Modeling the neurophysiology of tremor to develop a peripheral neuroprosthesis for tremor suppression

Pathological tremor is an involuntary oscillation of the body parts around joints. Pharmaceu- ticals and surgical treatments are approved approaches for tremor management; however, their side effects limit their usability. The main objective of this study is, therefore, to design a closed-loop non-invasive electrical stimulation system that could suppress tremor without serious side effects. We started our system design by investigating motor unit (MU) behaviors during postural tremor via decomposition of high-density surface electromyography (EMG) recordings of antagonist pairs of wrist muscles of essential tremor (ET) patients. The common input strength that influences voluntary and tremor movements and the phase difference between activation of motor neurons in antagonist pairs of muscles were assessed to find the correlation of the motor unit activity during different tasks. We observed that, during postural tremor, the motor units in antagonist pairs of muscles were activated with a phase difference that varies over time. An online EMG decomposition method and a phase-locked-loop system were, therefore, implemented in our tremor suppression system to real-timely discriminate motor unit discharge timings, track the phase of the motor unit activity and use that real-time phase estimation to control the stimulation timing. We applied sub-threshold stimulation to the muscle pairs in an out-of-phase manner. The system was validated offline with the data recorded from 13 ET patients before it was tested with an ET patient to prove the concept. Since the spinal cord is the termination of the afferent neurons from the peripheral nervous system and connection to the central nervous system and motor neurons, we hypothesized that electrical stimulation at the spinal cord could also modulate tremor-related neural commands. Russian currents with a 5 kHz-carrier frequency modulated with a slow burst at tremor frequencies were used with sub-threshold intensity to stimulate at C5-C6 cervical spine of 9 ET patients. The reduction of the tremor power was observed via an analysis of the wrist angle recorded using an accelerometer. We present, in this thesis, two electrical stimulation approaches for tremor suppression via the peripheral nerves and spinal cord, providing options for patients to utilize based on their preference.Open Acces

A Concept for Extending the Applicability of Constraint-Induced Movement Therapy through Motor Cortex Activity Feedback Using a Neural Prosthesis

This paper describes a concept for the extension of constraint-induced movement therapy (CIMT) through the use of feedback of primary motor cortex activity. CIMT requires residual movement to act as a source of feedback to the patient, thus preventing its application to those with no perceptible movement. It is proposed in this paper that it is possible to provide feedback of the motor cortex effort to the patient by measurement with near infrared spectroscopy (NIRS). Significant changes in such effort may be used to drive rehabilitative robotic actuators, for example. This may provide a possible avenue for extending CIMT to patients hitherto excluded as a result of severity of condition. In support of such a paradigm, this paper details the current status of CIMT and related attempts to extend rehabilitation therapy through the application of technology. An introduction to the relevant haemodynamics is given including a description of the basic technology behind a suitable NIRS system. An illustration of the proposed therapy is described using a simple NIRS system driving a robotic arm during simple upper-limb unilateral isometric contraction exercises with healthy subjects

Estimulação diafragmática elétrica transcutânea e treinamento muscular inspiratório em indivíduos saudáveis e em pacientes com doença pulmonar obstrutiva crônica exacerbada

Introdução: A Doença Pulmonar Obstrutiva Crônica (DPOC) é caracterizada por limitação crônica do fluxo aéreo, a qual promove comprometimento da função dos músculos respiratórios, incluindo hiperinsuflação e fraqueza muscular. Dessa forma, a reabilitação pulmonar está indicada para esses pacientes, sendo recomendada inclusive para os casos mais graves. Porém alguns pacientes não conseguem participar dos protocolos de reabilitação convencional em consequência da intolerância ao exercício, sendo então a estimulação elétrica e o treinamento muscular respiratório tratamentos adjuvantes para esses pacientes. Objetivos: A presente tese contou com três objetos: I- comparar o efeito agudo de diferentes frequências da estimulação diafragmática elétrica transcutânea (EDET) sobre a força muscular respiratória, endurance, ativação, espessura muscular e mobilidade diafragmática em indivíduos saudáveis. II- comparar o efeito agudo da EDET e do treinamento muscular inspiratório (TMI) sobre a força muscular respiratória e periférica, espessura muscular e mobilidade diafragmática, além de avaliar a segurança das técnicas, em indivíduos saudáveis. III- Avaliar os efeitos da EDET comparado com o TMI sobre a força muscular inspiratória e periférica, função pulmonar, dispneia, espessura muscular, fração de espessamento e mobilidade diafragmática em pacientes com DPOC exacerbada. Metodologia: Etapa I- Estudo randomizado cruzado com 20 indivíduos saudáveis submetidos a duas intervenções: Grupo I com F= 30Hz e Grupo II com F= 80Hz. A aplicação foi nos pontos motores do diafragma, com duração do pulso de 500μs, durante 30 minutos. Foram avaliados a pressão arterial sistólica (PAS) e diastólica (PAD), frequência cardíaca (FC), pressão inspiratória máxima (PImax), pressão expiratória máxima (PEmax), endurance e espessura muscular em inspiração (EDI) e expiração (EDE), mobilidade e ativação diafragmática. Etapa II- Estudo randomizado cruzado com 20 indivíduos saudáveis submetidos a duas intervenções: Grupo I que realizou a EDET nos pontos motores do diafragma com F= 80 Hz, duração do pulso de 500μs, tempo de subida de 1 s, tempo de sustentação de 1s, tempo de descida de 2s, e frequência respiratória de 15 rpm, durante 30 minutos. O Grupo II realizou o TMI com carga de 50-60% PImáx com o equipamento powerbreath KH2. Foram avaliados a força muscular inspiratória (PImax) e periférica (teste de senta e levanta – TSL), EDI, EDE, FED e mobilidade diafragmática. A segurança das técnicas foi avaliada através da PAS, PAD, saturação de oxigênio (SpO2), FC e BORG. Etapa III -Ensaio clínico randomizado (ECR) com pacientes internados por exacerbação da DPOC, randomizados em três grupos: EDET (n=2), frequência=80 Hz, duração do pulso=500μs, eletrodos posicionados nos pontos motores do diafragma, durante 30 minutos; TMI (n=3) realizou 30 respirações diariamente 13 comcarga referente a 50-60% da pressão inspiratória máxima (PImáx) usando o aparelho PowerBreath KH2 e grupo controle (n=4) que realizou somente a fisioterapia convencional. As intervenções ocorreram uma vez ao dia, por até 14 dias. Resultados: Etapa I - O GI apresentou redução significativa em comparação às condições basais para os desfechos de PAS (p=0.04), FC (p<0.001), EDI (p=0,02), PIF (p=0.01), e S-Index (p=0.03). O GII apresentou redução significativa em comparação às condições basais para FC (p<0.001) e aumento da PEmax (p<0.001). Porém, não houve diferença entre os grupos para nenhum desfecho avaliado. Etapa II - Na comparação entre os grupos, observou-se que o TMI promoveu maior aumento na PImáx (delta: 8,2 ± 12,4 vs. 0,03 ± 9,3; p<0,05), no Borg (delta: 1,8 ± 1,2 vs. 0,3 ± 1,4; p<0,05) e redução na SpO2 (delta: -1 ± 1,4 vs. 0,7 ± 1,4; p<0,05) comparado com o EDET. Etapa III - O grupo TMI apresentou aumento da FR em relação ao momento basal (pré: 19,3 ± 0,5 irpm; pós: 23 ± 0,4 irpm) quando comparado aos grupos EDET e controle (p=0,011). Para as demais variáveis, não houve diferença significativa entre os grupos nos momentos avaliados. Conclusão: Pode-se concluir que: 1- Não houve diferenças entre as frequências de EDET avaliadas em indivíduos saudáveis. 2- O TMI realizado de forma aguda promoveu aumento na força muscular inspiratória comparado ao EDET, além de aumento no BORG e redução na SpO2. Porém, estas alterações não foram clinicamente relevantes, então sugere-se que ambas as técnicas são seguras em indivíduos saudáveis. 3- O grupo TMI mostrou leve aumento da FR quando comparado aos grupos EDET e controle, mas sem diferença para os demais desfechos avaliados. Entretanto, por se tratar de dados parciais é necessário aumentar o tamanho da amostra para avaliar os reais efeitos dessas terapias

Development of an Upper Limb Neuroprosthesis: Conquering Weakness and Fatigue

Neuroprosthetics are devices that substitute for or supplant motor, sensory or cognitive modalities damaged as a result of spinal cord injury or stroke. Functional electrical stimulation (FES) neuroprosthetics utilize artificial stimulation to restore motor function in paralyzed muscles, where control exerted by higher nervous system centers over muscle may be impaired. Although promising, FES has failed to gain widespread acceptance due in part to weak contraction strength and rapid fatigue observed with artificial stimulation. This dissertation documents an attempt to create an upper limb FES neuroprosthetic and subsequently to address the issues of weakness and fatigue. To exploit the capabilities of the musculoskeletal system the neural drive to muscle first must be decoded. Decoding the neural drive for specific movements has been approached using either a deterministic (engineering) or machine learning model. While a deterministic model accounts for all components of a limb, number of joints, degrees of freedom, limb length, muscle length, etc, machine learning characterizes the relationship between select variables, in this case whole muscle electromyographic data (EMG) and limb kinematics. Ultimately, the output of both approaches is used to predict the neural drive required to generate movements. In this study we first attempt to build an upper limb FES neuroprosthetic. Utilizing machine learning, we characterize the relationship between limb kinematics and EMG. Then, predict EMG based solely on limb kinematics. Finally, stimulation pulses were generated and delivered via intramuscular electrodes to produce movement. Additionally, to address force generation we hypothesized that due to the distributed nature of motor axons within a muscle stimulating with multiple spatially distributed electrodes would activate a larger muscle volume thus generating additional force. This in turn would facilitate load sharing among muscle fibers, and reduce fatigue. To evaluate fatigue we compared interleaved and synchronous patterns of stimulation as well as single electrode vs multiple electrode stimulation. We approached these questions and aims with a combination of strategies and techniques including machine learning, implantation of stimulating electrodes in a non-human primate model and finally human subjects. While machine learning provided EMG predictions with high R values, we were unable to generate substantive movements activating all the muscle in a complete joint system. However, we were able to generate movements stimulating a single muscle in an intact joint system. We found that single electrode force could be augmented with multiple electrodes. Additional results indicate that multiple electrode stimulation was less fatiguing than single electrode stimulation. Interleaved stimulation however, did not result in less fatigue than synchronous stimulation