Development of a wireless EMG-based neuromonitoring system and validation tests in evaluating effects of co-activation of abdominal afferents during transcutaneous spinal cord stimulation

Abstract

Elektrostimulation spielt eine wichtige Rolle bei der Behandlung einer Rückenmarksläsion. Eine traumatische Verletzung beeinflusst die funktionale Aktivität sowohl auf muskulärer als auch auf neuronaler Ebene. Im Rahmen der Neurorehabilitation versucht man mit der Elektrostimulation die sensomotorische Funktion zu verbessern und die verbleibende neurale Aktivität unterhalb des Verletzungsniveaus wiederherzustellen. Die transkutane Rückenmarkstimulation hat sich als besonders effektive Methode für die Neuromodulation der lumbosakralen spinalen Netzwerke erwiesen. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit widmet sich der Entwicklung eines drahtlosen, EMG-basierten Neuromonitoring-Systems. Dabei wurde besonders auf die Erhöhung der Aufzeichnungsfrequenz eingegangen. Dies wurde mit dem Analog-Digital-Wandler ADS1299-x von Texas Instruments und myRIO-1900 von National Instruments erzielt. Letzteres ist ein Gerät mit integriertem FPGA, welches eine drahtlose Übertragung von EMG-Signalen mit einer Datenübertragungsrate von bis zu 16 kSPS ermöglicht. Der zweite Teil dieser Arbeit untersucht den Einfluss der abdominalen Afferenzen bei der bipolaren transkutanen Rückenmarkstimulation. Die ausgelösten „Posterior Root Reflexes (PRR)“ wurden in unteren Extremitäten mit EMG-Oberflächenelektroden aufgenommen. Die Messergebnisse, die in einer Pilotstudie mit zwei gesunden Probanden gewonnen wurden, zeigen einen eher geringen, aber eindeutig vorhandenen Effekt der abdominalen Afferenzen auf die resultierenden Signale. Signalantworten mit einer kurzen Latenz wurden hervorgerufen, während Antworten mit einer längeren Latenz benötigt werden, um den Effekt der abdominalen Kontraktionen zu verdeutlichen.

Electrical stimulation plays an important role in treating individuals after a spinal cord injury (SCI). A traumatic injury affects functional activity on both muscular and neural level. As part of neurorehabilitation, electrical stimulation aims at improving the sensorimotor function as well as recovering the residual neural activity below the injury level. Particularly, transcutaneous spinal cord stimulation (tSCS), a non-invasive stimulation method, has proven effective in neuromodulating lumbosacral spinal networks. The first part of this thesis is dedicated to development of a wireless EMG-based neuromonitoring system with an aim of enhancing the recording speed of neural signals. This is achieved using a Texas Instruments analog-to-digital converter ADS1299-x, and a National Instruments myRIO-1900 real-time wireless device with an integrated Field Programmable Gate Array (FPGA), thereby allowing wireless transmission of recorded electromyography (EMG) signals with a data transfer rate up to 16 kSPS. The second part of this work investigates the effect of abdominal afferents during bipolar tSCS. Elicited posterior root reflexes (PRR) were recorded in lower-limb muscles by surface EMG electrodes. The measurement results, obtained in a pilot study consisting of two healthy subjects, indicate a rather small, but noticeable effect of abdominal afferents on the resulting EMG responses. Short-latency responses were evoked, whereas long-latency responses are sought in order to clarify the effects of abdominal contractions.