Combining cycling and biofeedback as a stroke rehabilitation therapy

Abstract

Stroke is a leading cause of long-term disabilities, such as hemiparesis, inability to walk without assistance and dependence of others in the activities of daily living. Motor function rehabilitation after stroke demands for therapies oriented to the recovery of the walking capacity. Due to the similarities with walking, cycling leg exercise may present a solution to this problem. In addition, the therapies should also promote the patient's motivation and active participation during the rehabilitation process, which may be obtained with the provision of biofeedback. The purpose of this study is to assess the application of cycling leg exercise together with force or EMG biofeedback in the rehabilitation of stroke patients. A cycling device, THERA-live, was instrumented with sensors, in order to analyze the users' cycling performance (through training variables). A force biofeedback system was developed based on the data provided by load sensors. Healthy subjects were able to reduce the asymmetry of the force applied by each limb and change their pedaling strategy when force biofeedback was provided. Regarding EMG biofeedback, it was provided through a biofeedback device, YSY EST EVOLUTION. The tests of EMG biofeedback in the healthy subjects, showed that the users were able to increase their muscle activation pattern and to synchronize it with the target signal, when EMG biofeedback was provided. A study was designed to assess the effects of an intervention of cycling with force or EMG biofeedback on stroke patients' pedaling strategy and cycling performance; on the evolution of the cycling performance (through training variables) throughout the intervention; and on the patient's motor function, especially on the locomotor abilities. Simpler versions of the designed study were implemented in three stroke patients. Single sessions in which force and/or EMG biofeedback was provided and/or interventions of 5 sessions (during 2 weeks) of cycling with EMG biofeedback were considered. In overall, the tests performed in this preliminary study allowed to conclude that force and EMG biofeedback change the patients' pedaling strategy and improve their cycling performance. More tests are required to conclude which of these therapies may produce better results in stroke rehabilitation. The intervention of EMG biofeedback resulted in an improvement of the cycling performance throughout the intervention. Regarding the motor function, Patient 3 whose motor function was assessed at the beginning and end of the intervention, showed improvements. However, the number of patients to whom the intervention was implemented is insufficient to recommend or not cycling leg exercise together with force or EMG biofeedback as a stroke rehabilitation therapy. Therefore, the designed study should be implemented in more patients, in order to provide more information that allows to clarify the relevance of these therapies in the stroke rehabilitation.

Os Acidentes Vasculares Cerebrais (AVC) são uma das principais causas de incapacidades a longo prazo, tais como hemiparesia, incapacidade de andar sem assistência e dependência de terceiros nas atividades do dia-a-dia. A reabilitação da função motora, após um AVC, requer terapias orientadas à recuperação da capacidade de marcha. Devido às suas semelhanças com a marcha, cycling nos membros inferiores, poderá representar uma solução para este problema. Além disso, as terapias devem promover a motivação dos pacientes e a sua participação ativa no processo de reabilitação, o que poderá ser obtido através do fornecimento de biofeedback. O objetivo deste estudo consiste na avaliação da aplicação de cycling em conjunto com biofeedback da força ou do sinal de EMG na reabilitação de pacientes vítimas de AVC. Um dispositivo de cycling, THERA-live, foi equipado com sensores, de forma a analisar a performance dos utilizadores. Um sistema de biofeedback da força foi desenvolvido com base nos dados fornecidos por sensores de força. Utilizadores saudáveis conseguiram reduzir a assimetria da força aplicada por cada perna e mudar a sua estratégia de pedalar, quando biofeedback da força foi fornecido. O biofeedback do sinal de EMG foi fornecido através de um dispositivo de biofeedback, o YSY EST EVOLUTION. Testes em saudáveis demonstraram que os utilizadores são capazes de aumentar a ativação muscular e sincronizar o padrão de ativação com um sinal objetivo, quando biofeedback do sinal de EMG é fornecido. Um estudo foi apresentado com o objetivo de avaliar os efeitos de uma intervenção de cycling com biofeedback da força ou do sinal EMG na estratégia de pedalar e na performance dos pacientes durante o exercício; na evolução da performance ao longo da intervenção; e na função motora dos pacientes, em especial, na capacidade de marcha. Versões simplificadas do estudo planeado foram implementadas em pacientes vítimas de AVC. Sessões únicas de cycling com biofeedback da força e/ou do sinal EMG; e/ou intervenções de 5 sessões (during 2 weeks) de cycling com biofeedback do sinal EMG, foram consideradas. No geral, os testes efetuados neste estudo preliminar permitiram concluir que o biofeedback da força e do sinal EMG promove alterações na estratégia de pedalar dos pacientes e melhora a sua performance. É necessário realizar mais testes para inferir sobre qual das terapias poderá gerar melhores resultados na reabilitação de AVC. A intervenção de biofeedback do sinal EMG resultou numa melhoria da performance ao longo do período de reabilitação. No que concerne a função motora, o paciente cuja função motora foi avaliada no início e no fim da intervenção, apresentou melhorias. No entanto, o número de pacientes aos quais a intervenção foi a implementa é insuficiente para recomendar ou não o uso das terapias estudadas na reabilitação de AVCs. Deste modo, o estudo planeado deverá ser aplicado a mais pacientes, de forma a fornecer mais informação que permita clarificar a relevância do uso de cycling em conjunto com biofeedback da força ou do sinal EMG como terapias de reabilitação de AVCs.