Cuantificación de las contribuciones de brazos y piernas durante el ejercicio repetitivo de bipedestación asistida eléctricamente en parapléjicos: un estudio piloto

Resumen

La contribución de los brazos en Sit-To-Stand (SitTS) está determinada por la condición muscular de las piernas. Se descubrieron varias estrategias de compensación en los esfuerzos por lograr ciclos completos de SitTS. Estos hallazgos triangulan las medidas biomecánicas de las personas con lesión medular (LME) con su sensación subjetiva de carga soportada por ambas extremidades a lo largo de los enfoques de SitTS.

Resumen

La ejecución de Sit-to-Stand (SitTS) en pacientes con lesión medular incompleta (LME) involucra la función motora tanto en las extremidades superiores como en las inferiores. El uso de soporte para el brazo, en particular, es un factor de asistencia significativo durante la ejecución del movimiento SitTS en la población con LME. Además, la aplicación de la estimulación eléctrica funcional (FES) en los músculos del cuádriceps y el glúteo mayor es uno de los tratamientos prescritos para la LME incompleta para mejorar la acción muscular de los movimientos simples de las extremidades inferiores. Sin embargo, la contribución relativa de las extremidades superiores e inferiores durante el SitTS no se ha investigado a fondo. Dos parapléjicos motores incompletos de la LM realizaron ejercicios repetitivos de SitTS a fatiga. Su desempeño se investigó como un estudio de casos y controles de método mixto comparando SitTS con y sin la asistencia de FES. Se completaron tres series de pruebas SitTS con un período de descanso de 5 minutos asignado entre series, con sensores de mecanomiografía (MMG) colocados sobre los músculos rectos femorales bilateralmente. El ejercicio se dividió en 2 sesiones; Día 1 para los SitTS voluntarios y Día 2 para los SitTS asistidos por FES. Se realizaron cuestionarios después de cada sesión para recopilar la opinión de los participantes sobre su experiencia repetitiva en el SitTS. El análisis confirmó que un ciclo de SitTS podría dividirse en tres fases; Fase 1 (Preparación para ponerse de pie), Fase 2 (Asiento) y Fase 3 (Inicio de la extensión de cadera), que contribuyeron con el 23% ± 7%, el 16% ± 4% y el 61% ± 6% del ciclo de SitTS, respectivamente. La contribución de los brazos y las piernas durante el movimiento SitTS varió en diferentes participantes en función del grado muscular de sus piernas según el Consejo de Investigación Médica (MRC) de sus piernas. En particular, las fuerzas aplicadas en los brazos comienzan a aumentar claramente cuando las fuerzas en las piernas comienzan a disminuir durante la bipedestación. Este hallazgo está respaldado por la señal de MMG significativamente reducida que indica fatiga muscular en las piernas y su sensación de cansancio reportada.

Introducción

Sit-To-Stand (SitTS) es un movimiento significativo en la actividad de la vida diaria (ADL) de un ser humano. También es un requisito previo para las actividades funcionales básicas, como estar de pie, trasladarse y caminar. Para los pacientes con lesión medular (LM) incompleta, parapléjicos en particular, el ejercicio SitTS es una actividad crucial para su independencia funcional ^1,2. Este ejercicio es esencial para el entrenamiento de la independencia, que a la larga ayuda a la población con LME a mejorar su calidad de vida. Con el fin de realizar un ejercicio suficiente y adecuado de SitTS, los conocimientos sobre su biomecánica y actividad muscular deben ser medibles durante el entrenamiento.

En un programa de rehabilitación clínica, los pacientes con LME con grado de la Escala de Deterioro de la Asociación Americana de Lesiones de la Médula Espinal (ASIA), AIS C tienen una mejor progresión y posibilidades de recuperar su función motora que aquellos con grado AIS B, que tienen déficits motores completos. El rendimiento del SitTS juega un papel importante en un paciente con LM para indicar su funcionalidad motora durante el proceso de recuperación³. Sin embargo, los pacientes con LME AIS C requieren apoyo tanto de las extremidades superiores como de las inferiores para lograr una serie exitosa de movimientos repetidos de SitTS. El soporte de las extremidades superiores juega un papel importante en la descarga de las rodillas, al tiempo que proporciona fuerzas de elevación adecuadas y asegura el equilibrio del cuerpo durante el ejercicio⁴.

El propósito de este estudio es describir las contribuciones biomecánicas de brazos y piernas a lo largo de SitTS repetitivos en individuos con LM incompleta. Este estudio sitúa el análisis biomecánico en relación con el sentido subjetivo de los participantes sobre el rendimiento muscular de sus brazos y piernas y la sensación de "esfuerzo y cansancio" a lo largo del ejercicio SitTS.

Muchos estudios previos de SitTS solo se concentraron en investigar los aspectos cinemáticos y cinéticos de la actividad 4,5,6,7. En un contexto más amplio de entrenamiento SitTS, el desarrollo de este método, que incluye el bipedestación instrumentado (SF) y el análisis de la placa de fuerza, podría llevar a los investigadores a evaluar la contribución de las extremidades superiores e inferiores de otras poblaciones, como el accidente cerebrovascular, los ancianos y los pacientes con osteoartritis ^8,9,10. Un estudio previo de Zoulias et al., instrumentó hardware y software a medida de SF presentó un diseño de marco grande¹¹. Este método puede ser difícil de replicar. Por lo tanto, este estudio de SitTS destacó un SF instrumentado portátil que puede ser adoptado por otros investigadores con una configuración de laboratorio de análisis de movimiento existente.

Protocolo

El ejercicio y el consentimiento informado de SitTS en este manuscrito se describen bajo consideración ética por parte del Comité de Ética del Centro Médico de la Universidad de Malaya (2017119-4828)¹². Los procedimientos del estudio se explicaron en detalle a cada participante y se obtuvo el consentimiento informado por escrito antes de comenzar el ensayo SitTS. Este estudio se realizó en modalidad mixta, donde los datos cuantitativos se obtuvieron mediante análisis biomecánico, mientras que las puntuaciones subjetivas se obtuvieron a partir de sesiones de retroalimentación (de los participantes) y grabaciones de audio (de las interacciones investigador-participantes durante el estudio). Este estudio piloto comparó las contribuciones de brazos y piernas de los participantes en el ejercicio SitTS de forma voluntaria frente a su rendimiento con la presencia de FES.

1. Selección de participantes

1. Realizar una evaluación con posibles participantes de la LME.
   1. Explique los detalles del protocolo SitTS, incluida la duración del estudio (4 días) y la duración de la sesión (SitTS: 2 h).
      NOTA: El día 1 se realizó una SitTS voluntaria, seguida de reposo durante 2 días. El SitTS asistido por estimulación eléctrica funcional (FES) se continúa al día siguiente y se define como Día 2.
   2. Describa los requisitos médicos al posible participante, incluidos los hombres o mujeres con SCI AIS C (que pueden ponerse de pie), de 18 a 60 años de edad, mayores de 12 meses después de la lesión, y demostrar su disposición a usar ropa específica.
      NOTA: Los participantes de SCI AIS C dieron su consentimiento informado por escrito para ser voluntarios en este estudio. El participante 1 era un varón (45 años; Índice de Masa Corporal (IMC) 20,32 kg/m²) y el participante 2 era del sexo femenino (49 años; IMC 33,54 kg/m²). Ambos se presentaron 95 meses y 33 meses después de la lesión de la LM, respectivamente. A ambos participantes se les evaluó el grado muscular de las extremidades inferiores (LE). El grado muscular LE del participante 1 fue 2 (lado derecho) y 4 (lado izquierdo). Por su parte, el participante 2 tenía un grado muscular LE de 4 bilateralmente¹². Ambos participantes tenían un buen control del tronco. Al participante 1 se le diagnosticó una pierna derecha flácida con reflejos ausentes en la rodilla y el tobillo, lo que indicaba una lesión de la neurona motora inferior. Además de eso, se observó que su pierna derecha no mostraba ninguna respuesta a la FES.
   3. Describa los criterios de exclusión a los posibles participantes, incluidas las condiciones médicas que harían que no completaran las instrucciones durante el estudio. Otros criterios de exención incluyen a los participantes que tienen osteoporosis y fractura ósea¹², marcapasos cardíaco u otro sistema electrónico implantado, que tenían un dispositivo de estimulación eléctrica existente (desfibrilador cardioversor implantable, marcapasos o estimulación espinal) o que tenían toxina botulínica.

2. Configuración experimental de SitTS

NOTA: En este ejercicio de SitTS, se registrarán tres parámetros. El primer parámetro es la fuerza de los brazos y el segundo parámetro es la fuerza de las piernas. El tercer parámetro es la mecanomiografía (MMG), que analiza la actividad del músculo recto femoral.

1. Configuración de silla y SF.
   1. Diseñe una silla sin brazos con una altura de 45 cm ^13,14 sin respaldo de acuerdo con la dimensión de la placa de fuerza 1 empotrada en el piso del laboratorio de análisis de movimiento (Figura 1).
   2. Coloque la silla en la parte superior de la placa de fuerza 1.
   3. Instrumente cada pata SF de forma independiente con el sensor de fuerza¹⁵ en la parte inferior de la pata SF, dado que el rango de sensibilidad de cada sensor es de 0 a 12 kg (Figura 2).
      NOTA: Los valores de suma de cuatro lecturas del sensor de fuerza de SF se denominaron contribución de fuerza de armas.
   4. Coloque un SF portátil y plegable frente a la silla al alcance de la mano¹². Coloque cuatro patas del SF de forma segura fuera de la placa de fuerza 2 para evitar mediciones dobles (Figura 1).
2. Configuración del análisis de movimiento
   1. Introduzca los datos del participante (es decir, la longitud de la pierna, el ancho del tobillo, el ancho de la rodilla) en el sistema de análisis de movimiento.
   2. Coloque dieciséis marcadores reflectantes en las extremidades inferiores del participante con cinta adhesiva de doble cara como se menciona en los pasos 2.2.3-2.2.5.
   3. Coloque estos marcadores directamente sobre la parte anterior y posterior bilateral de la espina ilíaca superior. En segundo lugar, coloque marcadores en el epicóndilo lateral de la rodilla izquierda y derecha.
   4. Coloque el marcador sobre la superficie lateral del muslo bilateral y el vástago. A continuación, coloque un marcador en el maléolo lateral izquierdo y derecho.
   5. Coloque marcadores a la izquierda y a la derecha de la cabeza del segundo metatarsiano. Coloque los marcadores en el calcáneo a la misma altura de la cabeza del segundo metatarsiano.
      NOTA: La colocación de los marcadores reflectantes se basa en la configuración del sistema de análisis de movimiento¹⁶.
3. Preparación de los participantes
   1. Indíquele al participante que se siente con las rodillas flexionadas a 90° con ambos pies colocados sobre la placa de fuerza 2.
   2. Asegúrese de que la cabeza y el tronco del participante estén orientados hacia adelante mientras está sentado en posición vertical. Asegúrese de que el participante esté descalzo.
   3. Coloque las manos en el mango del SF.
   4. Identifica el músculo recto femoral palpando la zona media y voluminosa del muslo.
   5. Coloque dos sensores de MMG en el área del muslo del músculo recto femoral bilateralmente, un MMG por pierna, para medir con precisión los esfuerzos de los músculos de la pierna para sentarse y pararse y sentarse¹².
   6. Asegure los sensores con una cinta adhesiva de doble cara. Coloque los sensores MMG alrededor del muslo para reducir los artefactos de movimiento¹².
   7. Conecte los sensores MMG al dispositivo MMG y a la computadora.

3. Protocolo SitTS

1. Día 1: Realizar ejercicio voluntario de SitTS.
   NOTA: Se instruyó a los participantes para que hicieran un evento repetitivo de SitTS con la ayuda del SF.
   1. Antes de que comience el experimento, asegúrese de activar todas las configuraciones para registrar los parámetros seleccionados.
      NOTA: Los parámetros registrados fueron sensores de fuerza para la contribución de las extremidades superiores, placa de fuerza para la contribución de las extremidades inferiores y datos de MMG para la actividad del recto femoral muscular.
   2. Pida al participante que se ponga de pie desde la posición sentada estacionaria al final de una cuenta regresiva de 5 segundos cronometrada por un temporizador electrónico.
   3. Deje que el participante permanezca de pie durante 3 segundos y luego siéntese en la silla.
   4. Pida al participante que descanse durante 5 s.
      NOTA: Este fue el intervalo de descanso entre los ensayos.
   5. Continúe haciendo ensayos SitTS (repita los pasos 3.1.2 y 3.1.4 hasta que el participante ya no pueda realizar la misma rutina).
   6. Apague todos los datos grabados.
   7. Luego, pídale al participante que descanse durante 5 minutos antes de continuar con la siguiente serie de la rutina SitTS. Dé 5 minutos de descanso entre series para proporcionar recuperación muscular entre series¹⁷.
   8. Repita los pasos 3.1.1-3.1.7 para otros dos conjuntos.
   9. Permitir que el participante descanse durante al menos 48 h.
2. Día 2: Realizar el ejercicio SitTS asistido por FES.
   NOTA: Se instruyó a los participantes para que realizaran eventos repetitivos de SitTS con la ayuda del SF y el FES.
   1. Coloque electrodos FES en los músculos cuádriceps y glúteo mayor¹⁸.
   2. Para el músculo cuádriceps, coloque el primer electrodo horizontalmente a unos dos dedos de ancho por encima de la rodilla. Coloque el segundo electrodo horizontalmente aproximadamente a un ancho de la palma de la mano por debajo de la articulación de la cadera.
   3. Para el músculo glúteo mayor, pida al participante que se incline hacia adelante y coloque el primer electrodo verticalmente más cerca del hueso de la cadera. Coloque el segundo electrodo verticalmente más cerca del coxis, uno al lado del otro del primer electrodo.
   4. Conecte todos los electrodos FES al dispositivo FES y conéctelos al software FES en la computadora.
   5. Configure el software FES seleccionando el ancho de pulso de 300 y la frecuencia de 35 Hz.
   6. Defina la intensidad de la corriente FES preguntando al participante si puede tolerar la corriente dada para lograr la extensión de la rodilla y la cadera⁷. Determine la amplitud de la corriente FES a través de una serie de prácticas antes de comenzar el ensayo real.
      NOTA: La Tabla 1 muestra la corriente FES estimulada hacia los músculos seleccionados de los participantes durante la sesión asistida de FES SitTS.
   7. Antes de que comience el experimento, asegúrese de activar todas las configuraciones para registrar los parámetros seleccionados.
   8. Pida al participante que se ponga de pie desde la posición sentada estacionaria al final de una cuenta regresiva de 5 segundos cronometrada por un temporizador electrónico. Al final de la cuenta regresiva, encienda el FES.
   9. Deje que el participante permanezca de pie durante 3 s. A continuación, apague el FES y deje que el participante se siente en la silla.
   10. Pida al participante que descanse durante 5 s.
   11. Continúe haciendo ensayos SitTS (repita los pasos 3.2.7-3.2.10 hasta que el participante ya no pueda realizar la misma rutina).
   12. Apague todos los datos grabados.
   13. Luego, pídale al participante que descanse durante 5 minutos antes de continuar con la siguiente serie de la rutina SitTS.
   14. Repita los pasos 3.2.7-3.2.13 para otras dos series.

4. Adquisición y análisis de datos

1. Contribución de la fuerza del brazo
   1. Extraiga todos los datos sin procesar del sensor de fuerza en el archivo del libro de trabajo en la computadora para su análisis fuera de línea.
2. Contribución de la fuerza de la pierna
   1. Analice los datos brutos de la cinemática y cinética de SitTS en el software de análisis de movimiento. Extraiga los datos de la placa de fuerza y los datos del ángulo de la rodilla en el archivo del libro de trabajo en el equipo para su análisis sin conexión.
      NOTA: Los datos de la placa de fuerza representan la contribución de la fuerza de la pierna
3. MMG del músculo recto femoral
   1. Extraiga y almacene datos de MMG sin procesar del músculo recto femoral utilizando dos unidades de adquisición y un software de vibromiografía en el archivo del libro de trabajo para su análisis fuera de línea.
      NOTA: La señal MMG fue registrada por un sensor de vibromiografía a una frecuencia de muestreo de 2 kHz. Se utilizó un filtro de paso de banda de respuesta a impulsos finito entre 20 Hz y 200 Hz para transmitir y transformar los datos brutos de la señal MMG según lo recomendado por el fabricante para la evaluación del esfuerzo muscular¹⁹. Para cada prueba, todo el conjunto de datos se normalizó y luego se sincronizó como un ciclo completo del ejercicio SitTS. Se realizó una prueba t de muestra independiente para observar diferencias significativas en el tiempo medio entre los ejercicios SItTS voluntarios y asistidos por FES.

5. Sesión de retroalimentación

1. Grabar audio durante la sesión de retroalimentación (interacciones investigador-participante).
2. Haga cuatro preguntas sobre la estabilidad y la fatiga experimentadas por los participantes durante la realización de SitTS en el Día 1 y el Día 2.
   NOTA: En esta sección, la estabilidad fue interpretada por los participantes como el saldo más alto en el evento SitTS. El equilibrio más alto se logró cuando pudieron mantener el evento seleccionado por más tiempo. Por su parte, la fatiga se identificó como la sensación de "cansancio" que conduce a su rendimiento más bajo recuperado durante el ejercicio SitTS.
3. Recopila y transcribe el audio.

Resultados

Un total de 399 y 463 ensayos SitTS se completaron sin y con la asistencia de FES correspondientemente. Los ensayos que contribuyeron a cada conjunto se tabulan en la Tabla 2. Los participantes pudieron realizar más ensayos de SitTS con la presencia de estimulación eléctrica en sus piernas, es decir, FES. En general, ambos participantes lograron realizar más ensayos de SitTS con la ayuda de FES. Esto sugiere que la FES ayuda a estimular los cuádriceps de los participantes para ejecutar la acción Si...

Discusión

El presente estudio demostró una contribución del peso corporal en individuos con LME durante el ejercicio SitTS. Este estudio presentó el SF como un dispositivo de asistencia esencial para que los parapléjicos realicen un ciclo exitoso de SitTS. Además, se elaboró un SF instrumentado para garantizar que la fuerza armamentística también pueda ser evaluada²⁸. La aplicación de MMG se agregó en el estudio para observar el músculo SitTS principal que ayuda a los investigadores a comprender ...

Materiales

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.