Quantificazione dei contributi di braccia e gambe durante l'esercizio ripetitivo da seduto a in piedi assistito elettricamente nei paraplegici: uno studio pilota

Riepilogo

Il contributo delle braccia nel Sit-To-Stand (SitTS) è determinato dalla condizione muscolare delle gambe. Diverse strategie di compensazione sono state scoperte nel tentativo di ottenere cicli SitTS completi. Questi risultati triangolano le misure biomeccaniche delle persone con lesione midollare (SCI) con la loro sensazione soggettiva di carico sopportato da entrambi gli arti durante gli approcci SitTS.

Abstract

L'esecuzione di Sit-to-Stand (SitTS) nei pazienti con lesione incompleta del midollo spinale (SCI) coinvolge la funzione motoria sia negli arti superiori che in quelli inferiori. L'uso del supporto per le braccia, in particolare, è un fattore di assistenza significativo durante l'esecuzione del movimento SitTS nella popolazione con lesione midollare. Inoltre, l'applicazione della stimolazione elettrica funzionale (FES) sui muscoli quadricipite e grande gluteo è una delle procedure prescritte per la lesione midollare incompleta per migliorare l'azione muscolare per i semplici movimenti degli arti inferiori. Tuttavia, il contributo relativo degli arti superiori e inferiori durante la SitTS non è stato studiato a fondo. Due paraplegici con lesione midollare incompleta del motore hanno eseguito ripetuti SitTS alla sfida dell'esercizio di fatica. Le loro prestazioni sono state studiate come uno studio caso-controllo con metodo misto che ha confrontato SitTS con e senza l'assistenza di FES. Sono state completate tre serie di test SitTS con un periodo di riposo di 5 minuti distribuito tra le serie, con sensori meccanomiografici (MMG) attaccati bilateralmente sui muscoli retto femorale. L'esercizio è stato suddiviso in 2 sessioni; Giorno 1 per il SitTS volontario e Giorno 2 per il SitTS assistito da FES. I questionari sono stati condotti dopo ogni sessione per raccogliere i suggerimenti dei partecipanti sulla loro esperienza ripetitiva di SitTS. L'analisi ha confermato che un ciclo SitTS può essere suddiviso in tre fasi; Fase 1 (Preparazione alla posizione eretta), Fase 2 (Seduta) e Fase 3 (Inizio dell'estensione dell'anca), che hanno contribuito rispettivamente al 23% ± 7%, al 16% ± 4% e al 61% ± 6% del ciclo SitTS. Il contributo di braccia e gambe durante il movimento SitTS variava nei diversi partecipanti in base al grado muscolare del Medical Research Council (MRC) delle loro gambe. In particolare, le forze applicate sulle braccia iniziano ad aumentare chiaramente quando le forze sulle gambe iniziano a diminuire durante la posizione eretta. Questa scoperta è supportata dal segnale MMG significativamente ridotto che indica l'affaticamento dei muscoli delle gambe e la sensazione di stanchezza riportata.

Introduzione

Sit-To-Stand (SitTS) è un movimento significativo nell'attività di vita quotidiana di un essere umano (ADL). È anche un prerequisito per le attività funzionali di base come stare in piedi, trasferirsi e camminare. Per i pazienti con lesione midollare incompleta (SCI), in particolare i paraplegici, l'esercizio SitTS è un'attività cruciale per la loro indipendenza funzionale ^1,2. Questo esercizio è essenziale per l'allenamento all'indipendenza, che alla fine aiuta la popolazione con lesione midollare a migliorare la propria qualità di vita. Al fine di eseguire un esercizio SitTS sufficiente e adeguato, le conoscenze relative alla loro biomeccanica e attività muscolare dovrebbero essere misurabili in modo fattibile durante l'allenamento.

In un programma di riabilitazione clinica, i pazienti con lesione midollare con scala di compromissione di grado AIS C dell'American Spinal Cord Injury Association (ASIA) hanno una migliore progressione e possibilità di recuperare la loro funzione motoria rispetto a quelli con AIS B di grado, che ha deficit motori completi. Le prestazioni SitTS svolgono un ruolo importante in un paziente con lesione midollare per indicare la sua funzionalità motoria durante il processo di recupero³. Tuttavia, i pazienti con lesione midollare AIS C richiedono sia il supporto degli arti superiori che di quelli inferiori per ottenere una serie di ripetuti movimenti SitTS. Il supporto dell'arto superiore svolge un ruolo importante nello scarico delle ginocchia, fornendo al contempo forze di sollevamento adeguate e assicurando l'equilibrio del corpo durante l'esercizio⁴.

Lo scopo di questo studio è quello di descrivere i contributi biomeccanici di braccia e gambe durante la SitTS ripetitiva in individui con lesione midollare incompleta. Questo studio posiziona l'analisi biomeccanica in relazione al senso soggettivo dei partecipanti delle loro braccia e gambe, alle prestazioni muscolari e alle sensazioni di "sforzo e stanchezza" durante l'esercizio SitTS.

Molti studi precedenti di SitTS si sono concentrati solo sullo studio degli aspetti cinematici e cinetici dell'attività 4,5,6,7. In un contesto più ampio di formazione SitTS, lo sviluppo di questo metodo, che include l'analisi strumentata del telaio in piedi (SF) e della piastra di forza, potrebbe portare i ricercatori a valutare il contributo sia dell'arto superiore che di quello inferiore di altre popolazioni come ictus, anziani e pazienti con osteoartrite ^8,9,10. Un precedente studio di Zoulias et al., hardware e software strumentati su misura di SF presentava un design di telaio di grandi dimensioni¹¹. Questo metodo può essere difficile da replicare. Quindi questo studio SitTS ha evidenziato una SF strumentata portatile che può essere adottata da altri ricercatori con una configurazione di laboratorio di analisi del movimento esistente.

Protocollo

L'esercizio SitTS e il consenso informato in questo manoscritto sono descritti sotto considerazione etica dal Comitato Etico del Centro Medico dell'Università della Malesia (2017119-4828)¹². Le procedure dello studio sono state spiegate in dettaglio a ciascun partecipante ed è stato ottenuto il consenso informato scritto prima di iniziare lo studio SitTS. Questo studio è stato condotto in modalità mista, in cui i dati quantitativi sono stati ottenuti utilizzando l'analisi biomeccanica, mentre i punteggi soggettivi sono stati ottenuti dalle sessioni di feedback (dei partecipanti) e dalle registrazioni audio (delle interazioni ricercatore-partecipanti durante lo studio). Questo studio pilota ha confrontato i contributi volontari di braccia e gambe dei partecipanti all'esercizio SitTS rispetto alle loro prestazioni con la presenza di FES.

1. Selezione dei partecipanti

1. Eseguire una valutazione con potenziali partecipanti alla lesione midollare.
   1. Spiegare i dettagli del protocollo SitTS, compresa la durata dello studio (4 giorni) e la durata della sessione (SitTS: 2 ore).
      NOTA: Il SitTS volontario è stato condotto il giorno 1, seguito da riposo per 2 giorni. La SitTS assistita da stimolazione elettrica funzionale (FES) viene quindi continuata il giorno successivo e definita come Giorno 2.
   2. Descrivere i requisiti medici al potenziale partecipante, compresi maschi o femmine con SCI AIS C (che possono stare in piedi), di età compresa tra 18 e 60 anni, superiore a 12 mesi dopo l'infortunio, e dimostrare la volontà di indossare abiti specifici.
      NOTA: I partecipanti alla SCI AIS C hanno fornito il consenso scritto e informato per partecipare volontariamente a questo studio. Il partecipante 1 era un maschio (45 anni; Indice di massa corporea (BMI) 20,32 kg/m²) e il partecipante 2 era una donna (49 anni; BMI 33,54 kg/m²). Entrambi si sono presentati rispettivamente 95 mesi e 33 mesi dopo la lesione midollare. Entrambi i partecipanti sono stati sottoposti a valutazione del grado muscolare degli arti inferiori (LE). I gradi muscolari LE del partecipante 1 erano 2 (lato destro) e 4 (lato sinistro). Nel frattempo, il partecipante 2 aveva un grado muscolare LE di 4 bilateralmente¹². Entrambi i partecipanti avevano un buon controllo del tronco. Al partecipante 1 è stata diagnosticata una gamba destra flaccida con riflessi assenti al ginocchio e alla caviglia che indicavano una lesione del motoneurone inferiore. Oltre a ciò, è stato osservato che la sua gamba destra non mostrava alcuna risposta alla FES.
   3. Descrivere i criteri di esclusione ai potenziali partecipanti, comprese le condizioni mediche che potrebbero causare il mancato completamento delle istruzioni durante lo studio. Altri criteri di esenzione includono i partecipanti affetti da osteoporosi e frattura ossea¹², pacemaker cardiaco o altro sistema elettronico impiantato, con dispositivo di stimolazione elettrica esistente (defibrillatore cardiaco impiantabile, pacemaker o stimolazione spinale) o con tossina botulinica.

2. Configurazione sperimentale di SitTS

NOTA: In questo esercizio SitTS verranno registrati tre parametri. Il primo parametro è la forza delle braccia e il secondo parametro è la forza delle gambe. Il terzo parametro è la meccanomiografia (MMG) che esamina l'attività del muscolo retto femorale.

1. Allestimento sedia e SF.
   1. Progettare una sedia senza braccioli con un'altezza di 45 cm^13,14 senza schienale in base alla dimensione della piastra di forza 1 incorporata nel pavimento del laboratorio di analisi del movimento (Figura 1).
   2. Posizionare la sedia sulla parte superiore della piastra di forza 1.
   3. Strumentare ciascuna gamba SF in modo indipendente con il sensore di forza¹⁵ nella parte inferiore della gamba SF, dato che l'intervallo sensibile di ciascun sensore è compreso tra 0 e 12 kg (Figura 2).
      NOTA: I valori sommari di quattro letture del sensore di forza da SF sono stati indicati come contributo della forza delle armi.
   4. Posizionare uno SF portatile e pieghevole davanti alla sedia a portata di mano¹². Posizionare saldamente quattro gambe dell'SF al di fuori della piastra di forza 2 per evitare doppie misurazioni (Figura 1).
2. Impostazione dell'analisi del movimento
   1. Inserisci i dettagli del partecipante (ad esempio, lunghezza delle gambe, larghezza delle caviglie, larghezza delle ginocchia) nel sistema di analisi del movimento.
   2. Posizionare sedici pennarelli riflettenti sugli arti inferiori del partecipante con nastro biadesivo come indicato nei passaggi 2.2.3-2.2.5.
   3. Applicare questi marcatori direttamente sopra la parte anteriore e posteriore bilaterale della spina iliaca superiore. In secondo luogo, attacca i marcatori sull'epicondilo laterale del ginocchio sinistro e destro.
   4. Fissare il pennarello sulla superficie laterale della coscia bilaterale e del gambo. Quindi, attacca un pennarello sul malleolo laterale sinistro e destro.
   5. Attacca i marcatori a sinistra e a destra della seconda testa metatarsale. Attacca i marcatori sul calcagno alla stessa altezza della seconda testa metatarsale.
      NOTA: Il posizionamento dei marcatori riflettenti si basa sulla configurazione del sistema di analisi del movimento¹⁶.
3. Preparazione del partecipante
   1. Chiedi al partecipante di essere seduto con le ginocchia flesse a 90° con entrambi i piedi posizionati sulla piastra di forza 2.
   2. Assicurarsi che la testa e il tronco del partecipante siano rivolti in avanti mentre si è seduti in posizione eretta. Assicurati che il partecipante sia a piedi nudi.
   3. Mettere le mani sull'impugnatura dell'SF.
   4. Identifica il muscolo retto femorale palpando la zona centrale e voluminosa della coscia.
   5. Posizionare due sensori MMG nell'area della coscia del muscolo retto femorale bilateralmente, uno MMG per gamba, per misurare con precisione gli sforzi dei muscoli delle gambe da seduto a in piedi e da piedi a seduti¹².
   6. Fissare i sensori con un nastro biadesivo. Fissare i sensori MMG intorno alla coscia per ridurre gli artefatti da movimento¹².
   7. Collegare i sensori MMG al dispositivo MMG e al computer.

3. Protocollo SitTS

1. Giorno 1: Esegui l'esercizio volontario SitTS.
   NOTA: I partecipanti sono stati istruiti a fare un evento SitTS ripetitivo con l'assistenza del SF.
   1. Prima dell'inizio dell'esperimento, assicurarsi di attivare tutte le impostazioni per registrare i parametri selezionati.
      NOTA: I parametri registrati erano i sensori di forza per il contributo dell'arto superiore, la piastra di forza per il contributo dell'arto inferiore e i dati MMG per l'attività del muscolo retto femorale.
   2. Chiedi al partecipante di alzarsi dalla posizione seduta stazionaria alla fine di un conto alla rovescia di 5 secondi cronometrato da un timer elettronico.
   3. Lascia che il partecipante stia in piedi per 3 secondi e poi si sieda sulla sedia.
   4. Chiedere al partecipante di riposare per 5 s.
      NOTA: Questo è stato l'intervallo di riposo tra le prove.
   5. Continuare a eseguire le prove SitTS (ripetere i passaggi 3.1.2 e 3.1.4 fino a quando il partecipante non è più in grado di eseguire la stessa routine).
   6. Disattiva tutti i dati registrati.
   7. Quindi, chiedi al partecipante di riposare per 5 minuti prima di continuare la serie successiva della routine SitTS. Fai una pausa di 5 minuti tra le serie per fornire il recupero muscolare tra le serie¹⁷.
   8. Ripetere i passaggi 3.1.1-3.1.7 per altre due serie.
   9. Lasciare riposare il partecipante per almeno 48 ore.
2. Giorno 2: Eseguire l'esercizio SitTS assistito da FES.
   NOTA: I partecipanti sono stati istruiti a fare eventi SitTS ripetitivi con l'assistenza di SF e FES.
   1. Posizionare gli elettrodi FES sui muscoli quadricipite e grande gluteo¹⁸.
   2. Per il muscolo quadricipite, posizionare il primo elettrodo orizzontalmente a circa due dita sopra il ginocchio. Posizionare il secondo elettrodo orizzontalmente a circa un palmo di distanza sotto l'articolazione dell'anca.
   3. Per il muscolo grande gluteo, chiedere al partecipante di piegarsi in avanti e posizionare il primo elettrodo verticalmente più vicino all'osso dell'anca. Collegare il secondo elettrodo verticalmente più vicino all'osso caudale, fianco a fianco rispetto al primo elettrodo.
   4. Collegare tutti gli elettrodi FES al dispositivo FES e collegarli al software FES nel computer.
   5. Impostare il software FES selezionando l'ampiezza dell'impulso di 300 e la frequenza di 35 Hz.
   6. Definire l'intensità della corrente FES chiedendo al partecipante se è in grado di tollerare la corrente fornita per ottenere l'estensione del ginocchio e dell'anca⁷. Determinare l'ampiezza della corrente FES attraverso una serie di pratiche prima di iniziare lo studio vero e proprio.
      NOTA: La Tabella 1 mostra la corrente FES stimolata verso i muscoli selezionati dai partecipanti durante la sessione assistita di FES SitTS.
   7. Prima dell'inizio dell'esperimento, assicurarsi di attivare tutte le impostazioni per registrare i parametri selezionati.
   8. Chiedi al partecipante di alzarsi dalla posizione seduta stazionaria alla fine di un conto alla rovescia di 5 secondi cronometrato da un timer elettronico. Al termine del conto alla rovescia, accendere il FES.
   9. Lascia che il partecipante stia in piedi per 3 s. Quindi spegnere il FES e lasciare che il partecipante si sieda sulla sedia.
   10. Chiedere al partecipante di riposare per 5 s.
   11. Continuare a eseguire le prove SitTS (ripetere i passaggi 3.2.7-3.2.10 fino a quando il partecipante non è più in grado di eseguire la stessa routine).
   12. Disattiva tutti i dati registrati.
   13. Quindi, chiedi al partecipante di riposare per 5 minuti prima di continuare la serie successiva della routine SitTS.
   14. Ripetere i passaggi 3.2.7-3.2.13 per altre due serie.

4. Acquisizione e analisi dei dati

1. Contributo della forza del braccio
   1. Estrarre tutti i dati grezzi del sensore di forza nel file della cartella di lavoro nel computer per l'analisi offline.
2. Contributo della forza della gamba
   1. Analizza i dati grezzi della cinematica e della cinetica SitTS nel software di analisi del movimento. Estrarre i dati della piastra di forza e i dati dell'angolo del ginocchio nel file della cartella di lavoro nel computer per l'analisi offline.
      NOTA: I dati della piastra di forza rappresentano il contributo della forza della gamba
3. MMG del muscolo retto femorale
   1. Estrai e memorizza i dati MMG grezzi del muscolo retto femorale utilizzando due unità di acquisizione e un software di vibromiografia nel file della cartella di lavoro per l'analisi offline.
      NOTA: Il segnale MMG è stato registrato da un sensore vibromiografico ad una frequenza di campionamento di 2 kHz. Un filtro passa-banda a risposta impulsiva finita tra 20 Hz e 200 Hz è stato utilizzato per trasmettere e trasformare i dati grezzi del segnale MMG come raccomandato dal produttore per la valutazione dello sforzo muscolare¹⁹. Per ogni prova, tutti i set di dati sono stati normalizzati e quindi sincronizzati come un ciclo completo di esercizi SitTS. È stato eseguito un test t a campione indipendente per osservare differenze significative nel tempo medio tra gli esercizi SItTS volontari e quelli assistiti da FES.

5. Sessione di feedback

1. Registrare l'audio durante la sessione di feedback (interazioni ricercatore-partecipante).
2. Poni quattro domande riguardanti la stabilità e l'affaticamento sperimentati dai partecipanti durante il compimento del SitTS nel Giorno 1 e nel Giorno 2.
   NOTA: In questa sezione, la stabilità è stata interpretata dai partecipanti come il saldo più alto nell'evento SitTS. L'equilibrio più alto è stato raggiunto quando sono riusciti a mantenere l'evento selezionato più a lungo. Nel frattempo, l'affaticamento è stato identificato come la sensazione di "stanchezza" che porta alle prestazioni più basse recuperate durante l'esercizio SitTS.
3. Raccogli e trascrivi l'audio.

Risultati

Un totale di 399 e 463 studi SitTS sono stati completati senza e con l'assistenza di FES. Gli studi che hanno contribuito a ciascuna serie sono riportati nella Tabella 2. I partecipanti potevano eseguire più prove SitTS con la presenza di stimolazione elettrica sulle gambe, cioè FES. Nel complesso, entrambi i partecipanti sono riusciti a eseguire più prove SitTS con l'aiuto di FES. Ciò suggerisce che la FES aiuta a stimolare i quadricipiti dei partecipanti a eseguire l'azione SitTS in un periodo prol...

Discussione

L'attuale studio ha dimostrato un contributo del peso corporeo negli individui con lesione midollare durante l'esercizio SitTS. Questo studio ha presentato la SF come un dispositivo di assistenza essenziale per i paraplegici per eseguire con successo un ciclo SitTS. Inoltre, è stato sviluppato un SF strumentato per garantire che anche la forza armata possa essere valutata²⁸. L'applicazione di MMG è stata aggiunta nello studio per osservare il muscolo SitTS primario che aiuta i ricercatori a comp...

Materiali

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.