Estimulación y Adquisición

Estimulo mfERG. El estimulo mfERG es una presentación plana ubicada frente al paciente, de un tamaño específico y que por medio de un modelo bidimensional gráfico de comportamiento aleatorio y automático genera un efecto lumínico sobre ciertas regiones de la retina. Este se comporta de acuerdo con un modelo matemático luego de ser aplicado sobre cada ojo. Por tanto un estímulo para electroretinografía multifocal sería el conjunto de patrones hexagonales aplicados a un ojo.

Test mfERG. En la electroretinografía multifocal la unión de dos estímulos realizados, el del ojo derecho y el del ojo izquierdo, conforman un Test. Lo que ratifica porque el estímulo mfERG es de tipo monocular.

Patrones de Estímulo. Cuando hablamos de este término nos referimos a un conjunto de distribuciones coloridas diferentes entre sí, cuya existencia temporal se modela de manera cíclica y secuencial que alterna entre blanco y negro conforme a una misma estructura geométrica bidimensional. Para el diseño de este sistema, dicha geometría esta comprometida por un arreglo de hexágonos escalados y 103 m-secuencias binarias que alternan los colores de cada uno de estos hexágonos.

La generación de estos patrones esta basada en m secuencias binarias (Binary m-sequences). Este tipo de series son muy usadas en la identificación de sistemas dinámicos lineales y no lineales.

M-Secuencia Binaria. Una m-secuencia binaria (secuencia máxima longitud) es una colección de números b que cumplen con las condiciones,


Luego, un conjunto de dichos números dispuestos aleatoriamente consecutivamente el uno del otro, pueden tener un orden polinomial N que se puede reducir a una expresión cíclica . Esta expresión cíclica puede entonces satisfacer la relación recurrente lineal:

Donde son coeficientes, 0’s y 1’s, de la relación de recurrencia. Una m-secuencia tiene longitud y se puede representar como una señal discreta de la siguiente manera:

Las m-secuencias satisfacen ciertas propiedades que las hacen especialmente útiles en el análisis de sistemas, mencionemos las tres más importantes.

Promedio:donde M es la longitud de la m-secuencia binaria. Este principio se basa en el hecho de que una secuencia de este tipo tiene un +1 o un -1.

Producto:
El producto de dos desplazamientos de una misma m-secuencia binarias es un tercer desplazamiento de la secuencia. Este desplazamiento es determinado por .


Autocorrelación:
Según la propiedad anterior la autocorrelacion tiene un valor de |1/M|<1 si suponemos M>1. Si a=b, la multiplicación produce una secuencia de 1's. La propiedad de autocorrelación le da a las m-secuencias un tipo de pseudoaleatoriedad (Señales que simulan comportamientos aleatorios, i.e Con M muy grandes, como para hacer ).

El uso de las m-secuencias binarias tiene un significativo impacto en las nuevas modalidades de identificación no paramétricas de modelos lienales y no lineales. Un tratamiento especial de estas señales puede observarse en controlecesarpena.blogspot.com.


Estimulación Multifocal para la Retina. Estimular multifocalmente la retina, es precisamente lo que se hace cuando en frente de una pantalla plana se desplegaban hexágonos dispuestos de manera estratégica en frente del ojo, permitiendo así, obtener variaciones comportamentales como producto del trabajo conjunto de cada una de las células nerviosas que la componen. Y la manera en que se pueden observar estas variaciones depende de ciertas condiciones del estímulo mfERG; para luego conseguir el mismo efecto en el potencial eléctrico generado durante la exposición al mismo.

Diseño Funcional de un sistema basado en mfERG

Especificaciones Funcionales. Después de reunir un conjunto de requerimientos generales que modelan el diseño del sistema se elabora una primera partición del mismo con el objetivo de poder elaborar cada uno de ellos de manera casi independiente. Así, algunas de las especificaciones funcionales más relevantes para el diseño del sistema serían como se ve en la Tabla siguiente.

Diagramas funcionales. Dos particiones Iniciales. Inicialmente, se necesita saber cual es el bloque principal que contendrá el resto de bloques funcionales, inclusive el primer particionamiento de acuerdo a las especificaciones funcionales. Así el primer bloque funcional es el que muestra en la Figura abajo. Este primer bloque funcional es el bloque que enmarca todas las funciones específicas.Se puede notar que tiene dos salidas, una que indica el estado de la retina por medio de respuestas estratégicamente diseñadas, como lo son las visualizaciones en 2D ó 3D; y otra encargada de realizar el estímulo multifocal con diferentes condiciones de escalado y duración.

A su vez encontramos que se divide en tres bloques más, denominados: Entrada, Procesamiento y Salida; el primero y el ultimo se encargan de funciones mas externas relacionadas con la adquisición y manejo de datos, como los procedimientos de diagnostico, y almacenamiento, respectivamente. Abajo se ve la partición del sistema por segunda vez.


El desarrollo del sistema incluye una interfaz gráfica en base a ventanas de dimensiones predefinidas en la programación, es decir que el usuario no puede modificarlas en tiempo de ejecución, con el fin de mantener todas las posibilidades de diagnostico en un mismo espacio y simultáneamente, evitando actividades innecesarias y aumentando la facilidad de uso.

El bloque de Entrada, se subdivide en dos bloques: Datos y Estímulo. El primero se encarga de elaborar todas las operaciones relacionadas con la carga (importar datos con formato del sistema) de archivos de información procesada o preprocesada, utilizar lectores e interpretadores sintácticos. Para ello se usa un formato basado en aplicaciones ya existentes, para este caso la aplicación elegida es el formato XLS del software Microsoft Excel.

El bloque de estímulo se encarga de usar la misma interfaz de la Figura anterior para que sea compatible con las condiciones de pantalla, este es el caso de la resolución del monitor implementado. El usuario puede configurar independientemente a la pantalla del monitor el escalado y la resolución desde el programa sin alterar los resultados. Para lograr esto, una parte de los códigos elaborados para desplegar en pantalla los estímulos multifocales deben tener un nivel de acceso muy bajo. Al igual que esto, se implementa para otros factores requeridos en la realización del estímulo (cantidad de patrones, frecuencia de estímulo, escalado, etc.)

En la segunda partición vemos además, que el bloque de Procesamiento posee otros dos bloques, uno que es el bloque Convertidor, encargado de realizar procedimientos matemáticos directamente relacionados con los resultados de adquisición (la señal retiniana), para posteriormente ejecutar bloques con procedimientos de análisis (descomposición en series matemáticas, expansiones, etc.). Durante el tiempo de ejecución, este hace las funciones de un pre-procesador.

Para este bloque se ha dispuesto de controles desplegables, de texto entre otras herramientas de lectura que permiten al usuario conocer más de cerca la actividad real del estímulo. Este es el caso, de los vectores que almacenan las ventanas kernels dispuestos en forma de matrices visibles al usuario. Como también la visualización de cada uno de las respuestas del Procesado de la señal retiniana.

El bloque Calculador es capaz de tomar cada una de las señales pre-procesadas y aplicar una transformación en tiempo respetando las propiedades intrínsecas de la señal, que permita observar (en los módulos de visualización) una caracterización tiempo-frecuencia. Retomando nuevamente a la segunda particion tenemos una división en dos bloques del módulo funcional Salida; inicialmente el bloque de Visualización es muy amplio y consta de procedimientos algorítmicos capaces de realizar graficaciones en colores, transformaciones 3D, renderizado, habilitación de procedimientos, interacción de datos con varios procedimientos de visualización, etc. Todo esto garantizando mayor flexibilidad al usuario a la hora de diagnosticar una patología retiniana. Cada modo de visualización se acompaña de un conjunto respectivo de datos indicadores que refuerzan el análisis diagnostico de patologías, como también indicadores claves para no perder orden en la ejecución de un examen de mfERG.

Este bloque también se encarga de mostrar información actual como el tiempo, la fecha, la duración de cada estímulo multifocal, etc. Todos estos detalles serán mejor tratados en el capitulo V. El bloque denominado Almacenamiento se encarga de generar el formato basado en la aplicación Excel que se guardará como evidencia para posteriores trabajos de consulta o comparación. Teniendo definida la estructura inicial del sistema de acuerdo a ciertas especificaciones, se plantea una metodología de desarrollo basada en clases (objetos) dentro de la POO (Programación Orientada a Objetos) con el fin de tener un punto de referencia más práctico en la comprensión del desarrollo del sistema.

mfERG: Herramienta Clínica

El Electrorretinograma Multifocal (mfERG) fue introducido por Sutter y Tran en 1992 y consiste en la estimulación simultánea de diferentes áreas de la retina central en un mismo instante de tiempo.

La Sociedad Internacional de Electrofisiología Clínica para la Visión (ISCEV) no ha establecido todavía un patrón estándar para realizar esta prueba, sin embargo ha publicado unas recomendaciones generales[1] con el objetivo de obtener resultados reproducibles e interpretables y para minimizar los artefactos.
[1] MARMOR, MF.; HOOD DC.; KEATING D.; KONDO M.; SEELIGER M.; MIYAKE Y. Guidelines for basic multifocal electroretinography (mfERG). En: Documenta Ophthalmologica. No. 106 (2003) p. 105-115.

Descripción del electrorretinograma multifocal. Esta técnica registra las respuestas del ojo por medio de electrodos corneales, hasta aquí este examen es un electrorretinograma convencional pero la naturaleza especial de este estímulo y los análisis producen un mapa topográfico de la retina con respuestas ERG. La retina es estimulada con un monitor de computadora u otro dispositivo que genere patrones de hexágonos, donde cada uno de estos pueda permanecer iluminado un 50% del tiempo que tarda un frame en desplegarse. Los patrones desplegados entre si, son una variación aleatoria, pero cada elemento sigue una secuencia (actualmente una m-secuencia), así que la luminancia de la pantalla durante todo el tiempo es relativamente estable (equiluminancia).

Formas de onda. La forma de onda típica de las respuestas del electrorretinograma multifocal obedece a la aparición de una señal bipolar, potenciales positivos como negativos. La respuesta de primer orden (kernel K1) del mfERG es una onda bifásica con un componente negativo inicial N1 seguido de un pico positivo P1 y a veces podemos encontrar una segunda onda negativa final N2,cada uno de ellas con su respectiva amplitud y latencia.

Origen Celular. Se trata de una respuesta lineal de morfología parecida a la onda del ERG fotópico convencional*, donde el ojo es preadaptado a la claridad para obtener comportamientos de los conos. La forma N1 parece estar compuesta, al igual que en la onda A del ERG fotópico, por los fotorreceptores, mientras que la P1 está formada básicamente por las células bipolares, al igual que la onda B y parte de los potenciales oscilatorios.

Tecnología básica. Entonces, para la realización del mfERG se dilatan las pupilas con colirio de Tropicamida al 1% para lograr diámetros pupilares de hasta 5 mm y se colocan 2 electrodos en la córnea o en la conjuntiva bulbar inferior (entre el parpado y la cornea) de manera que no interfieran con el eje visual, se fijan 2 electrodos de referencia en el canto externo de cada ojo (zona lateral de la cuenca de los ojos) y un electrodo masa en la frente. (Ver figura 6) Se sitúa al paciente frente a la pantalla de estimulación que cuenta con un punto de fijación central. La duración de la prueba depende del número de patrones desplegados.

Estímulo. El estímulo generalmente es soportado por un tubo de rayos catódicos (CRT), como por ejemplo un monitor, donde se despliegan 103 elementos hexagonales que subtienden un ángulo, por defecto, de 84º X 75º a una distancia de 18 cm. Otros dispositivos, como los proyectores LCD, o arreglos matriciales de LED’s y oftalmoscopios láser también suelen usarse. Cada una de estas alternativas brindan formas de onda diferentes pero el uso de ellas puede aportar comportamientos particulares de la retina, es decir que su uso depende de la aplicación clínica y/o propósitos experimentales.

En un estímulo mfERG, el CRT debe tener una frecuencia de refresco de 75 Hz, esta ha sido usada ampliamente en el contexto medico. Es necesario ser consientes de que un cambio en esta frecuencia cambia todo protocolo de estímulo y por tanto las formas de onda obtenidas pueden verse alteradas. Las condiciones lumínicas de la pantalla de despliegue de patrones deben encontrarse en el intervalo de 100 cd/m2 y 200 cd/m2 en estado de encendido (hexágonos claros) y menores a 1 cd/m2 en estado de apagado (hexágonos oscuros).

La luminancia de un elemento oscuro y claro debe ser medida con un calibrador apropiado. Muchas pantallas de monitores no poseen un brillo uniforme sobre toda el área que la comprende, pero variaciones del 15% hasta ahora son considerablemente aceptadas. Si se presentan variaciones en las respuestas obtenidas, el tamaño del estímulo puede ser que necesite ajustarse de tal manera que asegure la equivalencia de los efectos en diferentes zonas de la retina. Por otro lado, el contraste entre un estado oscuro y claro debe ser fijado en un 90% o superior. La región de fondo debe tener una luminancia igual a la luminancia media del arreglo de estímulos. En el centro del estímulo se dispone de un punto de fijación que generalmente es una cruz ubicada en el elemento de área central de tal manera que no altere drásticamente la aleatoriedad del mismo.

El estímulo hexagonal por defecto fue diseñado para compensar las diferencias de densidad de señales eléctricas (y densidad de conos) en la retina. De esta manera los hexágonos centrales son más pequeños que los que se encuentran en la periferia. Los estímulos deben estar subtendidos por un ángulo visual de 20º a 30º grados a partir del punto de fijación en el estímulo.



Como se puede observar en la figura anterior se analizan 6 anillos. El primer anillo correspondiente al área central incluye un solo hexágono y abarca un área de ~16 grados2. El segundo anillo correspondiente a las áreas concéntricas abarca un área de ~144 grados2. El tercer anillo abarca ~625 grados2, el cuarto anillo abarca ~1.369 grados2, el quinto ~3.364 grados2 y el sexto abarcaría ~5.329 grados2.

Equipos de Registro. Dado que la señal obtenida es una señal bipolar, es necesario implementar amplificadores de CA (corriente alterna) en la adquisición de la señal de respuesta retiniana. Deben tener la capacidad de ajustar su ganancia. Las más ampliamente usadas son de 100,000 o 200,000 . Por otro lado, es importante el uso de filtros para eliminar extraños ruidos eléctricos mientras se preserva la forma de onda de interés. Por lo general el rango de frecuencias se usa de 3 – 300 Hz o 10 – 300Hz.

Análisis de Señales. Los resultados se pueden presentar como un mapa de ondas en el que cada onda representa la actividad de un área del polo posterior. Este es una forma de despliegue para diagnostico básica en la electroretinografía multifocal y puede ser parte de todo un protocolo de análisis de respuestas. Generalmente este tipo de visualización permite observar variaciones y anormalidades en áreas específicas de la retina.

También podemos tener la visualización en grupos promedios, que pueden ser anillos concéntricos alrededor de la fóvea o cuadrantes que se distribuyen de manera análoga a un plano cartesiano. Este tipo de agrupaciones permite comparar áreas hemiretinales y cuadrantes nasales como temporales del ojo. Muy útil en enfermedades simétricas en torno a zona central de la retina (Macula Lútea).

El despliegue tridimensional muestra un conjunto de intensidades por unidad de área polar en el polo posterior. Esta es útil para realizar una apreciación global o demostración de ciertos tipos de patologías. La graficación 3D usualmente implementa interpolación en las respuestas creando la apariencia de una superficie continua.