Quantification des contributions des bras et des jambes lors d’exercices répétitifs assis-debout assistés électriquement chez les paraplégiques : une étude pilote
Summary
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.
Abstract
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.
Protocol
Representative Results
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs remercient et apprécient tous les volontaires de la LME qui ont participé à cette étude. Cette recherche a été soutenue par le ministère de l’Enseignement supérieur de Malaisie et l’Université de Malaisie par le biais de la subvention n° FRGS (Fundamental Research Grant Scheme). FP002-2020 ; FRGS/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).
