Functional electrical stimulation using microstimulators to correct foot drop: a case study

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This paper presents a case study that tested the feasibility and efficacy of using injectable microstimulators (BIONs®) in a functional electrical stimulation (FES) device to correct foot drop. Compared with surface stimulation of the common peroneal nerve, stimulation with BIONs provides more selective activation of specific muscles. For example, stimulation of the tibialis anterior (TA) and extensor digitorum longus (EDL) muscles with BIONs produces ankle flexion without excessive inversion or eversion of the foot (i.e., balanced flexion). Efficacy was assessed using a 3-dimensional motion analysis of the ankle and foot trajectories during walking with and without stimulation. Without stimulation, the toe on the affected leg drags across the ground. BION stimulation of the TA muscle and deep peroneal nerve (which innervates TA and EDL) elevates the foot such that the toe clears the ground by 3 cm, which is equivalent to the toe clearance in the less affected leg. The physiological cost index (PCI) measured effort during walking. The PCI equals the change in heart rate (from rest to activity) divided by the walking speed; units are beats per metre. The PCI is high without stimulation (2.29 ± 0.37, mean ± SD) and greatly reduced with surface (1.29 ± 0.10) and BIONic stimulation (1.46 ± 0.24). Also, walking speed increased from 9.4 ± 0.4 m/min without stimulation to 19.6 ± 2.0 m/min with surface and 17.8 ± 0.7 m/min with BIONic stimulation. These results suggest that FES delivered by a BION is an alternative to surface stimulation and provides selective control of muscle activation.Key words: FES, BION, foot drop, stroke, spinal cord injury.

Cet article présente une étude de cas ayant évalué la possibilité d'utiliser des microstimulateurs injectables (BIONsMD) dans un appareil de stimulation électrique fonctionnelle (SEF) ainsi que son utilité pour la correction de la chute du pied. Par comparaison à la stimulation de surface du nerf péronier commun, la stimulation par BION fournit une activation plus sélective de certains muscles. Par exemple, la stimulation des muscles tibialis anterior (TA) et extensor digitorum longus (EDL) produit une flexion de la cheville sans inversion ni éversion excessive du pied (c.-à-d. flexion équilibrée). L'efficacité a été évaluée à l'aide d'une analyse du mouvement en 3-D des trajectoires de la cheville et du pied pendant la marche avec et sans stimulation. Sans stimulation, l'orteil de la jambe touchée traîne sur le sol. La stimulation BION du muscle TA et du nerf péronier profond (innerve TA et EDL) soulève le pied de telle sorte que l'orteil se retrouve à 3 cm au-dessus du sol, c'est-à-dire l'équivalent de ce qui se passe dans la jambe moins touchée. L'indice du coût physiologique (ICP) a mesuré l'effort pendant la marche. L'ICP égale la modification de la fréquence cardiaque (du repos à l'activité) divisée par la vitesse de la marche; il s'exprime en battements/m. L'ICP est élevé sans stimulation (2,29 ± 0,37; moyenne ± écart-type) et grandement réduit lorsqu'il y a stimulation de surface (1,29 ± 0,10) ou BIONique (1,46 ± 0,24). La vitesse de la marche s'accroît aussi, passant de 9,4 ± 0,4 m/min sans stimulation à 19,6 ± 2,0 m/min avec stimulation de surface et à 17,8 ± 0,7 m/min avec stimulation BIONique. Ces résultats semblent indiquer que la stimulation électrique fonctionnelle par BION est une solution de rechange à la stimulation de surface et qu'elle fournit un contrôle sélectif de l'activation des muscles.Mot clés: SEF, BION, chute du pied, accident vasculaire cérébral, traumatisme médullaire.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: July 1, 2004

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