Effects of EMG-based vibro-tactile biofeedback on motor strategies in childhood dystonia : a preliminary study

Dystonia is a movement disorder in which involuntary sustained or intermittent muscle contractions cause twisting and repetitive movements, abnormal postures or both. Several studies support the hypothesis that dystonia may be characterized by an impairment of sensorimotor integration. Biofeedback (BF) is a technique that consists in feeding back information about physiological processes, assisting the individual to increase awareness of these processes and to gain voluntary control over them. In the present study, dystonic children and age-matched healthy subjects receive vibro-tactile biofeedback proportional to the activation of target muscles along the upper-limb kinematic chain. The study consists of two experimental protocols, back and forth movements between two targets on the iPad screen and figure-eight writing. This latter, in particular, is performed in three different conditions: without the use of BF, with BF positioned on a distal muscle and with BF placed proximally. In the last two conditions, the requirement is to reduce the target muscle activation. The set-up consists of an acquisition system that integrates and synchronizes EMG, upper-limb kinematics and 2-D coordinates of the stylus pen tip on the tablet. The system encloses a small vibrator motor with related control algorithm developed ad-hoc in order to ensure a vibration frequency proportional to the target muscle activation. This preliminary study highlights important differences between dystonic and healthy populations, in terms of motor strategies and selective control of muscular activaty. In addition, the employed analytical tools turned out to be useful in order to link muscle activity to kinematic components of the task without the need for a detailed biomechanical model. Finally, the current work draws attention to important remarks that have to be taken into account in case of a rehabilitative use of the BF paradigm.

La distonia è un disordine del movimento caratterizzato da contrazioni muscolari involontarie sostenute o intermittenti, che causano movimenti torcenti e ripetuti e posture anomale. Alcuni studi supportano l’ipotesi che nella distonia, l’integrazione sensorimotoria a livello del sistema nervoso centrale sia in qualche modo deficitaria. Il biofeedback (BF) è una tecnica che consiste nel fornire un’informazioni riguardante un determinato processo fisiologico, al fine di aiutare l’individuo ad assumerne una maggiore consapevolezza e ad acquisire un controllo volontario di tale processo. Nel presente studio, bambini affetti da distonia e soggetti sani di età comparabile, ricevono un biofeedback vibro-tattile proporzionale all’attivazione di determinati muscoli appartenenti alla catena cinematica dell’arto superiore. Lo studio consta di due protocolli sperimentali, movimenti di andata e ritorno tra due target sull’iPad e scrittura della figura “8”. In particolare, l’esecuzione di quest’ultima prova, è realizzata in tre diverse condizioni: senza l’utilizzo di BF, con BF posto su un muscolo distale e con BF posizionato prossimalmente. Nelle ultime due condizioni la richiesta è di ridurre l’attivazione del muscolo target. Il set-up consta di un sistema di acquisizione che integra e sincronizza EMG, cinematica dell’arto superiore e coordinate 2-D della punta della penna sul tablet; nel sistema si inserisce un piccolo vibratore con algoritmo di controllo sviluppato ad-hoc al fine di ottenere una proporzionalità tra la frequenza di vibrazione e l’attivazione muscolare del muscolo target. Questo studio preliminare ha messo in evidenza importanti differenze tra la popolazione distonica e quella sana, in termini di strategie motorie e di controllo selettivo dell’attivazione muscolare. Inoltre, gli strumenti analitici utilizzati si sono rivelati utili al fine di determinare il contributo muscolare alle diverse componenti del movimento, senza l’utilizzo di un modello biomeccanico. Infine, sono emerse considerazioni importanti nell’ottica dello sviluppo di un paradigma di biofeedback a scopo riabilitativo.