Cycling induced by functional electrical stimulation : a case study inspired by the experience of CYBATHLON 2020

Functional electrical stimulation (FES) in subjects with spinal cord injury (SCI) provides a means of mobilizing intact lower leg structure and has been shown to be very effective in preventing secondary complications when used regularly over a period of time. FES can be used to produce cyclical leg motion, allowing people with SCI to pedal either stationary or outdoor. To date, one of the main limitations to outdoor FES-cycling is the low power output produced, and the rapid onset of muscle fatigue. Many stimulation strategies evidenced a positive effect in delaying the onset of muscle fatigue. Between the most promising techniques there are surface distributed sequential stimulation (SDSS) and doublet frequency trains stimulation (DFTs). This work presents a case study carried out with the aim of comparing SDSS and DFTs with more traditional constant frequency stimulation patterns, in a FES-cycling task. The case study has been developed starting from the experience in the FES-bike race discipline in CYBATHLON 2020. The experimental set-up used for the study is a recumbent commercial trike instrumented to integrate the electrical stimulation and used to participate in CYBATHLON 2020. One subject (39 years old, 75 m high, 70 kg) with complete SCI (ASIA score A) at level T5-T6 participated in 12 acquisitions. The results showed a worse performance of SDSS compared to the other stimulation strategies. Possibly this could be due to the electrode positioning in the SDSS set-up, thus the experimental protocol has been adapted to conduct other 12 acquisitions using a different electrode configuration.

La stimolazione elettrica funzionale (functional electrical stimulation, FES) in soggetti con mielolesioni (spinal cord injury, SCI) consente di mobilizzare le strutture intatte degli arti inferiori, dimostrandosi uno strumento molto efficace per prevenire complicazioni secondarie, se applicata in modo regolare per un consistente periodo di tempo. La stimolazione elettrica funzionale può essere utilizzata per riprodurre il movimento delle gambe che caratterizza la pedalata. In questo modo un soggetto paraplegico o tetraplegico può pedalare sia in modo stazionario usando un cicloergometro, ma anche all’aperto utilizzando una bicicletta opportunamente adattata. Ad oggi, le limitazioni principali all’applicazione della FES alla pedalata in esterno sono la produzione di livelli di potenza troppo bassi per superare attrito e pendenze e l’affaticamento precoce dei muscoli. Diverse strategie di stimolazione si sono dimostrate vantaggiose nel posporre la comparsa dell’affaticamento muscolare e tra le più promettenti si trovano la stimolazione distribuita (surface distributed sequential stimulation, SDSS) e la stimolazione con doppietti di impulsi (doublet frequency trains stimulation, DFTs). Questo lavoro di tesi si configura come un caso studio realizzato con lo scopo di confrontare SDSS e DFTs con le strategie di stimolazione più tradizionali durante un task di pedalata indotta dalla FES. Lo sviluppo dello studio si è basato sull’esperienza maturata partecipando a CYBATHLON 2020 nella disciplina di FES-bike. Il set-up sperimentale utilizzato nello studio è un trike commerciale reclinato che è stato adattato all’utilizzo da parte di soggetti con mielolesioni. Il prototipo è lo stesso utilizzato per partecipare a CYBATHLON 2020. Lo studio è stato condotto su un solo soggetto (39 anni, altezza 1.75 m e peso 70 kg) paraplegico con lesione completa (ASIA A) al livello T5-T6, che ha partecipato a 12 acquisizioni nell’arco di due mesi. I risultati dello studio evidenziano una peggiore performance della stimolazione distribuita (SDSS) rispetto alle altre strategie di stimolazione. C’è la possibilità che questo sia dovuto al posizionamento degli elettrodi utilizzato per testare la strategia SDSS, pertanto il protocollo è stato riadattato per permetter di svolgere altre ulteriori 12 acquisizioni con una differente configurazione degli elettrodi.