Development of an Electromyography Detection System for the Control of Functional Electrical Stimulation in Neurological Rehabilitation (2011)

Der Schlaganfall stellt die häufigste Ursache für neurologische Beeinträchti­gungen dar. Im Rahmen der neurologischen Rehabilitation kann durch wiederholtes Üben das Gehirn aufgrund seiner „Plastizität“ verloren gegangene motorische Funktionen neu erlernen. Noch verbliebene schwache willkürliche Muskelaktivitäten können mittels Elektromyographie (EMG) erfasst werden. Die teilweise gelähmten Muskeln können des Weiteren durch Anwendung einer Funktionellen Elektrostimulation (FES) zusätzlich künstlich aktiviert werden. Bei den meisten existierenden FES-Systemen erfolgt die Aktivierung der FES manuell. Um die Bewegungsintention des Patienten im Rehabiltionsprozess zu berücksichtigen, bietet sich eine EMG-geregelte FES an. Die Erfassung von EMG-Anteilen zwischen den Stimulationsimpulsen stellt aufgrund möglicher Verstärkersättigung und Elektrodenpolarisation eine große Herausforderung dar. Im schlimmsten Fall kann der Verstärker durch die Stimulationsimpulse sogar dauerhaft beschädigt werden. Dieses Phänomen tritt im Fall einer EMG-Messung über die Stimulationselektroden wesentlich häufiger auf als bei Verwendung separater Elektroden für die EMG-Messung. Aufgrund der zuvor genannten Probleme ermöglichen die existierenden klinischen FES Systeme keine EMG-Messung während der Stimulation. In dieser Arbeit wird ein neu entwickeltes 4-kanaliges EMG-System (StiMyo) vorgestellt. Die EMG-Messung erfolgt dabei direkt über die Stimulationselektroden. Mit StiMyo wird es einfacher sein, muskuläre Reaktionen (z.B. Spastiken) während der FES zu beobachten und die Intentionen des Patienten aktiv in den Rehabilitationsprozess einzubinden. Ein microcontrollergesteuerter Schaltkreis wurde entwickelt, der den Verstärker vor Schäden durch Stimulationsimpulse schützt und schnelle Elektroden/Haut-Entladung ermöglicht. Diese schnelle Entladung dient der Minimierung der Elektrodenpolarisation. Der durch die Elektrodenentladung verursachte Stromfluss kann ein zweites Aktionspotential auslösen (erstmalig in dieser Arbeit experimentell beobachtet und D-Welle genannt). Die Latenz dieser D-Welle kann durch das Timing der Schalter und über den permanenten Entladewiderstand beeinflusst werden. Der Design-Prozess hat gezeigt, dass das nicht-FES-induzierte EMG aus dem aufgezeichneten Signal durch Verwendung gemischter Zeit-und Frequenzbereichsfilter gewonnen werden kann. Zwei FES-Anwendungen des StiMyo Geräts wurden experimentell mit neurologisch intakten Probanden untersucht. In der ersten Anwendung wurde StiMyo für EMG-gesteuerte FES des Handgelenks und der Finger-Extensoren eingesetzt. Zwei Regleransätze wurden untersucht und in einer Pilotstudie mit fünf gesunden Probanden experimentell validiert. Der erste ist EMG-proportionale FES. Der zweite Ansatz (EMG-getragene FES) ist ein Kompromiss zwischen EMG-getriggerter und EMG-proportionaler FES. Hierbei wird die Stimulation aktiviert, sobald das Willkür-EMG (vEMG) eine definierte Schwelle überschreitet, und sie bleibt aktiv, bis das vEMG eine zweite (tiefere) Schwelle unterschreitet. Die Ergebnisse in Bezug auf beide Ansätze haben gezeigt, dass intentionsbezogene FES-Unterstütztung mittels vEMG möglich ist. Die zweite Anwendung, für die StiMyo experimentell erprobt wurde, ist FES-Radfahren auf einem Ergometer mit einem Hilfs-Elektromotor. In einer Pilotstudie mit einem gesunden Probanden wurde demonstriert, dass die nicht FES-bezogene willentliche Muskelaktivität auch dann ermittelt werden kann, wenn die elektrische Stimulation aktiviert wurde. Die Stimulationsintensität wurde jeweils über die Ladungsmenge eingestellt. Unterschiedliche Verteilungen von Pulsbreite und Stromamplitude wurden experimentell in Bezug auf die Mindestintensität zur Aufrechterhaltung einer gewünschten Muskelarbeit und im Hinblick auf Muskelermüdung verglichen. Ergebnis dieser Studie mit gesunden Probanden war, dass Impulse mit hohen Stromamplituden und kurzen Pulsbreiten zu bevorzugen sind.