Voluntary cycling augmented by functional electrical stimulation in hemiparetic adolescents : a case series study

State of the art and aim of the work The present work is focused on the assessment of the potential benefit volitional cycling treatment augmented by functional electrical stimulation in the rehabilitation of young hemiparetic subjects.
Hemiparesis is a one-side partial loss of motor function caused by a number of different medical conditions mainly related to brain or spinal cord such as stroke, traumatic injury or cerebral palsy. The pathology causes muscular weakness and high spasticity, it affects fine and gross motor functions resulting in unbalance, walking impairments and difficulties to perform every day activities. Two of the main causes of hemiparesis in young subjects are cerebral palsy and stroke. Cerebral palsy (CP) is a group of motor disorders that appears in early life and is char- acterized by a non-progressive damage of the developing brain. The main risk factors of CP are the premature and low-weight birth. Some recent studies have assessed that the incidence of this pathology is increasing in the developed word as the infant mortality rate is significantly decreasing. The hemiplegia interests the 20-30% of CP population while the majority of the subjects presents diplegic CP. Stroke disease results in a loss of neurological function due to disturbance in blood flow in brain vessels creating a hypo-oxigenation that creates neuronal damage. Neuromuscular electrical stimulation is becoming a conventional method to improve mo- tor recovery in people affected by neurological disorders as it reduces the recovery time of patients and some evidences support that its benefits are maintained over time. In particular, functional electrical stimulation (FES) has been widely applied because it is oriented to the restoration of functional movements. The neurophysiological principle is based on the generation of action potential in the lower motor neurons by delivering low level of electrical voltage or current to sensory-motor fibers. This electrical pulses elicit the nerves toward the activation threshold causing a contraction of the muscles controlled by the motor unit. The effectiveness of FES in hemiparesis rehabilitation is supported by a number of stud- ies [1], [2], [3]. In particular muscular strength and atrophy as well as venous return and cardiovascular fitness can be significantly improved. Moreover, the reorganization of vol- untary movement and recovery of function during movement are shown. The neuroplasticity is supported by FES treatments as they provide the patients with a sensory volley that, ascending through the spinal cord till reaching the brain, can increase the activity in the spinal and cortical circuits [4]. This effect is particularly relevant if combined with voluntary effort. Moreover some studies [5] observed a grater flexibility of the central nervous system of young subjects, thus obtaining a wider recovery of motor function in patients who were damaged in the early life.
Further effect on neuroplasticity can be achieved performing repetitive and goal-oriented task. A safe, economic and widely accessible possibility to guarantee this approach is pro- vided by FES augmented cycling training. This direction is particularly interesting also to recover the locomotion ability, that is one of the main goal of the neuro-motor lower limb rehabilitation. In fact the kinematic pattern of walking is very similar to the one of cycling: both are cyclical, require reciprocal flexion and extension movement and have al- ternating muscle activation of agonist/antagonist muscles in a well-timed and coordinated manner. The instrumentation needed for FES cycling treatment includes a motorized cycle-ergometer and a stimulator that provides the electrical stimuli through surfaces electrodes positioned over the target muscles. In particular stimulation is usually delivered to knee flexors and extensors (quadriceps and hamstring), to hip extensors (gluteus maximus) and sometimes to dorsal and plantar flexors (tibialis anterior and triceps surae muscles). One of the most promising stimulation strategy is obtained following the physiological muscular strategy extracted on healthy subjects in a previous study [6]. In recent years the application of FES augmented cycling in the lower limb rehabilitation of hemiparetic adult subjects has been increasingly used, demonstrating the effectiveness in improving motor recovery and walking ability. Anyway, only few studies [7] are focused on FES for children rehabilitation although the encouraging premises. Recently a study of feasibility on five cerebral palsy adolescents has been performed [8] and results give some evidence that the stimulation was well tolerated. A recent study by Trevisi and colleagues [9] on two hemiparetic children has been carried out. The patients underwent 21 sessions of FES-cycling treatment and some improvement in terms of activation timing, symmetrical cycling and gait strategy was obtained. A randomized study [10] performed on sixty-two hemiparetic children assessed that a standard cycling training (with no FES intervention) does not promote significantly the motor recovery in young hemiparetic sub- jects. Thus, the augmented proprioception induced by FES could induce wider benefits. The main objective of the present thesis is to assess the feasibility and the effectiveness of FES augmented volitional cycling in improving gait and lower limb motor function on hemiparetic adolescents. In order to study the motor recovery of the subjects, clinical condition, walking perfor- mance and cycling assessment test was carried out. The present work is mainly focused on the acquisition and data analysis of pedaling assessment test and on the evaluation of the whole results for each patient. Material and methods Six patients have been recruited from the Neurological Institute “Carlo Besta” in Milan. Inclusion criteria were: age between 10 and 18 years, diagnosis of acquired hemiparesis, possibility of autonomous walk, low spasticity level in the lower limb (Modified Ashworth Score<2), lack of articular limitation, lack of pharmacological treatment with botulinum toxin or of surgery. No other rehabilitation programs were allowed during the study. Moreover, the subjects were excluded if electrode allergy or intolerance to stimulation was found. All patients received an information sheet and family compliance was required. The medical ethics committee of Institute Besta approved the research protocol. All participants were trained 3 times a week, receiving a total of 21 sessions lasting 30 minutes each. Each session consisted of 5 minutes of passive pedaling on a motorized cycle- ergometer (warm-up phase), 20 minutes of FES synchronized with voluntary pedaling and 5 minutes of passive pedaling (warm-down phase). FES was delivered to gluteus maximus, quadriceps, hamstring and tibialis anterior of both legs following a physiological muscular strategy extracted on healthy subjects in a previous study [6]. The RehaStim stimulator (Hasomed GmbH) together with the MOTOmed Viva2 ergometer (Reck GmbH) were used for the intervention. To assess the effectiveness of the treatment, the subjects were tested in four different sessions, two before the treatment and two after. Before the treatment the tests were per- formed at a distance of 7 weeks during which the subjects were supposed to perform their daily activities. The two assessment sessions, oPRE (observation PRE) and PRE in the following, allowed to monitor the trend of neuromotor variation due to the physiological growth, particularly marked during the considered range of age. The assessment tests after the treatment (POST and FU in the following) were performed in order to evaluate both short-term and long-term effect of the FES-cycling trial. In fact the POST test was performed immediately after the end of the treatment while the follow-up (FU) session was carried out 12 weeks after the end of the intervention; during this period the subjects came back to their daily life activities without any particular treatment. Each assessment session was composed by three different tests: the clinical assessment, the gait analysis and the pedaling test.
The clinical assessment was performed at “Carlo Besta” Neurological Institute Founda- tion and consisted of the evaluation of some clinical scales. The first one was the Winter scale, intended to investigate the functional deficit level during walking of CP subjects. Another evaluation concerning the locomotion ability was the Observational Gait Scale (OGS) that was obtained from a video recorded during walking. The Gross Motor Func- tion Measurement (GMFM) was used to study the gross motor skills and was developed for children and adolescents with CP. The Boyd test assessed the distal selective motor voluntary control during a dorsi-plantar flexion exercise. At last the Modified Ashworth scale evaluated muscular spasticity. The gait analysis is a standardized technique of movement analysis that provides quantita- tive information on the locomotion ability. It was performed at “Luigi Divieti” posture and movement analysis Laboratory with an optoelectronic system ELITE 2000 (BTS Company SpA, 8 cameras, 100 Hz) integrated with two force platform. The optoelectronic system recorded the position of markers positioned on the subjects following the Davis protocol. The outcome measures extracted from this test concerned the spatio-temporal parameters (mean velocity, step length of paretic and healthy leg LPL, LHL and Symmetry Index SI computed as the ratio between LPL and LHL), kinematics (angular values of ankle, knee IV and hip on frontal, sagittal and horizontal plane), kinetics (moment and power produced at ankle knee and hip on sagittal plane) and vertical forces exchanged to the ground. The last assessment test was aimed at studying the performance during voluntary pedal- ing as it was the motor task that was directly trained during FES treatment. This test was performed at NeuroEngineering And medical Robotic Laboratory (NEARLab) and consisted of 1 minute of passive cycling, followed by 2 minutes of voluntary pedaling dur- ing which the subjects were asked to maintain a constant speed of 30 rpm. A motorized cycle-ergometer (Thera-LiveTM, Medica Medizintechnick GmbH, Germany) customized with resistance strain gauges mounted at the crank arms was used to measure the torque generated by each leg during pedaling. The crank angle, the cadence and the torque sig- nals were acquired at a frequency of 200 Hz with a PC running Linux Real Time. During the pedaling test, EMG signals of the rectus femoris (RF), vastus medialis (VM), biceps femoris (BF), tibialis anterior (TA) and gastrocnemius medialis (GM) of both legs were also measured. A multi-channel signal amplifier working at 1 kHz (Porti32TM TMSi, Netherlands) was used. Bipolar surface electrodes were placed over the intended muscles as SENIAM (Surface Electromyography for the Non-Invasive Assessment of Muscles) rec- ommends in order to minimize the possibility of cross talk between muscles. Within each session an isometric Maximum Voluntary Contraction (MVC) test was also performed. This test was intended to provide information on the maximal muscular activation level of each level thus representing a reference level to compare the amount of activation between different sessions. However it is important to highlight that it is not always guaranteed that the reference EMG values recorded during MVC represent the maximal neural drive during pedaling. The outcome measures extracted from the pedaling test were the cadence maintained by the subject during the voluntary pedaling, the mechanical work produced by each leg, the unbalance between them and the muscular activation timing.
The active torque profiles during voluntary pedaling were estimated by subtracting the passive torques from the measured total torques. The work produced by each side was computed as the integral of the active torque profiles mapped as function of the crank angle. The median work values produced by the paretic (WPL) and the healthy (WHL) legs were calculated on all the single-revolution values. Moreover, the unbalance (U) in the work between the paretic and healthy leg was computed as U = |WHL−WPL|%. Its value ranged from 0% (identical works) to 100% (paretic work =0). The work values were also analysed dividing the contribution during pulling and pushing phases of each cycle (WPULL WPUSH respectively).
Muscle activation timing and co-contraction of rectus femoris and biceps femoris muscles during cycling was extracted from electromyographic signals. After a standard EMG anal- ysis (high-pass filter at 10 Hz, rectification, low-pass filter at 5 Hz), the activation timing of each muscle was computed as follows: 1. A spline function was used to define the EMG envelope as a function of the crank an- gle. The revolutions that differ from mean profile of more that 3 standard deviation were considered outlier and removed. 2. The remained profiles obtained in 20 second of acquisition were averaged. Please note that in 2 minutes of acquisition 6 mean profiles should be obtained. 3. Each of the 6 mean profiles were normalized with two different methods. The MVC values were used only for the subjects that during all the pedaling sessions were able to achieve, for each muscles, MVC values above the activation level obtained during pedaling. Otherwise the maximum activation value obtained during the pedaling was used for normalization. Please note that in the first case a comparison of the muscular activation level between sessions was possible. The co-contraction between the rectus femoris and the biceps femoris was evaluated using a co-contraction index (CCI) defined in a previous study [9]. The CCI of the j-th mean profile was computed as CCI(j) = SOverlap(j) where SRF and SBF denote the SRF (j) + SBF (j) surface area under each normalized EMG profile of RF e BF, respectively. Soverlap is the overlap area of the two EMG profiles.
Normality ranges for the outcome measures related to the pedaling test were computed on an age-matched control group (CG) of 6 healthy volunteers (age 14.3±1.0 years). A statistical analysis considering each subject individually was also performed. A Kruskal- Wallis test was used to compare outcome measures of both gait analysis and pedaling test obtained at the different time points. If a significant difference between oPRE, PRE, POST and FU assessments was found (p<0.05), a post-hoc analysis was performed com- paring pairs of tests. A Mann-Whitney U test was also performed for the pedaling test to compare each patient with the control group at the different time points. No statistical analysis comparing the four subjects was performed because of the low sample size. Results Six hemiparetic subjects have been recruited form the Developmental Neurology Unit of Besta Institute but two of them withdrew with the study during the second week of the FES treatment as the effort required by the training was not compatible with their every day activities. Thus the training was concluded by four male patients of age between 12 and 17 years with diagnosis of acquired hemiparesis. Three subjects were affected by cerebral palsy while the last one experienced a stroke 8 years before the beginning of the study. The clinical tests showed that all patients were slightly impaired at baseline. In fact all the scores obtained are just below the normality ranges but the spasticity level that was moderate for the CP patients and severe for the stroke subject. After the treatment the clinical scales maintained the values obtained at baseline. An example of the main results obtained during gait analysis and pedaling test by one of the subjects (S4) is shown in Fig. 2.
The gait analysis allowed to observe that the subjects were able to walk at a speed just be- low the ranges of healthy subjects already at baseline. According to a previous study [11], the speed value obtained by all subjects was characteristic of people with lack of sub- stantial limitation. The step length of the paretic and healthy leg showed few deviation already during oPRE and PRE tests, maintained after the training. For all the subjects the values of symmetry was within the normality ranges. The kinematics showed that during oPRE and PRE tests some deviation occurred at dis- tal level. In particular the angle of dorsi-plantar flexion of the ankle was characterized by reduced range of motion for both paretic and healthy leg for all the subjects. Angles of initial contact and minimum dorsiflexion were also impaired. After the treatment one of the subjects (S1) obtained significant difference in his ankle dorsi-plantarflexion angle towards the normality ranges. Other results at ankle level were obtained from the kinetics that highlighted a reduced propelling ankle power that was significantly improved after the training for two out of four patients (relative increase of about 25% for S1 and 18% for S4, see Fig. 2).
In terms of vertical forces exchanged to the ground, some improvements both in loading response peak and push-off peak were obtained for one out of four patients (S1). The pedaling assessment showed that all the patients were able to maintain autonomously the speed required during the test. The work produced by the healthy leg during cycling was perfectly within the control group range for S1 while it was above the normality ranges for S2, S3 and S4 (see Fig. 2). In particular an exaggerated pulling work was produced, partially sustaining the pushing phase of the paretic limb, that in fact presented reduced values. No changes occurred after treatment for the healthy leg while the paretic limb was significantly improved for two of the subjects (S2 and S3). The results were maintained at FU.
 The unbalance between the overall work produced by the two legs assessed the symmetry of the movement. Three out of four subjects (S2, S3 and S4) obtained less symmetrical movement than the control group. A significant improvement of the symmetry was ob- served for one of these patients (S3) after the treatment.
The muscular activation timing during pedaling was also assessed. The EMG profiles of S1 and S2 were normalized to the maximum activation obtained for each muscles during pedaling as they were not able to perform the MVC test obtaining results over the acti- vation reached by each muscle during the pedaling exercise.
Differently for all the six healthy subjects that composed the control group the MVC normalization could be used. Their data assessed that BF, TA and GM had a very low activation level (peak value at 8%, 14% and 15% respectively) and, especially for TA and GM, a high variability was observed. These results can be explained as the pedaling test was performed on a cycle ergometer that fixed the ankle angle at 90◦. The high variability level was observed also for all the patients thus obtaining results not useful for the eval- uation of their motor performance. However, it is important to highlight that, since the training was performed on a cycle-ergometer with AFO, no specific activation of distal muscles was required, resulting in a low amplitude and not repeatable EMG profiles. The activation timing of proximal muscles (RF, VM and BF) of the healthy leg did not show significant deviation thus no compensation strategy occurred. Concerning the paretic limb, one of the subjects (S1) had deviations that was slightly improved in the POST ses- sion but not maintained at FU. S2 did not change over time while for the other two subjects (S3 and S4) some variation were observed but no improvement trend could be clearly observed. The activation level obtained on the two subjects that correctly per- formed the MVC showed that the relative activation level of proximal muscles after the treatment was decreased.
Finally, the study of the co-contraction of RF and BF showed that these two muscles were correctly timed already at baseline for two patients (S1 and S4). S2 during PRE test obtained an higher value that after the treatment was correctly restored both at POST and FU. At last S3 showed higher value, maintained over time but for FU assessment. Conclusion and future developments The feasibility of an FES augmented voluntary cycling treatment on young hemiparetic subjects was assessed: all the recruited patients responded to stimulation and well toler- ated the treatment.
The results obtained during the clinical assessment tests showed that all the recruited subjects were slightly impaired at baseline and no variation occurred over time. Some distal improvement in locomotion ability was observed concerning the range of mo- tion and the propelling power of the ankle during the gait analysis. The pedaling test highlighted that the subjects were able to perform the pedaling exercise with only few deviation in the production of work already at baseline. Moreover the muscular activation timing did not significantly changed over time. Some more results were obtained for prox- imal muscles while no clear improvement was observed in distal muscles (TA and GM). The study design pointed out that high variability between the oPRE and PRE sessions occurred. In fact some results significantly changed between the two sessions both on gait analysis and pedaling test. In the future, researches should investigate the intra-session repeatability of these tests on young hemiparetic subjects. One of the main aim of the FES augmented volitional cycling was to maximize the effect of the electrical stimulation on the neuroplasticity, thus future study could also investigate the cortical reorganization occurred after the treatment.
Since the training was safe and the instrumentation was quite low-priced, the treatment could be delivered in a domestic setting thus minimizing the effort for both young patients and their family. Further investigation are required to assess this possibility. The present study, although on a small sample size, did not obtain evidence of motor re- covery on slightly impaired population. Further studies could be performed in the future assessing the effectiveness of FES augmented voluntary pedaling on subjects with more severely impaired locomotion ability. Moreover a bigger sample size would be required to validate the results of the study.

Stato dell’arte e obiettivi Il presente lavoro `e focalizzato sulla verifica dell’efficacia riabilitativa di un trattamento di pedalata volontaria aumentata da stimolazione elettrica funzionale (SEF) in adolescenti emiparetici.
L’emiparesi `e una condizione patologica caratterizzata da una perdita parziale di funzionalità motoria indotta da danni cerebrali o midollari, tra cui ictus, paralisi cerebrale (PC) e traumi. Essa si manifesta con spasticità e debolezza muscolare, danneggiando le funzioni fino e grosso-motorie tanto da rendere difficile lo svolgimento delle attività quotidiane quali il cammino. La PC e l’ictus sono tra le principali cause di emiparesi in soggetti giovani.
 La PC `e un gruppo di disordini motori che compare nei primi anni di vita ed `e caratterizzata da un danno cerebrale non progressivo. I fattori di rischio più rilevanti sono la nascita prematura e sottopeso; alcuni studi recenti hanno verificato che l’incidenza di PC è in crescita nel mondo occidentale poiché il tasso di mortalità infantile `e diminuito. Tra la popolazione affetta da PC, il 20-30% e` interessato dalla forma emiplegica mentre la maggioranza dei soggetti presenta diplegia.
 L’ictus e` una patologia che comporta perdite di funzionalita` neurologiche a causa di disturbi del flusso sanguigno nei vasi cerebrali che comportano ipo-ossigenazione dei tessuti. La stimolazione elettrica neuromuscolare sta diventando un metodo convenzionale per la riabilitazione motoria in soggetti con disturbi neurologici poiche` riduce i tempi di recupero ed inoltre, in alcuni casi, mantiene nel tempo i benefici.
In particolare la stimolazione elettrica funzionale (SEF) e` largamente utilizzata perche `e volta al recupero di movimenti funzionali.
Il principio neurofisiologico su cui si basa `e la generazione di potenziali d’azione nei moto- neuroni inferiori grazie all’applicazione di impulsi di corrente elettrica. Tali impulsi vanno a stimolare i nervi e i muscoli e, qualora venga raggiunta la soglia di eccitazione, provocano una contrazione muscolare. La stimolazione puo` essere modulata attraverso alcuni parametri: la forma d’onda (monofasica o, piu` spesso, bifasica), la frequenza, l’ampiezza e la pulse width. 
L’efficacia riabilitativa della SEF `e stata dimostrata da molti studi [1], [2], [3] che testimoniano un miglioramento della forza, dell’atrofia muscolare, del ritorno venoso e del sistema cardiovascolare in genere. Sono inoltre stati osservati benefici nella riorganizzazione del movimento volontario e funzionale. La SEF incrementa l’attivita` a livello dei circuiti corticali e spinali agendo sulla neuro-plasticita` e, conseguentemente, sul recupero motorio sia a breve che a lungo termine [4]. Questo effetto `e massimizzato se la SEF `e sincronizzata con il comando volontario. Alcuni studi [5] hanno permesso di osservare una maggiore flessibilita` del sistema nervoso centrale in soggetti giovani che, a parita` di danno, ottengono un recupero delle funzioni motorie superiore. Malgrado le premesse incoraggianti, solo pochi studi hanno verificato l’effetto di trattamenti di SEF sulla neuroplasticita` dei bambini. Inoltre nella clinica si `e osservato un ulteriore incremento della neuroplasticita` tramite esercizi ripetitivi e orientati ad uno specifico obiettivo. Questo approccio puo` essere garantito in modo sicuro ed economico da trattamenti basati su pedalata indotta da SEF che, non richiedendo equilibrio, permettono di svolgere l’esercizio in sicurezza anche per pazienti con scarsa autonomia. La pedalata puo` essere d’aiuto anche nel recupero del cammino, che `e uno degli obiettivi primari in soggetti con deficit motori. Infatti, i due gesti motori della pedalata e del cammino hanno pattern cinematici simili essendo entrambi ciclici, con movimenti reciproci di flessione ed estensione che coinvolgono l’alternarsi dell’attivazione di muscoli agonisti/antagonisti in modo coordinato. La strumentazione richiesta per un trattamento di pedalata indotta da SEF comprende un ciclo-ergometro sensorizzato e uno stimolatore che invia gli impulsi elettrici ad elettrodi di superficie opportunamente posizionati sui muscoli bersaglio. Tra questi i piu` utilizzati sono flessori ed estensori di ginocchio (quadricipite e hamstring), estensori dell’anca (gluteo massimo) e, a volte, dorsi-plantar flessori (tibiale anteriore e muscolo tricipite della sura). Una delle strategie di stimolazione piu` promettenti prevede di attivare ciascun muscolo nei range angolari di attivazione muscolare fisiologica, ottenuti su soggetti sani in uno studio precedente [6]. Negli ultimi anni, mentre le applicazioni di pedalata indotta da SEF nella riabilitazione dell’arto inferiore di soggetti emiparetici adulti sono aumentate dimostrando l’efficacia del trattamento nel migliorare il recupero motorio, solo pochi studi sono stati effettuati sulla popolazione giovane [7].
 La fattibilita` del trattamento su 5 adolescenti affetti da PC `e stata studiata recente- mente [8] verificando che la stimolazione elettrica `e ben tollerata dai pazienti. Un’altra ricerca [9] ha sottoposto a 21 sessioni di pedalata indotta da SEF due adolescenti con PC ottenendo miglioramenti di termini di simmetria del movimento e co-contrazione di muscoli agonisti-antagonisti. Inoltre uno studio randomizzato [10] su 62 bambini emiparetici ha dimostrato che un trattamento di pedalata standard (non assistito da SEF) non migliora significativamente il recupero motorio su giovani emiparetici. Pertanto la SEF aumentando la propriocezione potrebbe indurre benefici maggiori dei trattamenti di pedalata tradizionali. L’obiettivo primario della presente tesi `e di verificare la fattibilita` e l’efficacia di un tratta- mento di pedalata volontaria aumentata da SEF nel migliorare il cammino e la funzionalita` motoria dell’arto inferiore di adolescenti emiparetici. Al fine di monitorare i pazienti sono stati svolti alcuni test verificando le condizioni cliniche, l’abilita` nel cammino e la performance in pedalata dei soggetti. Il presente lavoro `e focalizzato sull’acquisizione e l’analisi dati del test di pedalata, mentre i dati clinici e di analisi del cammino sono stati raccolti ed analizzati per ottenere un quadro completo degli effetti del trattamento. Materiali e metodi Sei pazienti sono stati reclutati presso l’Istituto Neurologico “C. Besta”. I seguenti criteri di inclusione sono stati stabiliti per lo studio: eta` tra i 10 e i 18 anni, diagnosi di emiparesi acquisita, possibilita` di cammino autonomo, bassi livelli di spasticita` (scala di Ashwort modificata < 2), mancanza di limitazioni articolari. I soggetti sono stati esclusi dalla sperimentazione nel caso fossero stati precedentemente trattati con tossina botulinica o avessero subito interventi di chirurgia. Inoltre si sono verificati l’assenza di allergia agli elettrodi e la tolleranza alla stimolazione elettrica. Vista la giovane eta` dei soggetti, era richiesta collaborazione da parte delle famiglie che hanno firmato un consenso informato. Il comitato etico dell’Istituto Besta ha approvato il protocollo di ricerca. Tutti i partecipanti sono stati sottoposti al trattamento 3 volte a settimana per sette settimane, con sessioni della durata di 30 minuti. Ciascuna sessione comprendeva 5 minuti di pedalata generata dal motore del ciclo-ergometro (fase passiva di riscaldamento), 20 minuti di pedalata volontaria sincronizzata con SEF, e ulteriori 5 minuti di pedalata passiva. Quattro muscoli (quadricipite, gluteo massimo, hamstring e tibiale anteriore) per ciascuna gamba sono stati stimolati in intervalli angolari sfasati di 180◦. La strumentazione usata comprendeva uno stimolatore RehaStim (Hasomed GmbH) ed un ciclo-ergometro MOTO- med Viva2 (Reck GmbH). Per verificare l’efficacia del trattamento i soggetti sono stati testati in quattro differenti sessioni, due prima del trattamento e due dopo. In particolare le prime due, nel segui- to indicate come oPRE (observational-PRE) e PRE, erano a distanza di sette settimane durante le quali i soggetti hanno svolto le loro attivita` quotidiane. In questo periodo di osservazione e` stato monitorato il trend di aggiustamento neuromotorio dovuto alla crescita. Le due sessioni successive al trattamento, indicate nel seguito come POST e FU (follow-up), erano distanziate di 12 settimane e hanno permesso di monitorare gli effetti del trattamento a breve e lungo termine. Ciascuna delle quattro sessioni era composta da tre differenti tipologie di test: test clinici, analisi del cammino e test della pedalata.
I test clinici sono stati effettuati presso l’Istituto Neurologico “Carlo Besta” ed erano basati sull’analisi di scale ciniche neurofunzionali tra cui la classificazione di Winter per definire l’entita` del deficit funzionale del cammino, la Gross Motor Function Measure (GMFM) per valutare cambiamenti in diverse funzioni grosso-motorie, il Test di Boyd per valutare il controllo volontario motorio selettivo distale e la Observational Gait Scale (OGS) che valuta i pattern cinematici del movimento durante il cammino. Infine la scala di Ashworth modificata ha permesso di classificare la spasticita` dei soggetti. L’analisi del cammino e` stata realizzata presso il Laboratorio di analisi della postura e del movimento “Luigi Divieti” del dipartimento di elettronica informazione e bioingegneria (DEIB) del Politecnico di Milano al fine di ottenere informazioni quantitative su possibili benefici nel controllo motorio durante la locomozione. Su ciascun soggetto sono stati posizionati dei marker secondo il protocollo Davis ed `e stato utilizzato il sistema opto- elettronico ELITE 2000 (BTS company SpA, con 8 telecamere a frequenza di 100 Hz) integrato con due piattaforme di forza permettendo di estrarre informazioni circa i para- metri spazio-temporali (la velocita` media, la lunghezza del passo sia dell’arto paretico che sano e un indice di simmetria calcolato come rapporto tra la lunghezza del passo paretico e di quello sano), la cinematica (angoli articolari di anca, ginocchio e caviglia sui piani frontale, sagittale e orizzontale), la cinetica (momento e potenza prodotti da caviglia, ginocchio e anca sul piano sagittale) e le forze verticali di reazione al terreno. L’analisi della performance durante la pedalata `e stata svolta presso il Laboratorio di Neuroingegneria e Robotica Medica (NEARLab) del DEIB del Politecnico di Milano. Il test e` stato ritenuto particolarmente interessante perche` studia il compito motorio direttamente allenato durante il trattamento di SEF ed `e consistito in 1 minuto di pedalata passiva e 2 minuti di pedalata volontaria in cui si era richiesto a ciascun paziente di mantenere la velocita` a 30 rivoluzioni per minuto (rpm). Durante il test si `e utilizzato un cicloergometro motorizzato (Thera-LiveTM , Medica Medizintechnick GmbH, Germany), personalizzato con strain gauges montati su ciascun pedale per misurare il momento esercitato dalle due gambe durante la pedalata. L’angolo alla pedivella e il momento sono stati acquisiti con una frequenza di 200 Hz tramite PC con sistema operativo Linux e applicazione Real Ti- me. Inoltre, grazie ad un sistema multi-canale di amplificazione del segnale (Porti32TM TMSi, Netherlands), durante la pedalata `e stato acquisito con frequenza di 1 kHz il segna- le elettromiografico (EMG) di retto femorale (RF), vasto mediale (VM), bicipite femorale (BF), tibiale anteriore (TA) e gastrocnemio mediale (GM) di entrambe le gambe tramite elettrodi di superficie bipolari. Il posizionamento degli elettrodi e` stato definito seguendo le raccomandazioni di SENIAM (Surface Electromyography for the Non-Invasive Assess- ment of Muscles) in modo da minimizzare il crosstalk tra i segnali muscolari. Durante ciascuna sessione una prova isometrica di massima contrazione volontaria (MVC) per ciascun muscolo `e stata registrata in modo da avere informazioni circa il livello di massima attivazione muscolare per ciascuna sessione e di poter cosı` confrontare i dati di differenti sessioni. E` importante sottolineare che non e` stato dimostrato in via definitiva che il valore di attivazione ottenuto rappresenti il massimo impulso neurale raggiungibile durante la pedalata. Le misure estratte dal test di pedalata comprendevano la velocita` mantenuta durante la fase di pedalata volontaria, il lavoro meccanico prodotto da ciascuna gamba, lo sbilancia- mento tra le due gambe, i tempi e il livello di attivazione muscolare.
 Il lavoro prodotto da ciascuna gamba `e stato calcolato a partire dalle misure dei sensori di forza montati sulle due pedivelle. In particolare si `e ottenuto il profilo del momento “attivo” sottraendo dal momento registrato dai sensori in fase di pedalata volontaria, il profilo registrato durante la fase passiva. Il lavoro per ciascuna rivoluzione `e stato quindi calcolato come integrale del profilo attivo in funzione dell’angolo alla pedivella per la gamba paretica (WPL) e quella sana (WHL). Il lavoro `e stato ulteriormente analizzato separando il contributo prodotto spingendo e tirando il pedale (WPUSH WPULL rispettivamente). Infine, una misura dell’asimmetria nel lavoro sviluppato `e stata ottenuta grazie all’indice di sbilanciamento (o Unbalance) calcolato come U = |WHL−WPL|%. U assume valori tra 0% (se i due lavori sono identici) e 100% (WPL =0).
La tempistica di attivazione muscolare e la co-contrazione di retto e bicipite femorale sono stati studiati a partire dal segnale elettromiografico. Dopo un filtraggio standard di condizionamento del segnale elettromiografico (filtraggio passa alto a 10 Hz, rettificazione e filtraggio passa basso a 5 Hz), il profilo di attivazione di ciascun muscolo `e stato estratto come segue: 1. Interpolazione tramite spline per definire l’inviluppo EMG in funzione dell’angolo alla pedivella. Le rivoluzioni che distano dalla media complessiva di piu` di 3 deviazioni standard sono state considerate outlier e rimosse. 2. Media ogni 20 secondi di acquisizione dei rimanenti profili ottenendo circa 6 profili medi nei 2 minuti di acquisizione. 3. Normalizzazione di ciascuno dei profili medi seguendo due differenti metodi. Il primo utilizza il valore massimo di tutti i 6 profili medi. Il secondo considera i valori acquisiti durante il test di MVC. Questo approccio `e stato seguito solo per quei soggetti che sono stati in grado di eseguire, durante tutte le quattro sessioni del test della pedalata, l’MVC di tutti i muscoli con valori superiori a quelli registrati durante la pedalata volontaria. In questo modo `e stato possibile confrontare i livelli di attivazione tra differenti sessioni. La co-contrazione tra retto femorale e bicipite femorale `e stata valutata usando un indice (CCI) definito in uno studio precedente [9]. In particolare il CCI per ciascun profilo medio e` stato calcolato come CCI(j) = SOverlap(j) con SRF e SBF che rappresentano l’area sottostante i profili EMG di retto e bicipite femorale normalizzati per il loro massimo mentre Soverlap `e l’area di sovrapposizione tra i due profili.
 I range di normalita` relativi al test della pedalata sono stati calcolati su un gruppo di sei coetanei sani (eta` 14.3±1.0 anni).
Infine `e stata condotta un’analisi statistica dei risultati. In particolare il test di Kruskal- Wallis e` stato utilizzato per confrontare variazioni nel tempo dei risultati del test del cammino e della pedalata. Qualora differenza significativa (p<0.05) fosse osservata tra oPRE, PRE, POST e FU, un’analisi post-hoc ha permesso di confrontare coppie di tests. Inoltre, un U-test di Mann-Whitney ha permesso di comparare i risultati di ciascuna sessione del test di pedalata con i valori del gruppo di controllo dei sani.
Nessun confronto tra soggetti patologici e` stato effettuato per la bassa numerosita` del campione analizzato.
 Risultati
 Sei soggetti emiparetici sono stati reclutati dall’Unita di Neurologia dello Sviluppo dell’Istituto “C. Besta” ma due di essi hanno interrotto lo studio durante la seconda settimana del trattamento SEF a causa di un eccessiva richiesta di impegno, non compatibile con i loro impegni quotidiani. Pertanto il trattamento e` stato concluso da 4 soggetti di sesso maschile ed eta` compresa tra i 12 e i 17 anni con diagnosi di emiparesi acquisita (nel seguito indicati come S1, S2, S3 e S4). In particolare tre di loro erano affetti da paralisi cerebrale mentre il quarto (S4) ha subito un ictus ischemico 8 anni prima dell’inizio dello studio.
I test clinici hanno mostrato che i pazienti presentavano solamente una lieve disabilita` durante oPRE e PRE tests. Infatti tutti i punteggi ottenuti erano appena inferiori ai range di normalita` a parte il livello di spasticita` che indicava la presenza di tono da moderato a severo. A seguito del trattamento le scale cliniche hanno mantenuto il valore iniziale.
 Un esempio dei risultati principali ottenuti da uno dei soggetti (S4) durante l’analisi del cammino e il test della pedalata sono mostrati in Fig. 1.
L’analisi del cammino ha permesso di osservare che i soggetti erano in grado di camminare ad una velocita` appena inferiore ai range di normalita`. Secondo un recente studio [11], i valori di velocita` ottenuti sono caratteristici di persone senza limiti sostanziali nelle attivita` quotidiane. La lunghezza del passo sia per l’arto paretico che per quello sano presentava qualche lieve deviazione durante oPRE e PRE, mantenute dopo il trattamento. Anche le asimmetrie evidenziate dal Symmetry Index (SI) non sono cambiate nel tempo. L’analisi della cinematica ha mostrato qualche deviazione rilevante a livello distale. In particolare l’angolo di dorsi-plantar flessione della caviglia presentava durante oPRE e PRE un ridotto range of motion (ROM) sia per la gamba paretica che per la sana. Inol- tre qualche deviazione era evidenziabile riguardo all’angolo di contatto iniziare (IC) e di minima dorsiflessione. A seguito del trattamento solamente un soggetto (S1) ha ottenuto un miglioramento significativo nella direzione dei range di normalit`a, mantenuto in FU. A livello della caviglia `e stata osservata per tutti i pazienti anche una ridotta potenza propulsiva. Per due di essi, S1 ed S4 (pannello superiore in Fig. 1) `e migliorata significativamente (incremento percentuale di 25% e 18% rispettivamente) dopo il training, ma non e` stata mantenuta in FU. Infine la forza scambiata con il terreno rivela alcuni lievi miglioramenti in un paziente (S1) sia nella fase di sopportazione del carico che di spinta. 
Il test della pedalata ha mostrato che tutti i pazienti erano in grado di mantenere auto- nomamente la velocita` richiesta durante il test. L’arto sano di uno dei soggetti (S1) ha prodotto un lavoro in pedalata compreso nei range del gruppo di controllo mentre per gli altri tre pazienti (S2, S3 e S4) l’esercizio ha richiesto un valore leggermente superiore. In particolare per S2, S3 ed S4 si sono ottenuti valori eccessivi di WPULL, indicando una possibile strategia di compensazione del lavoro in spinta WPUSH della gamba paretica, che infatti presentava valori leggermente inferiori alla normalita` (pannello inferiore Fig. 1). A seguito del trattamento non sono stati evidenziati cambiamenti sostanziali nella gamba sana dei soggetti mentre l’arto paretico di 2 pazienti (S2 e S3)`e migliorato significativamente grazie ad un maggiore WPULL, sia in POST che in FU. Analizzando l’Unbalance e` stato possibile osservare uno sbilanciamento superiore ai range di normalita` per tre pazienti (S2, S3 e S4). Un miglioramento significativo a seguito del trattamento `e stato ottenuto per un solo soggetto (S3).
Il segnale elettromiografico dei cinque muscoli (retto femorale RF, vasto mediale VM, bicipite femorale BF, tibiale anteriore TA e gastrocnemio mediale GM) per ciascuna gamba `e stato normalizzato tramite il valore di MVC per tutti i soggetti del gruppo di controllo e per due dei pazienti (S3 e S4) mentre gli altri due non sono stati in grado di ottenere valori di massima contrazione opportuni, pertanto i dati sono stati normalizzati rispetto al massimo.
I risultati del gruppo di controllo hanno evidenziato che BF, TA e GM mantengono livelli di attivazione molto bassi rispetto all’MVC (8%, 14% e 15% rispettivamente) e, specialmente gli ultimi due, con una grande variabilita`. Analoghi livelli di attivazione e variabilita` sono stati osservati per tutti i pazienti ottenendo risultati non utlizzabili nella valutazione della loro prestazione motoria. E` importante sottolineare che, poiche` il training `e stato portato a termine su un ciclo-ergometro con AFO ai pedali, non e` stato richiesta attivazione specifica dei muscoli distali e pertanto sono stati ottenuti profili EMG non ripetibili e con basso livello di attivazione. 
Qualche risultato piu` rilevante e` stato osservato a livello prossimale (RF, VM e BF). In particolare i profili relativi all’arto sano presentavano risultati generalmente simili dalla normalita` mentre riguardo all’arto paretico sono state evidenziate in tutti i soggetti alcune lievi differenze rispetto al gruppo di controllo nelle tempistiche di attivazione muscolare ottenute durante oPRE e PRE. Un soggetto (S1) e` migliorato leggermente nella sessione POST ma non ha mantenuto i risultati in FU, un altro soggetto non `e variato sostanzialmente dopo il trattamento mentre gli altri due pazienti (S2 e S4) non hanno mostrato chiaramente un trend di miglioramento nel tempo. Per quanto riguarda i livelli di attivazione dei due soggetti S3 ed S4, si osserva una diminuzione dell’attivazione del quadricipite a seguito del trattamento, consistente con la dimuita produzione di lavoro durante la fase di spinta WPUSH commentata precedentemente. Infine lo studio della co-contrazione di RF e BF permette di osservare che i due muscoli erano correttamente sincronizzati gia` durante oPRE e PRE per due dei pazienti (S1 e S4). Differentemente S2 durante il test PRE ha ottenuto valori superiori al gruppo di controllo, correttamente modificati sia in POST che FU. In ultimo S3 presenta valori superiori ai soggetti sani, che pero` vengono mantenuti nel tempo tranne per il FU. Conclusione e sviluppi futuri Lo studio di fattibilita` di un trattamento di pedalata volontaria aumentato da SEF su giovani soggetti emiparetici ha permesso di verificare che tutti i pazienti hanno corretamente risposto alla stimolazione, tollerando il trattamento. Due dei pazienti hanno lasciato lo studio a causa dell’impegno eccessivo richiesto dal trattamento. I risultati ottenuti durante le prove cliniche hanno mostrato che tutti i pazienti reclutati presentavano una lieve disabilita` in partenza e nel tempo non ci sono state significative variazioni. 
Qualche miglioramento distale `e stato mostrato nell’analisi del cammino, in particolare riguardo al ROM e alla potenza in spinta della caviglia. Il test della pedalata ha evidenziato che tutti i soggetti erano in grado di portare a termine autonomamente un esercizio di pedalata gia` durante le sessioni oPRE e PRE. Inoltre il timing di attivazione muscolare non e` cambiato significativamente nel tempo. Qualche risultato si `e osservato per i muscoli prossimali mentre in quelli distali il basso livello di attivazione causato dalla presenza dell’ortosi alla caviglia ha reso questi risultati poco ripetibili e non affidabili. Il disegno dello studio ha permesso di verificare un’ampia variabilita` nei risultati sia del- l’analisi del cammino che della pedalata tra oPRE e PRE. Sarebbe necessario verificare la ripetibilita` intra-sessione di questi test su una popolazione di giovani emiparetici.
 Uno degli obiettivi principali del trattamento utilizzato era di massimizzare gli effetti della SEF sulla neuroplasticita` pertanto sarebbe interessante in studi futuri affiancare ai test utilizzati una verifica degli effetti di riorganizzazione corticale, per esempio tramite transcranial magnetic stimulation (TMS) o tecniche di imaging.
Inoltre, poiche` il training e` risultato sicuro e la strumentazione richiesta e` economica, potrebbe essere interessante proporre il trattamento in ambiente domestico, minimizzando cosi` l’impegno richiesto ai soggetti e alle loro famiglie.
Lo studio, anche se su pochi soggetti, non ha portato evidenze di miglioramento nel caso di disabilita` lieve, pertanto studi futuri potrebbero essere condotti indagando l’efficacia del trattamento di pedalata volontaria aumentata da SEF su bambini e adolescenti con riduzione severa dell’abilita` di locomozione, possibilmente incrementando la numerosita` del campione analizzato.