JoVE Journal > Behavior
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
행동분석학

Paradigmer af nedre ekstremiteter elektrisk Stimulation uddannelse efter rygmarvsskade

Published: February 01, 2018
doi:
10.3791/57000
, , , ,
1Spinal Cord Injury and Disorders Service,Hunter Holmes McGuire VAMC, 2Department of Physical Medicine and Rehabilitation,Virginia Commonwealth University, 3Deceased, Department of Kinesiology,The University of Georgia, 4Department of Physical Medicine and Rehabilitation,Penn State Milton S. Hershey Medical Center

Summary

Rygmarvsskade er en traumatisk medicinsk tilstand, som kan resultere i forhøjet risiko for kronisk sekundære stofskiftesygdomme. Her, præsenterede vi en protokol bruger overflade neuromuskulære elektrisk stimulation-modstand uddannelse sammen med funktionel elektrisk stimulation-nedre ekstremiteter cykling som en strategi til at rette op på flere af disse medicinske problemer.

Abstract

Skeletale muskelatrofi, øget overvægt og nedsat fysisk aktivitet er vigtige ændringer observeret efter rygmarvsskade (SCI) og er forbundet med talrige cardiometaboliske sundhedsmæssige konsekvenser. Disse ændringer er tilbøjelige til at øge risikoen for at udvikle kronisk sekundære betingelser og påvirker livskvaliteten hos personer med SCI. overflade neuromuskulære elektrisk stimulation vakte modstand uddannelse (NMES-RT) blev udviklet som en strategi til dæmpe processen med skeletale muskelatrofi, mindske ektopisk overvægt, forbedre insulinfølsomheden og forbedre mitokondrie kapacitet. NMES-RT er dog begrænset til kun en enkelt muskelgruppe. Involverer flere muskelgrupper i de nedre ekstremiteter kan maksimere de sundhedsmæssige fordele af uddannelse. Funktionel elektrisk stimulation-nedre ekstremiteter cykling (FES-LEC) giver mulighed for aktivering af 6 muskelgrupper, der kan forventes at fremkalde større metaboliske og kardiovaskulære tilpasning. Passende viden om parametrene stimulation er nøglen til at maksimere resultaterne af elektrisk stimulation uddannelse i personer med SCI. vedtage strategier for lang tids brug af NMES-RT og FES-LEC under revalidering kan bevare integriteten af de bevægeapparatet, en forudsætning for kliniske forsøg med henblik på at genoprette gå efter skade. Det aktuelle manuskript præsenterer en kombineret protokol bruger NMES-RT før FES-LEC. Vi hypotesen om, at musklerne aircondition for 12 uger før cykling vil være i stand til at generere større magt, cykle mod højere modstand og resultere i større tilpasning i personer med SCI.

Introduction

Det anslås, at ca. 282,000 personer i USA i øjeblikket lever med rygmarv skade (SCI)1. I gennemsnit er der omkring 17.000 nye tilfælde årligt, primært forårsaget af motorkøretøjer nedbrud, voldshandlinger og sportslige aktiviteter1. SCI resulterer i hel eller delvis afbrydelse af neurale transmission over og under niveauet for skade2, fører til sub-lesional sensoriske og/eller motor tab. Efter skade, er aktivitet af skeletmuskulatur under niveauet for skade stærkt reduceret, hvilket fører til en hurtig nedgang i lean masse og ledsagende infiltration af ektopiske fedtvæv eller intramuskulær fedt (IMF). Undersøgelser har vist, at lavere ekstremitet skeletmuskulatur oplever betydelige atrofi inden for de første par uger af skade, fortsætter i hele slutningen af det første år3,4. Så snart 6 uger efter skaden, personer med komplet SCI erfarne en 18-46% fald i sub-lesional muskel størrelse i forhold til alder og vægt-matchede abled-karrosseri kontrol. Af 24 uger efter skaden, kunne skeletmuskulatur tværsnitsareal (CSA) være så lav som 30-50%3. Gorgey og Dudley viste, at skeletmuskulaturen fortsat atrofi af 43% af den oprindelige størrelse 4,5 måneder efter skade og bemærket en tre gange større beløb af IMF i personer med ufuldstændige SCI sammenlignet med abled-rørige styrer4. Tab af metabolisk aktive lean masse resulterer i en reduktion i basal metabolic rate (BMR)2,6, som tegner sig for ∼65 – 70% af de samlede daglige energi udgifter; sådanne reduktioner i BMR kan føre til en skadelig energiubalance og stigende overvægt efter skade2,7,8,9,10,18. Øget overvægt har været knyttet til udviklingen af kronisk sekundære betingelser, herunder forhøjet blodtryk, type II diabetes mellitus (T2DM) og hjerte-kar-sygdom2,10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18. Endvidere personer med SCI kan lider af underernæring og afhængighed af en høj fedt diæt. Fedt indtag kan tegne sig for 29 til 34% af fedtmasse i personer med SCI, som er sandsynligvis en faktor forklarer stigende overvægt og den stigende forekomst af fedme i SCI befolkningen12,13.

Neuromuskulære elektrisk stimulation vakte modstand uddannelse (NMES-RT) var designet til at inducere hypertrofi af lammet skeletmuskulatur19,20,21,22,23, 24. Følgende tolv uger af to gange ugentlig NMES-RT, skeletmuskulatur CSA hele lår, knæ extensor og knæ flexor muskelgrupper steg med 28%, 35% og 16%, henholdsvis22. Dudley mfl. viste, at 8 uger to gange ugentlig NMES-RT restaureret knæ extensor muskel størrelse til 75% af den oprindelige størrelse på seks uger efter skade19. Derudover Mahoney mfl. udnyttet den samme protokol og bemærket en 35% og 39% stigning i højre og venstre rectus femoris muskler efter 12 uger på NMES-RT20.

Funktionel elektrisk stimulation-nedre ekstremiteter cykling (FES-LEC) er en almindelig rehabilitering teknik bruges til at udøve nedre ekstremiteter muskelgrupper efter SCI25,26. I modsætning til NMES-RT, FES-LEC bygger på stimulering af 6 muskelgrupper, hvilket kan resultere i øget hypertrofi og forbedringer i cardiometaboliske profil10,25,26,27, 28. Dolbow mfl. fandt dette samlede organ lean masse øget 18,5% efter 56 måneder af FES-LEC i en person med SCI27. Efter tolv måneder af tre gange ugentlig FES-LEC, en 60 – årig kvinde med paraplegi erfarne 7,7% stigning i kroppens samlede lean masse og en stigning på 4,1% i ben lean masse28. Rutinemæssig brug af funktionel elektrisk stimulation (FES) er forbundet med forbedring i risikofaktorer af cardiometaboliske efter SCI10,25,26.

Ideelle kandidater til elektrisk stimulation uddannelse vil have enten motor komplet eller ufuldstændig skader, med intakt perifere motoriske neuroner og begrænset lavere ende fornemmelse. Det aktuelle manuskript, beskriver en kombineret tilgang med NMES-RT og FES-LEC designet til at forbedre resultaterne af elektrisk stimulation uddannelse hos personer med kronisk SCI. Processen med NMES-RT ved hjælp af ankel vægte vil blive skitseret, mens fremhæve vigtige trin i protokollen og den samlede fordel indgriben giver til personer med kronisk SCI. Det andet formål er at beskrive processen med FES-LEC designet til at maksimere den overordnede cardiometaboliske effekt af intervention. Tidligere arbejde har bekræftet vores rationelle at en kombineret uddannelse protokollen kan fremkalde større resultater efter 24 uger af elektrisk stimulation uddannelse20,21,22,23,24 ,25,26,31,32,33,34,35,36.

Protocol

Uddannelse protokollen beskrevet i dette håndskrift er registreret med clinicaltrials.gov identifier (NCT01652040). Træningsprogrammet omfatter NMES-RT med ankel vægte og FES-LEC. Alt nødvendigt udstyr er opført i tabel 2. Undersøgelse protokol og informeret samtykke blev gennemgået og godkendt af Richmond MORTENS institutionelle Review Board (IRB) og Virginia Commonwealth University (VCU) IRB. Hver undersøgelse, der blev forklaret i detaljer til hver deltager før retssagen. <p class="jove_t…

Representative Results

Ankel vægte steg gradvist til 22 deltagere, over 16 uger af NMES-RT (figur 6a). De gennemsnitlige vægt løftet af deltagerne var 19,6 ± 6,5 lb. (højre ben) og 20 ± 6 lbs. (venstre ben) [8-24 lb.]. Nuværende amplitude svingede i hele forsøget til højre og venstre ben (fig. 6b). Progression af en person med motor komplet SCI efter 12 uger af FES-LEC uddannelse er …

Discussion

Den nuværende undersøgelse viste to forskellige paradigmer af elektrisk stimulation. Et paradigme er fokuseret på gennemførelse af progressive loading til den trænede muskel til at fremkalde skeletmuskulatur hypertrofi og andre paradigme er primært beregnet til at øge cardio-metaboliske ydeevne via forbedring af den aerobe kapacitet. Studiet sikret at sammenligne begge paradigmer og fremhæve de fordele og ulemper ved hver.

NMES-RT er vist sig for at være effektiv i genoprette muskel s…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi vil gerne takke de deltagere, der afsættes tid og kræfter til at deltage i de tidligere undersøgelser. Vi vil gerne takke Hunter Holmes McGuire Research Institute og rygmarv skade tjenester og lidelser for at give miljøet at gennemføre klinisk human forskning forsøg. Ashraf S. Gorgey understøttes i øjeblikket af Institut for Veteran anliggender, Veteran sundhed Administration, rehabilitering forskning og udvikling Service (B7867-W) og DoD-CDRMP (W81XWH-14-SCIRP-CTA).

Materials

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.
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. National Cord Injury Statistical Center. . Facts and Figures at a Glance. , (2016).
  2. Gorgey, A., Dolbow, D., Dolbow, J., Khalil, R., Castillo, C., Gater, D. Effects of spinal cord injury on body composition and metabolic profile-Part I. J Spinal Cord Med. 37 (6), 693-702 (2014).
  3. Castro, M., Apple, D., Hillegass, E., Dudley, G. Influence of complete spinal cord injury on skeletal muscle cross-sectional area within the first 6 months of injury. Eur J Appl Physiol O. 80 (4), 373-378 (1999).
  4. Gorgey, A., Dudley, G. Skeletal muscle atrophy and increased intramuscular fat after incomplete spinal cord injury. Spinal Cord. 45 (4), 304-309 (2007).
  5. Elder, C., Apple, D., Bickel, C., Meyer, R., Dudley, G. Intramuscular fat and glucose tolerance after spinal cord injury – a cross-sectional study. Spinal Cord. 42 (12), 711-716 (2004).
  6. Monroe, M., Tataranni, P., Pratley, R., Manore, M., Skinner, J., Ravussin, E. Lower daily energy expenditure as measured by respiratory chamber in subjects with spinal cord injury compared with control subjects. Am J Clin Nutr. 68 (6), 1223-1227 (1998).
  7. Buchholz, A., Pencharz, P. Energy expenditure in chronic spinal cord injury. Curr Opin Clin Nutr. 7 (6), 635-639 (2004).
  8. Buchholz, A., McGillivray, C., Pencharz, P. Physical activity levels are low in free-living adults with chronic paraplegia. Obes Res. 11 (4), 563-570 (2003).
  9. Olle, M., Pivarnik, J., Klish, W., Morrow, J. Body composition of sedentary and physically active spinal cord injured individuals estimated from total body electoral conductivity. Arch Phys Med Rehab. 74 (7), 706-710 (1993).
  10. Mollinger, L., et al. Daily energy expenditure and basal metabolic rates of patients with spinal cord injury. Arch Phys Med Regab. 66 (7), 420-426 (1985).
  11. Gater, D. Obesity after spinal cord injury. Phys Med Rehabil Cli. 18 (2), 333-351 (2007).
  12. Khalil, R., Gorgey, A., Janisko, M., Dolbow, D., Moore, J., Gater, D. The role of nutrition in health status after spinal cord injury. Aging Dis. 4 (1), 14-22 (2013).
  13. Gorgey, A., et al. Frequency of Dietary Recalls, Nutritional Assessment, and Body Composition Assessment in Men with Chronic Spinal Cord Injury. Arch Phys Med Rehab. 96 (9), 1646-1653 (2015).
  14. Bauman, W., Spungen, A. Carbohydrate and lipid metabolism in chronic spinal cord injury. J Spinal Cord Med. 24 (4), 266-277 (2001).
  15. Bauman, W., Spungen, A. Disorders of carbohydrate and lipid metabolism in veterans with paraplegia or quadriplegia: a model of premature aging. Metabolism. 43 (6), 749-756 (1994).
  16. Bauman, W., Spungen, A., Zhong, Y., Rothstein, J., Petry, C., Gordon, S. Depressed serum high density lipoprotein cholesterol levels in veterans with spinal cord injury. Paraplegia. 30 (10), 697-703 (1992).
  17. Nash, M., Mendez, A. A guideline-driven assessment of need for cardiovascular disease risk intervention in persons with chronic paraplegia. Arch Phys Med Rehab. 88 (6), 751-757 (2007).
  18. Aksnes, A., Hjeltnes, N., Wahlstrom, E., Katz, A., Zierath, J., Wallberg-Henriksson, H. Intact glucose transport in morphologically altered denervated skeletal muscle from quadriplegic patients. Am J Physiol. 271 (3), E593-E600 (1996).
  19. Dudley, G., Castro, M., Rogers, S., Apple, D. A simple means of increasing muscle size after spinal cord injury: a pilot study. Eur J Appl Physiol O. 80 (4), 394-396 (1999).
  20. Mahoney, E., et al. Changes in skeletal muscle size and glucose tolerance with electrically stimulated resistance training in subjects with chronic spinal cord injury. Arch Phys Med Rehab. 86 (7), 1502-1504 (2005).
  21. Gorgey, A., Shepherd, C. Skeletal muscle hypertrophy and decreased intramuscular fat after unilateral resistance training in spinal cord injury: case report. J Spinal Cord Med. 33 (1), 90-95 (2010).
  22. Gorgey, A., Mather, K., Cupp, H., Gater, D. Effects of resistance training on adiposity and metabolism after spinal cord injury. Med Sci Sport Exer. 44 (1), 165-174 (2012).
  23. Ryan, T., Brizendine, J., Backus, D., McCully, K. Electrically induced resistance training in individuals with motor complete spinal cord injury. Arch Phys Med Rehab. 94 (11), 2166-2173 (2013).
  24. Gorgey, A., et al. Feasibility Pilot using Telehealth Video-Conference Monitoring of Home-Based NMES Resistance Training in Persons with Spinal Cord Injury. Spinal Cord Ser Cases. 3 (17039), (2017).
  25. Gater, D., Dolbow, D., Tsui, B., Gorgey, A. Functional electrical stimulation therapies after spinal cord injury. NeuroRehabilitation. 28 (3), 231-248 (2011).
  26. Gorgey, A., Dolbow, D., Dolbow, J., Khalil, R., Gater, D. The effects of electrical stimulation on body composition and metabolic profile after spinal cord injury – Part II. J Spinal Cord Med. 38 (1), 23-37 (2015).
  27. Dolbow, D., Gorgey, A., Khalil, R., Gater, D. Effects of a fifty-six month electrical stimulation cycling program after tetraplegia: case report. J Spinal Cord Med. 40 (4), 485-488 (2016).
  28. Dolbow, D., Gorgey, A., Gater, D., Moore, J. Body composition changes after 12 months of FES cycling: case report of a 60-year-old female with paraplegia. Spinal Cord. 1 (S3-S4), (2014).
  29. Gorgey, A., Cho, G., Dolbow, D., Gater, D. Differences in current amplitude evoking leg extension in individuals with spinal cord injury. NeuroRehabilitation. 33 (1), 161-170 (2013).
  30. Wade, R., Gorgey, A. Skeletal muscle conditioning may be an effective rehabilitation intervention preceding functional electrical stimulation cycling. Neural Regen Res. 11 (8), 1232-1233 (2016).
  31. Mohr, T., Dela, F., Handberg, A., Biering-Sørensen, F., Galbo, H., Kjaer, M. Insulin action and long-term electrically induced training in individuals with spinal cord injuries. Med Sci Sports Exer. 33 (8), 1247-1252 (2001).
  32. Jeon, J., et al. Improved glucose tolerance and insulin sensitivity after electrical stimulation-assisted cycling in people with spinal cord injury. Spinal Cord. 40 (3), 110-117 (2002).
  33. Kjaer, M., et al. Fatty acid kinetics and carbohydrate metabolism during electrical exercise in spinal cord-injured humans. Am J Physiol-Reg I. 281 (5), R1492-R1498 (2001).
  34. Hettinga, D., Andrews, B. Oxygen consumption during functional electrical stimulation assisted exercise in persons with spinal cord injury: implications for fitness and health. Sports Med. 38 (10), 825-838 (2008).
  35. Yarar-Fisher, C., Bickel, C., Windham, S., McLain, A., Bamman, M. Skeletal muscle signaling associated with impaired glucose tolerance in spinal cord-injured men and the effects of contractile activity. J Appl Physiol. 115 (5), 756-764 (1985).
  36. Yarar-Fisher, C., Bickel, C., Kelly, N., Windham, S., Mclain, A., Bamman, M. Mechanosensitivity may be enhanced in skeletal muscles of spinal cord-injured versus ablebodied men. Muscle Nerve. 50 (4), 599-601 (2014).
  37. Gorgey, A., Mahoney, E., Kendall, T., Dudley, G. Effects of neuromuscular electrical stimulation parameters on specific tension. Eur J Appl Physiol. 97 (6), 737-744 (2006).
  38. Gorgey, A., Black, C., Elder, C., Dudley, G. Effects of electrical stimulation parameters on fatigue in skeletal muscle. J Orthop Sports Phys. 39 (9), 84-92 (2009).
  39. Gorgey, A., et al. Effects of Testosterone and Evoked Resistance Exercise after Spinal Cord Injury (TEREX-SCI): study protocol for a randomised controlled trial. BMJ Open. 7 (4), (2017).
  40. Nelson, M., et al. Metabolic syndrome in adolescents with spinal cord dysfunction. J Spinal Cord Med. 30 (s1), 127-139 (2007).
  41. Ashley, E., et al. Evidence of autonomic dysreflexia during functional electrical stimulation in individuals with spinal cord injuries. Paraplegia. 31 (9), 593-605 (1993).
  42. Hasnan, N., et al. Exercise responses during functional electrical stimulation cycling in individuals with spinal cord injury. Med Sci Sports Exer. 45 (6), 1131-1138 (2013).
  43. Fornusek, C., Davis, G., Russold, M. Pilot study of the effect of low-cadence functional electrical stimulation cycling after spinal cord injury on thigh girth and strength. Arch Phys Med Rehab. 94 (5), 990-993 (2013).
  44. Gorgey, A., Poarch, H., Dolbow, D., Castillo, T., Gater, D. The Impact of adjusting pulse durations of functional electrical stimulation cycling on energy expenditure and fatigue after spinal cord injury. J Rehabil Res Dev. 51 (9), 1455-1468 (2014).
  45. Ryan, A., Ivey, F., Prior, S., Li, G., Hafer-Macko, C. Skeletal muscle hypertrophy and muscle myostatin reduction after resistive training in stroke survivors. Stroke. 42 (2), 416-420 (2011).
  46. Sabatier, M., et al. Electrically stimulated resistance training in SCI individuals increases muscle fatigue resistance but not femoral artery size or blood flow. Spinal Cord. 44 (4), 227-233 (2006).
  47. Johnston, T., et al. Musculoskeletal Effects of 2 Functional Electrical Stimulation Cycling Paradigms Conducted at Different Cadences for People With Spinal Cord Injury: A Pilot Study. Arch Phys Med Rehab. 97 (9), 1413-1422 (2016).
  48. Gorgey, A., Cho, G., Dolbow, D., Gater, D. Differences in current amplitude evoking leg extension in individuals with spinal cord injury. NeuroRehabilitation. 33 (1), 161-170 (2013).
  49. Gorgey, A., Martin, H., Metz, A., Khalil, R., Dolbow, D., Gater, D. Longitudinal changes in body composition and metabolic profile between exercise clinical trials in men with chronic spinal cord injury. J Spinal Cord Med. 39 (6), 699-712 (2016).

Tags

Spinal Cord InjuryElectrical StimulationLower ExtremityRehabilitationNeuromuscular Electrical StimulationFunctional Electrical StimulationCyclingCardio-metabolicMuscle MassProtocolKnee ExtensorElectrode Placement

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Gorgey, A. S., Khalil, R. E., Lester, R. M., Dudley, G. A., Gater, D. R. Paradigms of Lower Extremity Electrical Stimulation Training After Spinal Cord Injury. J. Vis. Exp. (132), e57000, doi:10.3791/57000 (2018).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image