Objective assessment of the fusion frequency in functional electrical stimulation using the fast Fourier transform / Objektive Bestimmung der Fusionsfrequenz in der funktionellen Elektrostimulation mittels Fast Fourier Transformation
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Stefan Sauermann
Abstract
In functional electrical stimulation (FES) the dynamics of tetanic muscle contractions is often described by the fusion frequency (FF), as determined by palpation: contractions elicited by stimulation frequencies above the FF appear smooth. To contribute to a more objective assessment of this important FES parameter, we have developed a dedicated signal analysis method based on fast Fourier transformation (FFT). The ripple to peak ratio (RrpFFT) – the relation between ripple amplitude and peak force value of a recorded tetanic muscle force in relation to the applied stimulation frequency – was determined automatically by analysing a 0.2-s interval in the steady state of a stimulation burst. The method was tested on simulated data and on force recordings from isolated tibialis anterior muscles of six rabbits. The results were compared to manual estimates. The robustness of the method was tested by adding noise and hum. Simulated noise at 100% of the ripple force increased RrpFFT by 4%. Hum at 20 Hz away from the stimulation frequency caused changes of less than 0.5%. The results of the automated analysis of recorded signals matched the manual estimates sufficiently well, especially for stimulation frequencies near or above FF. RrpFFT therefore seems suitable for automated, objective and robust assessment of the ripple and the FF of electrically stimulated muscle.
Zusammenfassung
In der funktionellen Elektrostimulation (FES) werden die dynamischen Eigenschaften von tetanisch kontrahierenden Muskeln oft durch die „Fusionsfrequenz” (FF) angegeben, die durch manuelles Tasten bestimmt wird: Kontraktionen bei Stimulationsfrequenzen oberhalb der FF erscheinen „glatt”. Um zu einer objektiveren Bestimmung dieses wichtigen FES-Parameters beizutragen, haben wir eine Signalanalysemethode entwickelt, die auf der Fast Fourier Transformation (FFT) basiert. Die „Ripple-to-Peak Ratio” (RrpFFT) – das Verhältnis zwischen der Amplitude der Welligkeit und des Maximums eines Kraftsignals, bei tetanischer Kontraktion, bei einer bestimmten Stimulationsfrequenz – wurde automatisch aus einem 0,2 s langen Signalsegment einer Stimulationssequenz bestimmt. Die Methode wurde an simulierten Signalen und an Kraftmessungen von isolierten Tibialis anterior-Muskeln von 6 Kaninchen getestet und mit manuellen Bewertungen verglichen. Die Robustheit der Methode wurde durch hinzugefügtes Rauschen und Brummen untersucht. Simuliertes Rauschen, in der Höhe der Welligkeit, vergrößerte die RrpFFT um 4%. Brummen, 20 Hz neben der Stimulationsfrequenz, veränderte die RrpFFT um weniger als 0.5%. Die Ergebnisse aus der automatischen Analyse der gemessenen Signale waren mit den manuellen Bewertungen gut vergleichbar, insbesondere bei Stimulationsfrequenzen in der Nähe oder oberhalb der FF. Die automatisch bestimmte RrpFFT scheint daher, als objektive und robuste Methode, für die Messung der Welligkeit und der FF bei elektrisch stimuliertem Muskel sehr gut geeignet zu sein.
©2007 by Walter de Gruyter Berlin New York
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