Bruce R. Bowman

Effects of waveform parameters on comfort during transcutaneous neuromuscular electrical stimulation.

Twenty-three females between the ages of 19 and 35 were studied in order to compare the effects of variations in pulse duration, waveform symmetry, and source regulation on comfort during quadriceps surface stimulation at amplitudes necessary to produce 27 Nm torque. Stimulation parameters compared were: 1) 50 and 300 μs pulse durations, 2) asymmetrical and symmetrical biphasic waveforms, and 3) current and voltage source regulation. Subjects overwhelmingly preferred the 300 μs pulse duration regardless of waveform or source regulation, strongly preferred the symmetrical biphasic waveform, and had inconsistent preference for either regulated voltage or regulated current sources.

Acute and chronic implantation of coiled wire intraneural electrodes during cyclical electrical stimulation

The posterior tibial nerves of 18 rabbits were intraneurally implanted with coiled wire electrodes for up to 9 weeks to evaluate their usefulness for neuromuscular electrical stimulation. In one group an electrode was implanted and removed in one leg while the other leg was chronically implanted. A second group was chronically implanted without electrical stimulation in one leg and implanted with cyclical electrical stimulation applied through the electrode in the other leg. No significant changes in nerve conduction velocities between the time of implantation and up to 9 weeks post-implantation were observed in either the stimulated or the non-stimulated nerves. Little change in motor current threshold was observed beyond 10 days postimplantation. The nerves showed little or no histologic demyelination or denervation in most specimens, although in about 40% of the nerves, a bulbous formation of connective tissue was observed at electrode entry and exit sites with some demyelination in these regions. The spinal cords showed no histologic abnormalities in either group. The gastrocenemius and soleus muscles showed only occasional signs of denervation. One cat was implanted in both the posterior tibial and peroneal nerves of each leg for a 4-year period. Threshold current showed very little change during the implantation period. The nerves showed minimal focal demyelination at the electrode site and the muscles showed normal fibers.

Effects of waveform on comfort during neuromuscular electrical stimulation

Electrical stimulation is a commonly used clinical tool, but subject and patient comfort is still a major problem retarding its widespread application. Stimulus waveform in combination with pulse duration can play a major part in subject comfort. An asymmetric balanced biphasic square waveform was perceived as comfortable and was clinically effective in stimulating wrist flexor and extensor muscles. Subjects preferred the square waveforms over a paired spike monophasic waveform. In the larger quadriceps muscle group, a symmetric biphasic square wave was perceived as more comfortable than either a monophasic paired spike or any of three medium frequency waveforms. There seemed to be, however, a small subpopulation of subjects who consistently preferred the medium frequency waveforms. Medium frequency stimulation should be tried for those patients who have considerable difficulty adapting to the sensory input inherent with the use of surface electrical stimulation.

Anwendung der Elektrostimulation in Kombination mit herkömmlichen Therapieformen

Wegen der Effektivitat und der umfangreichen Anwendungsgebiete der ES bei neuromuskularen und anderen Storungen des Bewegungssystems ist es verfuhrerisch, die ES als optimale und einzige Therapieform bei solchen Erkrankungen einzusetzen. Man darf aber nicht vergessen, das es sich bei dieser Behandlungsform um eine zusatzliche Methode handelt, die in den allgemeinen Therapieplan einbezogen werden mus. Durch Verbindung mit herkommlichen Behandlungsmethoden kann, zum Beispiel durch Verstarkung einer anderen Therapie, oder durch zeitliche Ausdehnung eines traditionellen Trainingsprogramms das nicht der Aufsicht eines Therapeuten bedarf, der Erfolg der gesamten Behadlung vergrosert werden. In diesem Kapitel werden einige Moglichkeiten zur Integration der ES in andere Behandlungsmethoden aufgezeigt. Die Beispiele beschranken sich auf die Erfahrungen einer Klinik; sicherlich gibt es noch andere Moglichkeiten.

Elektrostimulation der unteren Extremitäten

Vor Beginn der ES soll ein Behandlungsplan erstellt werden, indem die erwunschten Muskelreaktionen und das Behandlungsziel festgelegt werden. Je nach der Bewegungsmechanik eines Gelenkes, der Muskelanatomie und den Kraftansatzpunkten der Muskulatur mus bestimmt werden, welche Muskelgruppen fur eine Elektrostimulation in Frage kommen und welches Programm Anwendung findet. In diesem Kapitel werden die gelaufigen Behandlungsformen der Beinmuskulatur beschrieben. Auserdem werden Vorschlage bezuglich Elektrodengrose und -plazierung gemacht, und es wird auf besondere Problemstellungen und Methoden zur Erfolgskontrolle eingegangen (allgemeine Anwendungsrichtlinien s. Kapitel 4)

Grundprinzipien der Elektrostimulation

Unter dem Einflus eines elektrischen Feldes wird die Erregung von Nerven- und Muskelgewebe durch den Transport von Ionen durch die Gewebsmembran ausgelost, wie Hodgkin und Huxley in den funfziger Jahren beschrieben [28]. An der Beruhrungsstelle zwischen Elektrode und Gewebe wird der Elektronenstrom, der von der externen Spannungsquelle zu den Gewebselektroden fliest, in einen Ionenstrom im Gewebe umgewandelt. An der positiven Elektrode (Anode) wie auch in dem darunterliegenden Gewebe werden positive Ionen (hauptsachlich Natrium, aber auch Kalium) abgestosen, wahrend negativ geladene Ionen (hauptsachlich Chlor) gleichzeitig angezogen werden. Die negativ geladene Elektrode (Kathode) zieht die positiven Ionen an und stost negative Ionen ab. Auf diese Art und Weise entsteht ein Ionenstrom. (Laut Definition fliesen Ionen von + nach –.) Positive Ionen werden unter der Anode in die stimulierte Faser hineingebracht und an der Kathode hinausgezogen (Abb. 9). Obwohl die Ionen die Zellmembran an beiden Elektroden durchqueren, wird eine Erregung (Membran-Depolarisierung) in erster Linie an der Kathode beobachtet, weshalb sie „aktive“ Elektrode genannt wird. In der Nahe der positiven Anode (oft „indifferente“ Elektrode genannt) wird die Ausenseite der Zellmembran noch positiver geladen, die Membran wird hyperpolarisiert und dadurch elektrisch inaktiver. Im Gegensatz dazu verringert negative Ladung an der Kathode die Potentialdifferenz an der Membran, und die Reizschwelle zur Einleitung eines Aktionspotentials wird erreicht. Wenn ein Aktionspotential erzeugt wurde, ist die weitere Reizung durch Elektrostimulation unnotig, da sie keinen Einflus auf die Weiterleitung dieses Aktionspotentials hat.

Allgemeine Anwendung der Elektrostimulation

Elektrostimulation hat vielfaltige Anwendungsmoglichkeiten als therapeutisches Hilfsmittel bei der Behandlung von Erkrankungen des Bewegungsapparates (Nerven-, Muskel- und Skelettkrankheiten). Sofern die peripheren Nerven nicht geschadigt sind, kann bei vielen Patienten mit Storungen der Willkurmotorik durch Elektrostimulation die Muskelfunktion verbessert oder wiederhergestellt werden. Hierfur kamen in Frage: Patienten mit Zustand nach kortikaler Schadigung, wie zum Beispiel nach Schlaganfall oder Schadel-Hirn-Trauma, Patienten mit Zustand nach Ruckenmarksverletzungen, insbesondere wenn keine vollstandige Querschnittslasion vorliegt, Patienten nach orthopadisch-chirurgischen Eingriffen, wie zum Beispiel nach Implantation eines kunstlichen Gelenkes oder nach Knorpel- oder Sehenoperationen, Patienten mit Zustand nach Erkrankung peripherer Nerven, wie zum Beispiel Guillain- Barre-Syndrom oder Verletzung des Plexus brachialis.

Anwendungstechnische Überlegungen zur klinischen Elektrostimulation

ES als zusatzliche therapeutische Masnahme wird in jeder Klinik bestimmte Anforderungen an Administration und Planung stellen. Jede Klinik wird unterschiedliche individuelle Losungen finden, dennoch gibt es einige allgemeine Gesichtspunkte, die hier kurz dargestellt werden sollen.

Richtlinien zur Einstellung der Stimulationsparameter

Die auf dem Markt befindlichen Elektrostimulatoren bieten verschiedene Einstellmoglichkeiten der Stimulationsparameter: Stromstarke, Impulsdauer und Frequenz, Anstiegszeit des Impulses, Dauer der Stimulationsperiode und der Pausenzeit zwischen zwei Stimulationsperioden sowie die Behandlungszeit konnen variiert werden. Es gibt auch Gerate mit einem Mehr-Kanal-System und unabhangiger Schaltung der Kanale und Anschlusmoglichkeit fur zusatzliche Handschalter.

Physiologie der Nerven- und Muskelreizung

Die Erregbarkeit von Nerven und Muskeln ist die Grundlage fur die therapeutische Anwendung der Elektrostimulation. Dieser Abschnitt soll einen allgemeinen Uberblick uber die Grundlagen der Neurophysiologie sowie der Nerven- und Muskelstimulation darstellen, um die Wirkungsweise der Elektrostimulation verstandlich zu machen. Diese Darstellung ist nicht als ausfuhrliche Abhandlung der Elektrophysiologie gedacht; es wird vorausgesetzt, das der Leser sich grundsatzlich uber das Fachgebiet im klaren ist. Zum ausfuhrlicheren und tiefer gehenden Studium wird auf die Lehrbucher, Monographien und Veroffentlichungen im Literaturverzeichnis hingewiesen.