el respeto a la salud de los sujetos voluntarios. Por otra parte este protocolo es conocido del Consejo Académico del Instituto de Fisiología en el cual se ha ya desarrollado una tesis de maestría usando la EGV (Pliego, 2013) que es la base del presente proyecto y ha sido aprobado para su desarrollo en nuestras instalaciones. Estimulación Galvánica Vestibular Se utilizarán dos pares de electrodos de plata de 1.5 y 2 cm de diámetro, y ocho electrodos de cobre de 1.8 cm de diámetros. La corriente eléctrica se aplicará por inyección de corriente constante mediante un estimulador de pulsos cuadrados basado en baterías lo que da seguridad a los sujetos experimentales Se utilizará gel conductor Electrogel en la interfase electrodo-piel. Los electrodos se fijan a la superficie de la apófisis del hueso temporal (apófisis mastoides), con la ayuda de una banda de 1 cm de ancho. Finalmente hemos desarrollado un sistema de EGV, cuyo diseño, construcción y patente forma parte de esta propuesta. A continuación presentamos una descripción detallada: Construcción del auxiliar vestibular La construcción del auxiliar vestibular estuvo compuesto por varias secciones, de desarrollo, entre ellas se encuentra la parte electrónica y la parte de programación. En la parte electrónica se diseñó un estimulador galvánico de CD y CA, para enviar pulsos de corriente eléctrica al órgano vestibular del paciente. En la parte de programación se ha diseñando una adquisición y control de los datos suministrados por el giroscopio 3DM-GX3. De los datos obtenidos por el giroscopio se mandara una señal hacia la tarjeta de adquisición Arduino para variar la corriente del estimulador galvánico. Electrónica Estimulador galvánico vestibular DC. Para realizar las pruebas fue necesario construir un Estimulador galvánico, el cual consistió en la conversión de una señal de voltaje a corriente con niveles no superiores a los 15mA (Figura 4).

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Figura 4. Implementación de estimulador galvánico El sistema está diseñado de forma que cuando se active el relé la señal de polarización de los electrodos sea negativa y si se encuentra desactivado se polarice positivamente. La señal de salida será enviada directamente hacia el paciente y la magnitud de esta estará fijada por la ecuación 1.1 Polarización positiva

Polarización negativa

𝐼 =5𝑣

𝑅𝑣 𝐼 = −

5𝑣

𝑅𝑣

(1.1)

Donde Rv es la posición del potenciómetro de 1kΩ, la corriente final está en el rango de 0-50mA, pero debido a la impedancia de cada paciente este puede variar en un rango de 10± mA. Estimulador galvánico vestibular AC-arbitrario Anteriormente se mencionaron los diferentes tipos de estimulación galvánica, para comprobar el efecto que puede causar una señal de corriente senoidal al sujeto, se utilizó un generador de señales (XR2206) el cual después se convirtió en corriente. La señal que obtuvimos tenía una frecuencia variable de 1Hz - 15Hz y una amplitud de 3Vpp-7Vpp. Cabe destacar que la frecuencia fue pequeña para que así no sufriera ningún daño el sujeto experimental. Una vez que se construyó el estimulador galvánico CA y CD, se integraron de forma que pudiese funcionar solo con pilas de 9 v. Divisor de tensión Cabe señalar que para el funcionamiento de todos los circuitos anteriores se debió implementar un divisor de tensión para que se pudiera suministrar las tensiones negativas y poder polarizar los amplificadores operacionales de manera correcta. Comparación con un sistema comercial Soterix Adicionalmente se planea comparar los efectos del sistema de estimulación diseñado en el laboratorio con los obtenidos por la estimulación usando un sistema comercial que es el más comúnmente utilizado para estimulación eléctrica transcraneal en los Estados Unidos. El sistema Soterix, del cual con el financiamiento del proyecto DITCO del 2015 pudimos adquirir este sistema y podremos así valorar, desde el punto de vista exclusivamente del efecto global del estímulo eléctrico, nuestro sistema con el comercial.

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Adquisición de datos La adquisición de datos de la posición del sujeto se realizó con ayuda del giroscopio 3DM-GX3. Se utilizó el software de Labview para la visualización y el control de estos datos. Se está utilizando el sistema de control difuso para los registros de datos obtenidos del giroscopio 3DM-GX3. El control difuso está compuesta por 3 variables de entrada (Posición en x, Posición en y, Posición en z) y 1 salida (estimulación galvánica) con sus respectivas funciones de membrecía las cuales generan 124 reglas de partencia. Electrodos Se ha construido un arreglo de electrodos que permite la activación de éstos sobre diferentes regiones del hueso temporal en la región periauricular. Para colocarlos se tomó como referencia la apófisis mastoides de los sujetos, donde se posicionó el electrodo No.4. Formando una circunferencia alrededor del pabellón auricular y tomando como guía los cojinetes de los audífonos se colocaron los electrodos No. 3, 2 y 1 a una distancia de 1 cm entre ellos (Figura 5). Figura 5. Esquema de la posición de los electrodos para la EGV en las direcciones anterior-posterior de los canales semicirculares en la región periauricular. Los electrodos se activan en pares sobre las regiones marcadas alrededor del pabellón auricular. Por palpación sobre los huesos temporales en la región cercana al lóbulo auricular, se encuentra la apófisis mastoides. Sobre esta superficie se colocan un par de electrodos de estimulación. Se deja pasar un pulso de corriente directa de 0.5-3.8 mA buscando la intensidad de corriente a la cual el sujeto experimenta una sensación de movimiento. A esta intensidad de corriente los sujetos no experimentan dolor y es la que definimos como umbral para cada sujeto para iniciar las pruebas. En lo general se probarán inicialmente para encontrar el umbral del sujeto estímulos eléctricos de 5 segundos con una corriente de 0.5-3.5 mA en sujetos parados en una superficie firme y con los ojos cerrados. Estabilometría Mantener estable la posición erguida es resultado de la integridad de los sistemas visual, vestibular y propioceptivo. La cuantificación de la estabilidad al adoptar una postura se conoce como estabilometría. Es una herramienta que ha sido ampliamente utilizada para evaluar el efecto de drogas (benzodiazepinas) y alcohol en dosis moderadas en relación al vaivén corporal. Consiste en transformar las oscilaciones mecánicas del “centro de gravitación fisiológica” en señales eléctricas (Cornilleau-Pérès, 2005). Para el registro el sujeto permanece de pie en la plataforma de manera natural por 30 segundos con los ojos cerrados y se le solicita que los reabra después por 30 segundos. La prueba completa dura alrededor de 2 minutos y el sujeto no experimenta incomodidad. Al

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final de la prueba, el operador obtiene tres trazos: dos estabilogramas y dos estatiquinesigramas (Terekhov, 1976). En el estabilograma se analizan los siguientes parámetros tanto para el plano sagital como el frontal: a) Camino recorrido; b) Desplazamiento en X; c) Despazamiento en Y; d) Suma vectorial; e) Dos coeficientes que reflejan el grado de influencia visual en la estabilidad de la postura erguida, el coeficiente A (CA), o coeficiente de Romberg, obtenido al dividir la amplitud promedio con los ojos abiertos al inicio de la prueba entre la amplitud promedio con los ojos cerrados, y el coeficiente B (CB), o efecto posterior, que se obtiene dividiendo la amplitud promedio con los ojos abiertos de la fase final de la prueba entre la amplitud promedio del inicio de la prueba. En nuestro laboratorio hemos desarrollado un sistema de estabilometría que ha sido objeto de una tesis de licenciatura y una patente (actualmente patente en trámite en los EUA) y que será el sistema utilizado para los registros en este proyecto (Salinas, 2011). Nistagmografía La videonistagmografía permite estudiar el movimiento reflejo de los ojos que se produce cuando se mueve la cabeza o cuando se estimula el vestíbulo. Este movimiento se conoce como reflejo vestíbuloocular (RVO) y es fundamental para la estabilización de la mirada durante los movimientos de la cabeza. Su estudio provee información directa acerca de la función vestibular. En nuestro caso pretendemos estudiar la influencia de la EGV sobre los movimientos oculares y sobre la ganancia del RVO (Figura 6).

Figura 6. Sistema de videoculonistagografia de Micromedical Technologies. El sistema consta de dos cámaras de video que graban la posición de las pupilas en tiempo real y la convierten en desplazamientos del ojo. El sistema puede funcionar en oscuridad absoluta ya que se trata de cámaras de infrarojo. Este sistema nos permitirá estudiar de forma correlativa las respuestas de movimiento de la cabeza mediante el sistema de giroscopos y acelerometros, al mismo tiempo que registramos los movimientos oculares, desplazamientos del cuerpo en la plataforma de posturografía y reflejos vestibulocolicos en el potencial miogénico. Mediciones directas del movimiento y posición de la cabeza mediante un sistema de microgiróscopos y microacelerómetros.

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En nuestro laboratorio con fondos del PIFI-2012 adquirimos un sensor inercial ultrasensible: 3DMX3-25 con el software MIP Monitor todo ello de la compañía Micro Strain. Este sensor consiste de 3 microgiróscopos y 3 microacelerómetros (en los tres planos del espacio), sensor de temperatura y magnetómetro. Todo el sistema está encapsulado en un elemento sólido miniaturizado y que incluye una unidad de procesamiento y comunicación vía USB a la computadora. Hemos montado este sistema en un casco, de forma que en la actualidad podemos realizar mediciones muy precisa de los movimientos de la cabeza en sujetos experimentales (Figura 7). El sistema nos permite medir la aceleración, velocidad angular, dirección vectorial, orientación (cabeceo y balanceo). Todas estas mediciones están compensadas por la temperatura. Este sistema fue originalmente diseñado para aplicaciones aeronáuticas y su aplicación principal es en el diseño en robótica y particularmente en el desarrollo de drones.

Figura 7. Esquema del uso de los sensores y su aplicación en un sistema de corrección de la posición mediante EGV. A la derecha, casco con montaje de sensores para registro de las características de movimiento de la cabeza.

Registro de los potenciales miogénicos producidos por estimulación vestibular. Se ha demostrado que por la vía de las conexiones que median los reflejos vestíbuloespinales que son fundamentales para mantener la postura erguida, la estimulación vestibular de cualquier tipo produce una activación refleja de los músculos del cuello. Particularmente esta respuesta se puede registrar mediante electrodos aplicados al músculo esternocleidomastoideo. El estudio de estas respuestas, que se han denominado en inglés como Vestibular Evoked Myogenic Potentials (VEMP), permite obtener información directa de la operación de los mecanismos reflejos relacionados con las respuestas vestibulares que son esenciales para la navegación. Los VEMPs en clínica se desarrollaron para estudiar esencialmente respuestas saculares y se producen ante un estímulo auditivo de alta intensidad. En nuestro caso la idea es estudiar los VEMP para determinar si la EGV alcanza a activar aferentes saculares de forma similar a lo que sucede con estímulos acústicos que aunque el sáculo no es un órgano típicamente auditivo lo alcanzan a activar (Honaker y Sami, 2007). En nuestro laboratorio hemos desarrollado la metodología para el registro de dichas respuestas. Esencialmente se utilizan electrodos de superficie de plata que se colocan en la superficie del músculo esternocleidomastoideo (en el cuello) y se realiza un registro de AC con alta ganancia a fin de registrar en la superficie la actividad eléctrica relacionada con la activación muscular refleja. Su estudio nos permitirá obtener información adicional acerca de las influencias de la EGV sobre los mecanismos que controlan la postura y el movimiento del sujeto. Típicamente en los VEMP producidos por estímulos auditivos fuertes se registran un conjunto de ondas que se han denominado P13-n23, n34 y p44 por sus polaridades y latencias típicas. Las dos primeras son las más estables de todas las ondas. El potencial del VEMP tiene una latencia de alrededor de 8 ms, pero el primer pico claro es un pico positivo a los 13 ms y una negativo a los 23 ms (Honaker y Sami, 2007).

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Diseño de experimentos en simulador de vuelo Para estos experimentos se cuenta con el simulador de vuelo que el INAOE desarrollo para la marina mexicana y que actualmente se encuentra en fase de pruebas en el INAOE. Dicho simulador tiene una cabina y programas de vuelo simulados por una plataforma de Stewart (Figura 8).

Figura 8. Esquema que muestra una plataforma de Stewart con seis grados de libertad. Este sistema permite una buena simulación de aceleraciones lineales y algunas rotaciones, pero no permite simular por ejemplo el caso de un aeroplano que fallo el aterrizaje y tiene que abortar y retornar a la pista de vuelo haciendo un vuelo que se conoce como viraje coordinado.

Hemos planeando realizar un ejercicio de vuelo, conocido como viraje coordinado. Esta situación de vuelo requerida, consta de giros coordinados realizados por una aeronave de transporte que ha realizado con fracaso su primer intento de aterrizaje en pista. Los virajes suelen ser de entre 30 a 90 grados, dependiendo de las habilidades del piloto y lo que indique la torre de control del aeropuerto. Cuando un primer intento es fallido, el piloto debe acelerar su aeronave para elevarla a una altitud requerida para intentar aterrizar de nuevo, y es necesario que realice las maniobras correspondientes, en este caso, realizar al menos 4 giros para colocarse en posición de aterrizaje en un segundo intento, y acertarlo. Como complemento de este ejercicio, se requiere realizar un experimento dentro del Simulador de Vuelo, exclusivamente en la cabina. En ella, se solicita la presencia de una persona en la posición del copiloto, para hacer mediciones sobre su respuesta hacia la dinámica de vuelo que está presenciando a través del espejo ubicado fuera de la cabina de la aeronave, dentro del Simulador de vuelo. Esta persona, no realizará el pilotaje de la aeronave, solo es un espectador y servirá como sujeto del experimento. No es necesario tener movimientos mecánicos de la cabina, solamente se requiere, en esta primera etapa de pruebas, que esté en funcionamiento el espejo donde se refleja la dinámica de vuelo (pista, aeropuerto, nubes, terreno, etc.), la persona en el lugar del copiloto no tocará los mandos de vuelo ni controles del tablero de instrumentos de la cabina. Este experimento constará de mediciones fisiológicas, a través del uso de instrumentos especializados, realizados por el personal calificado por parte del Instituto de Fisiología de la BUAP. a) Se instalara un sistema de micro cámaras que detectan los movimientos de los ojos. Se estudiará el movimiento de los ojos cuando el simulador realiza una simulación dinámica de vuelo. Se instalarán electrodos de estimulación eléctrica en el sujeto experimental y se estudiara si podemos generar movimientos de los ojos similares a los obtenidos con la simulación dinámica mediante la sola estimulación eléctrica en las regiones perivestibulares del cráneo (Estimulación Galvánica Vestibular - EGV). El resultado esperado de este experimento, que parten del registro de movimiento oculares en dos condiciones a través de la estimulación eléctrica, se plasmará en cuatro gráficas de movimiento de los ojos versus tiempo que en principio permitirán hacer un análisis comparativo -de tipo cualitativo- entre los movimientos de los ojos producidos por la simulación dinámica y el movimiento de los ojos producido por la EGV.

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Posteriormente y con base en este experimento se rediseñara y ajustarán parámetros para colectar datos de varios sujetos. Al menos diez para poder hacer un análisis de tipo cuantitativo y estimación de la media y la variabilidad entre sujetos. Análisis estadístico Se realizarán pruebas t de Student pareadas para comparaciones entre etapas del registro (pre-estimulación, estimulación y post-estimulación), y pruebas t de Student para comparación entre grupos. Cuando la serie de valores no pasa la prueba de normalidad se usará la prueba no paramétrica de Wilcoxon con un nivel de confianza del 95%. Adicionalmente se realizarán pruebas ANOVA de una vía entre grupos de diferentes condiciones experimentales. El procesamiento de los registros (obtención de medias, desviación estándar, trazado de elipses, autocorrelación y espectros de Fourier) se realizarán con programas de cálculo realizados en el software MATLAB© R2009a, los cuales fueron desarrollados por Pliego y cols., 2013. Para los experimentos se usará un diseño experimental cruzado con mediciones independientes (Tabla 1). Tabla 1. Diseño experimental

Amplitud µA

Duración 1-5 s

Frecuencia 0.5-10 Hz

1 2 3 4 5 6

Camino recorrido en cm

Dx en cm

Dy en cm

Vector direccional

Desplazamiento ojos en mm

Vector direccional

Nistagmo en mm

Nistagmo Frecuencia en Hz

Desplazamiento cabeza en mm

Dx en mm

Dy en mm

Dz en mm

Vector direccional

Latencia VEMP

Tabla 1. Diseño experimental. En X se muestran las variables independientes que se relacionan con la EGV (amplitud, duración, frecuencia de pulsos, posición del electrodo 1..6). En Y los parámetros experimentales que se registrarán en respuesta a la EGV. Los 4 primeros corresponden a posturografía, los 4 siguientes a nistagmoculografía, los 5 siguientes a movimiento de la cabeza, y los siguientes a VEMP. Para todos los parámetros se muestran las unidades de medida.

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Desglose de presupuesto:

Descripción Cantidad

Becas dos estudiantes de licenciatura 36,000 pesos

Impresora 3D 35,000 pesos

Gastos de operación 45,000 pesos

Gorro multielectrodos para estimulación y registro

20,000 pesos

Amplificador AC 14,000 pesos

Total: 150,000 pesos

Becas = 18,000 (un estudiante 6 meses a 3,000 al mes). Para apoyar a dos de los estudiantes de licenciatura que participan en el proyecto. Impresora 3D = 35,000 pesos Este instrumento permitirá desarrollar y probar diseños de la diadema de estimulación galvanica vestibular, con la ventaja de que nos permitirá ir ajustando modelos y detalles y construir las diademas con base en las características específicas de la morfología de la cabeza de sujetos que pudieran iniciar pruebas crónicas de uso del dispositivo. Gastos de operación = 45,000 Se usarán para gastos diversos sobre todo relacionados con la adquisición de materiales para la construcción de la diadema de electrodos, electrodos de plata, gastos varios en materiales de uso diario. Gorro multielectrodos = 20,000 Este tipo de gorros con multielectrodos permiten registrar y estimular en diferentes regiones de todo el cráneo. Ello permitirá hacer estimulación control de regiones silenciosas y eventualmente además considerar la utilización del sistema Neuroscan ya existente en el instituto para explorar efectos residuales de la estimulación en el EEG. Amplificador AC = 14,000 Se utilizará para los registros de los potenciales miogénicos vestibulares. Si bien tenemos en el Instituto amplificadores el uso compartido en el proyecto que implica consensar el tiempo de voluntarios requiere un amplificador completamente dedicado a los registros en este proyecto. Bibliografía:

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METAS COMPROMISO A LA CONCLUSIÓN DEL PROYECTO

Los compromisos del presente proyecto son: Avance del trabajo de Tesis de Maestría del estudiante Octavio González Petlacalco. Tesis de Licenciatura de la Escuela de Electrónica del estudiante Ángel Hernández. Tesis de licenciatura de la estudiante de biología María Claudia Jiménez Gómez. Avance del proyecto de trabajo de la estudiante de Biomedicina Elisa Rivera Illades Desarrollo de tablas de parámetros de la estimulación Galvánica Vestibular que permitan obtener diferentes respuestas conductuales del sujeto. Diadema de estimulación galvánica vestibular aplicable en un dispositivo auxiliar (prótesis) vestibular. Definir la factibilidad del uso de la EGV para el desarrollo en sistemas simuladores de vuelo. En caso de que la respuesta al anterior sea afirmativa. Propuesta de una patente internacional. Sistema electrónico programable de EGV y propuesta de patente para este sistema. Avance en la integración del producto final "Prótesis Vestibular" del cual tenemos ya una patente americana.

INFORMACIÓN DE POTENCIAL COMERCIAL

VENTAJAS POTENCIALES

La principal ventaja del dispositivo que estamos proponiendo es que no requiere de ninguna intervención quirúrgica para su uso.

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Los usuarios pueden ajustar la ganancia y condiciones de operación del sistema de acuerdo a la situación en que se encuentren. Puede utilizarse en sujetos normales sin ninguna patología para producir simulación de movimiento, lo que lo haría especialmente útil en el entrenamiento de pilotos y en sujetos ancianos o con alteraciones vestibulares.

EN SU CASO, DISTINCIÓN CON OTROS DESARROLLOS TECNOLÓGICOS YA COMERCIALIZADOS

Simuladores de vuelo En este sentido nuestro proyecto es absolutamente original y no existe ningún antecedente del uso de realidad virtual de movimiento por medio de estimulación eléctrica de tipo EGV. Esta parte del proyecto tiene además la enorme ventaja de que el producto final si bien se relaciona directamente con nuestra patente de prótesis y con la patente de dispositivo auxiliar (una patente en EU y una en Rusia), no es de tipo médico, por lo que sus posibilidades reales de comercialización no están sujetas a la enormidad de pruebas y costos requeridos para dispositivos de tipo médico Prótesis Vestibulares Conceptualmente, las prótesis vestibulares son simples y consisten de 4 elementos principales: una fuente de poder, sensores de movimiento, un procesador de señales y estimuladores. El sistema vestibular detecta 6 grados de libertad en el espacio, 3 rotacionales y 3 asociados a la fuerza gravitacional e inercial. Por lo tanto, podríamos considerar 6 canales de información (Gong, 2002). Las prótesis vestibulares pueden dividirse en dos grandes categorías: 1) Dispositivos diseñados para reforzar la actividad de las células ciliadas a través de liberación de fármacos, terapia génica o regulación endolinfática. Se trata de un microcatéter que libera fármacos y fluido a través de la ventana redonda. El objetivo es regular el volumen de los fluidos así como la química del oído interno (Merfeld, 2004) 2) Dispositivos diseñados para compensar el funcionamiento deficiente de los órganos vestibulares, a partir de la detección del movimiento de la cabeza o del centro de masa corporal, y transportando la información al sistema nervioso central. Dentro de esta clase podemos encontrar variantes:

METAS COMPROMISO DE TIPO DE DESARROLLO

( X ) Proceso o metodología

( X ) Equipo o dispositivo ( ) Otro (especificar)

INDIQUE EL GRADO A ACANZAR DEL ENTREGABLE AL FINALIZAR

( X ) Metodología ( X ) Diseño ( X ) Prototipo de laboratorio

( ) Diseño industrial o para escalamiento

( X ) Modelo escala real ( ) Otro ______________

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Prótesis eléctrica: La estimulación es una corriente eléctrica de baja frecuencia <50 Hz a través de electrodos colocados sobre los canales semicirculares. Se piensa que esta estimulación interviene en la liberación de neurotransmisor de las células ciliadas. Las prótesis actuales prefieren la estimulación pulsátil a la sinusoidal ya que la estimulación se vuelve más focalizada y es posible aumentar la frecuencia de estimulación, sin poner en riesgo al sujeto de experimentación (Merfeld, 2004). Prótesis mecánica vestibular: Se utiliza estimulación micromecánica en un canal semicircular membranoso para imitar su actividad, en respuesta a rotaciones de la cabeza. También es posible excitar los órganos otolíticos para provocar una respuesta gravito-inercial. Los estimuladores se acoplan a sensores de movimiento y controladores, los cuales trabajan como auxiliares de la función vestibular. Los sensores detectan el movimiento y arrojan una amplificación del estímulo mecánico, de manera individual, a los canales semicirculares y a los órganos otolíticos (Cullen, 2012). Prótesis de sustitución sensorial: Un grupo de investigadores le ha apostado a reemplazar la información vestibular por información táctil en el torso del paciente (Nagel, 2005) o sobre la lengua (Bach-y-Rita, 2005; Vuillerme, 2008). Los sensores son acelerómetros y giroscopios. Las señales de los sensores son procesadas para estimar el grado de inclinación. La inclinación cambia el patrón de vibración, sobre la superficie corporal correspondiente, en la parte anterior (inclinación hacia adelante) o posterior (inclinación hacia atrás) del sujeto. Aunque se han obtenido buenos resultados con estos dispositivos, es poco probable que suplanten completamente la respuesta vestibular como el movimiento ocular y la sensación de rotación. Una prótesis que sustituya de manera íntegra la función vestibular debe tomar en cuenta la sensibilidad de las aferentes primarias y su respuesta a los cambios de posición de la cabeza, ya que lo que se busca es mimetizar la respuesta neurológica que se presenta durante el desplazamiento fisiológico angular, en cada aferente. Para lograrlo, el estimulador tendría que variar la frecuencia de descarga en grupos de neuronas aferentes de forma específica. Se piensa que, en caso de existir pequeñas ambigüedades entre las aferentes estimuladas, el sistema nervioso realizaría una compensación, después de un periodo de adaptación, convirtiéndola en una neuroprótesis completamente funcional (Hayden, 2011). Un prototipo de esta naturaleza lo han realizado Dai y cols. (2011), del grupo de Della Santina del Instituto John Hopkins. Ellos desarrollaron un prototipo de prótesis con tres giroscopios orientados de acuerdo a cada uno de los canales semicirculares. Dentro de los canales semicirculares del modelo animal se implantaron electrodos de estimulación que respondían a la actividad de los giroscopios. Evaluaron la recuperación de la función del RVO en chinchillas con destrucción vestibular con gentamicina. Luego de una semana de utilizar la prótesis, los animales mostraron alineación del reflejo vestíbuloocular, adaptación y ganancia cercana a la normal. Valentin (2012) del grupo de Della Santina presentó una adaptación del implante coclear estándar, para utilizarse como prótesis vestibular multicanal, con una adaptación de 3 giroscopios alineados con el laberinto de los canales semicirculares para detectar la rotación de la cabeza en 3 dimensiones, un procesador que genere pulsos de frecuencia bifásicos y electrodos insertados en los nervios ampulares correspondientes. El dispositivo resultante fue probado en monos rhesus, lesionados con gentamicina. Proponen que es necesario realizar pruebas con el fin de determinar la posición, tamaño y orientación del electrodo, así como el uso de la configuración multipolar del electrodo

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(monopolar, dipolo axial, dipolo paralelo o dipolo perpendicular.), elección de la forma de onda y amplitud. Utilizan arreglos de electrodos encapsulados para mejorar el acople con las ramas nerviosas. El prototipo desarrollado por Merfeld y Rabitt (Merfeld, 2004) consiste en la inserción de electrodos cerca de las ramas nerviosas que inervan los canales semicirculares. Ellos aplican pulsos de corriente bifásica. El patrón de estimulación se forma a partir de dos componentes: 1- Un generador constante de pulsos cuando no hay estímulo rotacional. 2- La modulación de la frecuencia del pulso, aumentando o disminuyendo, en respuesta a los cambios en la velocidad angular. Finalmente, el trabajo que describe el prototipo desarrollado por Liu y Shkel (2003) presenta la arquitectura funcional, diseño y evaluación preliminar experimental de una prótesis vestibular unilateral. El dispositivo que detecta el movimiento angular de la cabeza es un giroscopio electrónico, el cual genera un voltaje proporcional a la aceleración angular correspondiente. El voltaje se envía a una unidad generadora de pulsos donde el movimiento angular se traduce en pulsos de voltaje. Los pulsos de voltaje monofásico se convierten en pulsos de corriente bifásica. Éstos últimos se acondicionan para estimular la rama nerviosa correspondiente (Shkel, 2006). La diferencia fundamental de todas las anteriores con nuestra propuesta radica en que en ellas no se ha tomado en cuenta el procesamiento que realiza el sistema vestibular de la entrada que recibe en forma de aceleraciones lineales y angulares. Así, los autores antes mencionados no han desarrollado funciones de transferencia que conviertan la salida de sus sensores en estímulos adecuados para el Sistema Nervioso. En nuestro caso hemos desarrollado un modelo matemático completo de la función del vestíbulo (Vega y cols., 2008; Aleksandrov y cols., 2014; Sadovnichii y cols., 2012 y 2013), lo que pensamos da una mucho mayor posibilidad de éxito para nuestra propuesta que la desarrollada por otros autores. Otra diferencia muy importante es la que se relaciona directamente con este proyecto, y es que nosotros estamos proponiendo utilizar EGV en la región periauricular sin implantar electrodos intracerebralmente. Pensamos que esto es fundamental, pues seguramente no puede usarse un dispositivo que implique una cirugía para implantar electrodos en ancianos o en pilotos, y en cambio sí es altamente factible en ambos casos usar un dispositivo en forma de diadema que proporcione al usuario información acerca de los desplazamientos de la cabeza.

NECESIDADES DEL MERCADO QUE CUBRE LA TECNOLOGÍA

Las perspectivas comerciales son muy amplias. Según datos de la OMS, se estima que de cada 500 nacimientos 1 tiene daño en el oído interno y este aumenta a cerca del 10% de la población total luego de los 70 años. El dispositivo (prótesis) vestibular puede tener una amplia difusión si se logra un dispositivo miniaturizado y eficaz. Adicionalmente nuestro dispositivo auxiliar puede ser usado en el entrenamiento de pilotos complementando la simulación de vuelo realizada usualmente mediante plataformas de Stewart que tienen importantes limitaciones (Aleksandrov y cols., 2014).

ANÁLISIS DE COMPETENCIA (Información sobre competidores, así como de productos y/o tecnologías competitivas)

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En el proceso de aplicación de patente americana de nuestra primera propuesta se han identificado importantes competidores. Destaca claramente el grupo liderado por Charles Della Santina en la Universidad de John Hopkins en los Estados Unidos Ellos han desarrollado un sistema multielectrodo de prótesis vestibular publicada en los trabajos que citamos a continuación. 1: Fridman GY, Davidovics NS, Dai C, Migliaccio AA, Della Santina CC. Vestibulo-Ocular Reflex Responses to a Multichannel Vestibular Prosthesis Incorporating a 3D Coordinate Transformation for Correction of Misalignment. JARO 2010 Feb 23. 2: Della Santina CC, Migliaccio AA, Patel AH. A multichannel semicircular canal neural prosthesis using electrical stimulation to restore 3-d vestibular sensation. IEEE Trans Biomed Eng. 2007 Jun; 54(6 Pt 1):1016-30.

La diferencia fundamental entre este desarrollo y el nuestro radica en el desarrollo de las funciones de transferencia que en nuestro caso se basan en un modelo matemático neuromimético del vestíbulo, y en la no implantabilidad del dispositivo que nosotros hemos propuesto y que lo hace completamente diferente al de ellos que requiere siempre de una intervención quirúrgica para poner los electrodos en el oído interno. En nuestro caso la diadema de electrodos sustituye el procedimiento quirúrgico y el implante de electrodos intracocleares. Todos estos aspectos han sido tratados a profundidad en la patente "Vestibular prosthesis" no. de registro: US 13/619,105.

USUARIOS Y/O CLIENTES POTENCIALES (Empresas, Público)

Nacional:

Secretaria de Marina que ha adquirido un sistema de simulación de vuelo desarrollado en INAOE y sobre el cual estaríamos desarrollando nuestro proyecto

En el extranjero:

Indudablemente la diadema de estimulación galvánica acoplada con el sistema de detección y formando un auxiliar vestibular tiene aplicaciones en varios campos: el primero y que hemos referido preferentemente es el de la salud para la prevención de caídas en ancianos y para restituir funcionalidad a individuos con daño del oído interno. El potencial en este campo es realmente enorme y se calcula en términos de aplicaciones médicas. Un segundo campo que percibimos también como de alto potencial es en el desarrollo de simuladores de vuelo. Estos sistemas se basan en el uso de plataformas de Stewart, pero nunca logran reproducir la entrada vestibular. El uso del dispositivo auxiliar en coordinación con el software de simulación de vuelo podría proveer a los usuarios del simulador de sensaciones de movimiento imposibles de obtener con la plataforma de Stewart Una tercera aplicación potencial es en la astronáutica, ya que con sensores de alta sensibilidad se puede devolver a astronautas y cosmonautas en condiciones de microgravedad la función vestibular con todas las ventajas que esto tiene. De hecho un primer prototipo del sistema está ya funcionando.