Development of an Electromyography Detection System for the Control of Functional Electrical Stimulation in Neurological Rehabilitation

Entwicklung eines Elektromyographie-Messsystems für die Regelung der Funktionellen Elektrostimulation in der neurologischen Rehabilitation

  • Stroke is the most common reason of neurological impairment. Neurological rehabilitation exploits the ability of the brain to re-learn the lost motor functions (brain plasticity) due to stroke. In stroke patients weak residual motor functions can be observed by means of electromyography (EMG) and the muscles can be artificially activated by applying Functional Electrical Stimulation (FES). Usually, the application of FES is open loop or using switches. To actively involve the patient’s intentionStroke is the most common reason of neurological impairment. Neurological rehabilitation exploits the ability of the brain to re-learn the lost motor functions (brain plasticity) due to stroke. In stroke patients weak residual motor functions can be observed by means of electromyography (EMG) and the muscles can be artificially activated by applying Functional Electrical Stimulation (FES). Usually, the application of FES is open loop or using switches. To actively involve the patient’s intention into the rehabilitation process EMG-driven FES can be used as an option. The detection of non FES-induced EMG during active FES is a big challenge due to amplifier saturation and electrode polarization. Stimulation pulses could even damage the amplifier. These problems will be more prominent if EMG is to be measured from the FES electrodes during active stimulation periods. Due to these difficulties, existing clinical FES systems are not allowing any EMG recording during the active period of stimulation and do not offer FES control dependent on the patient’s intention. This thesis presents a new 4-channel EMG detection system (StiMyo) which is able to measure EMG from shared EMG/FES electrodes in between stimulation pulses. Using StiMyo it will be easier to observe muscle spasticity and some FES-related reflexes and to actively involve the patient’s intention in the rehabilitation process. A switching circuit driven by a microcontroller has been developed to protect the amplifier from any damage by the stimulation pulses and to perform fast electrode/skin discharging. This fast discharging is needed to minimize the electrode polarization. The current flow associated with electrode discharging can trigger a second action potential (experimentally observed for the first time in this work, named D-wave). The latency of this D-wave can be influenced by the timing of the switches and the use of a permanent discharging resistor. The design process showed that the non FES-induced EMG can be extracted from the recorded signal by using mixed time and frequency domain filter approaches. Two FES applications of the StiMyo device have been experimentally investigated with neurologically intact subjects. In the first application, StiMyo has been employed for EMG-controlled FES of the wrist and finger extensors. Two control methods have been investigated and experimentally validated in a pilot study with 5 healthy subjects. The first method is EMG-proportional FES. The second is EMG-carried FES, which is a compromise between EMG-triggered and EMG-proportional FES. Using EMG-carried FES the stimulation is initiated as soon as volitional EMG (vEMG) goes above a defined EMG threshold and stays active until vEMG drops below a second, lower EMG threshold. The results related to both control approaches showed the feasibility of using vEMG to obtain an intention-related FES assistance. The second application is FES-cycling on an ergo meter with an auxiliary electrical motor. In a pilot study with one healthy subject the feasibility to monitor non FES-related volitional muscle activity even when electrical stimulation is active was demonstrated. Stimulation charge was used as controlled stimulation intensity. Different distributions of pulse widths and current amplitudes have been experimentally compared with respect to the minimum charge required for maintaining a desired muscular action and with respect to muscular fatigue. The outcome of this study with healthy subjects was that pulses with high current amplitudes and short pulse widths are preferred.show moreshow less
  • Der Schlaganfall stellt die häufigste Ursache für neurologische Beeinträchti­gungen dar. Im Rahmen der neurologischen Rehabilitation kann durch wiederholtes Üben das Gehirn aufgrund seiner „Plastizität“ verloren gegangene motorische Funktionen neu erlernen. Noch verbliebene schwache willkürliche Muskelaktivitäten können mittels Elektromyographie (EMG) erfasst werden. Die teilweise gelähmten Muskeln können des Weiteren durch Anwendung einer Funktionellen Elektrostimulation (FES) zusätzlich künstlDer Schlaganfall stellt die häufigste Ursache für neurologische Beeinträchti­gungen dar. Im Rahmen der neurologischen Rehabilitation kann durch wiederholtes Üben das Gehirn aufgrund seiner „Plastizität“ verloren gegangene motorische Funktionen neu erlernen. Noch verbliebene schwache willkürliche Muskelaktivitäten können mittels Elektromyographie (EMG) erfasst werden. Die teilweise gelähmten Muskeln können des Weiteren durch Anwendung einer Funktionellen Elektrostimulation (FES) zusätzlich künstlich aktiviert werden. Bei den meisten existierenden FES-Systemen erfolgt die Aktivierung der FES manuell. Um die Bewegungsintention des Patienten im Rehabiltionsprozess zu berücksichtigen, bietet sich eine EMG-geregelte FES an. Die Erfassung von EMG-Anteilen zwischen den Stimulationsimpulsen stellt aufgrund möglicher Verstärkersättigung und Elektrodenpolarisation eine große Herausforderung dar. Im schlimmsten Fall kann der Verstärker durch die Stimulationsimpulse sogar dauerhaft beschädigt werden. Dieses Phänomen tritt im Fall einer EMG-Messung über die Stimulationselektroden wesentlich häufiger auf als bei Verwendung separater Elektroden für die EMG-Messung. Aufgrund der zuvor genannten Probleme ermöglichen die existierenden klinischen FES Systeme keine EMG-Messung während der Stimulation. In dieser Arbeit wird ein neu entwickeltes 4-kanaliges EMG-System (StiMyo) vorgestellt. Die EMG-Messung erfolgt dabei direkt über die Stimulationselektroden. Mit StiMyo wird es einfacher sein, muskuläre Reaktionen (z.B. Spastiken) während der FES zu beobachten und die Intentionen des Patienten aktiv in den Rehabilitationsprozess einzubinden. Ein microcontrollergesteuerter Schaltkreis wurde entwickelt, der den Verstärker vor Schäden durch Stimulationsimpulse schützt und schnelle Elektroden/Haut-Entladung ermöglicht. Diese schnelle Entladung dient der Minimierung der Elektrodenpolarisation. Der durch die Elektrodenentladung verursachte Stromfluss kann ein zweites Aktionspotential auslösen (erstmalig in dieser Arbeit experimentell beobachtet und D-Welle genannt). Die Latenz dieser D-Welle kann durch das Timing der Schalter und über den permanenten Entladewiderstand beeinflusst werden. Der Design-Prozess hat gezeigt, dass das nicht-FES-induzierte EMG aus dem aufgezeichneten Signal durch Verwendung gemischter Zeit-und Frequenzbereichsfilter gewonnen werden kann. Zwei FES-Anwendungen des StiMyo Geräts wurden experimentell mit neurologisch intakten Probanden untersucht. In der ersten Anwendung wurde StiMyo für EMG-gesteuerte FES des Handgelenks und der Finger-Extensoren eingesetzt. Zwei Regleransätze wurden untersucht und in einer Pilotstudie mit fünf gesunden Probanden experimentell validiert. Der erste ist EMG-proportionale FES. Der zweite Ansatz (EMG-getragene FES) ist ein Kompromiss zwischen EMG-getriggerter und EMG-proportionaler FES. Hierbei wird die Stimulation aktiviert, sobald das Willkür-EMG (vEMG) eine definierte Schwelle überschreitet, und sie bleibt aktiv, bis das vEMG eine zweite (tiefere) Schwelle unterschreitet. Die Ergebnisse in Bezug auf beide Ansätze haben gezeigt, dass intentionsbezogene FES-Unterstütztung mittels vEMG möglich ist. Die zweite Anwendung, für die StiMyo experimentell erprobt wurde, ist FES-Radfahren auf einem Ergometer mit einem Hilfs-Elektromotor. In einer Pilotstudie mit einem gesunden Probanden wurde demonstriert, dass die nicht FES-bezogene willentliche Muskelaktivität auch dann ermittelt werden kann, wenn die elektrische Stimulation aktiviert wurde. Die Stimulationsintensität wurde jeweils über die Ladungsmenge eingestellt. Unterschiedliche Verteilungen von Pulsbreite und Stromamplitude wurden experimentell in Bezug auf die Mindestintensität zur Aufrechterhaltung einer gewünschten Muskelarbeit und im Hinblick auf Muskelermüdung verglichen. Ergebnis dieser Studie mit gesunden Probanden war, dass Impulse mit hohen Stromamplituden und kurzen Pulsbreiten zu bevorzugen sind.show moreshow less

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Metadaten
Author: Raafat El-Sayed Shalaby
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-31775
Advisor:Prof. Dr.-Ing. Jörg Raisch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2011/07/26
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Date of final exam:2011/07/19
Release Date:2011/07/26
Tag:EMG; FES; Polarisation; Regelung; Schlaganfall
EMG; FES; control; polarization; stroke
Institutes:Institut für Energie- und Automatisierungstechnik
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)