Functional electrical stimulation of denervated skeletal muscles on and in the human thigh : a basic comparison

Abstract

Funktionelle Elektrostimulation (FES) ist eine Technologie um künstlich Nerven und Muskeln durch Aufbringen von elektrischen Strompulsen an einem Elektrodenpaar in der Nähe der Zielregion zu aktivieren. FES kann angewendet werden im Sport, in der Fitness, in der Rehabilitation und im Wiederaufbau verlorener Motorfunktionalität, z.B.<br />bei Patienten mit Gehirn- oder Rückenmarksverletzungen. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war die Durchführung einer numerischen Machbarkeitsstudie der Stimulierung von langzeit-denervierten Muskeln in einem menschlichen Oberschenkel für verschiedene Elektrodenanordnungen auf der Haut (oberflächlich) oder implantiert in der Zielregion durchzuführen. Ein wichtiger Punkt war zu klären ob Patienten mit elektrisch hochleitenden Knochenimplantaten, die momentan aus FES ausgeschlossen sind, trotzdem im Rahmen der FES behandelt werden können, und wenn, ob solch ein Implantat zugleich als Gegenelektrode eingesetzt werden kann.<br />Basierend auf vereinfachten Geometrien eines menschlichen Oberschenkels wurden die Möglichkeiten unterschiedlicher Elektrodenanordnungen (oberflächliche und implantierte) gegeneinander verglichen um Muskelfasern im menschlichen Oberschenkel zu stimulieren. Im Rahmen dieses Vergleichs wurde ein automatisiertes Programmwerkzeug entwickelt, welches eine dreidimensionale, rotationssymmetrische Oberschenkelgeometrie anhand von wenigen charakteristischen Dimensionen generiert und die Nervenstimulierung in einer Finiten-Elemente-Berechnung abschätzt. Ein zentraler Punkt dieser Untersuchung war die Gesamtrechenzeit, die Zeit von der Generierung der Geometrie bis hin zur Voraussage und Abschätzung des Stimulus unter 20 Minuten zu halten. Dies erhöht den Komfort des Patienten wesentlich, da eine Behandlung direkt im Anschluss auf einen vorangegangenen Scan (Röntgen, CT, etc.) in "Echtzeit" erfolgen kann, anstatt eines langwierigen, stundenlangen Aufenthalts im Wartezimmer.<br />Das automatisierte Software-Tool wurde in der Skript-Software MatLab implentiert, welche direkte Interaktion mit dem Finite-Elemente-Löser Comsol Multiphysics erlaubt. Zuerst wurde ein vereinfachtes Oberschenkelmodell bestehend aus einer Haut-Fett-Schicht, einer Muskelschicht, einer Knochenschicht und einem optionalen Knochenimplantat generiert. Mittlere elektrische Leitfähigkeiten wurden diesen einzelnen Schichten zugeordnet, wobei die Muskelschicht elektrisch orthotrop sein kann. Zusammen mit zwei Elektroden dient dieses Modell als Grundlage für Finite-Elemente-Berechnungen. Die Randbedingungen werden automatisch in Abhängigkeit der vom Benutzer gewählten Elektrodenanordnung automatisch gesetzt. Weiters wird die örtliche Verteilung des elektrischen Potentials hervorgerufen durch das Elektrodenpaar für beliebige Elektrodenpositionen berechnet.<br />Letztendlich wird die resultierende Aktivierungsfunktion nach Extraktion von Potentialverläufen entlang von beispielhaften Muskelfasern und deren erste und zweite Richtungsableitung bestimmt. Die Aktivierungsfunktion ([18]) ist ein etabliertes Maß zur Abschätzung ob eine bestimmte Muskelfaser stimuliert werden kann, und wenn, ob an den Faserenden oder in der Fasermitte.<br />Das hier entwickelte automatisierte Tool wurde verwendet um eine systematische Variation der Elektrodenpositionen und Anordnungen unter Berücksichtigung eines optionalen metallischen Knochenimplantats durchzuführen. Die Ergebnisse dienen als Ausgangspunkt für komplexere Muskelaktivierungsmodelle (Kompartmentmodelle) die außerhalb des Rahmens der vorliegenden Arbeit liegen. Der Vergleich der Potentialverteilungen entlang charakteristischer Muskelfasern erlaubt die Identifizierung der optimalen Elektrodenanordnung zur Maximierung der Muskelstimulation in Abhängigkeit der Lage der Zielregion. Der Einfluß eines elektrisch hochleitenden Knochenimplantats auf das elektrische Feld als auch die Vorteile, wenn zumindest eine Elektrode im Oberschenkel implantiert ist, werden aufgezeigt. Zusätzlich wurde eine Empfindlichkeitsstudie durchgeführt um den Einfluß von verschiedenen Modellparametern auf die Muskelaktivierung (z.B. Geometrie, Elektrodenanordnung, elektrische Parameter) zu quantifizieren. Dies zeigte die Parameter mit dem größten Einfluß in FES und erlaubt einen Rückschluß darauf welche Modelvereinfachungen zulässig sind. Zusammenfassend ermöglicht die vorliegende dynamische Berechnung von Elektrodenanordnungen und -positionierung die Vereinfachung des Einsatzes von FES und erhöht deren klinische Effektivität.<br />

Functional electrical stimulation (FES) is a technique to artificially activate motor nerves and muscles by applying electrical current pulses to pairs of electrodes placed near the activation region.<br />FES can be used for sports, fitness, rehabilitation, restoration of lost motor functions or muscles, e.g. in subjects with brain or spinal cord injuries. The main objective of the present thesis was to perform a numerical feasibility study of stimulating long term denervated muscles in the human thigh for different electrode arrangements placed on the skin surface (transcutaneous) or implanted in the activating region. An important point to be clarified was whether patients with highly conductive metallic implants, who are currently excluded from FES, could be still treated within the framework of FES, and if so, whether the implant could be used as an electrode itself.<br />Based on simplified geometries of the human thigh, the capability of different electrode arrangements (transcutaneous and implanted) to stimulate muscle fibers in the human thigh were benchmarked against each other. Within this scope, an automated software tool was developed that generates a three-dimensional, rotary symmetric thigh geometry from a few characteristic thigh dimensions and estimates the nerve activation by performing a finite element calculation. A crucial point was to keep the overall calculation time, the time from generating the simplified model to predicting and estimating the stimulus, below 20 minutes. This enhances the comfort of patients significantly, since a treatment can start directly after a preceding scan (X-ray, CT, etc.) in "real-time" instead of an unpleasant stay in the waiting room lasting for hours.<br />The automated software tool was implemented in the script software MatLab which interacts directly with the the finite element solver Comsol Multiphysics. First, a simplified thigh model was generated consisting of a skin-fat layer, a muscle layer, a bone layer and an optional implant. Average electric properties were assigned to these layers, respecting an orthotropy in the muscle layer. This model serves together with two electrodes as a starting point for a finite element calculation. The boundary constraints are set automatically in dependency of the chosen electrode arrangement. Secondly, the spatial distribution of the electric potential caused by a pair of electrodes was calculated for arbitrary electrode positions. Finally, the activating function is found after extraction of the potential distribution along sample muscle fibers and its first and second directional derivatives. The activation function ([18]) is a well-established measure for estimating whether a particular muscle fiber can be stimulated at all, and if so, at the end of a fiber or at its center position.<br />This automated tool was used to perform a systematic variation of electrode placements and arrangements and an optional metallic bone implant. These results serve as an input to more complex muscle activation models (compartment models) that lie outside of the scope of this thesis. The comparison of the potential distribution along characteristic muscle fibers allows to identify optimal electrode arrangements for maximizing muscle stimulation depending on the location of targeted muscle fibres. The influence of a highly conductive bone implant on the electric field as well as the benefits if at least one electrode is implanted are highlighted. Additionally, a sensitivity study was performed in order to quantify the influence of different model parameters on muscle activation (e.g. geometry, electrode placement, electric parameters). This revealed the parameters with the largest influence in FES and allows to conclude which model simplifications can be made. In summary, the dynamic calculation of electrode arrangements and positions helps to simplify the use of FES and to increase their clinical efficacy.<br />