Instrumentation of an industry tricycle for cycling with FES activated nenervated muscles

Abstract

Im Fall einer Querschnittverletzung, mit resultierender Lähmung der unteren Extremitä-ten, erleiden die betroffenen Personen gravierende Einschränkungen ihrer Mobilität. Dieser Verlust führt zwangsläufig zu weiteren schweren Sekundärkomplikationen wie Herz-Kreislauf Beschwerden, Typ II Diabetes, massiver Muskel Atrophie in den unteren Gliedmaßen sowie einer Abnahme der Knochendichte. Elektrostimulation (ES) ist eine unkompliziert anzuwendende Möglichkeit um diese Sekundärkomplikationen zu minimieren. Ein weiterer Vorteil der Elektrostimulation liegt darin, vollkommen frei von etwaigen negativen Nebenwirkungen zu sein, vorausgesetzt die Anwendung wird ordnungsgemäß durchgeführt. Fahrradfahren mittel funktioneller Elektrostimulation (FESC) ist daher eine in der Rehabilitation gerne angewendete Methode und die positi-ven Auswirkungen sind in zahlreichen Studien dokumentiert. Das Vorhandensein einer schlaffen Lähmung gilt bis jetzt als Ausschlusskriterium, um an FES-Radfahrstudien teilzunehmen. Forschungsprojekte, wie das Projekt RISE, haben in naher Vergangenheit bewiesen, dass es möglich ist, denervierte Muskulatur zu trainieren und nach Degenera-tion teilweise wiederherzustellen. Zusätzlich wurden im Rahmen des Projektes geeignete elektrische Parameter für die funktionale Elektrostimulation denervierter Muskulatur definiert. Es war Zweck dieser Arbeit ein Liegefahrrad zu adaptieren um Testfahrten mit Perso-nen, die an denervierter Muskulatur leiden, durchführen zu können. Das verwendete Fahrrad besitzt über zwei verschiedene Antriebsmöglichkeiten. Einen Pedallierbetrieb, Pedallier-Modus (p-mode) genannt, und eine Antriebsmöglichkeit, die der Bewegung beim Rudern, Extensions-Modus (ed-mode) genannt, nachempfunden ist. Für beide Betriebsarten mussten sowohl mechanische als auch elektrotechnische Anpassungen am Fahrrad vorgenommen werden. Zur Stimulation der Muskulatur wurde ein Prototyp eines Stimulators für denervierte Muskulatur verwendet. Um das Fahrrad mit dem Sti-mulator betreiben zu können, war es nötig ein Steuergerät, inklusive der benötigten Programmierung, zu entwickeln. Um die Funktion des Fahrrades, sowie der konstruier-ten mechanischen und elektrischen Komponenten, zu gewährleisten, wurden entwick-lungsbegleitende Funktionstests durchgeführt. Mit dem ed-mode war es möglich ausführliche Entwicklungs Fahrtests durchzuführen. Dabei wurde dieser, vor allem aufgrund des einfach umzusetzenden Bewegungsablau-fes, als auch bei denervierter Muskulatur durchführbar erachtet. Im p-modus war es nicht möglich erfolgreiche Testfahrten im Zuge der Entwicklungstests durchzuführen, da ein nichtüberwindbarer Totpunkt im Pedalkurbelwinkel auftrat, in dem kein An-triebsmoment produziert wurde. Einerseits konnte der zur Verfügung gestellte Stimula-tor (vier Stimulationskanäle) nur zwei Muskelgruppen pro Bein aktivieren andererseits war es auch ohne Lähmung für Probanden nicht möglich ein positives Antriebsmoment über den gesamten Tretkurbelwinkel aufrechtzuerhalten. Als Hauptproblem wurde ein nicht blockierbarer Freilauf des Fahrrades identifiziert. Als Lösung ist die Implementie-rung eines unterstützenden Elektromotors für die Überbrückung der Antriebslücke ge-plant. Mit dieser Maßnahme sollte auch das Radfahren für Paraplegiker mit denervierter Muskulatur mittels FES im p-Mode möglich sein.

In case of a spinal cord injury, leading to paraplegia, affected people do suffer severe limitations based on the loss of mobility. This loss leads necessarily to further severe secondary complications like cardio vascular disease, type II diabetes, massive muscle atrophy in lower limps and a loss of bone mineral density. Electrical stimulation (ES) is an uncomplicated to use possibility for minimizing these secondary complications. A further advantage of ES is that it is completely free of possible negative side-effects when applied properly. Therefore, functional electrical stimulation cycling (FESC) is a gladly used method in rehabilitation and the positive effects are documented in many studies. But the existence of a flaccid paralysis is an excluding criterion to take part in studies concerning FESC. In near past, studies, like project RISE, have shown that it is possible to train and to partly recover denervated muscles. Within the scope of project RISE parameters were defined which are necessary to allow functional electrical stimu-lation (FES) of denervated muscles. It was the aim of this study to adapt a recumbent bicycle, to enable people suffering from flaccid paraplegia to perform FESC test trials. The used bicycle has two different driving possibilities. One possibility is to drive the bicycle by pedaling, called pedaling mode (p-mode), the other one is by a movement similar to rowing, called extension drive mode (ed-mode). For both driving possibilities mechanical and electro technical adaptations needed to be done. To stimulate the muscles a prototype of a stimulator for denervated muscles was used. To use the stimulator, in combination with the bicycle, it was necessary to design a controller and the suitable stimulation program. To assure the proper function of the bicycle and the designed mechanical and electrical components, function tests were performed. With the ed-mode it was possible to perform extensive development tests. The tests lead to the assumption that the ed-mode would also be feasible for persons with denervated muscles because of its straightforward movement. It was not possible to achieve equally successful test demonstrations of the p-mode functionality due to difficulties to over-come a dead zone in the pedaling angle where no driving moment is produced. One rea-son was the limitations in available stimulation channels (2 per leg), but as the main problem the non-lockable freewheel construction of the commercial bicycle was identi-fied. Even able-bodied subjects were not able to overcome the dead zone. After further instrumentation of the tricycle with an auxiliary electrical motor support also p-mode FESC should be possible for paraplegic with denervated muscles.