Kwantificering van de bijdragen van armen en benen tijdens repetitieve elektrisch ondersteunde zit-naar-sta-oefeningen bij dwarslaesiepatiënten: een pilotstudie
Summary
De armbijdrage in Sit-To-Stand (SitTS) wordt bepaald door de spierconditie van de benen. Er werden verschillende compenserende strategieën ontdekt in pogingen om volledige SitTS-cycli te bereiken. Deze bevindingen trianguleren de biomechanische metingen van de dwarslaesie (SCI) personen met hun subjectieve gevoel van belasting gedragen door hun beide ledematen tijdens de SitTS-benaderingen.
Abstract
Uitvoering van Sit-to-Stand (SitTS) bij patiënten met een incomplete dwarslaesie (SCI) omvat de motorische functie in zowel de bovenste als de onderste ledematen. Met name het gebruik van armondersteuning is een belangrijke ondersteunende factor bij het uitvoeren van SitTS-bewegingen in de dwarslaesiepopulatie. Bovendien is de toepassing van functionele elektrische stimulatie (FES) op quadriceps en gluteus maximus-spieren een van de voorgeschreven behandelingen voor onvolledige dwarslaesie om de spierwerking te verbeteren voor eenvoudige bewegingen van de onderste ledematen. De relatieve bijdrage van de bovenste en onderste ledematen tijdens SitTS is echter niet grondig onderzocht. Twee motorische dwarslaesiepatiënten voerden repetitieve SitTS uit om vermoeidheid uit te oefenen. Hun prestaties werden onderzocht als een mixed-method case-control studie waarin SitTS met en zonder de hulp van FES werd vergeleken. Drie sets SitTS-tests werden voltooid met een rustperiode van 5 minuten tussen de sets, waarbij mechanomyografie (MMG)-sensoren bilateraal over de rectus femoris-spieren werden bevestigd. De oefening was opgedeeld in 2 sessies; Dag 1 voor vrijwillige SitTS en Dag 2 voor FES-ondersteunde SitTS. Na elke sessie werden vragenlijsten afgenomen om de input van de deelnemers te verzamelen over hun repetitieve SitTS-ervaring. De analyse bevestigde dat een SitTS-cyclus in drie fasen kan worden verdeeld; Fase 1 (Voorbereiding om te staan), Fase 2 (Seat-off) en Fase 3 (Initiatie van heupextensie), die bijdroegen aan respectievelijk 23% ± 7%, 16% ± 4% en 61% ± 6% van de SitTS-cyclus. De bijdrage van armen en benen tijdens SitTS-beweging varieerde bij verschillende deelnemers op basis van de spiergraad van hun benen van de Medical Research Council (MRC). In het bijzonder beginnen de uitgeoefende armkrachten duidelijk toe te nemen wanneer de beenkrachten beginnen af te nemen tijdens het staan. Deze bevinding wordt ondersteund door het significant verminderde MMG-signaal dat wijst op vermoeidheid van de beenspieren en het gerapporteerde gevoel van vermoeidheid.
Introduction
Sit-To-Stand (SitTS) is een belangrijke beweging in de activiteit van het dagelijks leven (ADL) van een mens. Het is ook een voorwaarde voor functionele basisactiviteiten zoals staan, verplaatsen en lopen. Voor patiënten met een incomplete dwarslaesie (SCI), met name dwarslaesiepatiënten, is SitTS-oefening een cruciale activiteit voor hun functionele onafhankelijkheid 1,2. Deze oefening is essentieel voor onafhankelijkheidstraining, die uiteindelijk de SCI-populatie helpt om hun kwaliteit van leven te verbeteren. Om een voldoende en adequate SitTS-oefening uit te voeren, moet de kennis over hun biomechanica en spieractiviteit haalbaar zijn tijdens de training.
In een klinisch revalidatieprogramma hebben dwarslaesiepatiënten met graad American Spinal Cord Injury Association (ASIA) Impairment Scale, AIS C een betere progressie en kans op herstel van hun motorische functie dan patiënten met graad AIS B, die volledige motorische stoornissen hebben. De prestaties van SitTS spelen een belangrijke rol bij een dwarslaesiepatiënt om hun motorische functionaliteit tijdens het herstelproces aan te geven3. Patiënten met een dwarslaesie AIS C hebben echter zowel ondersteuning van de bovenste als de onderste ledematen nodig om een succesvolle reeks herhaalde SitTS-bewegingen te bereiken. De ondersteuning van de bovenste ledematen speelt een belangrijke rol bij het ontlasten van de knieën, terwijl het voldoende hefkrachten levert en het evenwicht van het lichaam tijdens de oefeningverzekert4.
Het doel van deze studie is het beschrijven van de biomechanische bijdragen van armen en benen tijdens repetitieve SitTS bij onvolledige dwarslaesie-individuen. Deze studie positioneert de biomechanische analyse in relatie tot het subjectieve gevoel van de deelnemers voor hun armen en benen, spierprestaties en gevoelens van ‘inspanning en vermoeidheid’ tijdens de SitTS-oefening.
Veel eerdere SitTS-studies concentreerden zich alleen op het onderzoeken van de kinematica- en kinetische aspecten van de activiteit 4,5,6,7. In een bredere context van SitTS-training zou de ontwikkeling van deze methode, die het geïnstrumenteerde staande frame (SF) en krachtplaatanalyse omvat, ertoe kunnen leiden dat onderzoekers zowel de bijdrage van de bovenste als de onderste ledematen van andere populaties zoals beroerte, ouderen en patiënten met artrose beoordelen 8,9,10. Een eerdere studie van Zoulias et al., geïnstrumenteerde op maat gemaakte hardware en software van SF, presenteerde een groot frameontwerp11. Deze methode kan een uitdaging zijn om te repliceren. Vandaar dat deze SitTS-studie een draagbare geïnstrumenteerde SF benadrukte die door andere onderzoekers kan worden overgenomen met een bestaande laboratoriumopstelling voor bewegingsanalyse.
Protocol
Representative Results
Discussion
De huidige studie toonde een bijdrage aan het lichaamsgewicht aan bij dwarslaesie-individuen tijdens SitTS-oefeningen. Deze studie presenteerde SF als een essentieel hulpmiddel voor mensen met een dwarslaesie om een succesvolle SitTS-cyclus uit te voeren. Bovendien is een geïnstrumenteerde SF ontwikkeld om ervoor te zorgen dat ook de wapenmacht kan worden beoordeeld28. De toepassing van MMG werd aan de studie toegevoegd om de belangrijkste SitTS-spier te observeren die onderzoekers helpt de prest…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen en waarderen alle dwarslaesievrijwilligers die aan dit onderzoek hebben deelgenomen. Dit onderzoek werd ondersteund door het Ministerie van Hoger Onderwijs, Maleisië, en de Universiteit van Malaya via Fundamental Research Grant Scheme (FRGS) Grant No. KP002-2020; BRDS/1/2020/SKK0/UM/02/1.
Materials
| 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. |
References
- Nithiatthawanon, T., Amatachaya, P., Thaweewannakij, T., Manimmanakorn, N., Mato, L., Amatachaya, S. The use of lower limb loading ability as an indicator for independence and safety in ambulatory individuals with spinal cord injury. European Journal of Physical and Rehabilitation Medicine. 57 (1), 85-91 (2021).
- Chaovalit, S., Taylor, N. F., Dodd, K. J. Sit-to-stand exercise programs improve sit-to-stand performance in people with physical impairments due to health conditions: a systematic review and meta-analysis. Disability and Rehabilitation. 42 (9), 1202-1211 (2020).
- Tekmyster, G., et al. Physical therapy considerations and recommendations for patients following spinal cord stimulator implant surgery. Neuromodulation. , (2021).
- Kamnik, R., Bajd, T., Kralj, A. Functional electrical stimulation and arm supported sit-to-stand transfer after paraplegia: A study of kinetic parameters. Artificial Organs. 23 (5), 413-417 (1999).
- Bahrami, F., Riener, R., Jabedar-Maralani, P., Schmidt, G. Biomechanical analysis of sit-to-stand transfer in healthy and paraplegic subjects. Clinical Biomechanics. 15 (2), 123-133 (2000).
- Roy, G., Nadeau, S., Gravel, D., Piotte, F., Malouin, F., McFadyen, B. J. Side difference in the hip and knee joint moments during sit-to-stand and stand-to-sit tasks in individuals with hemiparesis. Clinical Biomechanics. 22 (7), 795-804 (2007).
- Crosbie, J., Tanhoffer, A., Fornusek, C. FES assisted standing in people with incomplete spinal cord injury: a single case design series. Spinal Cord. 52 (3), 251-254 (2014).
- Eitzen, I., Fernandes, L., Nordsletten, L., Snyder-Mackler, L., Risberg, M. A. Weight-bearing asymmetries during Sit-To-Stand in patients with mild-to-moderate hip osteoarthritis. Gait & Posture. 39 (2), 683-688 (2014).
- Petrella, M., Selistre, L. F. A., Serrao, P., Lessi, G. C., Goncalves, G. H., Mattiello, S. M. Kinetics, kinematics, and knee muscle activation during sit to stand transition in unilateral and bilateral knee osteoarthritis. Gait & Posture. 86, 38-44 (2021).
- Mao, Y. R., et al. The crucial changes of Sit-to-Stand phases in subacute stroke survivors identified by movement decomposition analysis. Frontiers in Neurology. 9, (2018).
- Zoulias, I. D., et al. Novel instrumented frame for standing exercising of users with complete spinal cord injuries. Scientific Reports. 9 (1), 13003 (2019).
- Abd Aziz, M., Hamzaid, N. A., Hasnan, N., Dzulkifli, M. A. Mechanomyography-based assessment during repetitive sit-to-stand and stand-to-sit in two incomplete spinal cord-injured individuals. Biomedical Engineering/Biomedizinische Technik. 65 (2), 175-181 (2020).
- Mazza, C., Benvenuti, F., Bimbi, C., Stanhope, S. J. Association between subject functional status, seat height, and movement strategy in sit-to-stand performance. Journal of the American Geriatrics Society. 52 (10), 1750-1754 (2004).
- Moore, J. L., Potter, K., Blankshain, K., Kaplan, S. L., O’Dwyer, L. C., Sullivan, J. E. A core set of outcome measures for adults with neurologic conditions undergoing rehabilitation: A clinical practice guideline. Journal of Neurologic Physical Therapy. 42 (3), 174-220 (2018).
- Abd Aziz, M., Hamzaid, N. A. FES Standing: The effect of arm support on stability and fatigue during Sit-to-Stand manoeuvres in sci individuals. International Conference for Innovation in Biomedical Engineering and Life Sciences. IFMBE Proceedings. 67, (2017).
- Plumlee, E., et al. Effects of ankle bracing on knee joint biomechanics during an unanticipated cutting maneuver. Conference Proceedings of the Annual Meeting of the American Society of Biomechanics. , 807-808 (2010).
- Estigoni, E. H., Fornusek, C., Hamzaid, N. A., Hasnan, N., Smith, R. M., Davis, G. M. Evoked EMG versus muscle torque during fatiguing functional electrical stimulation-evoked muscle contractions and short-term recovery in individuals with spinal cord injury. Sensors (Basel). 14 (12), 22907-22920 (2014).
- Hamzaid, N., Fornusek, C., Ruys, A., Davis, G. Development of an isokinetic FES leg stepping trainer (iFES-LST) for individuals with neurological disability. 2009 IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics. , 480-485 (2009).
- Assess muscle effort with vibromyography. Sonostics Inc Available from: https://www.biopac.com/application-note/vibromyography-vmg-assess-muscles-effort/ (2019)
- Donovan-Hall, M. K., Burridge, J., Dibb, B., Ellis-Hill, C., Rushton, D. The views of people with spinal cord injury about the use of functional electrical stimulation. Artificial Organs. 35 (3), 204-211 (2011).
- Kagaya, H., et al. Restoration and analysis of standing-up in complete paraplegia utilizing functional electrical stimulation. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 76 (9), 876-881 (1995).
- Jeon, W., Hsiao, H. Y., Griffin, L. Effects of different initial foot positions on kinematics, muscle activation patterns, and postural control during a sit-to-stand in younger and older adults. Journal of Biomechanics. 117, 110251 (2021).
- Nadeau, S., Desjardins, P., Briere, A., Roy, G., Gravel, D. A chair with a platform setup to measure the forces under each thigh when sitting, rising from a chair and sitting down. Medical & Biological Engineering & Computing. 46 (3), 299-306 (2008).
- Lee, S. K., Lee, S. Y. The effects of changing angle and height of toilet seat on movements and ground reaction forces in the feet during sit-to-stand. Journal of Exercise Rehabilitation. 12 (5), 438-441 (2016).
- Camargos, A. C. R., Rodrigues-de-Paula-Goulart, F., Teixeira-Salmela, L. F. The effects of foot position on the performance of the sit-to-stand movement with chronic stroke subjects. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 90 (2), 314-319 (2009).
- Beck, T. W., et al. Comparison of Fourier and wavelet transform procedures for examining the mechanomyographic and electromyographic frequency domain responses during fatiguing isokinetic muscle actions of the biceps brachii. Journal of Electromyography and Kinesiology. 15 (2), 190-199 (2015).
- Lee, M. Y., Lee, H. Y. Analysis for Sit-to-Stand performance according to the angle of knee flexion in individuals with hemiparesis. Journal of Physical Therapy Science. 25 (12), 1583-1585 (2013).
- Chang, S. R., Kobetic, R., Triolo, R. J. Understanding stand-to-sit maneuver: Implications for motor system neuroprostheses after paralysis. Journal of Rehabilitation Research and Development. 51 (9), 1339-1351 (2014).
- Woods, B., Subramanian, M., Shafti, A., Faisal, A. A. Mechanomyography based closed-loop functional electrical stimulation cycling system. 2018 7th IEEE International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (Biorob. , (2018).
- Wessell, N., Khalil, J., Zavatsky, J., Ghacham, W., Bartol, S. Verification of nerve decompression using mechanomyography. Spine Journal. 16 (6), 679-686 (2016).
- Britton, E., Harris, N., Turton, A. An exploratory randomized controlled trial of assisted practice for improving sit-to-stand in stroke patients in the hospital setting. Clinical Rehabilitation. 22 (5), 458-468 (2008).
