Functional electrical stimulation on paraplegic patients

Electrical Stimulation on Paraplegic Patients Eur J Trans Myol - Basic Appl Myol 2014; 24 (2): 75-157 Funktionelle Elektrostimulation paraplegischer Patienten Helmut Kern Adapted from: Kern H. Funktionelle Elektrostimulation Paraplegischer Patienten. ÖZPM, Österreichische Zeitschrift für Physikalische Medizin, 1995, 5 (Supplement) 1-75. ISSN 1021-4348 Grund- und Integrativwissenschaftlichen Fakultät der Universität Wien; Ludwig Boltzmann Institute of Electrical Stimulation and Physical Rehabilitation, Vienna; Institut für Physical Medizin, Wilhelminenspital, Vienna, Austria Abstract Functional Electrical Stimulation on Paraplegic Patients. We report on clinical and physiological effects of 8 months Functional Electrical Stimulation (FES) of quadriceps femoris muscle on 16 paraplegic patients. Each patient had muscle biopsies, CT-muscle diameter measurements, knee extension strength testing carried out before and after 8 months FES training. Skin perfusion was documented through infrared telethermography and xenon clearance, muscle perfusion was recorded through thallium scintigraphy. After 8 months FES training baseline skin perfusion showed 86 % increase, muscle perfusion was augmented by 87 %. Muscle fiber diameters showed an average increase of 59 % after 8 months FES training. Muscles in patients with spastic paresis as well as in patients with denervation showed an increase in aerob and anaerob muscle enzymes up to the normal range. Even without axonal neurotropic substances FES was able to demonstrate fiberhypertrophy, enzyme adaptation and intracellular structural benefits in denervated muscles. The increment in muscle area as visible on CT-scans of quadriceps femoris was 30 % in spastic paraplegia and 10 % in denervated patients respectively. FES induced changes were less in areas not directly underneath the surface electrodes. We strongly recommend the use of Kern`s current for FES in denervated muscles to induce tetanic muscle contractions as we formed a very critical opinion of conventional exponential current. In patients with conus-cauda-lesions FES must be integrated into modern rehabilitation to prevent extreme muscle degeneration and decubital ulcers. Using FES we are able to improve metabolism and induce positive trophic changes in our patients lower extremities. In spastic paraplegics the functions „rising and walking“ achieved through FES are much better training than FES ergometers. Larger muscle masses are activated and an increased heart rate is measured, therefore the impact on cardiovascular fitness and metabolism is much greater. This effectively addresses and prevents all problems which result from inactivity in paraplegic patients. Key Words: Paraplegia, Functional Electrical Stimulation (FES), muscle biopsy, fiber size, histochemical changes, enzyme-activity, force-measurement, Xenon 133, Thallium 201, IRThermography Eur J Trans Myol - Basic Appl Myol 2014; 24 (2): 75-157 Nach 8monatiger täglicher FES der Oberschenkelmuskulatur fand sich eine Erhöhung der Haut-Ruhedurchblutung um ca. 86 % sowie eine Erhöhung der Muskeldurchblutung um durchschnittlich 87 % gegenüber den Ausgangswerten. Die Muskelfaserquerschnitte nahmen nach 8monatiger FES im Median um 59 % zu. Die Erhöhung der anaeroben und der aeroben Enzyme bis in den Normbereich gesunder Muskulatur wurde bei spastisch gelähmten und bei denervierten Muskeln erreicht. Die Funktionelle Elektrostimulation war auch ohne neurotrope Substanzen in der Lage, bei denervierten Kurzfassung Die klinischen und physiologischen Auswirkungen einer 8 monatigen Funktionellen Elektrostimulation (= FES) im M. quadriceps wurden an 16 Paraplegikern verifiziert. Dazu wurden Muskelbiopsien, CT-Muskelflächenbestimmungen und Kraftmessungen VOR und NACH der 8monatigen FES-Trainingsperiode bei jedem Probanden durchgeführt. Die Durchblutungsförderung der FES wurde mittels Xenon-Clearance und Infrarot-Telethermographie für die Haut sowie Thallium-Szintigraphie für die Muskulatur bestimmt. - 75 - Electrical Stimulation on Paraplegic Patients Eur J Trans Myol - Basic Appl Myol 2014; 24 (2): 75-157 Muskeln eine Faserhypertrophie, eine Enzymadaptation und eine intrazelluläre Strukturverbesserung auszulösen. Die Vergrößerung der computertomographischen Quadriceps-Fläche betrug bei den spastisch gelähmten Patienten ca. 30 % und bei den denervierten Patienten ca. 10 %. Im Muskelareal zwischen den Elektroden war bei denervierter Muskulatur ein viel geringerer Trainingseffekt festzustellen. Für die praktische Durchführung der Funktionellen Elektrostimulation bei denervierter Muskulatur muss ein spezieller Schwellstrom nach Kern für tetanische Muskelkontraktionen gefordert und der herkömmliche Exponentialstrom kritisch betrachtet werden. Die Funktionelle Elektrostimulation bei denervierten Conus-Cauda-Patienten muß als integrierter Bestandteil der modernen Querschnittsrehabilitation gefordert werden, um die extreme Muskeldegeneration zu verhindern und die nachgewiesenen klinischen Effekte zur Dekubitusprophylaxe auszunützen. Die Funktionelle Elektrostimulation ist bei den spastisch gelähmten Patienten mit den Funktionen “Aufstehen” und “Gehen” den Trainingsformen der FES-Ergometrie hinsichtlich Aktivierung größerer Muskelmassen und Herzfrequenz-Steigerung überlegen und fördert den Gesamtmetabolismus, die kardiovaskuläre Fitness und die Prävention aller Bewegungsmangelsyndrome bei querschnittgelähmten Paraplegikern. Die FES soll als zusätzliche Trainingsform und als sportliche Bewegungsaktivierung, mind. 3-4 x wöchentlich, in der Rehabilitation spastisch-gelähmter Patienten eingesetzt werden. Schlüsselwörter: Paraplegie, Funktionelle Elektrostimulation (FES), Muskelbiopsie, Faserhypertrophie, aerobe und anaerobe Enzyme, Computertomographie, Xenon 133, Thallium 201, IR-Thermographie. 3. Fragestellung zur Untersuchung III METHODIK 1. Versuchsanordnung und Patienten 2. Technische Voraussetzungen und Ausrüstung A) Oberflächenstimulationsgeräte und Zubehör B) Stimulationsparameter und Trainingsanweisungen 3. Zur Methodik der nuklearmedizinischen Durchblutungsmessung: A) Xenon-133-Clearance für die Hautdurchblutung B)Thallium-Szintigraphie für die Muskeldurchblutung 4. Zur infrarot-telethermographischen Untersuchung 5. Zur computertomographischen Bestimmung der Muskelquerschnittsflächen 6. Methodik der Kraftmessung im M. quadriceps femoris gelähmter Patienten 7. Methodik der Muskelbiopsien: A) Histologie B) Enzymchemie IV ERGEBNISSE UND DISKUSSION 1. Ergebnisse der technischen Vorversuche und Entwicklung A) Technische Ausrüstung und Optimierung der Stimulation B) Technische Empfehlungen für die Praxis der FES 2. Ergebnisse der nuklearmedizinischen Durchblutungsmessungen A) Ergebnisse der Xenon-Clearance B) Ergebnisse der Thallium-Szintigraphie 3. Ergebnisse der Infrarot-Telethermographie 4. Ergebnisse der CT-Muskelflächenbestimmung 5. Ergebnisse und Diskussion der Kraftmessung 6. Ergebnisse der Muskelbiopsie A) Histologie: - (...truncated)