Quantifizierung der Beiträge von Armen und Beinen während wiederholter elektrisch unterstützter Sitzübungen bei Querschnittgelähmten: Eine Pilotstudie

Zusammenfassung

Der Beitrag der Arme beim Sit-To-Stand (SitTS) wird durch den Muskelzustand der Beine bestimmt. Bei den Bemühungen, vollständige SitTS-Zyklen zu erreichen, wurden mehrere kompensierende Strategien entdeckt. Diese Ergebnisse triangulieren die biomechanischen Messungen der Querschnittlähmungspersonen mit ihrem subjektiven Belastungsgefühl beider Gliedmaßen während der SitTS-Ansätze.

Zusammenfassung

Die Durchführung von Sit-to-Stand (SitTS) bei Patienten mit inkompletter Rückenmarksverletzung (SCI) umfasst die motorische Funktion sowohl der oberen als auch der unteren Extremitäten. Insbesondere die Verwendung von Armstützen ist ein wichtiger unterstützender Faktor bei der Ausführung von SitTS-Bewegungen in Querschnittgelähmten. Darüber hinaus ist die Anwendung der funktionellen Elektrostimulation (FES) auf Quadrizeps- und Gluteus-Maximus-Muskeln eine der vorgeschriebenen Behandlungen für unvollständige Querschnittlähmung, um die Muskelaktivität für einfache Bewegungen der unteren Extremitäten zu verbessern. Der relative Beitrag der oberen und unteren Extremitäten während der SitTS wurde jedoch nicht gründlich untersucht. Zwei motorisch inkomplette Querschnittgelähmte führten wiederholte SitTS-to-Fatigue-Übungsherausforderungen durch. Ihre Leistung wurde als Mixed-Method-Fall-Kontroll-Studie untersucht, in der SitTS mit und ohne Unterstützung von FES verglichen wurde. Drei Sätze von SitTS-Tests wurden mit einer 5-minütigen Ruhezeit zwischen den Sätzen abgeschlossen, wobei Mechanomyographie-Sensoren (MMG) bilateral über den Rectus femoris-Muskeln angebracht wurden. Die Übung war in 2 Sitzungen unterteilt; Tag 1 für freiwillige SitTS und Tag 2 für FES-unterstützte SitTS. Nach jeder Sitzung wurden Fragebögen durchgeführt, um den Input der Teilnehmer zu ihrer sich wiederholenden SitTS-Erfahrung zu sammeln. Die Analyse bestätigte, dass ein SitTS-Zyklus in drei Phasen unterteilt werden kann; Phase 1 (Vorbereitung auf das Stehen), Phase 2 (Seat-off) und Phase 3 (Beginn der Hüftstreckung), die zu 23 % ± 7 %, 16 % ± 4 % bzw. 61 % ± 6 % des SitTS-Zyklus beitrugen. Der Beitrag von Armen und Beinen während der SitTS-Bewegung variierte bei verschiedenen Teilnehmern basierend auf dem Muskelgrad des Medical Research Council (MRC) ihrer Beine. Insbesondere die aufgewendeten Armkräfte beginnen deutlich zu steigen, wenn die Beinkräfte im Stehen nachlassen. Dieser Befund wird durch das signifikant reduzierte MMG-Signal unterstützt, das auf die Ermüdung der Beinmuskulatur und ihr berichtetes Müdigkeitsgefühl hinweist.

Einleitung

Sit-To-Stand (SitTS) ist eine bedeutende Bewegung in der täglichen Lebensaktivität eines Menschen (ADL). Es ist auch eine Voraussetzung für grundlegende funktionelle Aktivitäten wie Stehen, Übertragen und Gehen. Für Patienten mit inkompletter Rückenmarksverletzung (SCI), insbesondere Querschnittgelähmten, ist SitTS-Bewegung eine entscheidende Aktivität für ihre funktionelle Unabhängigkeit ^1,2. Diese Übung ist für das Unabhängigkeitstraining unerlässlich, das letztendlich dazu beiträgt, die Lebensqualität der Querschnittgelähmten zu verbessern. Um eine ausreichende und adäquate SitTS-Übung durchzuführen, sollte das Wissen über ihre Biomechanik und Muskelaktivität während des Trainings messbar sein.

In einem klinischen Rehabilitationsprogramm haben Querschnittgelähmte Patienten mit der Impairment Scale der American Spinal Cord Injury Association (ASIA), AIS C, einen besseren Fortschritt und eine bessere Chance, ihre motorische Funktion wiederzuerlangen, als Patienten mit Grad AIS B, die vollständige motorische Defizite haben. Die SitTS-Leistung spielt bei einem Rückenmarkspatienten eine wichtige Rolle, um seine motorische Funktionalität während des Genesungsprozesses anzuzeigen³. Rückenmarks-AIS-C-Patienten benötigen jedoch sowohl Unterstützung durch die oberen als auch durch die unteren Extremitäten, um eine erfolgreiche Reihe wiederholter SitTS-Bewegungen zu erreichen. Die Stütze der oberen Gliedmaßen spielt eine wichtige Rolle bei der Entlastung der Knie und sorgt gleichzeitig für ausreichende Hebekräfte und die Gewährleistung des Körpergleichgewichts während der Übung⁴.

Der Zweck dieser Studie ist es, die biomechanischen Beiträge von Armen und Beinen während repetitiver SitTS bei unvollständigen Querschnittlähmungsindividuen zu beschreiben. Diese Studie positioniert die biomechanische Analyse in Bezug auf das subjektive Empfinden der Teilnehmer für ihre Arme und Beine, ihre Muskelleistung und das Gefühl von "Anstrengung und Müdigkeit" während der gesamten SitTS-Übung.

Viele frühere SitTS-Studien konzentrierten sich nur auf die Untersuchung der kinematischen und kinetischen Aspekte der Aktivität 4,5,6,7. In einem breiteren Kontext des SitTS-Trainings könnte die Entwicklung dieser Methode, die den instrumentierten Stehrahmen (SF) und die Kraftmessplattenanalyse umfasst, die Forscher dazu veranlassen, sowohl den Beitrag der oberen als auch der unteren Gliedmaßen anderer Bevölkerungsgruppen wie Schlaganfall, ältere Menschen und Patienten mit Arthrose zu bewerten ^8,9,10. Eine frühere Studie von Zoulias et al., instrumentierte kundenspezifische Hardware und Software von SF, präsentierte ein großes Rahmendesign¹¹. Diese Methode kann schwierig zu replizieren sein. Daher hob diese SitTS-Studie ein tragbares instrumentiertes SF hervor, das von anderen Forschern mit einem bestehenden Bewegungsanalyse-Laboraufbau übernommen werden kann.

Protokoll

Die SitTS-Übung und die Einwilligungserklärung in diesem Manuskript werden unter ethischer Prüfung durch die Ethikkommission des University of Malaya Medical Centre (2017119-4828)¹² beschrieben. Die Studienabläufe wurden jedem Teilnehmer ausführlich erklärt und vor Beginn der SitTS-Studie wurde eine schriftliche Einverständniserklärung eingeholt. Diese Studie wurde im Mixed-Modus durchgeführt, bei dem quantitative Daten durch biomechanische Analyse gewonnen wurden, während subjektive Werte aus Feedback-Sitzungen (der Teilnehmer) und Audioaufnahmen (der Interaktionen zwischen Forschern und Teilnehmern während der Studie) gewonnen wurden. In dieser Pilotstudie wurden die freiwilligen Beiträge der Teilnehmer an Armen und Beinen im SitTS-Training mit ihrer Leistung bei Vorhandensein von FES verglichen.

1. Auswahl der Teilnehmer

1. Führen Sie eine Bewertung mit potenziellen SCI-Teilnehmern durch.
   1. Erläutern Sie die Details des SitTS-Protokolls, einschließlich der Studiendauer (4 Tage) und der Sitzungsdauer (SitTS: 2 h).
      HINWEIS: An Tag 1 wurde eine freiwillige SitTS durchgeführt, gefolgt von einer Pause von 2 Tagen. Die funktionelle Elektrostimulation (FES)-unterstützte SitTS wird dann am nächsten Tag fortgesetzt und als Tag 2 definiert.
   2. Beschreiben Sie dem potenziellen Teilnehmer die medizinischen Anforderungen, einschließlich männlich oder weiblich mit Rückenmarksverletzung (die aufstehen können), 18-60 Jahre alt, älter als 12 Monate nach der Verletzung, und zeigen Sie die Bereitschaft, bestimmte Kleidung zu tragen.
      HINWEIS: SCI AIS C-Teilnehmer gaben eine schriftliche, informierte Einwilligung, sich freiwillig an dieser Studie zu beteiligen. Teilnehmer 1 war ein Mann (45 Jahre; Body-Mass-Index (BMI) 20,32 kg/m²) und Teilnehmer 2 war eine Frau (49 Jahre; BMI 33,54 kg/m²). Beide stellten sich 95 Monate bzw. 33 Monate nach der Querschnittsverletzung vor. Bei beiden Teilnehmern wurde der Muskelgrad der unteren Extremitäten (LE) beurteilt. Der LE-Muskelgrad von Teilnehmer 1 war 2 (rechte Seite) und 4 (linke Seite). Währenddessen hatte Teilnehmer 2 einen LE-Muskelgrad von 4 beidseitig¹². Beide Teilnehmer hatten eine gute Rumpfkontrolle. Bei Teilnehmer 1 wurde ein schlaffes rechtes Bein mit fehlenden Knie- und Knöchelreflexen diagnostiziert, was auf eine Verletzung des unteren Motoneurons hindeutet. Außerdem wurde beobachtet, dass sein rechtes Bein keine Reaktion auf FES zeigte.
   3. Beschreiben Sie den potenziellen Teilnehmern die Ausschlusskriterien, einschließlich der Erkrankungen, die dazu führen würden, dass sie die Anweisungen während der Studie nicht ausfüllen. Weitere Ausnahmekriterien sind Teilnehmer mit Osteoporose und Knochenbruch¹², Herzschrittmacher oder einem anderen implantierten elektronischen System, einem vorhandenen elektrischen Stimulationsgerät (implantierbarer Kardioverter-Defibrillator, Herzschrittmacher oder Wirbelsäulenstimulation) oder Botulinumtoxin.

2. SitTS-Versuchsaufbau

HINWEIS: In dieser SitTS-Übung werden drei Parameter aufgezeichnet. Der erste Parameter ist die Armkraft und der zweite Parameter ist die Beinkraft. Der dritte Parameter ist die Mechanomyographie (MMG), die die Aktivität des Musculus rectus femoris untersucht.

1. Stuhl- und SF-Setup.
   1. Entwerfen Sie einen armlosen Stuhl mit einer Höhe von 45 cm ^13,14 ohne Rückenlehne gemäß der Abmessung der Kraftmessplatte 1, die in den Boden des Bewegungsanalyselabors eingebettet ist (Abbildung 1).
   2. Stellen Sie den Stuhl auf die Oberseite der Kraftmessplatte 1.
   3. Messen Sie jedes SF-Bein unabhängig mit dem Kraftsensor¹⁵ an der Unterseite des SF-Beins, da der empfindliche Bereich jedes Sensors zwischen 0 und 12 kg liegt (Abbildung 2).
      HINWEIS: Die Summenwerte von vier Kraftsensormesswerten von SF wurden als Armkraftbeitrag bezeichnet.
   4. Positionieren Sie einen tragbaren und faltbaren SF vor dem Stuhl in Armreichweite¹². Positionieren Sie vier Schenkel des SF sicher außerhalb der Kraftmessplatte 2, um Doppelmessungen zu vermeiden (Abbildung 1).
2. Einrichtung der Bewegungsanalyse
   1. Geben Sie die Details des Teilnehmers (z. B. Beinlänge, Knöchelbreite, Knieweite) in das Bewegungsanalysesystem ein.
   2. Bringen Sie sechzehn reflektierende Marker mit doppelseitigem Klebeband auf den unteren Gliedmaßen des Teilnehmers an, wie in den Schritten 2.2.3 bis 2.2.5 beschrieben.
   3. Bringen Sie diese Marker direkt über dem bilateralen vorderen und hinteren Teil der oberen Beckenwirbelsäule an. Bringen Sie zweitens Markierungen am lateralen Epicondylus des linken und rechten Knies an.
   4. Befestigen Sie den Marker über der Seitenfläche des beidseitigen Oberschenkels und des Schaftes. Als nächstes bringen Sie einen Marker am seitlichen linken und rechten Knöchel an.
   5. Bringen Sie Markierungen links und rechts am zweiten Mittelfußkopf an. Befestigen Sie die Marker am Fersenbein auf der gleichen Höhe wie der zweite Mittelfußkopf.
      HINWEIS: Die Platzierung von reflektierenden Markern basiert auf dem Aufbau des Bewegungsanalysesystems¹⁶.
3. Vorbereitung des Teilnehmers
   1. Weisen Sie den Teilnehmer an, mit gebeugten Knien im 90°-Winkel zu sitzen und beide Füße auf Kraftmessplatte 2 zu positionieren.
   2. Stellen Sie sicher, dass Kopf und Rumpf des Teilnehmers nach vorne zeigen, während Sie in aufrechter Position sitzen. Stellen Sie sicher, dass der Teilnehmer barfuß ist.
   3. Legen Sie die Hände auf den Griff des SF.
   4. Identifizieren Sie den Musculus rectus femoris, indem Sie den mittleren und voluminösen Bereich des Oberschenkels abtasten.
   5. Platzieren Sie zwei MMG-Sensoren beidseitig im Oberschenkelbereich des Musculus rectus femoris, ein MMG pro Bein, um die Sitz-zu-Steh- und Steh-Sitz-Anstrengungen der Beinmuskulatur genau zu messen¹².
   6. Sichern Sie die Sensoren mit einem doppelseitigen Klebeband. Schnallen Sie die MMG-Sensoren um den Oberschenkel, um Bewegungsartefakte^{zu reduzieren 12}.
   7. Schließen Sie die MMG-Sensoren an das MMG-Gerät und den Computer an.

3. SitTS-Protokoll

1. Tag 1: Führen Sie freiwillige SitTS-Übungen durch.
   HINWEIS: Die Teilnehmer wurden angewiesen, mit Unterstützung der SF eine sich wiederholende SitTS-Veranstaltung durchzuführen.
   1. Stellen Sie vor Beginn des Experiments sicher, dass alle Setups aktiviert sind, um die ausgewählten Parameter aufzuzeichnen.
      HINWEIS: Die aufgezeichneten Parameter waren Kraftsensoren für den Beitrag der oberen Extremitäten, Kraftmessplatten für den Beitrag der unteren Gliedmaßen und MMG-Daten für die Aktivität des Musculus rectus femoris.
   2. Bitten Sie den Teilnehmer, am Ende eines Countdowns von 5 s, der von einem elektronischen Timer gestoppt wird, aus der stationären Sitzposition aufzustehen.
   3. Lassen Sie den Teilnehmer 3 s stehen und lehnen Sie sich dann auf dem Stuhl zurück.
   4. Bitten Sie den Teilnehmer, sich 5 Sekunden lang auszuruhen.
      HINWEIS: Dies war die Ruhepause zwischen den Versuchen.
   5. Führen Sie die SitTS-Versuche fort (wiederholen Sie die Schritte 3.1.2 und 3.1.4, bis der Teilnehmer die gleiche Routine nicht mehr ausführen kann).
   6. Schalten Sie alle aufgezeichneten Daten aus.
   7. Bitten Sie dann den Teilnehmer, sich 5 Minuten lang auszuruhen, bevor Sie mit dem nächsten Satz der SitTS-Routine fortfahren. Geben Sie zwischen den Sätzen 5 Minuten Pause, um die Muskelregeneration zwischen den¹⁷ Sätzen zu gewährleisten.
   8. Wiederholen Sie die Schritte 3.1.1-3.1.7 für zwei weitere Sätze.
   9. Lassen Sie den Teilnehmer mindestens 48 Stunden ruhen.
2. Tag 2: Führen Sie eine FES-unterstützte SitTS-Übung durch.
   HINWEIS: Die Teilnehmer wurden angewiesen, sich wiederholende SitTS-Veranstaltungen mit Unterstützung der SF und FES durchzuführen.
   1. Platzieren Sie FES-Elektroden auf Quadrizeps- und Gesäßmuskeln¹⁸.
   2. Platzieren Sie beim Quadrizepsmuskel die erste Elektrode horizontal etwa zwei Fingerbreit über dem Knie. Positionieren Sie die zweite Elektrode horizontal etwa handbreit unterhalb des Hüftgelenks.
   3. Bitten Sie den Teilnehmer für den Gesäßmuskel, sich nach vorne zu beugen und die erste Elektrode senkrecht am nächsten am Hüftknochen zu platzieren. Befestigen Sie die zweite Elektrode senkrecht am nächsten am Steißbein, Seite an Seite von der ersten Elektrode.
   4. Schließen Sie alle FES-Elektroden an das FES-Gerät an und verbinden Sie sie mit der FES-Software im Computer.
   5. Richten Sie die FES-Software ein, indem Sie die Impulsbreite von 300 und die Frequenz von 35 Hz auswählen.
   6. Definieren Sie die FES-Stromintensität, indem Sie den Teilnehmer fragen, ob er den gegebenen Strom tolerieren kann, um Knie- und Hüftstreckung^{zu erreichen 7}. Bestimmen Sie die FES-Stromamplitude durch eine Reihe von Übungen, bevor Sie mit dem eigentlichen Versuch beginnen.
      HINWEIS: Tabelle 1 zeigt den FES-Strom, der während der unterstützten FES-SitTS-Sitzung zu den ausgewählten Muskeln der Teilnehmer stimuliert wird.
   7. Stellen Sie vor Beginn des Experiments sicher, dass alle Setups aktiviert sind, um die ausgewählten Parameter aufzuzeichnen.
   8. Bitten Sie den Teilnehmer, am Ende eines Countdowns von 5 s, der von einem elektronischen Timer gestoppt wird, aus der stationären Sitzposition aufzustehen. Schalten Sie am Ende des Countdowns den FES ein.
   9. Lassen Sie den Teilnehmer 3 s stehen. Schalten Sie dann das FES aus und lassen Sie den Teilnehmer auf dem Stuhl zurücklehnen.
   10. Bitten Sie den Teilnehmer, sich 5 Sekunden lang auszuruhen.
   11. Führen Sie die SitTS-Versuche fort (wiederholen Sie die Schritte 3.2.7-3.2.10, bis der Teilnehmer die gleiche Routine nicht mehr ausführen kann).
   12. Schalten Sie alle aufgezeichneten Daten aus.
   13. Bitten Sie dann den Teilnehmer, sich 5 Minuten lang auszuruhen, bevor Sie mit dem nächsten Satz der SitTS-Routine fortfahren.
   14. Wiederholen Sie die Schritte 3.2.7-3.2.13 für zwei weitere Sätze.

4. Datenerfassung und -analyse

1. Beitrag der Armkraft
   1. Extrahieren Sie alle Rohdaten des Kraftsensors zur Offline-Analyse in die Arbeitsmappendatei auf dem Computer.
2. Beitrag der Beinkraft
   1. Analysieren Sie die Rohdaten der kinematischen und kinetischen SitTS in der Bewegungsanalysesoftware. Extrahieren Sie die Kraftmessplattendaten und Kniewinkeldaten zur Offline-Analyse in die Arbeitsmappendatei auf dem Computer.
      HINWEIS: Die Kraftmessplattendaten stellen den Kraftbeitrag der Schenkel dar
3. MMG des Musculus rectus femoris
   1. Extrahieren und speichern Sie MMG-Rohdaten des Musculus rectus femoris mit zwei Aufnahmeeinheiten und einer Vibromyographie-Software in der Arbeitsmappendatei für die Offline-Analyse.
      HINWEIS: Das MMG-Signal wurde von einem Vibromyographie-Sensor mit einer Abtastrate von 2 kHz aufgezeichnet. Ein endlicher Impulsantwort-Bandpassfilter zwischen 20 Hz und 200 Hz wurde verwendet, um die Rohdaten des MMG-Signals weiterzuleiten und zu transformieren, wie vom Hersteller für die Muskelanstrengungsbewertung^{empfohlen 19}. Für jeden Versuch wurden alle Datensätze normalisiert und dann als vollständiger Zyklus von SitTS-Übungen synchronisiert. Ein unabhängiger Stichproben-t-Test wurde durchgeführt, um signifikante Unterschiede in der mittleren Zeit zwischen freiwilligen und FES-unterstützten SItTS-Übungen zu beobachten.

5. Feedback-Sitzung

1. Zeichnen Sie während der Feedback-Sitzung Audio auf (Interaktionen zwischen Forschern und Teilnehmern).
2. Stellen Sie vier Fragen zur Stabilität und Ermüdung der Teilnehmer während der Durchführung von SitTS an Tag 1 und Tag 2.
   HINWEIS: In diesem Abschnitt wurde die Stabilität von den Teilnehmern als das höchste Gleichgewicht im SitTS-Event interpretiert. Die höchste Balance wurde erreicht, wenn sie das ausgewählte Ereignis am längsten halten konnten. In der Zwischenzeit wurde Müdigkeit als ihr Gefühl der "Müdigkeit" identifiziert, das zu ihrer niedrigsten Leistung während der SitTS-Übung führt.
3. Sammeln und transkribieren Sie das Audio.

Ergebnisse

Insgesamt wurden 399 und 463 SitTS-Versuche ohne und mit FES entsprechend unterstützt. Die Studien, die zu jedem Satz beigetragen haben, sind in Tabelle 2 tabellarisch aufgeführt. Die Teilnehmer konnten weitere SitTS-Versuche mit elektrischer Stimulation an ihren Beinen, d.h. FES, durchführen. Insgesamt gelang es beiden Teilnehmern, mit Hilfe von FES mehr SitTS-Versuche durchzuführen. Dies deutet darauf hin, dass FES dazu beiträgt, den Quadrizeps der Teilnehmer zu stimulieren, SitTS-Aktionen über e...

Diskussion

Die aktuelle Studie zeigte einen Beitrag des Körpergewichts bei Querschnittgelähmten während des SitTS-Trainings. In dieser Studie wurde SF als wesentliches Hilfsmittel für Querschnittgelähmte vorgestellt, um einen erfolgreichen SitTS-Zyklus zu absolvieren. Darüber hinaus wurde eine instrumentierte SF entwickelt, um sicherzustellen, dass auch die Rüstungskraft bewertet werden kann²⁸. Die Anwendung von MMG wurde in die Studie aufgenommen, um den erstklassigen SitTS-Muskel zu beobachten, der ...

Materialien

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.