Device Restores Hand Function for Some With Spinal Cord Injuries

A device created at UW Medicine has successfully restored hand function in some people with spinal cord injuries.

Jon Schlueter plays guitar in the lab of UW Medicine professor Chet Moritz. Photo Credit: UW Medicine

After half a decade of tirelessly working to reverse the effects of a 2005 spinal cord injury, Jon Schlueter remembers finally lowering his expectations.

Schlueter had dedicated himself to an exercise-based rehabilitation after a shallow diving accident left him with an incomplete C5-C7 spine injury. He needed to make the most of the limited window those with spinal-cord injuries have to regain significant function. But his gains had leveled off. He acknowledged to himself it was time to move on from the idea he might have more than limited use of his arms and hands.

“Conventional wisdom with a spinal cord injury was you had up until five years for the spinal cord swelling to go away and for any returns to come,” Schlueter said. “I spent those first five, seven years really doing nothing else but rehabilitation five days a week at the UW and private facilities, then doing it at home by myself, becoming obsessed. But the gains leveled off. I’d all but forgotten about the right side of my body.”

Renewed Outlook

Fifteen years later, Schlueter has a renewed outlook on recovery after participating in a University of Washington School of Medicine study of an electrical stimulation device that shows great promise for patients with loss of function and other side effects of spinal cord injury. The 49-year-old Seattle resident now plays the guitar for hours each week and continues to improve. He’s regained use of his right hand and arm, has newly regulated blood pressure and other systemic issues and is excited about the prospects for continued recovery. 

The international clinical trial used a device that provides electrical current to the spinal cord through electrodes on the skin. The patches are designed to numb the contact point to allow for five times more current to be delivered compared to standard treatments.

A study published May 20 in Nature Medicine describes the gains Schlueter and others experienced in the trial of more than 60 patients with tetraplegia, a loss of some or all function in all four limbs. A research team led by Chet Moritz, professor of rehabilitation medicine at the University of Washington School of Medicine, found that 72% of participants significantly improved strength and function by using the treatment for two months.

Further, the participants in the initial studies kept those gains even after discontinuing use of the electrical-impulse device.

“We’ve seen people that have no functional use of their hands at all go from not being able to pick up an object or manipulate an object all the way to being able to play an electric guitar or use a paintbrush on canvas,” Moritz said. “We’ve also seen some people who had no movement of their fingers at all start moving them for the first time in more than a year since their injury.”

Uneven Benefits

Unfortunately, 28% of study participants did not meet the criteria that signaled improvement, possibly due to the severity of their injuries.

The range of outcomes reflects the uniqueness of each spinal cord injury. Most often the spine is crushed or bruised, Moritz said, but not severed completely. Some study participants like Schlueter have seen powerful results, but his gains are still uneven. He can play most chords with his left hand pressing the strings to the fretboard confidently up and down the guitar neck. He has more limited use of his right hand, using a thumb pick to strike individual notes and strum the strings.

“We used to essentially give up significant recovery after about a year post-injury,” Moritz said. “The chances of recovering were in the single-digit percentages, 2% to 8%. The fact that we’re seeing 72% of people recover, all more than a year after their injury — and even 10, 15, up to 35 years after their injury — is extremely exciting.”

Onward Medical, the maker of the ARC EX device, has applied to the U.S. Food and Drug Administration for approval to take it to market. The clinical use of the machine, invented at UCLA, was refined by Moritz and colleagues through multiple collaborative studies. The device is a small, nondescript black box that nevertheless delivers big results.

‘Immediate’ Effect

Participants at Moritz’s lab began the study by spending two months going through rehabilitation exercises without the device. These tasks included picking up ping pong balls and putting them into containers, then moving to progressively smaller items down to tiny beads. They also pulled toothpicks out of a container of stiff putty and reinserted them into a different container.  And they stacked small blocks to build towers. 

While the exercises may sound simple, each takes extreme patience and concentration for people who have lost function from spinal cord injury.

Study participants had the electrodes applied over the injured area of their spine. A therapist worked with each participant to correct technique while a technician recorded results. Participants can be seen gaining proficiency over the course of a single use of the device. The electrical current primes the user’s nervous system, though it does not directly cause the muscles to move, Moritz said. The user is choosing when and how much to move.

“We tried it for over a week without stimulation and I was just flatlined,” Schlueter said. “Then we put the power on my neck, for lack of a better way to put it, and it was immediate. As soon as they turned it on, I could pick up that little ball. It was really exciting. I mean, everybody in the room was as excited as I was.”

Other Improvements

Schlueter and his cohort have seen other benefits as well. People with spine injuries often struggle with low heart rate, blood flow and blood pressure. Researchers saw improvement in those areas, as well. Some even reported improved function in their lower extremities during use of the device. That finding led to several new studies examining leg function and walking.

Schlueter has pushed the bounds of what’s possible, perhaps more than any other study participant, Moritz said.

“Jon definitely received a benefit from the stimulation,” he said, “but he also did a lot of hard work on his own. He surprised us that he was able to go home and play his electric guitar after each stimulation session.”

“It has taken hours and hours and hours and hours and hours to be able to fret chords, run scales and play songs,” said Schlueter, who is currently learning the solo from The Eagles’ “Hotel California.” “This guitar has become its own form of therapy.”

Initial work was funded by the National Science Foundation, the Craig H. Neilsen Foundation and Wings for Life. The clinical trial was funded by the company Onward.


El Dispositivo Restaura la Función de la Mano en Algunas Personas con Lesión de la Médula Espinal

Después de media década de trabajar incansablemente para revertir los efectos de una lesión de la médula espinal en 2005, Jon Schlueter recuerda que finalmente redujo sus expectativas.

Schlueter se había dedicado a una rehabilitación basada en ejercicios después de que un accidente de buceo a poca profundidad lo dejara con una lesión incompleta en la columna C5-C7. Necesitaba aprovechar al máximo la ventana limitada que tienen las personas con lesiones de la médula espinal para recuperar una función significativa. Pero sus ganancias se habían estabilizado. Se reconoció a sí mismo que era hora de dejar atrás la idea de que podría tener un uso más que limitado de sus brazos y manos.

“La sabiduría convencional con una lesión de la médula espinal era que había hasta cinco años para que la inflamación de la médula espinal desapareciera y para que regresara”, dijo Schlueter. “Pasé esos primeros cinco o siete años haciendo nada más que rehabilitación cinco días a la semana en la Universidad de Washington y en instalaciones privadas, y luego lo hice solo en casa, obsesionándome. Pero las ganancias se estabilizaron. Casi me había olvidado del lado derecho de mi cuerpo”.

Perspectiva Renovada

Quince años después, Schlueter tiene una perspectiva renovada sobre la recuperación después de participar en un estudio de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington sobre un dispositivo de estimulación eléctrica que resulta muy prometedor para pacientes con pérdida de función y otros efectos secundarios de la lesión de la médula espinal. Este residente de Seattle de 49 años ahora toca la guitarra durante horas cada semana y continúa mejorando. Ha recuperado el uso de su mano y brazo derechos, ha regulado recientemente su presión arterial y otros problemas sistémicos y está entusiasmado con las perspectivas de una recuperación continua.

El ensayo clínico internacional utilizó un dispositivo que proporciona corriente eléctrica a la médula espinal a través de electrodos colocados en la piel. Los parches están diseñados para adormecer el punto de contacto y permitir que se administre cinco veces más corriente en comparación con los tratamientos estándar.

Un estudio publicado el 20 de mayo en Nature Medicine describe los beneficios que Schlueter y otros experimentaron en el ensayo de más de 60 pacientes con tetraplejía, una pérdida de alguna o toda la función en las cuatro extremidades. Un equipo de investigación dirigido por Chet Moritz, profesor de medicina de rehabilitación en la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington, encontró que el 72% de los participantes mejoraron significativamente la fuerza y la función al usar el tratamiento durante dos meses.

Además, los participantes en los estudios iniciales mantuvieron esos logros incluso después de suspender el uso del dispositivo de impulso eléctrico.

“Hemos visto a personas que no tienen ningún uso funcional de sus manos pasar de no poder coger un objeto o manipularlo hasta poder tocar una guitarra eléctrica o utilizar un pincel sobre un lienzo”, Moritz dicho. “También hemos visto a algunas personas que no tenían ningún movimiento en los dedos y empezaron a moverlos por primera vez en más de un año desde su lesión”.

Beneficios Desiguales

Desafortunadamente, el 28% de los participantes del estudio no cumplieron con los criterios que indicaban una mejora, posiblemente debido a la gravedad de sus lesiones.

La variedad de resultados refleja la singularidad de cada lesión de la médula espinal. La mayoría de las veces la columna resulta aplastada o magullada, dijo Moritz, pero no se corta por completo. Algunos participantes del estudio, como Schlueter, han observado resultados potentes, pero sus avances siguen siendo desiguales. Puede tocar la mayoría de los acordes con la mano izquierda presionando las cuerdas contra el diapasón con confianza a lo largo del mástil de la guitarra. Tiene un uso más limitado de su mano derecha, usando una púa para el pulgar para tocar notas individuales y rasguear las cuerdas.

“Básicamente, solíamos renunciar a una recuperación significativa después de aproximadamente un año después de la lesión”, dijo Moritz. “Las posibilidades de recuperación estaban en porcentajes de un solo dígito, del 2% al 8%. El hecho de que estemos viendo que el 72 % de las personas se recuperan, todo ello más de un año después de su lesión (e incluso 10, 15 y hasta 35 años después de su lesión) es extremadamente emocionante”.

Onward Medical, el fabricante del dispositivo ARC EX, ha solicitado a la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. la aprobación para llevarlo al mercado. Moritz y sus colegas perfeccionaron el uso clínico de la máquina, inventada en la UCLA, a través de múltiples estudios colaborativos. El dispositivo es una pequeña caja negra anodina que, sin embargo, ofrece grandes resultados.

Efecto Inmediato

Los participantes del laboratorio de Moritz comenzaron el estudio pasando dos meses realizando ejercicios de rehabilitación sin el dispositivo. Estas tareas incluían recoger pelotas de ping pong y colocarlas en contenedores, luego pasar a elementos progresivamente más pequeños hasta llegar a cuentas diminutas. También sacaron palillos de dientes de un recipiente con masilla dura y los reinsertaron en un recipiente diferente. Y apilaron pequeños bloques para construir torres.

Si bien los ejercicios pueden parecer simples, cada uno requiere extrema paciencia y concentración para las personas que han perdido la función debido a una lesión de la médula espinal.

A los participantes del estudio se les aplicaron electrodos sobre el área lesionada de la columna. Un terapeuta trabajó con cada participante para corregir la técnica mientras un técnico registraba los resultados. Se puede ver a los participantes ganando competencia en el transcurso de un solo uso del dispositivo. La corriente eléctrica prepara el sistema nervioso del usuario, aunque no hace que los músculos se muevan directamente, dijo Moritz. El usuario elige cuándo y cuánto moverse.

“Lo intentamos durante más de una semana sin estimulación y simplemente me quedé sin fuerzas”, dijo Schlueter. “Luego pusimos el poder en mi cuello, a falta de una mejor manera de expresarlo, y fue inmediato. Tan pronto como lo encendieron, pude levantar esa bolita. Fue realmente emocionante. Quiero decir, todos en la sala estaban tan emocionados como yo”.

Otras Mejoras

Schlueter y su cohorte también han visto otros beneficios. Las personas con lesiones en la columna a menudo luchan contra la frecuencia cardíaca, el flujo sanguíneo y la presión arterial bajos. Los investigadores también vieron mejoras en esas áreas. Algunos incluso informaron una mejor función en sus extremidades inferiores durante el uso del dispositivo. Ese hallazgo condujo a varios estudios nuevos que examinaron la función de las piernas y la marcha.

Schlueter ha superado los límites de lo posible, quizás más que cualquier otro participante del estudio, dijo Moritz.

“Jon definitivamente se benefició de la estimulación”, dijo, “pero también trabajó mucho por su cuenta. Nos sorprendió que pudiera volver a casa y tocar su guitarra eléctrica después de cada sesión de estimulación”.

“Me ha tomado horas y horas y horas y horas y horas poder tocar acordes, ejecutar escalas y tocar canciones”, dijo Schlueter, quien actualmente está aprendiendo el solo de “Hotel California” de The Eagles. “Esta guitarra se ha convertido en su propia forma de terapia”.

El trabajo inicial fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Craig H. Neilsen y Wings for Life. El ensayo clínico fue financiado por la empresa Onward.


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