A Novel Sciatic Nerve Stimulation Technique for Assessing Phase Modulation of the H-reflex in the Hamstrings During Human Gait

Abstract

Introduktion: Flere typer af nerveskader og sygdomme kan forårsage tab eller nedsættelse af gangfunktion. For personer med gangbesvær forårsaget af nerveskade i forbindelse med bl.a. rygmarvsskader og apopleksi kan rehabilitering forbedre parametre af gang som f.eks. ganguafhængighed. Reflekser er interessante for rehabilitering både i forskning af deres betydning i normal gang og som en klinisk evaluering af patienters nerveskader. En vigtig del af refleksers normale funktion er fasemodulation. Reflekser involveret i gang er ikke altid aktive, men er i visse faser af gang-cyklussen ned reguleret så ingen eller mindre refleksresponse opstår ved sanseinput, der normalvis ville udløse en refleks. For strækreflekser kan modulering testes ved brug af H-refleks teknikker. H-refleksen er en kunstig refleks, der opstår ved elektrisk stimulering af strækreflekskredsløbet langs nerverne der forbinder sanseorganerne i senerne og muskler med rygraden. H-refleks teknikker har været brugt for underbenet, men har stort set ikke været anvendt til test af baglårsmusklernes strækreflekser. Problemformulering: Kan en protokol baseret på H-refleks teknikker målrettet iskiasnerven bruges til at undersøge fasemodulering af refleksers i baglårsmusklerne under gang. Problemløsning: Gennem en række pilotforsøg blev en protokol og forsøgsopsætning målrettet H-refleks modulering af iskiasnerven under gang udviklet og en undersøge af tvær-spinal reflekser udarbejdet. 10 forsøgspersoner blev rekrutteret. Protokollen består af 4 trin. 1: Den optimale placering af stimuleringskatoden vælges blandt 9 kandidat katoder i en firkant på baglåret ud fra H- og M-bølge respons i bicep femoris og soleus musklerne. 2: Input-output kurve for M- og H-bølger optages fra en stilleliggende forsøgsperson ved brug af stimulering mellem 0 og 100 mA monopolære stimulerings impulser med en pulsbredde på 1 ms. 3: Input-output kurver for M- og H-bølger optages for hver 10% af gangcyklussen. 4: Med en konstant 70 eller 80 mA stimuleringsintensitet baseret på soleus H-refleksen, stimuleres iskiasnerven 20 gange for 50% og 90% af gangcyklussen. Herefter optages 20 skridt uden stimulering. Resultater: Resultaterne fra anden del af protokollen viste både H-reflekser og M-bølger i både biceps femoris og soleus musklerne for størstedelen af de 10 forsøgspersoner. For biceps femoris kunne M-max opnås for 4 ud af 10 forsøgspersoner. For soleus kunne 1 ud af 10 forsøgspersoner stimuleres til M-max. Latenstiden i biceps femoris var 12.24 +- 1.62ms for M-bølgen og 22.8 +- 2.19ms for H-refleksen. For soleus var resultaterne henholdsvis 16.66 +- 1.63ms og 32.3 +- 2.68ms. Resultaterne fra den tredje del af protokollen viste at ratioen mellem Hrefleks og M-bølge var større i soleus end i biceps femoris. Selvom H/M ratioen generelt stiger i takt med baggrunds EMG aktiviteten er dette ikke altid tilfældet. Biceps H/M ratio var størst omkring 90-0% af gangcyklussen mens H/M ratioen for soleus var størst mellem 20-50% af gangcyklussen. Resultaterne for fjerde del af protokollen viste klaret hurtige tvær-spinalereflekser (75 ms) for 1 ud af 7 forsøgspersoner og langsommere respons (100-150 ms) i 2 ud af 7 forsøgspersoner. Diskussion: Resultaterne for fasemodulering af H-reflekser under gang stemmer overens med resultater opnået ved brug af andre metoder, samt andre stimuleringseleketrodeplaceringer. Dette bekræfter at protokollen er i stand til at stimulerer iskiasnerven under gang. Det var dog ikke muligt at opnå M-max for alle forsøgspersoner ved stimulering mellem 0-100 mA. Resultater for undersøgelse tvær-spinalereflekser var kun positive for 1 ud af 7 forsøgspersoner. Da undersøgelse heraf var inkluderet fordi der var en teoretisk mulighed for optagelse af tvær-spinalereflekser eksisterede ved aktivering af disse H-reflekser ses dette som et positivt resultat der åbner muligheden for udvikling af en lignende protokol målrettet netop tvær-spinalereflekser. Konklusion: En protokol baseret på H-refleks teknikker målrettet iskiasnerven bruges til at undersøge fasemodulering af reflekser i baglårsmusklerne under gang er blevet udviklet og verificeret via fasemodulering og input-output kurver for H-reflekser i både biceps femoris og soleus. Resultaterne viste også at det er plausibelt at videreudvikle teknikken til undersøgelse af hurtige tvær-spinalereflekser men at flere områder af protokollen stadig kan forbedres.

Introduction: Assessing reflex modulation during gait is of interest for research aiming to help people that suffer from gait deficits as a result of injuries to the nervous system. For the hamstring muscles there is a lack of techniques and studies for investigation of the H-reflex. Problem formulation: Can a protocol based on H-reflex techniques targeting the sciatic nerve be used to assess reflex phase modulation in the hamstrings during gait? Problem Solution: Constant current stimulation was applied to a grid of electrodes to find an optimal site based on H and M waves in both biceps femoris and soleus. Stimulation was then administered to ten volunteers, in different parts of the gait cycle. Result: Phase modulation consistent with results from literature were observed. For some subjects cross spinal responses could be elicited. Conclusion: H-reflex techniques can be adapted to the hamstrings in dynamic studies.

A master thesis from Aalborg University

A Novel Sciatic Nerve Stimulation Technique for Assessing Phase Modulation of the H-reflex in the Hamstrings During Human Gait

[En Ny Iskias Nerve Stimulerings Teknik til Måling af Fasemodulering af H-refleksen i Baglårsmuskler under Menneskelig Gang]