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Simplified Muscle-Recruitment Strategy During Walking in Parkinson's Disease People: A Time-Frequency Analysis of EMG Signal - 14/09/23

Doi : 10.1016/j.irbm.2023.100798 
Francesco Di Nardo a, , 1 , Marco Romanato b, , 1 , Fabiola Spolaor b, Daniele Volpe c, Sandro Fioretti a, Zimi Sawacha b, d
a Department of Information Engineering, Università Politecnica delle Marche, via Brecce Bianche, 60131 Ancona, Italy 
b Department of Information Engineering, Università degli Studi di Padova, via Gradenigo, 35131 Padova, Italy 
c Fresco Parkinson Center, Villa Margherita, S. Stefano, Via Costacolonna, 36057 Vicenza, Italy 
d Department of Medicine, Università degli Studi di Padova, via Ospedale Civile, 35121 Padova, Italy 

Corresponding authors.

Abstract

Objective

Although gait analysis has been widely adopted to describe Parkinson's disease (PD) dysfunctions during walking, few efforts have been made to understand muscle activity role. The current study aims to characterize lower-limb-muscle recruitment during walking in time-frequency domain, based on Continuous Wavelet Transform (CWT) analysis of surface-electromyography (sEMG) signal from lower-limb muscles.

Materials and methods

sEMG signals from Tibialis Anterior (TA), Gastrocnemius Lateralis (GL), Rectus Femoris (RF), and Biceps Femoris (BF) of 20 people with PD and 10 age-matched healthy controls (HC) were acquired during gait. sEMG signals were processed applying a CWT-based approach to assess the occurrence frequency (OF, i.e., the percentage of strides of each muscle activation occurrence) and the frequency content of each muscle activation (in Hz). These parameters are rarely quantified in PD.

Results

Compared to HC, people with PD displayed a significant decrease (p<0.05) in median OF on RF, BF, and TA, indicating a tendency to reduce the global involvement of lower-limb muscles. No significant differences (p>0.05) in OF were detected among muscle within the same population. No significant changes (p>0.05) in frequency content were revealed in PD.

Conclusion

This analysis suggests that people with PD are characterized by a reduced recruitment of those muscles typically adopted to finely control body-segment motion and a concomitant increased recruitment of those muscles mainly involved in locomotion. No substantial alteration in recruiting muscle fibers is associated with PD. These findings suggest that people with PD are inclined to adopt simpler muscular-recruitment strategies during walking, compared to HC.

Il testo completo di questo articolo è disponibile in PDF.

Graphical abstract

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Highlights

Lower-limb-muscle recruitment is assessed during parkinsonian (PD) walking.
Surface-EMG signal is processed in time-frequency domain by Wavelet Transform.
Muscle involvement in walking is reduced in PD patients compared to healthy peers.
No substantial alteration is observed in muscle-fiber recruitment associated to PD.
People affected by PD adopt a simpler muscular-recruitment strategy during walking.

Il testo completo di questo articolo è disponibile in PDF.

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