Cycling induced by Functional Electrical Stimulation (FES): how to reduce muscular fatigue and improve performances towards Cybathlon 2024

Functional Electrical Stimulation (FES) is one of the most employed rehabilitation techniques among patients with spinal cord injury (SCI). To maximize its benefits, FES is widely used in combination with cycling. In fact, it has been shown that FES-Cycling yields positive outcomes in body composition, metabolic functions, and neural factors in the paralyzed body areas of SCI patients. Furthermore, it has been shown that FES-cycling leads also to improvements in bowel regularity, perceived pain, and various psychological parameters such as anxiety and depression. In the last few years, competitions like Cybathlon have prompted the idea of FES-cycling not only as a rehabilitation method but also as a sporting activity. However, this discipline is associated with two major challenges that limit its utilization: low power output and early muscular fatigue.\par The following study presents a comprehensive longitudinal investigation of a six-month FES-Cycling training protocol which involved 5 subjects with SCI. The objective of this research was to compare four different stimulation strategies in terms of spatial and temporal distribution of pulses to delay the onset of fatigue. It was observed that the use of spatial distribution of pulses led to a greater muscle pedaling capacity during fatigue. Additionally, the psychological impacts of the discipline were assessed through questionnaires such as the Sport Motivation Scale (SMS) or the Physiological General Well-Being Index (PWGBI) demonstrating that FES-Cycling can be considered a proper "sport-therapy". Clinical analyses, MRI, and MOC were then conducted to assess variations in muscle volume and BMD resulting from stimulation. Finally, improvements in subjects' performance were evaluated, and the collected data were utilized to construct a specific training protocol in preparation for Cybathlon 2024.

La stimolazione elettrica funzionale è una delle più utilizzate tecniche di riabilitazione per pazienti affetti da lesioni spinali. Essa è frequentemente impiegata per riprodurre atti motori complessi come, ad esempio, la pedalata ed è ormai considerata una delle tecniche di riabilitazione associata al più ampio spettro di potenziali miglioramenti fisici. È stato dimostrato, infatti, che la pedalata indotta dalla stimolazione (FES-Cycling), se effettuata con costanza può condurre a miglioramenti della regolarità intestinale, alla normalizzazione della percezione del dolore ed in vari parametri psicologici come l'ansia e la depressione. Negli ultimi anni, grazie ad eventi come Cybathlon, questa disciplina ha acquisito anche una valenza sportiva oltre che riabilitativa . Questa competizione, infatti, mira all'abbattimento delle barriere legate alla disabilità promuovendo una ricerca scientifica il cui obiettivo sia la produzione di dispositivi di assistenza dal design cosiddetto "user-centred". Ad ogni modo, il FES-Cycling è associato a due cruciali problematiche che ne complicano l'utilizzo: il basso livello di potenza generato durante la pedalata e l'affaticamento precoce dei soggetti mielolesi. Il presente è uno studio longitudinale che ha coinvolto 5 pazienti affetti da lesione midollare in un protocollo di allenamento della durata di sei mesi. Durante gli allenamenti di FES-Cycling, sono state confrontate quattro strategie di stimolazione diverse sia in termini di distribuzione spaziale che in termini di distribuzione temporale degli impulsi, per valutare se tali differenze potessero portare a ritardare l'insorgenza della fatica. È stato osservato che l'uso della distribuzione spaziale degli impulsi, se condotta su muscolo già affaticato, può portare ad un maggiore mantenimento della frequenza di pedalata. Inoltre, durante lo studi, sono stati somministrati ai piloti dei questionari relativi alla motivazione sportiva ed al benessere psicologico con l'obiettivo di stimare gli impatti psicofisici della disciplina sui soggetti. Sono state inoltre condotte analisi cliniche, quali risonanza magnetica muscolare e MOC per valutare le variazioni del volume muscolare e della densità di massa ossea causate dalla stimolazione. Infine, sono stati valutati i miglioramenti nelle prestazioni dei soggetti e, a partire dai dati raccolti, è stato stilato un protocollo di allenamento specifico in preparazione al Cybathlon 2024.