Quantification des contributions des bras et des jambes lors d’exercices répétitifs assis-debout assistés électriquement chez les paraplégiques : une étude pilote

Résumé

La contribution des bras en Sit-To-Stand (SitTS) est déterminée par l’état musculaire des jambes. Plusieurs stratégies de compensation ont été découvertes dans le but d’obtenir des cycles complets de STIT. Ces résultats triangulent les mesures biomécaniques des personnes atteintes d’une lésion de la moelle épinière (LME) avec leur sentiment subjectif de charge supportée par leurs deux membres tout au long des approches SitTS.

Résumé

L’exécution du Sit-to-Stand (SitTS) chez les patients atteints de lésions incomplètes de la moelle épinière (LME) implique la fonction motrice des membres supérieurs et inférieurs. L’utilisation d’un support de bras, en particulier, est un facteur d’assistance important lors de l’exécution du mouvement SitTS dans la population LME. De plus, l’application de la stimulation électrique fonctionnelle (SEF) sur les muscles quadriceps et fessier est l’une des prises en charge prescrites pour les lésions médullaires incomplètes afin d’améliorer l’action musculaire pour les mouvements simples des membres inférieurs. Cependant, la contribution relative des membres supérieurs et inférieurs au cours du STCC n’a pas été étudiée de manière approfondie. Deux paraplégiques de la LME incomplets ont effectué des exercices répétitifs de TSi à fatigue. Leur performance a été étudiée dans le cadre d’une étude cas-témoins à méthode mixte comparant les STS avec et sans l’aide de la SEF. Trois séries de tests SitTS ont été effectuées avec une période de repos de 5 minutes allouée entre les séries, avec des capteurs de mécanomyographie (MMG) fixés bilatéralement sur les muscles droits fémoraux. L’exercice a été séparé en 2 séances ; Jour 1 pour les STS volontaires et Jour 2 pour les STS assistés par SEF. Des questionnaires ont été menés après chaque session pour recueillir les commentaires des participants sur leur expérience répétitive du STIT. L’analyse a confirmé qu’un cycle SitTS pouvait être divisé en trois phases ; La phase 1 (préparation à la position debout), la phase 2 (repos assis) et la phase 3 (initiation de l’extension de la hanche), qui ont contribué à 23 % ± 7 %, 16 % ± 4 % et 61 % ± 6 % du cycle SitTS, respectivement. La contribution des bras et des jambes pendant le mouvement SitTS variait chez différents participants en fonction du grade musculaire de leurs jambes du Medical Research Council (MRC). En particulier, les forces appliquées sur les bras commencent à augmenter clairement lorsque les forces sur les jambes commencent à diminuer en position debout. Ce résultat est soutenu par le signal MMG significativement réduit indiquant une fatigue musculaire des jambes et leur sensation de fatigue rapportée.

Introduction

Le Sit-To-Stand (SitTS) est un mouvement important dans l’activité de la vie quotidienne d’un être humain. C’est également une condition préalable aux activités fonctionnelles de base telles que la position debout, le transfert et la marche. Pour les patients atteints d’une lésion incomplète de la moelle épinière (LME), en particulier les paraplégiques, l’exercice SitTS est une activité cruciale pour leur indépendance fonctionnelle ^1,2. Cet exercice est essentiel pour la formation à l’autonomie, qui aide éventuellement la population de LME à améliorer sa qualité de vie. Afin d’effectuer un exercice SitTS suffisant et adéquat, les connaissances concernant leur biomécanique et leur activité musculaire doivent être mesurables de manière réalisable pendant l’entraînement.

Dans un programme de réadaptation clinique, les patients atteints d’une LME de grade AIS C ont une meilleure progression et de meilleures chances de récupérer leur fonction motrice que ceux atteints d’AIS B, qui présentent des déficits moteurs complets. La performance SitTS joue un rôle important chez un patient atteint d’une lésion médullaire pour indiquer sa fonctionnalité motrice pendant le processus de récupération³. Cependant, les patients atteints de SCI AIS C ont besoin du soutien des membres supérieurs et inférieurs pour réussir une série de mouvements répétés du STIT. Le support des membres supérieurs joue un rôle important dans la décharge des genoux tout en fournissant des forces de levage adéquates et en assurant l’équilibre du corps pendant l’exercice⁴.

Le but de cette étude est de décrire les contributions biomécaniques des bras et des jambes tout au long des STCC répétitifs chez les personnes ayant une lésion médullaire incomplète. Cette étude positionne l’analyse biomécanique par rapport au sens subjectif des participants de leurs bras et jambes, de leurs performances musculaires et de leurs sentiments d’effort et de fatigue tout au long de l’exercice SitTS.

De nombreuses études SitTS précédentes se sont concentrées uniquement sur l’étude des aspects cinématiques et cinétiques de l’activité 4,5,6,7. Dans un contexte plus large de formation SitTS, le développement de cette méthode, qui comprend le cadre debout instrumenté (SF) et l’analyse de la plaque de force, pourrait amener les chercheurs à évaluer la contribution des membres supérieurs et inférieurs d’autres populations telles que les accidents vasculaires cérébraux, les personnes âgées et les patients souffrant d’arthrose ^8,9,10. Une étude antérieure de Zoulias et al., du matériel et des logiciels instrumentés sur mesure de SF a présenté une conception de grand cadre¹¹. Cette méthode peut être difficile à reproduire. Par conséquent, cette étude SitTS a mis en évidence un SF instrumenté portable qui peut être adopté par d’autres chercheurs avec une configuration de laboratoire d’analyse de mouvement existante.

Protocole

L’exercice SitTS et le consentement éclairé dans ce manuscrit sont décrits dans le cadre d’un examen éthique par le comité d’éthique du centre médical de l’Université de Malaya (2017119-4828)¹². Les procédures de l’étude ont été expliquées en détail à chaque participant, et un consentement éclairé écrit a été obtenu avant de commencer l’essai SitTS. Cette étude a été menée en mode mixte, où les données quantitatives ont été obtenues à l’aide d’une analyse biomécanique, tandis que les scores subjectifs ont été obtenus à partir de séances de rétroaction (des participants) et d’enregistrements audio (des interactions chercheurs-participants au cours de l’étude). Cette étude pilote a comparé les contributions des bras et des jambes des participants dans l’exercice SitTS volontairement par rapport à leur performance avec la présence de SEF.

1. Sélection des participants

1. Effectuer une évaluation auprès des participants potentiels à la LME.
   1. Expliquez les détails du protocole SitTS, y compris la durée de l’étude (4 jours) et la durée de la session (SitTS : 2 h).
      REMARQUE : Les STIT volontaires ont été effectués le jour 1, suivis d’un repos de 2 jours. Le STS assisté par stimulation électrique fonctionnelle (SEF) est ensuite poursuivi le lendemain et défini comme le jour 2.
   2. Décrivez les exigences médicales au participant potentiel, y compris un homme ou une femme atteint d’une LME (qui peut se tenir debout), âgé de 18 à 60 ans, plus de 12 mois après la blessure, et démontrer sa volonté de porter des vêtements spécifiques.
      REMARQUE : Les participants au SCI AIS C ont fourni un consentement écrit et éclairé pour se porter volontaires dans cette étude. Le participant 1 était un homme (45 ans ; Indice de masse corporelle (IMC) 20,32 kg/m²) et le participant 2 était une femme (49 ans ; IMC 33,54 kg/m²). Les deux se sont présentés respectivement 95 mois et 33 mois après la lésion médullaire. Les deux participants ont fait évaluer leur grade musculaire des membres inférieurs (LE). Le grade musculaire LE du participant 1 était de 2 (côté droit) et 4 (côté gauche). Pendant ce temps, le participant 2 avait un grade musculaire LE de 4 bilatéralement¹². Les deux participants avaient un bon contrôle du tronc. Le participant 1 a reçu un diagnostic de jambe droite flasque avec absence de réflexes au genou et à la cheville indiquant une lésion du motoneurone inférieur. En outre, on a observé que sa jambe droite ne montrait aucune réponse à la SEF.
   3. Décrivez les critères d’exclusion aux participants potentiels, y compris les conditions médicales qui les empêcheraient de suivre les instructions pendant l’étude. Les autres critères d’exemption comprennent les participants atteints d’ostéoporose et de fracture osseuse¹², de stimulateur cardiaque ou d’un autre système électronique implanté, d’un appareil de stimulation électrique existant (défibrillateur automatique implantable, stimulateur cardiaque ou stimulation vertébrale) ou d’une toxine botulique.

2. Dispositif expérimental SitTS

REMARQUE : Dans cet exercice SitTS, trois paramètres seront enregistrés. Le premier paramètre est la force des bras et le second est la force des jambes. Le troisième paramètre est la mécanographie (MMG) qui examine l’activité du muscle droit fémoral.

1. Chaise et installation SF.
   1. Concevoir une chaise sans accoudoirs d’une hauteur de 45 cm^13,14 sans dossier en fonction de la dimension de la plaque de force 1 encastrée dans le sol du laboratoire d’analyse du mouvement (Figure 1).
   2. Placez la chaise sur le dessus de la plaque de force 1.
   3. Instrumentez chaque jambe SF indépendamment avec le capteur de force¹⁵ au bas de la jambe SF, étant donné que la plage sensible de chaque capteur est de 0 à 12 kg (Figure 2).
      REMARQUE : La somme des valeurs de quatre lectures de capteurs de force de SF a été appelée contribution de la force des armes.
   4. Placez un SF portable et pliable devant la chaise à portée de main¹². Placez les quatre jambes du SF en toute sécurité à l’extérieur de la plaque de force 2 pour éviter les doubles mesures (Figure 1).
2. Configuration de l’analyse de mouvement
   1. Entrez les détails du participant (c’est-à-dire la longueur de la jambe, la largeur de la cheville, la largeur du genou) dans le système d’analyse des mouvements.
   2. Placez seize marqueurs réfléchissants sur les membres inférieurs du participant avec du ruban adhésif double face comme mentionné aux étapes 2.2.3 à 2.2.5.
   3. Fixez ces marqueurs directement sur les épines iliaques bilatérales antérieures et postérieures de la colonne iliaque supérieure. Deuxièmement, fixez des marqueurs sur l’épicondyle latéral du genou gauche et droit.
   4. Fixez le marqueur sur la surface latérale de la cuisse bilatérale et de la tige. Ensuite, fixez un marqueur sur la malléole latérale gauche et droite.
   5. Fixez des marqueurs à gauche et à droite de la deuxième tête métatarsienne. Fixez les marqueurs sur le calcanéum à la même hauteur que la deuxième tête métatarsienne.
      REMARQUE : Le placement des marqueurs réfléchissants est basé sur la configuration du système d’analyse de mouvement¹⁶.
3. Préparation du participant
   1. Demandez au participant de s’asseoir avec les genoux fléchis à 90° avec les deux pieds positionnés sur la plaque de force 2.
   2. Assurez-vous que la tête et le tronc du participant sont tournés vers l’avant tout en étant assis en position verticale. Assurez-vous que le participant est pieds nus.
   3. Placez les mains sur la poignée du SF.
   4. Identifiez le muscle droit fémoral en palpant la zone médiane et volumineuse de la cuisse.
   5. Placez bilatéralement deux capteurs MMG au niveau de la cuisse du muscle droit fémoral, un MMG par jambe, pour mesurer avec précision les efforts assis-debout et debout-assis des muscles des jambes¹².
   6. Fixez les capteurs avec un ruban adhésif double face. Attachez les capteurs MMG autour de la cuisse pour réduire les artefacts de mouvement¹².
   7. Connectez les capteurs MMG à l’appareil MMG et à l’ordinateur.

3. Protocole SitTS

1. Jour 1 : Effectuer un exercice volontaire de SitTS.
   REMARQUE : Les participants ont été invités à faire une épreuve répétitive de SitTS avec l’aide du SF.
   1. Avant le début de l’expérience, assurez-vous d’activer toutes les configurations pour enregistrer les paramètres sélectionnés.
      REMARQUE : Les paramètres enregistrés étaient les capteurs de force pour la contribution des membres supérieurs, la plaque de force pour la contribution des membres inférieurs et les données MMG pour l’activité du muscle droit fémoral.
   2. Demandez au participant de se lever de la position assise stationnaire à la fin d’un compte à rebours de 5 s chronométré par un chronomètre électronique.
   3. Laissez le participant rester debout pendant 3 secondes, puis asseyez-vous sur la chaise.
   4. Demandez au participant de se reposer pendant 5 s.
      NOTE : Il s’agissait de l’intervalle de repos entre les essais.
   5. Continuez à faire des essais SitTS (répétez les étapes 3.1.2 et 3.1.4 jusqu’à ce que le participant ne puisse plus effectuer la même routine).
   6. Désactivez toutes les données enregistrées.
   7. Ensuite, demandez au participant de se reposer pendant 5 minutes avant de continuer la prochaine série de la routine SitTS. Donnez une pause de 5 minutes entre les séries pour assurer la récupération musculaire entre les^{séries 17}.
   8. Répétez les étapes 3.1.1 à 3.1.7 pour deux autres séries.
   9. Laisser le participant se reposer pendant au moins 48 h.
2. Jour 2 : Effectuez un exercice SitTS assisté par SEF.
   REMARQUE : Les participants ont été invités à faire des épreuves répétitives de SitTS avec l’aide du SF et de la FES.
   1. Placez des électrodes SEF sur les quadriceps et les muscles fessiers¹⁸.
   2. Pour le muscle quadriceps, placez la première électrode horizontalement à environ deux largeurs de doigt au-dessus du genou. Positionnez la deuxième électrode horizontalement à environ la largeur de la paume sous l’articulation de la hanche.
   3. Pour le muscle grand fessier, demandez au participant de se pencher vers l’avant et de placer la première électrode verticalement le plus près de l’os de la hanche. Fixez la deuxième électrode verticalement le plus près du coccyx, côte à côte de la première électrode.
   4. Connectez toutes les électrodes FES à l’appareil FES et connectez-les au logiciel FES de l’ordinateur.
   5. Configurez le logiciel FES en sélectionnant la largeur d’impulsion de 300 et la fréquence de 35 Hz.
   6. Définissez l’intensité du courant de la SEF en demandant au participant s’il peut tolérer le courant donné pour obtenir l’extension du genou et de la hanche⁷. Déterminez l’amplitude du courant de la SEF à l’aide d’un certain nombre de pratiques avant de commencer l’essai proprement dit.
      REMARQUE : Le tableau 1 montre le courant SEF stimulé vers les muscles sélectionnés des participants pendant la séance de SEF assistée SitTS.
   7. Avant le début de l’expérience, assurez-vous d’activer toutes les configurations pour enregistrer les paramètres sélectionnés.
   8. Demandez au participant de se lever de la position assise stationnaire à la fin d’un compte à rebours de 5 s chronométré par un chronomètre électronique. À la fin du compte à rebours, allumez le FES.
   9. Laissez le participant rester debout pendant 3 s. Ensuite, éteignez le FES et laissez le participant s’asseoir sur la chaise.
   10. Demandez au participant de se reposer pendant 5 s.
   11. Continuez à faire des essais de TSS par satellite (répétez les étapes 3.2.7 à 3.2.10 jusqu’à ce que le participant ne puisse plus exécuter la même routine).
   12. Désactivez toutes les données enregistrées.
   13. Ensuite, demandez au participant de se reposer pendant 5 minutes avant de continuer la prochaine série de la routine SitTS.
   14. Répétez les étapes 3.2.7 à 3.2.13 pour deux autres séries.

4. Acquisition et analyse des données

1. Contribution à la force d’armement
   1. Extrayez toutes les données brutes du capteur de force dans le fichier du classeur de l’ordinateur pour une analyse hors ligne.
2. Contribution à la force des jambes
   1. Analysez les données brutes de la cinématique et de la cinétique SitTS dans le logiciel d’analyse de mouvement. Extrayez les données de la plaque de force et de l’angle du coude dans le fichier du classeur de l’ordinateur pour une analyse hors ligne.
      REMARQUE : Les données de la plaque de force représentent la contribution de la force des jambes
3. MMG du muscle droit fémoral
   1. Extrayez et stockez les données brutes de MMG du muscle droit fémoral à l’aide de deux unités d’acquisition et d’un logiciel de vibromyographie dans le fichier du classeur pour une analyse hors ligne.
      REMARQUE : Le signal MMG a été enregistré par un capteur de vibromyographie à une fréquence d’échantillonnage de 2 kHz. Un filtre passe-bande à réponse impulsionnelle finie entre 20 Hz et 200 Hz a été utilisé pour relayer et transformer les données brutes du signal MMG comme recommandé par le fabricant pour l’évaluation de l’effort musculaire¹⁹. Pour chaque essai, tous les ensembles de données ont été normalisés puis synchronisés en tant que cycle complet d’exercices SitTS. Un test t d’échantillon indépendant a été effectué pour observer des différences significatives de temps moyen entre les exercices SItTS volontaires et assistés par SEF.

5. Séance de rétroaction

1. Enregistrer l’audio pendant la séance de rétroaction (interactions entre les chercheurs et les participants).
2. Posez quatre questions concernant la stabilité et la fatigue ressenties par les participants lors de l’accomplissement des SitTS au jour 1 et au jour 2.
   NOTE : Dans cette section, la stabilité a été interprétée par les participants comme l’équilibre le plus élevé de l’épreuve SitTS. L’équilibre le plus élevé a été atteint lorsqu’ils ont pu conserver l’événement sélectionné le plus longtemps. Pendant ce temps, la fatigue a été identifiée comme leur sentiment de « fatigue » qui conduit à leur plus faible performance récupérée pendant l’exercice SitTS.
3. Collectez et transcrivez l’audio.

Résultats

Au total, 399 et 463 essais de STS par satellite ont été réalisés sans et avec l’aide de la SEF. Les essais qui ont contribué à chaque ensemble sont présentés dans le tableau 2. Les participants pouvaient effectuer plus d’essais SitTS avec la présence d’une stimulation électrique sur leurs jambes, c’est-à-dire SEF. Dans l’ensemble, les deux participants ont réussi à effectuer plus d’essais SitTS à l’aide de la SEF. Cela suggère que la SEF aide à stimuler les quadriceps des p...

Discussion

La présente étude a démontré une contribution du poids corporel chez les personnes ayant une lésion médullaire pendant l’exercice de STCC. Cette étude a présenté la SF comme un dispositif d’assistance essentiel pour les paraplégiques afin de réussir un cycle de STS. De plus, un SF instrumenté a été développé pour s’assurer que la force d’armement peut également être évaluée²⁸. L’application de MMG a été ajoutée dans l’étude pour observer le muscle SitTS de premi...

matériels

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.