Results of functional electrical stimulation of leg muscles during walking in a patient in the early recovery period after a stroke

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Acute cerebrovascular accident throughout the world remains the main cause of subsequent disability in persons who have suffered a stroke.

One promising area is neuromuscular stimulation. Functional electrical stimulation is a subtype of neuromuscular stimulation in which stimulation promotes functional and goal-oriented movements in the individual.

A course of functional electrical stimulation was administered while walking to a 74-year-old patient in the late recovery period of an ischemic stroke (the right middle cerebral artery). 14 procedures were performed lasting from 20 to 30 minutes. Before and after the functional electrical stimulation course, a clinical study and a study of the biomechanics of walking were conducted.

The results obtained showed an improvement in clinical indicators, inconsistent changes in the time parameters of the step cycle, an increase in amplitudes in the hip and knee joints, as well as normalization of the function of the knee and ankle joints of the paretic side. Functional EMG research showed both an improvement in muscle activity and normalization of their activity profile, as well as processes of function restructuring that require further study.

During functional electrical stimulation, there were no negative reactions from the patient or irritation of the skin at the locations of the electrodes.

The method of functional electrical stimulation requires further study and reasonable application in this category of patients.

About the authors

Dmitry V. Skvortsov

Federal Center of Brain Research and Neurotechnologies; The Russian National Research Medical University named after N.I. Pirogov; Federal Research and Clinical Center of Specialized Medical Care and Medical Technologies

Email: skvortsov.biom@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-2794-4912
SPIN-code: 6274-4448

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Russian Federation, Moscow; Moscow; Moscow

Leonid V. Klimov

Federal Center of Brain Research and Neurotechnologies

Email: dr.klimov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1314-3388
SPIN-code: 5618-0734

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Russian Federation, Moscow

Danila A. Lobunko

Federal Center of Brain Research and Neurotechnologies

Email: lobunko.92@mail.ru
ORCID iD: 0009-0009-7741-2904
SPIN-code: 6226-5283
Russian Federation, Moscow

Sergey N. Kaurkin

Federal Center of Brain Research and Neurotechnologies; The Russian National Research Medical University named after N.I. Pirogov

Author for correspondence.
Email: kaurkins@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-5232-7740
SPIN-code: 4986-3575

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Russian Federation, Moscow; Moscow

References

  1. Chollet F, Albucher JF. Strategies to augment recovery after stroke. Curr Treat Options Neurol. 2012;14(6):531-540. EDN: TJYWNV doi: 10.1007/s11940-012-0196-3
  2. Hankey GJ, Jamrozik K, Broadhurst RJ, et al. Long-term disability after first-ever stroke and related prognostic factors in the Perth Community Stroke Study, 1989-1990. Stroke. 2002;33(4):1034-1040. doi: 10.1161/01.str.0000012515.66889.24
  3. Maier M, Ballester RB, Duff A, et al. Effect of specific over nonspecific VR-based rehabilitation on poststroke motor recovery: A systematic meta-analysis. Neurorehabilitat Neural Repair. 2019;33(2):112-129. doi: 10.1177/1545968318820169
  4. Dewey HM, Sherry J. Collier J.M. Stroke rehabilitation 2007: What should it be? Int J Stroke. 2007;2(3):191-200. doi: 10.1111/j.1747-4949.2007.00146.x
  5. Langhorne P, Coupar F, Pollock A. Motor recovery after stroke: A systematic review. Lancet Neurol. 2009;8(8):741-754. doi: 10.1016/S1474-4422(09)70150-4
  6. Johansson BB. Current trends in stroke rehabilitation. A review with focus on brain plasticity. Acta Neurol Scand. 2011;123(3): 147-159. doi: 10.1111/j.1600-0404.2010.01417.x
  7. Chen HX, Yang ZJ, Pan RH, et al. Effect of comprehensive protocol of integrative medicine on motor function, activity of daily living and quality of life in hemiplegia patients after stroke. (In Chinese)]. Zhongguo Zhong Xi Yi Jie He Za Zhi. 2016;36(4):395-398.
  8. Baker LL. Neuromuscular electrical stimulation: A practical guide. Los Amigos Research & Education Institute, Incorporated; n.d.; 4th Edition [student edition] Spiral-bound, January 1, 2000. 252 р.
  9. Marquez-Chin C, Popovic MR. Functional electrical stimulation therapy for restoration of motor function after spinal cord injury and stroke: A review. Biomed Eng Online. 2020;19(1):34. doi: 10.1186/s12938-020-00773-4
  10. Bustamante C, Brevis F, Canales S, et al. Effect of functional electrical stimulation on the proprioception, motor function of the paretic upper limb, and patient quality of life: A case report. J Hand Ther. 2016;29(4):507-514. doi: 10.1016/j.jht.2016.06.012
  11. Chen D, Yan T, Li G, et al. [Functional electrical stimulation based on a working pattern influences function of lower extremity in subjects with early stroke and effects on diffusion tensor imaging: a randomized controlled trial. (In Chinese)]. Zhonghua Yi Xue Za Zhi. 2014;94(37):2886-2892.
  12. Ferrante S, Bejarano CN, Ambrosini E, et al. A Personalized multi-channel FES controller based on muscle synergies to support gait rehabilitation after stroke. Front Neurosci. 2016;(10):425. doi: 10.3389/fnins.2016.00425
  13. Vitenzon S, Petrushanskaya KA, Skvortsov DV. Hand-book for application of a method of artificial correction of walking and rhythmical movements by means of programmable electrical stimulation of muscles. Ed. by A.S. Vitenzon. Moscow; 2004. 299 р. EDN: QLJZRV
  14. Skvortsov D, Chindilov D, Painev N, Rozov A. Heel-Strike and toe-off detection algorithm based on deep neural networks using shank-worn inertial sensors for clinical purpose. J Sensors. 2023;1-9. doi: 10.1155/2023/7538611
  15. Kesar KM, Perumal R, Jancosko A, et al. Novel patterns of functional electrical stimulation have an immediate effect on dorsiflexor muscle function during gait for people poststroke. Phys Ther. 2010;90(1):55-66. doi: 10.2522/ptj.20090140
  16. Alnajjar F, Zaier R, Khalid S, Gochoo M. Trends and technologies in rehabilitation of foot drop: A systematic review. Expert Rev Med Devices. 2021;18(1):31-46. EDN: LPAPWX doi: 10.1080/17434440.2021.1857729
  17. Dantas MT, Fernani DC, Silva TD, et al. Gait training with functional electrical stimulation improves mobility in people post-stroke. Int J Environ Res Public Health. 2023;20(9):5728. doi: 10.3390/ijerph20095728
  18. Hosiasson M, Rigotti-Thompson M, Appelgren-Gonzalez JP, et al. Biomechanical gait effects of a single intervention with wearable closed loop control FES system in chronic stroke patients. A proof-of-concept pilot study. IEEE Int Conf Rehabil Robot. 2023;2023:1-6. doi: 10.1109/ICORR58425.2023.10304779
  19. Matsumoto S, Shimodozono M, Noma T, et al. Effect of functional electrical stimulation in convalescent stroke patients: A multicenter, randomized controlled trial. The rally trial investigators. J Clin Med. 2023;12(7):2638. doi: 10.3390/jcm12072638
  20. Dong Y, Wang K, He R, et al. Hybrid and adaptive control of functional electrical stimulation to correct hemiplegic gait for patients after stroke. Front Bioeng Biotechnol. 2023;(11):1246014. doi: 10.3389/fbioe.2023.1246014
  21. Sijobert B, Azevedo C, Pontier J, et al. A sensor-based multichannel FES system to control knee joint and reduce stance phase asymmetry in post-stroke gait. Sensors (Basel). 2021;21(6):2134. doi: 10.3390/s21062134
  22. Cho MK, Kim J, Chung Y, Hwang S. Treadmill gait training combined with functional electrical stimulation on hip abductor and ankle dorsiflexor muscles for chronic hemiparesis. Gait Posture. 2015;42(1):73-78. doi: 10.1016/j.gaitpost.2015.04.009
  23. Araki S, Kawada M, Miyazaki T, et al. Effect of functional electrical stimulation of the gluteus medius during gait in patients following a stroke. Biomed Res Int. 2020;2020:8659845. doi: 10.1155/2020/8659845

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Time periods of the step cycle before and after functional electrical stimulation. ПО ― period of support; ОО ― period of single support; НВД ― beginning of the second double support.

Download (527KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Amplitudes of movements in the lower limb joints (in degrees) before and after the treatment.

Download (544KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Goniograms of the knee and ankle joints for the left (Л) and right (П) sides before functional electrical stimulation. Above the goniograms, the corresponding values of the maximum amplitudes per step cycle are indicated by numbers and lines. ЦШ ― step cycle. Goniograms are located at the top before the rehabilitation course, at the bottom ― after rehabilitation.

Download (851KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Maximum bioelectric muscle activity (μV) during walking before and after treatment. TA ― anterior tibial muscle; GM ― triceps tibial muscle; QF ― quadriceps femoris; BF ― biceps femoris.

Download (544KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».