Paradigmi della formazione di stimolazione elettrica dell'arto inferiore dopo la ferita del midollo spinale

Riepilogo

Ferita del midollo spinale è una patologia traumatica che può provocare rischi elevati di disordini metabolici secondari cronici. Qui, abbiamo presentato un protocollo utilizzando formazione superficie stimolazione-resistenza elettrica neuromuscolare in combinazione con estremità inferiore di stimolazione elettrica funzionale bicicletta come una strategia per migliorare molti di questi problemi medici.

Abstract

Atrofia del muscolo scheletrico, adiposità aumentata e ridotta attività fisica sono fondamentali cambiamenti osservati dopo la ferita del midollo spinale (SCI) e sono associati con numerose conseguenze di salute cardiometabolic. Questi cambiamenti sono suscettibili di aumentare il rischio di sviluppare condizioni croniche secondarie e la qualità della vita nelle persone con SCI. superficie resistenza evocata la stimolazione elettrica neuromuscolare (NMES-RT) di formazione è stato sviluppato come una strategia per l'impatto attenuare il processo di atrofia del muscolo scheletrico, diminuire l'adiposità ectopico, migliorare la sensibilità all'insulina e migliorare la capacità mitocondriale. Tuttavia, NMES-RT è limitato a solo un singolo gruppo muscolare. Che coinvolgono più gruppi muscolari degli arti inferiori può massimizzare i benefici della formazione. Estremità inferiore di stimolazione elettrica funzionale ciclismo (FES-LEC) consente l'attivazione di 6 gruppi muscolari, che è probabile che evocano una maggiore adattamento metabolico e cardiovascolare. Adeguata conoscenza dei parametri di stimolazione è la chiave per massimizzare i risultati della formazione di stimolazione elettrica in persone con SCI. adottando strategie per uso a lungo termine di NMES-RT e FES-LEC durante la riabilitazione può mantenere l'integrità della sistema muscolo-scheletrico, un pre-requisito per le sperimentazioni cliniche con l'obiettivo di ripristinare a piedi dopo la ferita. Il manoscritto attuale presenta un protocollo combinato utilizzando NMES-RT prima del FES-LEC. Supponiamo che i muscoli condizionati per 12 settimane prima del ciclismo sarà in grado di generare una maggiore potenza, ciclo contro resistenza superiore e provocare maggiore adattamento in persone con SCI.

Introduzione

Si stima che circa 282.000 persone negli Stati Uniti attualmente stanno vivendo con midollo spinale ferita (SCI)¹. In media, ci sono circa 17.000 nuovi casi ogni anno, principalmente causati da incidenti automobilistici, atti di violenza e di attività sportive¹. SCI si traduce in interruzione parziale o totale della trasmissione neurale attraverso e sotto il livello della lesione², portando alla perdita sensoriale e/o motore sub-lesional. Dopo l'infortunio, attività del muscolo scheletrico sotto il livello della lesione è notevolmente ridotto, portando a un rapido declino della massa magra e concomitante infiltrazione del tessuto adiposo ectopico o grasso intramuscolare (FMI). Gli studi hanno indicato che il muscolo scheletrico più basso dell'estremità esperienze atrofia significativa entro le prime settimane della ferita, proseguendo per tutta la fine del primo anno^3,4. Appena 6 settimane post-lesione, individui con completo SCI esperti una diminuzione di 18-46% in massa muscolare sub-lesional rispetto a età e comandi di abili-bodied pari peso. Di alberino-ferita di 24 settimane, area della sezione trasversale del muscolo scheletrico (CSA) potrebbe essere più basso di 30-50%³. Gorgey e Dudley ha mostrato che il muscolo scheletrico continua ad atrofia del 43% delle dimensioni originali 4,5 mesi di alberino-ferite e noti un tre volte maggiore quantità del FMI in persone con SCI incompleti rispetto a abili bodied controlla⁴. Perdita di massa magra metabolicamente attiva si traduce in una riduzione del metabolismo basale (BMR)^2,6, che rappresenta per il ∼65 e il 70% della spesa totale di energia giornaliera; tali riduzioni in BMR possono portare ad uno squilibrio di energia dannosa e aumentando l'adiposità dopo lesioni^{2,7,8,9,10,18}. Intensificata l'adiposità è stato collegato allo sviluppo di condizioni croniche secondarie, compreso ipertensione, tipo II diabete mellito (T2DM) e malattie cardiovascolari^{2,10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18}. Inoltre, persone con SCI possono soffrire di malnutrizione e affidarsi a una dieta grassa alta. Assunzione di grassi può rappresentare 29 a 34% della massa grassa in persone con SCI, che è probabile che un fattore che spiega aumentando l'adiposità e la crescente prevalenza di obesità all'interno del SCI popolazione^12,13.

Resistenza ha evocata la stimolazione elettrica neuromuscolare (NMES-RT) di formazione è stato progettato per indurre l'ipertrofia del muscolo scheletrico paralizzato^{19,20,21,22,23, 24}. Seguente a dodici settimane di due volte alla settimana NMES-RT, muscolo scheletrico CSA della coscia intera, dell'estensore del ginocchio e gruppi di muscoli flessori del ginocchio sono aumentate del 28%, 35% e 16%, rispettivamente²². Dudley et al. è emerso che 8 settimane due volte-settimanale di dimensione dei muscoli estensore ginocchio NMES-RT restaurato al 75% delle dimensioni originali alle sei settimane post-lesione¹⁹. Inoltre, Mahoney et al. utilizzato lo stesso protocollo e notato un aumento del 35% e 39% in destra e sinistra retto femorale muscoli dopo 12 settimane di NMES-RT²⁰.

Estremità inferiore di stimolazione funzionale di elettrico ciclismo (FES-LEC) è una tecnica di riabilitazione comune utilizzata per esercitare gruppi di muscolari dell'arto inferiore dopo SCI^25,26. A differenza di NMES-RT, FES-LEC si basa sulla stimolazione dei 6 gruppi muscolari, che può provocare una maggiore ipertrofia e miglioramenti nel cardiometabolic profile^{10,25,26,27, 28}. Dolbow et al. trovato quel corpo totale magra massa è aumentato del 18,5% seguendo 56 mesi di FES-LEC in un individuo con SCI²⁷. Dopo dodici mesi di trisettimanali FES-LEC, una femmina di 60 anni con paraplegia con esperienza un aumento del 7,7% nel corpo totale massa magra e un aumento del 4,1% in gamba magra massa²⁸. Uso di routine di stimolazione elettrica funzionale (FES) è associato con un miglioramento in fattori di rischio di cardiometaboliche dopo SCI^10,25,26.

I candidati ideali per la formazione di stimolazione elettrica avrà entrambi lesioni motore complete o incomplete, con motoneuroni periferici intatti e limitato sensazione di arto inferiore. Il manoscritto attuale, descrive un approccio combinato utilizzando NMES-RT e FES-LEC progettato per migliorare i risultati della formazione di stimolazione elettrica in persone con sci cronica. Il processo di NMES-RT utilizzando pesi alle caviglie sarà delineato, pur evidenziando passaggi chiave all'interno del protocollo e i benefici complessivi dell'intervento fornisce alle persone con sci cronica. Il secondo obiettivo è quello di descrivere il processo di FES-LEC progettato per massimizzare l'effetto cardiometabolico globale di intervento. Il lavoro precedente ha affermato il nostro razionale che un protocollo di allenamento combinato può evocare una maggiore risultati dopo 24 settimane di stimolazione elettrica formazione^{20,21,22,23,24 ,25,26,31,32,33,34,35,36}.

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Protocollo

Il protocollo di allenamento descritto in questo manoscritto è registrato con clinicaltrials.gov identifier (NCT01652040). Il programma di formazione prevede NMES-RT con pesi alle caviglie e FES-LEC. Tutte le attrezzature necessarie sono elencata nella tabella 2. Il protocollo di studio e consenso informato sono stati esaminati e approvati dalla Richmond VAMC Institutional Review Board (IRB) e la Virginia Commonwealth University (VCU) IRB. Tutte le procedure di studio sono state spiegate nel dettaglio per ogni partecipante prima di iniziare la prova.

1. partecipante reclutamento

1. Eseguire una valutazione pre-screening con potenziali partecipanti.
   1. Spiegare accuratamente i dettagli del protocollo di formazione tra cui la durata dello studio (24 settimane), volte a settimana (bi-settimanale) e lunghezza delle sessioni (NMES-RT: 30 min e FES-LEC: 45-60 min).
      Nota: NMES-RT è condotto per le prime 12 settimane, seguite da 12 settimane di FES-LEC.
   2. Descrivere i requisiti medici per i potenziali partecipanti tra cui: maschio o femmina con SCI, American spinale lesioni classificazione (AIS) A, B o C (quelli con una classificazione di AIS "C" che sono in grado di alzarsi e camminare), 18 a 65 anni, maggiore di 1 anno post-infortunio, body mass index (BMI) ≤ 30 kg/m², motore completa o incompleta C5-L2 livello di pregiudizio.
   3. Descrivere le restrizioni mediche per i potenziali partecipanti tra cui: una diagnosi di malattia cardiovascolare, incontrollata tipo II diabete mellito o quelli su insulina, ipertensione non controllata, pressione piaghe fase infezione del tratto urinario 3 o superiore, o sintomi, osteoporosi con T-Score-2.5 e la gravidanza per le donne con SCI.

2. NMES-RT

1. Assicurare che il partecipante fa decadere il suo vescica e misurare la pressione sanguigna e la frequenza cardiaca che riposa. Quando il partecipante è seduto in sedia a rotelle, indicare al partecipante di prendere il suo scarpe. Quindi, mettere un cuscino dietro il polpaccio per attutire la gamba durante la flessione del ginocchio. Applicare i pesi alla caviglia (0-26 libbre) alle caviglie del partecipante (Figura 1).
   Nota: L'iniziale 2 sessioni sono condotte senza pesi alle caviglie per assicurare il partecipante in grado di sollevare il suo piedino contro la gravità.
2. Applicare gli elettrodi di carbonio adesivo due 7,5 cm x 12,7 cm bilateralmente sulla pelle sopra il gruppo del muscolo estensore ginocchio.
   1. Posizionare l'elettrodo distale ~1/3 la distanza tra la rotula e piega inguinale e mediale alla linea mediana del quadricipite. Posizionare l'elettrodo longitudinalmente e parallelamente all'asse della linea mediana in esecuzione dall'anca per i giunti del ginocchio (Figura 2).
   2. Posizionare l'elettrodo prossimale lateralmente e adiacente alla piega inguinale sopra lateralis vastus muscle. Posizionare l'elettrodo longitudinalmente e parallelamente all'asse della linea mediana (Figura 2).
3. Impostare uno stimolatore portatile a una frequenza di 30 Hz e una larghezza di impulso rettangolare bifasica di 450 µs e 50 µs impulsi intervallo^{19,20,21,22,23,24 ,37,38,39}. Connettere i cavi dallo stimolatore ogni elettrodo.
   Nota: La polarità degli elettrodi non influenza il pattern di stimolazione fintanto che gli elettrodi siano posizionati correttamente.
4. Inizio con la gamba destra, aumentare gradualmente la corrente fino a una notevole tensione visibile è riconosciuta nel gruppo di muscolo estensore del ginocchio. Continuare a rampa lentamente la corrente per evocare l'estensione completa del ginocchio (max 200 mA). Consentire la gamba di rimanere estesi per 3-5 s evocare tensione massima nelle unità motore attivata.
5. Diminuire gradualmente la corrente fino a quando non è sotto 50% del target corrente necessario per estendere la gamba e muovere la gamba eccentricamente torna alla posizione di partenza. Registrare l'ampiezza corrente necessaria per evocare estensione di tutta la gamba.
6. Completare la formazione unilaterale tra cui 4 serie di 10 ripetizioni per gamba e si alternano tra gambe destra e sinistra. Consentire la gamba riposare 3-5 s tra ogni ripetizione e 3 min tra insiemi. Se il partecipante non raggiunga l'estensione completa del ginocchio, registrare la % di gamma di movimento e aumentare il tempo tra le ripetizioni.
   Nota: Affaticamento muscolare è definito come due consecutivi ripetizioni con una gamma di movimento ≤ 25%.
7. Tentativo di ciascuno dei quattro insiemi, ma se partecipante esperimenta l'affaticamento muscolare, terminare il set corrente e continuare la formazione sulla gamba opposta. Se l'estensione completa del ginocchio è ottenuta senza affaticamento muscolare per 2 sessioni di allenamento consecutivi, aggiungere 2 libbre di pesi alla caviglia la seguente settimana di formazione.

3. FES-LEC

1. Misurare la pressione sanguigna e la frequenza cardiaca riposo del partecipante. Posizionare il partecipante davanti la bici ergometro FES (Tabella materiali) seduto nel suo potere personale o sedia a rotelle manuale (Figura 3a, Figura 3b).
2. Applicare gli elettrodi di carbonio adesivo per l'estensore del ginocchio, ginocchio bilateralmente gruppi del muscolo flessore e grande gluteo.
   1. Per estensori del ginocchio, posizionare l'elettrodo distale (7,5 x 12,7 cm) sulla pelle 1/3 la distanza tra la rotula e la piega inguinale, sopra il muscolo vasto mediale. Posizionare l'elettrodo prossimale lateralmente e adiacente alla piega inguinale sopra il vastus lateralis muscolare (Figura 4a).
   2. Per flessori del ginocchio, posizionare l'elettrodo distale (7,5 x 10 cm) sulla pelle 2-3 centimetri sopra la fossa poplitea. Posizionare l'elettrodo prossimale 20 cm sopra la fossa poplitea (Figura 4b). Per evitare qualsiasi movimento dell'elettrodo distale, è necessario applicare una fascia elastica per un posizionamento sicuro dell'elettrodo (Figura 3a).
   3. Per maximus del gluteus, istruire il partecipante a piegarsi in avanti verso l'ergometro. Posizionare due elettrodi (5 x 9 cm) in parallelo e sulla maggior parte del ventre muscolare; consentire ~ due dita larghezza di separazione tra gli elettrodi.
3. Con il partecipante seduto nella sua sedia a rotelle e centrato davanti l'ergometro, collegare i cavi dallo stimolatore per ciascuno dei 12 elettrodi. Controllare la parte anteriore e posteriore dell'ergometro per assicurarsi che il partecipante è centrato correttamente.
4. Assicurarsi che la sedia a rotelle del partecipante sia bloccato e posizionare delicatamente i piedi del partecipante (indossare scarpe da tennis) all'interno dei pedali (Figura 6). Fissare la parte inferiore della gamba per l'ergometro utilizzando gli elastici avvolti in un rivestimento in tessuto. Fissare i piedi del partecipante nel luogo con l'incrocio di due elastici e Velcro situato su ogni petalo (Figura 5).
5. Dopo le gambe per l'ergometro di reggiatura, spostare passivamente che le gambe così osservano il modello in bicicletta. Se le gambe sono troppo compresso o iperestese, regolare l'altezza della moto e ricontrollare la posizione spostando passivamente la gamba.
6. Garantire la sedia a rotelle del partecipante per l'ergometro utilizzando i due ganci estensibili situati alla base dell'ergometro. Collegare i ganci a una struttura stabile sotto la sedia a rotelle (Figura 5). Inserire due interruzioni di legno sotto le ruote della carrozzina, per impedire qualsiasi movimento della sedia durante la pedalata.
7. Impostare la frequenza di stimolazione di 33,3 Hz, durata dell'impulso a 350 µs e l'ampiezza corrente a 140, 100, 100 mA per l'estensore del ginocchio, flessori del ginocchio e del muscolo di maximus del gluteus gruppi, rispettivamente.
8. Impostare i parametri del ciclo come segue: destinazione velocità di 40-45 giri al minuto (RPM); coppia motore regolabile a partire da 10 Nm; resistenza di 1.0, 1.5 e 2.0 Nm per esercizio fasi I, II e III.
9. Impostare l'intervallo di formazione parametri come segue: 3 min fase "warm up"; tre 10 min esercizio fasi (stimolazione su); esercitare un seguito 2 min fase di riposo ogni fase; e 3 min fase "raffreddarsi".
10. Base al livello della ferita (sopra o sotto T4), misura il tasso di cuore e pressione del sangue ogni 2-5 min per prevenire l'insorgenza di sintomi di dysreflexia autonomo.
11. Se la pressione sanguigna rimane elevata, interrompere l'ergometro e istruire al partecipante di invalidare il suo vescica o riposare se essi hanno già annullato. Inoltre, verificare che il partecipante sia posizionato correttamente per ridurre eventuali punti di pressione e verificare che le scarpe o le cinghie non siano eccessivamente serrati. Pressione sanguigna monitorare attentamente ogni 2 min. Se la pressione sanguigna recupera, riprendere il training; Se la pressione sanguigna viene recuperata, terminare la sessione e istruire il partecipante per vedere il suo medico di pronto intervento.
    Nota: È fondamentale per garantire che i partecipanti costantemente prendono loro farmaco di pressione sanguigna, se del caso e invalidare la loro vescica prima FES-escursioni in bicicletta.
12. Registrare il partecipante frequenza cardiaca, velocità, potenza, distanza, resistenza e stimolazione % ogni 30 s.
13. Se partecipante viene completato una sessione di allenamento intero senza fatica (< 18 RPM di velocità durante il ciclo attivo), diminuire la servoassistenza di coppia del motore da 1 Nm la sessione seguente, altrimenti mantenere tutti i parametri lo stesso.
14. Se partecipante viene completata due sedute di allenamento di esercizio senza fatica o l'uso di servoassistenza motore durante le fasi di esercizio, aumentare la resistenza di 0,5 Nm in ogni fase di esercizio.

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Risultati

Pesi della caviglia è aumentato progressivamente per 22 partecipanti, per 16 settimane di NMES-RT (Figura 6a). I pesi medi sollevati da parte dei partecipanti era 19,6 ± 6,5 libbre (gamba destra) e 20 ± 6 libbre (gamba sinistra) [8-24 lb.]. L'ampiezza corrente ha oscillato nel corso del processo per gambe destra e sinistra (Figura 6b).

Progressione di un individuo co...

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Discussione

Lo studio corrente ha dimostrato due diversi paradigmi di stimolazione elettrica. Un paradigma è incentrato sull'implementazione di caricamento progressivo per il muscolo allenato per evocare l'ipertrofia del muscolo scheletrico e l'altro paradigma è principalmente destinato a migliorare le prestazioni cardio-metaboliche via il miglioramento della capacità aerobica. Lo studio ha assicurato per confrontare entrambi i paradigmi ed evidenziare i pro e i contro di ciascuna.

NMES-RT è dimostrat...

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Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
adhesive carbon electrodes (2 of each)	Physio Tech (Richmond, VA, USA 23233)	PT3X5 PALS3X4 E7300	7.5' x 12.7' 7.5' x 10' 5' x 9'
TheraTouch 4.7 stimulator	Richmar (Chattanooga, TN, USA 37406)	400-082	41.28' x 39.37' x 17.78' (8.91 kg) power: 110 VAC at 60 Hz / 220VAC at 50 Hz power consumption: 110 Watts
Red & White Lead Cords (2)	Richmar (Chattanooga, TN, USA 37406)	A1717	2.0 m
RT300-SL FES Ergometer	Restorative Therapies, Inc. (Baltimore, MD, USA 21231)	RT300-SL	80' x 49' x 92-103' (39 kg) 16 channel speed: 15 – 55 rev/min
elastic NuStim wraps (2)	Fabrifoam (Exton, PA, USA 19341)	PP108666	36"
wooden wheelchair break (2)	n/a	n/a	n/a
pillow/cushion	n/a	n/a	standard
ankle weights	n/a	n/a	2-26 lb.