Effect of intensive functional electrical stimulation therapy on upper-limb motor recovery after stroke: case study of a patient with chronic stroke

Physiother Can. Winter 2013;65(1):20-8. doi: 10.3138/ptc.2011-36.

Abstract

Purpose: Motivated by a prior successful randomized controlled trial showing that functional electrical stimulation (FES) therapy can restore voluntary arm and hand function in people with severe stroke, this study was designed to examine neuromuscular changes in the upper limb following intensive FES therapy, consisting of task-specific upper-limb movements with a combination of preprogrammed FES and manual assisted motion.

Methods: The patient was a 22-year-old woman who had suffered a haemorrhagic stroke 2 years earlier. FES therapy was administered for 1 hour twice daily for 12 weeks, for a total of 108 treatment sessions.

Results: While maximal voluntary contraction level of the upper-limb muscles did not show significant improvement, the ability to initiate and stop the muscle contraction voluntarily was regained in several upper-limb muscles (approx. 5%-15% of the maximum voluntary contraction of the same muscle in the less-affected arm). A reduction in arm spasticity was also observed, as indicated by the reduction of H-reflex in the wrist flexor muscle (82.1% to 45.0% in Hmax/Mmax) and decreased Modified Ashworth Scale scores (from 3 to 2 for the hand and 4 to 3 for the arm). Coordination between shoulder and elbow joints during the circle-drawing test improved considerably over the course of FES therapy: the patient was unable to draw a circle at all at baseline but was able to do so proficiently at discharge.

Conclusion: Improvements in upper-limb function observed in people with severe stroke following intensive FES therapy can be attributed to (a) regained ability to voluntarily contract muscles of the affected arm, (b) reduced spasticity and improved muscle tone in the same muscles, and (c) increased range of motion of all joints.

Objectif : Cette étude, motivée par un essai clinique randomisé qui démontrait que la thérapie par stimulation électrique fonctionnelle (FES) pouvait redonner la fonction volontaire du bras et de la main chez les patients qui avaient subi un AVC grave, a été conçue pour examiner les changements neuromusculaires aux membres supérieurs à la suite d'une thérapie intensive par FES comprenant une série de mouvements spécifiques du bras ainsi qu'une combinaison de séances de FES préprogrammées et de mouvements assistés. Méthode : La patiente, une femme de 22 ans qui avait subi un AVC hémorragique 2 ans plus tôt, a été traitée grâce à une thérapie par FES, à raison de 2 séances quotidiennes d'une heure chacune, pendant 12 semaines pour un total de 108 séances de traitement. Résultats : Bien que la contraction volontaire maximale des muscles de la portion supérieure du bras n'ait pas montré d'amélioration notable, la capacité d'amorcer et d'arrêter la contraction musculaire a augmenté pour un certain nombre de muscles des membres supérieurs (soit d'environ 5 à 15 % de la contraction musculaire maximale des mêmes muscles dans le bras moins affecté). Une réduction de la spasticité du bras a aussi été observée, notamment par la réduction du réflexe H dans le muscle fléchisseur du poignet (de 82,1 % à 45,0 % du Hmax/Mmax) et par une baisse des pointages obtenus à l'échelle d'Ashworth modifiée (de 3 à 2 pour la main, et de 4 à 3 pour le bras). La coordination entre les articulations de l'épaule et du coude au cours d'un test qui consistait à dessiner des cercles s'est améliorée considérablement pendant la thérapie par FES : la patiente n'était pas en mesure de tracer un cercle au départ, mais elle a pu le faire couramment après avoir reçu son congé. Conclusion : Des améliorations à la fonction des membres supérieurs observées chez les personnes ayant subi un AVC grave à la suite d'une thérapie intensive par FES peuvent être attribuées à (a) une capacité retrouvée à contracter volontairement les muscles du bras touché; (b) une spasticité réduite et une amélioration du tonus des mêmes muscles et (c) une amplitude de mouvement plus grande pour toutes les articulations.

Keywords: functional electrical stimulation; muscle spasticity; neuronal plasticity; rehabilitation; stroke; upper limb.