Functional Electrical Stimulation of the Arm Muscles for Neurological Rehabilitation
Creators: name: Παπαστεργίου, Βερονίκη Γεωργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: Λειτουργική Ηλεκτρική Διέγερση ; FES
Νευρομυϊκή Ηλεκτρική Διέγερση ; NMES
Νευρολογική Αποκατάσταση
Functional Electrical Stimulation ; FES
Neuromuscular Electrical Stimulation ; NMES
Neurorehabilitation

description: Every year, thousands of people are afflicted by injuries to one or both of their upper limbs. Spinal Cord Injury (SCI) and Stroke are among the primary causes of upper limb paralysis, whether mild or severe. The effects to the patients’ lives range from inconvenience and discomfort to the loss of independence and the inability to take care of themselves without assistance. Functional Electrical Stimulation (FES) can help such patients. FES is a combination of a neuromuscular electrical stimulation (NMES) rehabilitation treatment with a more traditional physical therapy rehabilitation regimen. Using electrical pulses that have been calibrated to the patient’s needs and a series of predetermined arm movement protocols, FES can help patients afflicted by neurological disorders recover motor function in the paretic limbs and regain the ability to function independently. To begin with, a thorough understanding of the upper limb (muscles, bone structure, etc.) is necessary in order to assess the neurological damage and muscle paralysis caused by injury and/or disorder. The kinematic chain model provides insight into how the muscles and bones work together to move the arm. Following that is an examination of the various neurological disorders and injuries that can affect upper limb functionality, so that an understanding of the underlying causes of the paralysis can be achieved. Bioelectrical signals such as Electromyogram (EMG) and Electroencephalogram (EEG) are used to detect any residual neurological activity in the affected muscles. The history of Electrical Stimulation (ES) as a method of patient rehabilitation is briefly mentioned before the most widely used forms of ES are presented; Functional Electrical Stimulation (FES) is analysed and the parameters affecting it are examined. A brief overview of a number of commercially available NMES and FES devices is given. With all of the above in mind, a FES device suitable for neurological rehabilitation of the upper arm was proposed; the device is meant to be integrated into a wearable jacket featuring a number of additional sensors that can be used to monitor and/or control the stimulation
description: Κάθε χρόνο, χιλιάδες άνθρωποι υποφέρουν από τραυματισμούς σε ένα ή και στα δύο άνω άκρα τους. Η Κάκωση Νωτιαίου Μυελού και το εγκεφαλικό είναι δύο από τις κύριες αιτίες παράλυσης των άνω άκρων, η οποία κυμαίνεται από ήπια έως σοβαρή. Αυτό επηρεάζει την ζωή των ασθενών, προκαλώντας τους από δυσφορία και πόνο έως και στέρηση της αυτονομίας τους και της δυνατότητάς τους να αυτοεξυπηρετούνται. Η Λειτουργική Ηλεκτρική Διέγερση (FES) μπορεί να βοηθήσει αυτούς τους ασθενείς. Η FES είναι ένας συνδυασμός από πρόγραμμα αποθεραπείας με Νευρομυϊκή Ηλεκτρική Διέγερση (NMES) και των συνηθισμένων φυσικοθεραπειών. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρικούς παλμούς οι οποίοι έχουν ρυθμιστεί σύμφωνα με τις ανάγκες του κάθε ασθενή και μία σειρά από προκαθορισμένα πρωτόκολλα κίνησης των άνω άκρων, η FES μπορεί να βοηθήσει ασθενείς που πάσχουν από νευρολογικές διαταραχές να επανακτήσουν κινητικές δεξιότητες στα παραλυμένα άκρα και να ξαναποκτήσουν την αυτονομία τους. Αρχικά, είναι απαραίτητη η εις βάθος κατανόηση της μυϊκής και οστικής δομής των άνω άκρων έτσι ώστε να αξιολογηθεί η νευρολογική βλάβη και η μυϊκή παράλυση που προκλήθηκε από τον τραυματισμό ή/και την ασθένεια. Το μοντέλο της κινηματικής αλυσίδας χρησιμοποιείται για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η συντονισμένη κίνηση των μυών και των οστών οδηγεί στην κίνηση του άνω άκρου. Έπειτα ακολουθεί η εξέταση των νευρολογικών παθήσεων και των τραυματισμών που μπορούν να επηρεάσουν τη λειτουργία των άνω άκρων, έτσι ώστε να γίνουν κατανοητά τα αίτια της παράλυσης. Τα βιοηλεκτρικά σήματα όπως το Ηλεκτρομυογράφημα (EMG) και το Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) χρησιμοποιούνται για να ανιχνευτεί, εάν υπάρχει, η εναπομένουσα νευρολογική δραστηριότητα στους μυς που επηρεάστηκαν από την ασθένεια/τραυματισμό. Γίνεται μία σύντομη αναφορά στην ιστορία της Ηλεκτρικής Διέγερσης (ES) ως μέθοδος αποκατάστασης. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι πιο διαδεδομένες μέθοδοι ES. Η Λειτουργική Ηλεκτρική Διέγερση (FES) αναλύεται ως μέθοδος και εξετάζονται οι παράμετροι που την επηρεάζουν. Ακολουθεί μία σύντομη επισκόπηση των εμπορικά διαθέσιμων συσκευών NMES και FES. Λαμβάνοντας υπ’ όψη όλα τα παραπάνω, προτείνεται ο σχεδιασμός μίας συσκευής FES κατάλληλης για νευρολογική αποκατάσταση των άνω άκρων. Η συσκευή αυτή αποτελεί τμήμα ενός εξελιγμένου «σακακιού» στο οποίο είναι ενσωματωμένοι διάφοροι φορητοί βιοαισθητήρες οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρατήρηση ή/και τον έλεγχο της ηλεκτρικής διέγερσης.