A study investigating the use of a multielectrode array as a method to reduce fatigue induced by electrical stimulation

Neuromuscular electrical stimulation (NMES) is used in rehabilitative settings to increase muscle strength and motor functions. Fatigue limits the treatment duration of NMES thus limiting the treatment benefits. The nonselective, spatially fixed, temporally synchronous pattern of motor unit recruitment produced by conventional stimulation is a major cause of fatigue during NMES. In this study, we investigated a method to postpone the onset of muscular fatigue by sequentially changing the area of stimulation using a multi-pad electrode array. Two different protocols were compared in terms of the work produced by stimulation of the quadriceps during pedaling: (1) conventional stimulation using standard surface stimulation electrodes at 30 Hz; (2) spatially-distributed stimulation using a multi-pad electrode array to asynchronously stimulate 6 cathodes with interleaved pulses at 16.67 Hz (a resultant stimulation frequency of 100 Hz). Each stimulation mode was delivered on separate days, adjusting the stimulation parameters to match the produced work. Eight healthy subjects were involved in the trials. The fatigue times (time for the work to decrease by 30%), the work produced at the end of the trials, and the average work during the entire trials were not found to differ between protocols. Thus, the results are inconclusive as to whether or not there is an advantage to using asynchronous stimulation as a method to reduce NMES-induced fatigue. Asynchronous stimulation has shown promising results in previous literature. If asynchronous stimulation proves to be an effective method to reduce NMES-induced fatigue, the method would be beneficial for rehabilitative purposes as well as for assistive purposes. Future work should examine the effect of stimulation frequency on the fatigue rate and the smoothness of the induced movements. The effect of differing charge levels between the protocols should also be considered. Finally, future work should also investigate ways to prevent overlap in the activation areas of each cathode during asynchronous stimulation as overlap in the activation area may hinder the method’s effectiveness in reducing NMES-induced fatigue.

La stimolazione elettrica neuromuscolare (NMES) è un trattamento comunemente utilizzato in ambito riabilitativo per ottenere miglioramenti in termini di forza muscolare e funzionalità motoria. Il precoce insorgere dell’affaticamento muscolare limita però la possibile durata di trattamenti basati su stimolazione elettrica, limitandone pertanto anche i benefici. Tale affaticamento precoce è causato principalmente dal reclutamento delle unità motorie indotto dalla stimolazione convenzionale che risulta essere non-selettivo, spazialmente fisso e sincrono da un punto di vista temporale. In questo studio, si è analizzata la possibilità di posticipare l’insorgere dell’affaticamento muscolare sostituendo gli elettrodi di stimolazione standard con una matrice di elettrodi che permette di modificare in modo sequenziale, ad ogni impulso di corrente, l’area di stimolazione. Due protocolli sono stati messi a confronto in termini di lavoro indotto dalla stimolazione del quadricipite durante la pedalata: (1) stimolazione convenzionale basata sull’utilizzo di una coppia di elettrodi superficiali standard (un anodo e un catodo) con una frequenza di stimolazione pari a 30 Hz; (2) stimolazione distribuita spazialmente basata sull’utilizzo di una matrice di elettrodi (catodi) e un singolo elettrodo standard (anodo) che permette una stimolazione asincrona di 6 diversi catodi rispetto ad un unico anodo di riferimento. Ciascun catodo viene stimolato con una frequenza di 16.67 Hz che risulta in una frequenza globale di stimolazione del muscolo pari a 100 Hz. Ciascuna modalità di stimolazione è stata valutata in giorni separati, identificando i parametri di stimolazione in modo da produrre lo stesso lavoro. Otto soggetti sani sono stati coinvolti nelle prove sperimentali. I risultati dello studio non hanno evidenziato nessuna differenza statisticamente significativa tra i due protocolli in termini di tempo necessario per avere una riduzione di lavoro pari al 70%, lavoro prodotto alla fine della prove e lavoro medio prodotto durante tutta la prova. Pertanto, non è stato possibile evidenziare una differenza tra le due modalità di stimolazione in termini di affaticamento muscolare. Si è però evidenziato che la stimolazione asincrona è in grado di produrre una data quantità di lavoro con valori significativamente più bassi di ampiezza di corrente e durata dell’impulso rispetto alla stimolazione convenzionale. Tale aspetto è principalmente dovuto all’aumento della frequenza globale con cui risulta essere stimolato il muscolo. In studi precedenti riportati in letteratura la stimolazione asincrona ha portato ad alcuni primi risultati promettenti. Se tali risultati venissero confermati in modo estensivo, la stimolazione asincrona potrebbe diventare un metodo efficace per ridurre l’insorgere dell’affaticamento muscolare indotto dalla stimolazione, e quindi prolungare la durata dei trattamenti riabilitativi e la loro efficacia. Sono necessari studi futuri per analizzare l’effetto della frequenza di stimolazione sulla velocità di affaticamento da un lato e sulla fluidità del movimento indotto dall’altro. Inoltre, è necessario studiare l’effetto di diversi valori di quantità di carica inviati al muscolo tra i due protocolli. Infine, è necessario identificare delle soluzioni per prevenire la sovrapposizione tra le aree di attivazione indotte da ciascun catodo durante stimolazione asincrona, in quanto tale sovrapposizione può limitare l’efficacia di tale metodo nel ridurre l’affaticamento muscolare.