量化截瘫患者重复性电动辅助坐立锻炼期间手臂和腿部的贡献:一项试点研究

摘要

坐到站 （SitTS） 中的手臂贡献由腿部的肌肉状况决定。在努力实现完整的 SitTS 周期的过程中发现了几种补偿策略。这些发现将脊髓损伤 （SCI） 患者的生物力学测量与他们在整个 SitTS 方法中双肢承受的负荷的主观感觉进行三角测量。

摘要

在不完全性脊髓损伤 （SCI） 患者中执行坐立 （SitTS） 涉及上肢和下肢的运动功能。特别是手臂支撑的使用，在 SCI 人群中执行 SitTS 运动时是一个重要的辅助因素。此外，在股四头肌和臀大肌上应用功能性电刺激 （FES） 是治疗不完全性 SCI 的处方治疗之一，以改善简单下肢运动的肌肉动作。然而，SitTS 期间上肢和下肢的相对贡献尚未得到彻底研究。两名运动不完全性 SCI 截瘫患者对疲劳运动挑战进行了重复的 SitTS。作为一项混合方法病例对照研究，比较了 SitTS 在有和没有 FES 帮助的情况下的表现。完成三组 SitTS 测试，两组之间分配 5 分钟的休息时间，双侧股直肌上安装机械肌图 （MMG） 传感器。练习分为两节课;第 1 天为自愿 SitTS，第 2 天为 FES 辅助的 SitTS。每次会议后都会进行问卷调查，以收集参与者对他们重复的 SitTS 体验的意见。分析证实，SitTS周期可分为三个阶段;第 1 阶段（准备站立）、第 2 阶段（坐下）和第 3 阶段（开始髋关节伸展），分别占 SitTS 周期的 23% ± 7%、16% ± 4% 和 61% ± 6%。在SitTS运动期间，不同参与者的手臂和腿部的贡献因腿部的医学研究委员会（MRC）肌肉等级而异。特别是，当站立时腿部力开始下降时，施加的手臂力开始明显增加。这一发现得到了MMG信号显著降低的支持，表明腿部肌肉疲劳和他们报告的疲倦感。

引言

坐到站 （SitTS） 是人类日常生活活动 （ADL） 中的一项重要运动。它也是站立、转移和行走等基本功能活动的先决条件。对于不完全性脊髓损伤 （SCI） 患者，尤其是截瘫患者，SitTS 运动是他们功能独立的关键活动 ^1,2。这项运动对于独立训练至关重要，最终有助于 SCI 人群提高他们的生活质量。为了进行充分和充分的 SitTS 练习，有关其生物力学和肌肉活动的知识应该在训练期间可行衡量。

在临床康复计划中，具有美国脊髓损伤协会 （ASIA） 损伤量表 （AIS C） 级的 SCI 患者比具有完全运动缺陷的 AIS B 级患者具有更好的进展和恢复运动功能的机会。SitTS 性能在 SCI 患者中起着重要的衡量标准，以指示他们在恢复过程中的运动功能³.然而，SCI AIS C 患者需要上肢和下肢的支撑才能成功实现一系列重复的 SitTS 运动。上肢支撑在减轻膝盖负荷方面起着重要作用，同时在运动中提供足够的举重力并确保身体平衡⁴.

本研究的目的是描述在不完全 SCI 个体中重复 SitTS 期间手臂和腿部的生物力学贡献。本研究将生物力学分析与参与者对手臂和腿部肌肉表现的主观感觉以及在整个 SitTS 练习过程中的"努力和疲倦"感觉联系起来。

以前的许多 SitTS 研究仅集中在研究活动的运动学和动力学方面 4,5,6,7。在更广泛的 SitTS 培训背景下，该方法的开发包括仪器化站立架 （SF） 和测力台分析，可以引导研究人员评估其他人群（如中风、老年人和骨关节炎患者）的上肢和下肢贡献 ^8,9,10。Zoulias等人先前的一项研究，仪器化定制的SF硬件和软件提出了一个大型框架设计¹¹。这种方法可能难以复制。因此，这项 SitTS 研究强调了一种便携式仪器 SF，其他研究人员可以通过现有的运动分析实验室设置采用该仪器。

研究方案

本手稿中的 SitTS 练习和知情同意由马来亚大学医学中心伦理委员会 （2017119-4828） 在伦理考虑下进行描述¹²。向每个参与者详细解释了研究程序，并在开始 SitTS 试验之前获得了书面知情同意书。这项研究以混合模式进行，其中使用生物力学分析获得定量数据，而主观评分来自反馈会议（参与者）和录音（研究期间研究人员与参与者的互动）。这项初步研究比较了参与者在 SitTS 运动中自愿贡献的手臂和腿与他们在 FES 存在下的表现。

1. 参会人员选择

1. 对潜在的 SCI 参与者进行评估。
   1. 解释 SitTS 协议的详细信息，包括研究时间（4 天）和会话时间（SitTS:2 小时）。
      注意:在第 1 天进行自愿 SitTS，然后休息 2 天。功能性电刺激 （FES） 辅助的 SitTS 然后在第二天继续进行，并定义为第 2 天。
   2. 向潜在参与者描述医疗要求，包括患有 SCI AIS C（可以站立）、18-60 岁、受伤后 12 个月以上的男性或女性，并表现出愿意穿特定衣服的意愿。
      注意:SCI AIS C 参与者提供了书面知情同意书以自愿参加本研究。受试者 1 为男性（45 岁;体重指数 （BMI） 20.32 kg/m²），参与者 2 为女性（49 岁;BMI 33.54 kg/m²）.两人分别在 SCI 损伤后 95 个月和 33 个月就诊。两名参与者都评估了他们的下肢 （LE） 肌肉等级。参与者 1 的 LE 肌肉等级为 2（右侧）和 4（左侧）。同时，参与者 2 的双侧 LE 肌肉等级为^{4 12}。两名参与者的躯干控制良好。参与者 1 被诊断为右腿松弛，膝关节和踝关节反射缺失，表明下运动神经元损伤。除此之外，观察到他的右腿对FES没有任何反应。
   3. 向潜在参与者描述排除标准，包括导致他们在研究期间无法完成说明的医疗状况。其他豁免标准包括患有骨质疏松症和骨折¹²、心脏起搏器或其他植入式电子系统、现有电刺激装置（植入式心律转复除颤器、起搏器或脊柱刺激）或有肉毒杆菌毒素的参与者。

2. SitTS实验装置

注意:在此 SitTS 练习中，将记录三个参数。第一个参数是手臂力，第二个参数是腿部力。第三个参数是机械学造影术 （MMG），它着眼于股直肌活动。

1. 椅子和 SF 设置。
   1. 根据嵌入运动分析实验室地板的测力板 1 的尺寸，设计高度为 45 cm^13,14 的无扶手椅子（图 1）。
   2. 将椅子放在测力板 1 的顶部。
   3. 鉴于每个传感器的灵敏度范围为 0-12 kg，使用位于 SF 腿底部的力传感器¹⁵ 独立测量每个 SF 腿（图 2）。
      注:SF的四个力传感器读数的总和称为武器力量贡献。
   4. 将便携式可折叠 SF 放在椅子前方，伸手可及¹².将 SF 的四条腿牢固地放置在测力板 2 之外，以避免重复测量（图 1）。
2. 运动分析设置
   1. 在运动分析系统中输入参与者的详细信息（即腿长、脚踝宽度、膝盖宽度）。
   2. 如步骤 2.2.3-2.2.5 所述，用双面胶带在参与者的下肢上放置 16 个反光标记。
   3. 将这些标记物直接贴在髂上棘的双侧前后。其次，在左膝和右膝关节的外上髁上贴上标记。
   4. 将标记贴在双侧大腿和小腿的外侧表面。接下来，在左踝和右踝的外侧贴上一个标记。
   5. 在第二跖骨头的左侧和右侧贴上标记。将标记物贴在跟骨上与第二跖骨头相同高度的位置。
      注:反射标记的放置基于运动分析系统¹⁶的设置。
3. 参与者的准备工作
   1. 指导参与者坐下，膝盖弯曲 90°，双脚放在测力板 2 上。
   2. 确保参与者的头部和躯干朝前，同时坐直。确保参与者赤脚。
   3. 将手放在 SF 的手柄上。
   4. 通过触诊大腿的中部和大块区域来识别股直肌。
   5. 在股直肌的大腿区域双侧放置两个 MMG 传感器，每条腿一个 MMG，以准确测量腿部肌肉的坐姿到站立和站姿到坐姿^{的努力 12}.
   6. 用双面胶带固定传感器。将 MMG 传感器绑在大腿周围以减少运动伪影¹².
   7. 将 MMG 传感器连接到 MMG 设备和计算机。

3. SitTS协议

1. 第 1 天:进行自愿 SitTS 练习。
   注意:参与者被指示在 SF 的协助下进行重复的 SitTS 活动。
   1. 在实验开始之前，请确保打开所有设置以记录所选参数。
      注:记录的参数是用于上肢贡献的力传感器、用于下肢贡献的测力板和用于股直肌活动的 MMG 数据。
   2. 要求参与者在电子计时器计时的 5 秒倒计时结束时从静止的坐姿站起来。
   3. 让参与者站立 3 秒，然后坐回椅子上。
   4. 要求参与者休息 5 秒。
      注意:这是试验之间的休息间隔。
   5. 继续进行 SitTS 试验（重复步骤 3.1.2 和 3.1.4，直到参与者无法再执行相同的程序）。
   6. 关闭所有记录的数据。
   7. 然后，要求参与者休息 5 分钟，然后再继续下一组 SitTS 例程。在两组之间休息 5 分钟，以在第¹⁷ 组之间提供肌肉恢复。
   8. 对另外两组重复步骤 3.1.1-3.1.7。
   9. 让参与者休息至少 48 小时。
2. 第 2 天:进行 FES 辅助的 SitTS 练习。
   注意:参与者被指示在 SF 和 FES 的协助下进行重复的 SitTS 活动。
   1. 将 FES 电极放在股四头肌和臀大肌^{上 18}.
   2. 对于股四头肌，将第一个电极水平放置在膝盖上方约两指宽处。将第二个电极水平放置在髋关节下方约手掌宽的位置。
   3. 对于臀大肌，要求参与者向前弯曲并将第一个电极垂直放置在最靠近髋骨的位置。将第二个电极垂直连接到最靠近尾骨的位置，与第一个电极并排连接。
   4. 将所有 FES 电极连接到 FES 设备，并将它们连接到计算机中的 FES 软件。
   5. 通过选择脉冲宽度 300 和 35 Hz 频率来设置 FES 软件。
   6. 通过询问参与者是否可以忍受为实现膝关节和髋关节伸展而给予的电流来定义 FES 电流强度⁷。在开始实际试验之前，通过多种做法确定 FES 电流幅度。
      注意: 表 1 显示了在辅助 FES SitTS 会话期间刺激到参与者所选肌肉的 FES 电流。
   7. 在实验开始之前，请确保打开所有设置以记录所选参数。
   8. 要求参与者在电子计时器计时的 5 秒倒计时结束时从静止的坐姿站起来。倒计时结束时，打开 FES。
   9. 让参与者站立 3 秒。然后关闭 FES，让参与者坐回椅子上。
   10. 要求参与者休息 5 秒。
   11. 继续进行 SitTS 试验（重复步骤 3.2.7-3.2.10，直到参与者无法再执行相同的程序）。
   12. 关闭所有记录的数据。
   13. 然后，要求参与者休息 5 分钟，然后再继续下一组 SitTS 例程。
   14. 对另外两组重复步骤 3.2.7-3.2.13。

4. 数据采集与分析

1. 臂力贡献
   1. 将力传感器的所有原始数据提取到计算机的工作簿文件中进行离线分析。
2. 腿部力量贡献
   1. 在运动分析软件中分析SitTS运动学和动力学的原始数据。将测力台数据和膝关节角度数据提取到计算机的工作簿文件中进行离线分析。
      注意:测力台数据表示腿部力的贡献
3. 股直肌MMG
   1. 使用两个采集单元和振动肌造影软件将股直肌的原始 MMG 数据提取并存储到工作簿文件中以进行离线分析。
      注意:MMG 信号由振动肌成像传感器以 2 kHz 的采样率记录。使用20 Hz至200 Hz之间的有限脉冲响应带通滤波器来中继和转换MMG信号的原始数据，如制造商推荐的肌肉力量评估¹⁹所示。对于每个试验，所有数据集都经过标准化，然后作为一个完整的SitTS练习周期进行同步。进行了独立的样本 t 检验，以观察自愿和 FES 辅助 SItTS 练习之间的平均时间存在显着差异。

5. 反馈会议

1. 在反馈会议期间录制音频（研究人员与参与者的互动）。
2. 问四个问题，了解参与者在第 1 天和第 2 天完成 SitTS 期间所经历的稳定性和疲劳感。
   注意:在本节中，参与者将稳定性解释为 SitTS 事件中的最高平衡。当他们能够最长时间地坚持所选事件时，就会达到最高的平衡。同时，疲劳被确定为他们的"疲倦"感，导致他们在 SitTS 练习期间获得最低的表现。
3. 收集并转录音频。

结果

共有 399 项和 463 项 SitTS 试验在没有 FES 相应协助的情况下完成。每组试验的成果见 表2。参与者可以在腿部存在电刺激的情况下进行更多的 SitTS 试验，即 FES。总体而言，两位参与者在FES的帮助下都设法进行了更多的SitTS试验。这表明 FES 有助于刺激参与者的股四头肌在较长时间内执行 SitTS 动作²⁰。本研究中描述了 SitTS 的三个阶段。第 1 阶段从运动的开始开始开始，?...

讨论

目前的研究表明，在 SitTS 运动期间，SCI 个体的体重贡献。本研究表明 SF 是截瘫患者成功进行 SitTS 周期必不可少的辅助设备。此外，还开发了一种仪器化的SF，以确保也可以评估武器力量²⁸。在研究中添加了 MMG 的应用来观察主要的 SitTS 肌肉，这有助于研究人员更好地了解 SitTS 的表现。此外，反馈会议使研究人员能够获得有关其主观感受的见解，这些见解支持SitTS研究的定量数?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Customade chair			A customade chair was built to following to the force plate's dimension.
FES RehaStim 2	Hasomed		A device that can stimulate electrical current towards the muscle.
FlexiForce A201	Tekscan, Inc., USA	Force ranges: 0-100 lbs. (440 N)	Force sensors is used to capture arms force at standing frame.
Foldable standing frame		Height: 70.0 cm - 90.0 cm.	A walking frame that was bought from local medical company.
Motion Analysis	Vicon Oxford, UK		A system that records kinematic and kinetics of the activity.
Serial port terminal application	CoolTerm	version 1.4.6; Roger Meier's	An application to record the force sensor data.
Vibromyography software	BIOPAC System Inc., USA	AcqKnowledge 4.3.1	A software to record and strore raw MMG data. It also function for offline analyses.
VMG transducers and BIOPAC Vibromyography system	BIOPAC System Inc., USA	BP150 and HLT100C	A device to measure muscle activity.