can wide-pulse high and low frequency nmes improve neuromuscular efficiency while reducing discomfort and fatigue across different stimulation sites?

Abstract

A Estimulação Elétrica Neuromuscular (EENM) com duração de pulso largo (1 ms) tem sido utilizada em baixa frequência (PLBF; <30 Hz) ou alta frequência (PLAF, >80 Hz) e aplicada em diferentes locais (nervo, ponto motor e intercalado entre ambos os locais) para melhorar o torque evocado e reduzir o desconforto e a fadiga. No entanto, as evidências sobre os efeitos da frequência e do local de estimulação na eficiência neuromuscular (EFNEURO - razão entre o torque evocado e a intensidade da corrente), no desconforto e na fadiga dos extensores do joelho ainda são escassas e precisam ser mais exploradas. Adicionalmente, tem sido reportado que a espessura do tecido adiposo subcutâneo (TAS) é um dos principais fatores que afeta a intensidade de corrente, podendo comprometer a EFNEURO e aumentar o desconforto induzido pela EENM. Entretanto, a literatura comparando esses desfechos entre homens e mulheres também é escassa, tornando essa temática inconclusiva. Em função disso, não é possível determinar qual protocolo é mais eficiente, o que limita o uso da EENM no fortalecimento de sujeitos saudáveis e de pacientes na prática clínica. Com a finalidade de responder essa pergunta e de aprofundar o conhecimento sobre esse tema, o objetivo da presente tese foi o de verificar possíveis diferenças entre os três locais de EENM [no nervo femoral (NF), no ponto motor (PM) e simultaneamente em ambos os locais (NFPM)] e entre diferentes frequências de estimulação usando PLBF ou PLAF, enquanto avaliamos a intensidade da corrente,EFNEURO, desconforto, e parâmetros de fatigabilidade dos extensores do joelho. Além disso, esta tese visa comparar a espessura do TAS, a intensidade da corrente, o torque evocado, a EFNEURO e o desconforto entre homens e mulheres, bem como avaliar a relação entre TAS e esses parâmetros em ambos os sexos e, finalmente, investigar a interação entre intensidade da corrente, torque evocado, EFNEURO e desconforto entre homens e mulheres. Para atingir esses objetivos realizamos 4 estudos: o primeiro, uma revisão sistemática com metanálise (Capítulo 1), seguido de dois ensaios clínicos randomizados (Capítulos 2 e 3) e um estudo quase-experimental (Capítulo 4) que compõem essa tese. No Capítulo 1, revisamos sistematicamente a literatura por meio de uma metanálise de ensaios clínicos randomizados com o objetivo de determinar se há diferenças entre a EENM aplicada no músculo (mEENM), no nervo (nEENM) ou com pulsos intercalados entre nEENM e mEENM (iEENM) na intensidade de corrente, no torque evocado, no desconforto e na fadiga em jovens saudáveis. A mEENM exigiu uma intensidade de corrente maior em comparação à nEENM, mas a qualidade da evidência foi muito baixa. A iEENM gerou maior torque do que nEENM e mEENM, e a qualidade da evidência foi muito baixa para ambos os resultados. Além disso, o iEENM foi menos fatigante do que nEENM e mEENM. Todos os protocolos induziram níveis de desconforto semelhantes, com baixa, moderada e alta qualidade de evidência. No entanto, a qualidade metodológica dos estudos e a evidência geral baixa a muito baixa sugerem que ensaios clínicos randomizados de melhor qualidade são necessários para determinar o melhor local de EENM para a prática clínica. Portanto, nos Capítulos 2 e 3 procuramos realizar dois estudos de alta qualidade metodológica com objetivo de preencher as lacunas da literatura. Para ambos os estudos, recrutamos 35 indivíduos saudáveis e fisicamente ativos, os quais foram submetidos a 6 dias de testes para verificar os efeitos das EENMs PLBF e PLAF aplicadas no NF, no PM e NFPM sobre a intensidade de corrente, a EFNEURO e o desconforto (Capítulo 2), e na fatigabilidade dos extensores do joelho (Capítulo 3). Em ambos os estudos utilizamos uma forma de onda retangular bifásica simétrica, com frequências baixa (20 Hz) e alta (100 Hz), e uma duração de pulso de 2,0 ms (duração de fase 1 ms). No Capítulo 2, observamos que a PLAF mostrou maior EFNEURO comparado a PLBF quando aplicada nos locais NF, PF e NFPM. A PLAF mostrou maior EFNEURO quando aplicada no NFPM em comparação com o PM e o NF. A PLBF nos locais NFPM e PM apresentou maior EFNEURO comparada ao NF. A PLBF causou mais desconforto que a PLAF, e os protocolos aplicados no NF demonstraram maior desconforto comparado aos aplicados no PM. No Capítulo 3, observamos que o NFPM produziu maior trabalho total (ou seja, maior integral do torque-tempo, ITT) e teve um menor declínio no ITT em comparação com os locais NF e PM. A PLBF apresentou um menor declínio no ITT em comparação com a PLAF. A PLBF demonstrou um menor índice de fadiga (ou seja, menor redução percentual das contrações evocadas) comparada com a PLAF. No entanto, a PLBF foi mais desconfortável do que a PLAF. Por fim, o objetivo do Capítulo 4 foi comparar as respostas da EENM entre homens e mulheres para a espessura do TAS, intensidade de corrente, torque evocado, EFNEURO e desconforto, além de avaliar a relação entre TAS e desconforto, intensidade de corrente, torque evocado e EFNEURO entre homens e mulheres. Nesse estudo, participaram 35 indivíduos saudáveis. As mulheres apresentaram maior TAS, menor limiar supramotor e menor torque evocado a 20% da contração voluntária máxima isométrica (CVMI) comparadas aos homens. Houve uma correlação moderada positiva entre TAS e intensidade de corrente no limiar motor, e uma correlação negativa entre TAS e torque evocado. Por fim, nossos resultados indicam que o protocolo PLAF, especialmente quando aplicado no local NFPM, é o mais eficiente, gera menor desconforto e foi o preferido pela maioria dos participantes. No entanto, quando o objetivo é maximizar o trabalho isométrico e a resistência à fadiga, sem considerar o desconforto, o protocolo PLBF aplicado no local NFPM se mostra a opção mais adequada. Ademais, os achados reforçam a importância de personalizar os protocolos de EENM de acordo com as características fisiológicas individuais, sobretudo as diferenças sexuais relacionadas à espessura do tecido adiposo, para otimizar os resultados da estimulação elétrica neuromuscular.

Wide-pulse Neuromuscular Electrical Stimulation (NMES; pulse duration ≥1 ms) has been used with low frequency (WPLF; <30 Hz) or high frequency (WPHF, >80 Hz) and applied at different sites (nerve, motor point, and intercalated between both locations) to improve evoked torque and to reduce discomfort. However, the evidence about the effects of stimulation frequency and site on neuromuscular efficiency (NEUROEF - the ratio between evoked torque and current intensity), discomfort, and fatigue in the knee extensors is still scarce and needs to be further explored. Additionally, subcutaneous adipose tissue (SAT) thickness has been reported as one of the main factors affecting current intensity, potentially compromising NEUROEF and increasing NMES-induced discomfort. However, the literature comparing these outcomes between men and women is also limited, making the use of NMES inconclusive. Therefore, it is not possible to determine which NMES protocol is the most efficient and that limits NMES usage in the strengthening of healthy subjects and of patients in clinical practice. In order to answer this question and deepen the knowledge on this topic, the objective of this thesis was to verify possible differences between the three NMES sites [i.e., at the femoral nerve (FN), motor point (MP), and simultaneously in both sites (FNMP)], across different stimulation frequencies using WPLF or WPHF, while evaluating current intensity, NEUROEF, discomfort, and fatigability parameters of knee extensors. Furthermore, we aimed to compare the responses between men and women for SAT, current intensity, evoked torque, NEUROEF, and discomfort, as well as to assess the relationship between SAT and these parameters in both sexes, and finally, to investigate the interaction between current intensity, evoked torque, NEUROEF and discomfort between men and women. To achieve these objectives, we conducted four studies: the first, a systematic review with meta-analysis (Chapter 1), followed by two randomized clinical trials (Chapters 2 and 3) and one quasi-experimental study (Chapter 4), all of which compose this thesis. In Chapter 1, we systematically reviewed the literature through a meta-analysis of randomized clinical trials with the objective of determining whether there are differences between NMES applied at the muscle (mNMES), at the nerve (nNMES), or with pulses intercalated between nNMES and mNMES (iNMES) in current intensity, evoked torque, discomfort, and fatigue in healthy young adults. The mNMES required a higher current intensity compared to nNMES, but the quality of evidence was very low. iNMES generated greater torque than nNMES and mNMES, but the quality of evidence was very low for both results. Additionally, iNMES was less fatiguing than both nNMES and mNMES. All protocols induced similar discomfort levels, with low, moderate, and high quality of evidence. However, the studies' methodological quality and overall low to very low evidence suggest that better quality randomized clinical trials are needed to determine the best NMES site for clinical practice. Therefore, in Chapters 2 and 3, we conducted two high-quality studies to fill the literature gaps. For both studies, we recruited 35 healthy, physically active individuals, who underwent 6 days of testing to evaluate the effects of WPLF and WPHF applied at FN, MP, and FNMP on current intensity, NEUROEF, and discomfort (Chapter 2), and on knee extensors' fatigability (Chapter 3). In both studies, we used a symmetrical biphasic rectangular waveform, with low (20 Hz) and high (100 Hz) frequencies, and a pulse duration of 2.0 ms (phase duration of 1 ms). In Chapter 2, we observed that WPHF showed higher NEUROEF compared to WPLF when applied at FN, MP, and FNMP. WPHF showed higher NEUROEF when applied at FNMP compared to MP and FN. WPLF at FNMP and MP showed greater NEUROEF compared to FN. WPLF presented higher discomfort than WPHF, and protocols applied at FN demonstrated higher discomfort compared to those applied at MP. In Chapter 3, we observed that FNMP produced higher total work (i.e., higher torque-time integral, TTI) and had a lower decline in TTI compared with FN and MP sites. WPLFNMES presented a lower decline in TTI compared to WPHF-NMES. WPLF demonstrated a lower fatigue index (i.e., lower percentual reduction of the evoked contractions) compared to WPHF. However, WPLF was more uncomfortable than WPHF. Finally, the objective of Chapter 4 was to compare the NMES responses between men and women for SAT, current intensity, evoked torque, NEUROEF, and discomfort and to assess the relationship between SAT and discomfort, current intensity, evoked torque, and NEUROEF between men and women. Thirty-five healthy individuals participated in this study. Women showed higher SAT, lower supramotor threshold, and lower evoked torque at 20% of the maximal voluntary isometric contraction (MVIC) compared to men. There was a positive moderate correlation between SAT and current intensity at the motor threshold, and a negative correlation between SAT and evoked torque. Finally, our results indicate that the WPHF protocol, especially when applied to the FNMP site, is the most efficient, causes less discomfort, and was preferred by most participants. However, when the goal is to maximize isometric work and fatigue resistance without considering discomfort, the WPLF protocol applied to the FNMP site appears to be the most suitable option. Additionally, the findings reinforce the importance of personalizing NMES protocols according to individual physiological characteristics, particularly sex-related differences in SAT thickness, to optimize neuromuscular stimulation outcomes.