Métodos para pesquisa em biofeedback

Métodos para pesquisa em biofeedback
  1. INTRODUÇÃO

Este documento tem como objetivo fornecer  uma base para elaboração de projetos de pesquisa utilizando a plataforma neuroUP. A primeira parte apresenta uma introdução sobre o Biofeedback e os aspectos técnicos, e a segunda sessão possui enfoque nos métodos de aplicação da avaliação muscular e treinamento por Biofeedback.

Biofeedback muscular

1.1 BIOFEEDBACK

O Biofeedback é uma técnica de treinamento que permite a modificação do comportamento e a otimização de funções corporais com o uso de instrumentos. As informações fisiológicas são captadas, processadas e oferecidas de volta aos pacientes (retroalimentação) através de vias sensoriais (CASTELNUOVO e colab., 2016).

Esta técnica é capaz de causar efeitos de longo-prazo por estimular a neuroplasticidade cerebral (STREHL e colab., 2014). Esta abordagem vem sendo utilizada para o treinamento de funções como a respiração, a variabilidade dos ritmos cardíacos, a pulsação arterial, o tônus muscular, a atividade cerebral, o posicionamento do corpo, etc. 

A base teórica do Biofeedback é atribuída ao princípio do Condicionamento operante, teoria desenvolvida por Skinner (1938) e que explica uma abordagem de modificação de comportamentos através do treinamento. 

De acordo com esta teoria, é possível modelar o comportamento de organismos ao oferecer recompensas e punições de forma em sequência. Por exemplo, a probabilidade de uma criança desenvolver o hábito de escovar os dentes aumenta se ela receber elogios constantes por realizar esta atividade. Por outro lado, esta mesma criança terá uma baixa probabilidade de voltar a inserir a mão em uma tomada, caso ela receba choques elétricos todas as vezes.

No Biofeedback, este condicionamento é utilizado para aprender a melhorar o funcionamento do corpo, e pode ser aprendido como uso de instrumentos analógicos ou digitais. Os treinamentos mais simples podem ser realizados como balanças, espelhos e esfigmomanômetros, mas também é possível treinar funções mais refinadas através de instrumentos digitais que realizam a coleta de biossinais, como o Eletroencefalogramas e o Eletromiograma (GLOMBIEWSKI e colab., 2013).

Os sinais fornecidos por estes instrumentos digitais são captados, processados e transformados em estímulos sensoriais relacionados com o sinal biológico. A escolha adequada da modalidade de feedback é fundamental para o sucesso desta intervenção. 

Deve-se optar por estímulos que sejam compreensíveis e que despertem o interesse dos participantes, para evitar que os mesmos não se frustrem e que compreendam os objetivos estipulados pelo profissional (KROPOTOV, 2009).

As principais vias sensórias utilizadas com este objetivo são a visual, onde o participante interage com estímulos gráficos e jogos expostos em monitores, e a via auditiva, na qual os pacientes escutam sons específicos ao atingir limiares (feedback descontínuo) ou escutam tons de instrumentos musicais que podem variar em ritmo e frequência de acordo com a atividade cerebral (feedback contínuo).

1.2 BIOFEEDBACK MUSCULAR

Mas, para que precisamos de instrumentos para aprender a relaxar os músculos se nós temos um sistema de propriocepção com os fusos musculares e os órgãos tendinosos de Golgi? Estas estruturas nos fornecem informações sobre o nível de estiramento e o posicionamento articular, respectivamente, permitindo que o sistema nervoso possa coordenar e realizar contrações voluntárias (BEWICK e BANKS, 2015).

Porém, em situações dolorosas, os nociceptores dos músculos da mastigação são ativados e afetam significativamente as propriedades proprioceptivas, reduzindo o seu processamento no sistema nervoso central (RO e CAPRA, 2001). Leve-se em conta outro agravante relacionado à fisiologia básica desse tipo de receptor: os nociceptores possuem característica tônica, isto é, continuam disparando potenciais de ação de forma contínua e sem atenuação enquanto houver o estímulo doloroso, dia e noite. Outro estudo realizou uma estimulação dolorosa nos músculos mastigatório, com a injeção de soluções salinas hipertônicas, e demonstrou que o controle muscular foi alterado nestes participantes (SHIMADA e colab., 2013).

Por este motivo, instrumentos que captam a atividade muscular são capazes de otimizar este aprendizado e permitir que pacientes atinjam níveis avançados de relaxamento com o Biofeedback. O principal recurso utilizado para este fim é a Eletromiografia de superfície, técnica não-invasiva, de baixo-custo e facilidade aplicação. Ela mede a atividade neuromuscular através de sensores posicionados na superfície da pele e de amplificadores de instrumentação (RAINS, 2008). É importante frisar que o aparelho de eletromiografia não emite nenhum tipo de corrente eletromagnética, fótica ou térmica com efeito terapêutico, portanto os resultados clínicos esperados ocorrem através da interação com os feedbacks apresentados pelo sistema.

O Biofeedback por EMG tem sido utilizado para aumentar o controle e força muscular em pacientes pós-AVC (DOĞAN-ASLAN e colab., 2012) e também na reabilitação pós-cirúrgica (PIETROSIMONE e colab., 2015). De forma contrária, pode ser utilizada para ensinar os participantes a reduzir a tensão muscular em pacientes com fibromialgia (GLOMBIEWSKI e colab., 2013), disfunção temporomandibular (CRIADO e colab., 2016) e dores crônicas lombares (SIELSKI e colab., 2017).

 

1.3. INSTRUMENTAÇÃO EM ELETROMIOGRAFIA

A Eletromiografia de superfície é uma técnica capaz de amplificar sinais elétricos captados sobre a pele acima de músculos superficiais. Os sinais são conduzidos através dos tecidos e captados nos sensores, representando a somação temporal e espacial de uma população de unidades motoras próximas. Estes sinais são captados através de Eletrodos, estruturas com elevada condutibilidade elétrica, geralmente de materiais metálicos e que realizam a interface entre a pele e o aparelho de amplificação. Os sensores de Eletromiografia podem ser fixados na pele através de adesivos. É necessário a utilização de, pelo menos, três eletrodos para obter atividade de um grupamento muscular: ativo, referência e terra (RAINOLDI e colab., 2004). Os dois primeiros irão captar a atividade dos músculos dispostos na direção longitudinal das fibras, com a distância padrão de 2cm entre eles. Por outro lado, o eletrodo terra não tem a finalidade de captar sinal muscular, e sim de igualar os potenciais elétricos do aparelho e do corpo do paciente.

Figura 1. Instrumentação do EMG de superfície. 1) eletrodos de superfície, materiais responsáveis por captar a atividade elétrica na pele; 2) Amplificador diferencial, equipamento  responsável pelo aumento de ganho e subtração dos sinais dos eletrodos ativo e referência; 3) filtros analógicos, com a função de atenuar frequência baixas e altas que estão fora da banda de frequência do EMG; 4) conversor analógico digital, componente que realiza a amostragem do sinal; 5) computador, equipamento com capacidade de processamento para aplicar algoritmos digitais. Figura retirada de: http://www.elsevier.es/es-revista-revista-andaluza-medicina-del-deporte-284-articulo-surface-electromyography-why-when-how-X1888754611201253

Por se tratar de sinais elétricos muito pequenos, na escala de microvolts, é necessário realizar a amplificação para que possamos manipular as informações. Portanto, os aparelhos de Eletromiografia contam com amplificadores de instrumentação, componentes aumentam o ganho do sinal e que realizam a subtração entre os sinais do eletrodo ativo e referência (SUPUK e colab., 2014). O objetivo desta operação é de reduzir a influência de outras fontes endógenas de atividade muscular, como os sinais de músculos distantes (cross-talking) ou batimentos cardíacos, também de reduzir a influência de artefatos externos.

Em seguida, o aparelho realiza a conversão analógico-digital, com a finalidade de representar os sinais elétricos em linguagem computacional (padrão binário). De acordo com o teorema de Nyquist, a taxa de amostragem, que é a quantidade de pontos captados por segundo, precisar ser pelo menos o dobro da frequência do sinal elétrico (NYQUIST, 1928). A atividade eletromiográfica varia geralmente entre 0,5- 500 Hz, portanto é recomendado que a taxa de amostragem seja de ao menos 1.000Hz, caso necessite avaliar todas estas faixas desse espectro de frequência.

Figura 2. Posicionamento do sensor e representação gráfica dos sinais. A) A posição ótima para a coleta dos sinais do EMG é no ventre muscular e a disposição dos eletrodos ativo e referência devem seguir o sentido longitudinal das fibras; B) representação do sinal do EMG no domínio do tempo na notação de amplitude (µV). Note que o posicionamento do sensor descrito no item A apresenta a maior amplitude do sinal entre as quatro montagens. C) representação do sinal do EMG no domínio de frequência normalizada. A unidade de medida utilizada antes da normalização é a potência espectral (µV2) e o eixo X representa as frequências do sinal em Hz. Figura retirada de: https://www.coursehero.com/file/p52tiqpj/Amplitude-and-frequency-spectrum-of-EMG-signal-affected-by-electrode-placement/

 Estes sinais digitais passam por etapas de pré-processamento com objetivo de reduzir possíveis artefatos. Estes fenômenos podem ser biológicos, como batimentos cardíacos, atividade elétrica da retina e pulsação arterial, ou podem ser ambientais, como ruídos da corrente elétrica, radiações eletromagnéticas de aparelhos celular e lâmpadas. 

O tipo de filtro digital mais utilizado no processamento de sinais bioelétricos é o Butterworth. Este recurso costuma ser utilizado com dois objetivos: atenuar a atividade em frequências extremas, onde não existe atividade muscular, o chamado filtro passa-banda; e também para reduzir os artefatos de corrente elétrica (60 Hz no Brasil), o chamado filtro Notch.

Após o pré-processamento do sinal, os sinais da Eletromiografia ainda se mantêm complexos e difíceis de serem treinados pelo paciente, já que é um sinal complexo (partes positivas e negativas) e com grande quantidade de informações por segundo. Portanto, utiliza-se um recurso de processamento chamado de Raiz quadrada da média (do inglês, Root Mean Square, RMS). Os sinais processados em RMS são mais fáceis de serem compreendidos, pois ocorre uma redução da quantidade de pontos por segundo, e além disso, a sua potência elétrica aumenta com a contração e reduz com o relaxamento.

O sinal resultante deste cálculo é utilizado pelas aplicações de Biofeedback através de recursos audiovisuais. Para aumentar o engajamento dos pacientes, também é possível incluir técnicas de gameficação ao atribuir objetivos e metas para o treinamento.

 

  1. MÉTODOS 

2.1. Avaliação muscular   

A avaliação da atividade muscular será captada através de sensores de Eletromiografia de superfície (sEMG), durante dez minutos de repouso. Os participantes estarão sentados em uma cadeira confortável e serão instruídos a evitar movimentos com a mandíbula, durante dez minutos. 

Antes de iniciar as coletas, os participantes passarão por uma assepsia da pele, com algodão e álcool gel, na região da superfície da porção anterior do músculo temporal. Em seguida, o equipamento será posicionado unilateralmente, de acordo com os seguintes critérios:

  1. Lado da mastigação habitual
  2. Lado com maior dor à palpação; 

Figura 3. Posicionamento do sensor portátil de EMG na porção anterior do músculo Temporal.

Os eletrodos serão conectados ao amplificador portátil de Eletromiografia de superfície Myobox 2.0 (neuroUP, Brasil), com o envio de sinais a Smartphones ou Tablets com o sistema operacional Android, por protocolo Bluetooth 4.0. A taxa de amostragem da captação é de 1.000 Hz. 

Antes do início da coleta, será realizada uma medição automática da qualidade do sinal no aplicativo neuroUP (neuroUP, Brasil) para confirmar que o posicionamento está correto.

Figura 4. Teste de qualidade do sinal do EMG com o algoritmo de medição da qualidade do sinal.

 

2.2 Potência muscular de repouso

A potência muscular de repouso será obtida através da média do sinal  do RMS, mensurado durante toda a sessão de avaliação. Este sinal será processado através de um filtro digital do tipo passa-banda, com cortes em 30Hz e 500 Hz, e por um filtro Notch, em 60 Hz, ambos do tipo Butterwoth. Estes sinais serão transformados para a notação da Raiz quadrada da média (do inglês, Root Mean Square, RMS).

2.3 Contrações fásicas/minuto

Os dados da avaliação muscular também serão processados por um algoritmo que calcula automaticamente a quantidade de movimentos parafuncionais por minuto. Este operador de classificação utiliza inteligência artificial para identificar os picos de elevação de contração muscular durante o sinal. 

2.4 Base de dados Z-score

Os resultados do cálculo da potência muscular de repouso e das contrações fásicas/minuto serão comparados com uma base de dados de participantes saudáveis(neuroUP database,neuroUP). A estatística utilizada será o Z-score, e os resultados serão considerados significantes se o resultado de cada análise for maior do que 3 desvios-padrão, mantendo uma confiabilidade de 99,7%. Desta forma, os dados serão classificados como “baixo” (Z-score < -3), “normal” (Z-score  entre -3 e 3) e “elevado” (Z-score >3).

Resultado de imagem para z-score graph

Figura 5. Z-score. Representação gráfico do Z-score

Fonte: lumenlearning

2.5 Biofeedback por Eletromiografia

         As sessões de treinamento serão realizadas com os participantes sentados a um metro de distância de um dispositivo portátil (smartphone ou tablet) com o aplicativo  neuroUP e com a aplicação Maestro (neuroUP, Brasil) utilizando os sinais elétricos processados em RMS. Serão realizadas de cinco a dez sessões de treinamento, com frequência semanal e com duração de vinte minutos cada. 

         Os participantes receberão duas modalidades de retroalimentação simultâneas, através de vias visuais e auditivas:

  1. A)     Feedback visual:

Os participantes irão observar um gráfico dinâmico em linha, com deslocamento no eixo Y de acordo com o nível de contração muscular. O objetivo será reduzir o valor do gráfico para aproximá-lo o máximo possível do limite inferior da tela. Esta aplicação possui temática de jogos baseados em naves espaciais, para tornar a sessão lúdica.

Os pesquisadores também irão utilizar um recurso chamado de  limiar, que será representado com uma linha paralela na tela (Figura 6). Esta marcação indicará as metas a serem atingidas pelos pacientes, e o objetivo é manter-se abaixo desta marca. Os limiares serão calculados automaticamente com base nos sinais e será mantido mantido em valores de 20% em relação à média dos 5 segundos anteriores. O motivo de manter o limiar levemente acima do resultados momentâneo do paciente é para reduzir a hipervigilância e reduzir o estresse durante a sessão.

Figura 6. Elementos gráficos do feedback visual. 1) Temporizador com a duração da sessão; 2) Elemento gráfico em forma de nave espacial que varia no eixo Y de acordo com o sinal do RMS;3) Valor da intensidade do sinal do RMS 4) Limiar representado por uma linha branca horizontal

 

  1. B)     Feedback auditivo:

Simultaneamente, os participantes irão ouvir tons de piano que variam em ritmo (número de tons por segundo) e em frequência sonora (variações entre notas graves e agudas, seguindo a escala de Dó maior) de acordo com o nível de ativação elétrica.

O objetivo será de tornar os sons mais graves e de reduzir o seu ritmo, ou seja, torná-los mais lentos. O feedback auditivo será desligado automaticamente sempre que os valores do participantes estiverem forem menores do que o limiar proposto. 

 

Dúvidas? Fique à vontade para entrar em contato com a nossa equipe:

Ubirakitan Maciel

Diretor científico da neuroUP

Mestre em Neurociências pela UFPE

contato@neuroup.com.br

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