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Bibliographic Metadata

Title
Electrical stimulation training to improve neuromuscular performance in sedentary elderly / submitted by Matthias Krenn
Additional Titles
Elektrostimulation zur Verbesserung des neuromuskulären Systems bei altersbedingter Muskelatrophie
AuthorKrenn, Matthias
CensorMayr, Winfried
Published2015
DescriptionVII, 129 Bl. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Med. Univ., Diss., 2015
Annotation
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Elektrostimulation / Stimulator / Oberschenkelmuskel / alternde Bevölkerung / Neurotechnik / Muskeltraining / Biomedizinsche Technik / Muskel-Assessment
Keywords (EN)electrical stimulation / stimulator / medical device / quadriceps / aging muscle / training / neural engineering / muscle assessment
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-14868 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
Files
Electrical stimulation training to improve neuromuscular performance in sedentary elderly [11.5 mb]
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Reference
Classification
Abstract

ger:Die Leistungsfähigkeit der Skelettmuskulatur nimmt ab einem Altern von 65 Jahren im Allgemeinen stark ab. Aufgrund reduzierter willkürlicher Aktivierung und pathophysiologischer Prozesse des neuromuskulären Systems kommt es zu einer strukturellen Desorganisation des Muskelgewebes. Der Rückgang der Beinmuskelmasse und -kraft steht im Zusammenhang mit Funktionsstörungen der Mobilität und ist ein Indikator für folgende Gehbehinderungen. Für ältere Personen mit ausgeprägter Muskelhypotrophie ist es daher wesentlich die Muskelfunktion zu erhalten, beziehungsweise zu verbessern. Studien haben gezeigt, dass gezieltes konventionelles Muskeltraining den altersbedingten Muskelschwund verringern kann. In dieser Arbeit wurde untersucht inwiefern ein neuromuskuläres Elektrostimulationstraining eine mögliche alternative Intervention zur Verbesserung der Quadriceps-Muskulatur darstellt.^ Es wurde die Hypothese getroffen, dass Elektrostimulation die altersbedingt verringerte willkürliche Muskelaktivierung ersetzen kann. Im Zuge der Studie wurde ein tragbares Stimulationssystem für das Heimtraining entwickelt, welches speziell auf die Bedürfnisse der Anwendungsgruppe älterer Menschen ausgerichtet ist. Daher wurden im Stimulator spezielle Sicherheitsfeatures, sowie ein Compliance-Monitoring System für die Überwachung der Stimulationsparameter und zur Kontrolle des Muskeltrainings implementiert. Der Stimulator ist einfach zu bedienen und mit Schutzeinrichtungen im Falle unsachgemäße Nutzung versehen. Das System besteht aus einer zentralen Steuereinheit und aus zwei aktiven Elektroden, welche direkt an den beiden Oberschenkeln befestigt werden. Zur Generierung der Stimulationsimpulse wurde eine spannungsgesteuerte Ausgangsstufe, sowie integrierte Sensor- und Messtechnik für eine störungssichere Anwendung implementiert.^ ^Ein wichtiger Aspekt ist die Überwachung der Elektrodenimpedanz, vor und während des Muskeltrainings. Das neuentwickelte Schaltungskonzept ist in der Lage die komplexe Impedanz auch während der Stimulation zu messen. Die sinusförmige Anregungsspannung ist kleiner als 1 V, in einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 100 kHz. Es wurde gezeigt, dass die Messgenauigkeit der Impedanz bei etwa 2,60% liegt. Zusätzliche integriert das Messsystem einen Beschleunigungssensor zur Erfassung der Oberflächenvibration während evozierten Muskelkontraktionen. In einer Pilotstudie wurde in fünf Probanden die Realisierbarkeit dieser Methode untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Messung der Beschleunigung eine höhere Empfindlichkeit aufweist gegenüber Kraftmessung und Elektromyographie, daher eignet sich diese Methode zur Detektieren der Aktivierungsschwelle.^ In einer klinischen Studie wurde das Elektrostimulationstraining in 16 Probanden mit einem durchschnittlichen Altern von 73.1 Jahren angewandt. Die TeilnehmerInnen absolvierten vor und nach einem 8- bzw. 10-wöchigen Training der Oberschenkelmuskulatur funktionelle Tests. Hauptzielparameter der Studie war die maximale willkürliche Kniestreckung, welche sich nach dem Training signifikant, um ca. 6%, verbesserte. Darüber hinaus wiesen entnommene Muskelbiopsien strukturelle und molekulare Verbesserung des Gewebes auf. Die Biopsien bestätigten auch, dass der Muskel durch das Training, auf zellularer Ebene nicht geschädigt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die Elektrostimulation eine sichere und wirksame Methode ist, um der Muskeldegeneration im Altern entgegenzuwirken. Zusätzlich wurde in der Arbeit eine umfassende Vergleichsstudie zwischen stromgesteuerten (CC) und spannungsgesteuerter (VC) Elektrostimulation durchgeführt.^ Die evozierten Muskelkontraktionen wurden mittels Kraftmessungen und myoelektrischer Signale quantifiziert. Die Stimulationsparameter, Amplitude und Pulsdauer, wurden dabei systematische variiert. In der Pilotstudie von fünf Probanden wurde gezeigt, dass die CC Stimulation eine Abhängigkeit von beiden Parametern zeigt. Im Gegensatz dazu ist die Muskelaktivierung bei VC Stimulation hauptsächlich durch die Variation der Stimulationsamplitude beeinflussbar. Bei dieser Messung wurde speziell auf die Elektrodenimpedanz geachtet, da diese ein wesentlicher Faktor im Vergleich beider Stimulationsarten ist. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Elektrostimulationstraining in einer Heimanwendung erhebliche Vorteile für die Patienten bietet und die zusätzliche evoziert Aktivierung des Muskels positive Effekte auf die Funktionalität hat und somit der altersbedingten Muskelatrophie entgegenwirken kann.

Abstract (English)

Aging of the human body is understood as a multifactorial process, which is also associated with a significant decline in neuromuscular functions. In general, skeletal muscles undergo a structural disorganization and functional decline. Especially, the lower limbs are more affected by age-related muscle atrophy compared to upper limbs. The reduction of leg muscle mass and strength is related to dysfunction of mobility and is a predictor of future disabilities. Therefore, an important aspect is to reduce muscle hypotrophy in older individuals. Several studies have documented that conventional physical therapy can reduce age-related muscle loss. The aim of the thesis was to employ neuromuscular electrical stimulation (NMES) as an alternative intervention to improve muscle recovery. It is hypothesized that NMES can successfully substitute the reduced volitional control of the aged muscles and induces persisting improvements in the neuromuscular performance.^ In the presented trial, electrical stimulation was applied to the anterior thigh muscles in sedentary seniors with an age-appropriate lifestyle. The thesis presents the implementation of a portable stimulation system especially designed for the elderly, which integrates specific safety features and a compliance monitoring system. The developed stimulator is easy to handle and reliable protective in case of improper usage. Therefore, the system integrates an active thigh-fitted electrode system, which is controlled with a hand-held remote control-unit. The concept of the novel stimulator is presented in detail, which is based on voltage-controlled output stages, integrated sensor- and measurement instrumentation to support the demanding safety features. In addition, a comprehensive compliance management supports the NMES-training in a home environment. For safe operation, a continuous monitoring of the electrode-tissue interface is essential.^ Therefore, a compact circuit was developed, which can measure the complex impedance by using a sinusoidal excitation signal within a frequency range of 10 kHz to 100 kHz. It was demonstrated that the accuracy of the impedance measurements is around 2.60% for excitation voltages lower than 1 V. The system integrates additionally an accelerometer sensor for detecting the surface vibration during evoked muscle contractions. In a preliminary study, acceleromyography was used to assess the muscle performance in five subjects. The results show that accelerometry is highly sensitive to evoked muscle contraction; therefore, it can be used to detect its activation thresholds. Nevertheless, acceleromyography is not interchangeable with force measurements. In the clinical trial, 16 sedentary elderly (average 73.1 years) performed an NMES-training of the anterior thigh muscles. A battery of functional tests, including maximum voluntary knee extension torque, was the basis for the assessment.^ Additionally, muscle biopsies were taken to investigate structural and molecular changes within the tissue. After NMES-training of 8 or 10 weeks, the lower limb muscle performance was significantly improved. In addition, the maximum voluntary contraction increased significantly by 6%. The biopsies taken after the training did not show any sign of fibrosis and inflammatory cell infiltration. Thus, the results provide evidence that electrical stimulation is a safe and an efficient method to counteract muscle decline associated with aging. Further, the thesis presents a comparative investigation of the two fundamental stimulation techniques, current-controlled (CC) and voltage-controlled (VC) stimulation. Therefore, the stimulation was applied to the anterior thigh muscle using a bipolar electrode set-up. The effect of electrical stimulation was assessed by force measurements and myoelectric signal recordings.^ ^A systematic parameter variation of the intensity and pulse width identified the influence of the electrode impedance on both stimulation types. During CC stimulation, the muscle output was susceptible to the variations of the pulse width and intensity. Whereas, a number of activated nerves during VC stimulation was only affected by the variation of the intensity considering pulse widths larger than 150 s. It can be concluded that NMES-training at home provides significant benefits to patients, including the improvement of life-quality and saving of treatment costs. Electrical stimulation significantly improves the reduced volitional control of the aged muscles. The study provides evidence that NMES-training counteracts muscle decline associated with aging.

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