Количественная оценка вклада рук и ног во время повторяющихся упражнений с электроприводом из положения сидя в положение стоя у параплегиков: пилотное исследование
Summary
Вклад рук в Sit-To-Stand (SitTS) определяется состоянием мышц ног. Было обнаружено несколько компенсирующих стратегий в попытках достичь полных циклов SitTS. Эти результаты триангулируют биомеханические показатели людей с травмой спинного мозга (ТСМ) с их субъективным ощущением нагрузки, приходящейся на обе конечности, на протяжении всего подхода к ситце.
Abstract
Выполнение режима «сидя-стоя» (SitTS) у пациентов с неполной травмой спинного мозга (ТСМ) затрагивает двигательную функцию как верхних, так и нижних конечностей. Использование поддержки рук, в частности, является важным вспомогательным фактором при выполнении движения SitTS в популяции ТСМ. Кроме того, применение функциональной электростимуляции (ФЭС) к четырехглавой мышце и большой ягодичной мышце является одним из предписанных методов лечения неполной ТСМ для улучшения мышечной активности при простых движениях нижних конечностей. Тем не менее, относительный вклад верхних и нижних конечностей во время СИТТС не был тщательно изучен. Два пациента с двигательной неполной параплегией ТСМ выполняли повторяющиеся упражнения на утомление. Их эффективность была исследована в виде смешанного метода случай-контроль, сравнивающего СитТС с помощью ФЭС и без нее. Три серии тестов SitTS были завершены с 5-минутным периодом отдыха, выделенным между подходами, с датчиками механомиографии (MMG), прикрепленными к прямым мышцам бедра с обеих сторон. Упражнение было разделено на 2 занятия; День 1 для добровольных СИТТС и День 2 для СИТТС с ФЭС. После каждой сессии проводились анкеты, чтобы собрать мнения участников об их повторяющемся опыте SitTS. Анализ подтвердил, что цикл SitTS можно разделить на три фазы; Фаза 1 (Подготовка к стоянию), Фаза 2 (Вставание с места) и Фаза 3 (Начало разгибания бедра), которые способствовали 23% ± 7%, 16% ± 4% и 61% ± 6% цикла SitTS соответственно. Вклад рук и ног во время движения SitTS варьировался у разных участников в зависимости от степени мышечной способности их ног (MRC). В частности, приложенные силы рук начинают явно увеличиваться, когда силы на ногах начинают уменьшаться во время стояния. Этот вывод подтверждается значительно сниженным сигналом MMG, указывающим на усталость мышц ног и чувство усталости.
Introduction
Sit-To-Stand (Sit-To-Stand, SitTS) — это значительное движение в повседневной жизни человека (ADL). Это также необходимое условие для основных функциональных действий, таких как стояние, перемещение и ходьба. Для пациентов с неполной травмой спинного мозга (ТСМ), в частности, с параличом нижних конечностей, упражнения SitTS являются важнейшей активностью для их функциональной независимости 1,2. Это упражнение необходимо для тренировки самостоятельности, что в конечном итоге помогает популяции ТСМ улучшить качество своей жизни. Для того, чтобы выполнить достаточное и адекватное упражнение SitTS, знания о биомеханике и мышечной активности должны быть измеримыми во время тренировки.
В рамках программы клинической реабилитации пациенты с ТСМ по шкале нарушений Американской ассоциации травм спинного мозга (ASIA), AIS C имеют лучшее прогрессирование и шансы на восстановление двигательной функции, чем пациенты с оценкой AIS B, у которых наблюдается полный двигательный дефицит. Производительность SitTS играет важную роль у пациента с ТСМ, указывая на его двигательную функциональность в процессе восстановления3. Тем не менее, пациентам с ТСМ АИС С требуется поддержка как верхних, так и нижних конечностей для достижения успешной серии повторяющихся движений SitTS. Опора для верхних конечностей играет важную роль в разгрузке коленей, обеспечивая при этом достаточную подъемную силу и обеспечивая равновесие тела во время выполнения упражнения4.
Целью данного исследования является описание биомеханического вклада рук и ног во время повторяющихся ситТС у лиц с неполной ТСМ. Это исследование позиционирует биомеханический анализ по отношению к субъективному ощущению участниками работы мышц рук и ног и чувству «усилия и усталости» на протяжении всего упражнения SitTS.
Многие предыдущие исследования SitTS были сосредоточены только на изучении кинематики и кинетических аспектов активности 4,5,6,7. В более широком контексте обучения SitTS разработка этого метода, который включает в себя инструментальную стоячую раму (SF) и анализ силовой пластины, может привести исследователей к оценке вклада как верхних, так и нижних конечностей других групп населения, таких как инсульт, пожилые люди и пациенты с остеоартритом 8,9,10. В предыдущем исследовании, проведенном Zoulias et al., инструментальное аппаратное и программное обеспечение SF было представлено о большой конструкции рамы11. Этот метод может быть сложно воспроизвести. Таким образом, в этом исследовании SitTS был выделен портативный инструментальный SF, который может быть принят другими исследователями с существующей лабораторной установкой для анализа движения.
Protocol
Representative Results
Discussion
Настоящее исследование продемонстрировало вклад массы тела у людей с ТСМ во время упражнений SitTS. В этом исследовании SF был представлен как важное вспомогательное устройство для людей с параличом нижних конечностей, чтобы успешно пройти цикл SitTS. Кроме того, была разработана инструмен?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы выражают признательность и признательность всем добровольцам ТСМ, принимавшим участие в этом исследовании. Это исследование было поддержано Министерством высшего образования Малайзии и Университетом Малайи в рамках гранта No No Схемы грантов на фундаментальные исследования (FRGS). РП002-2020; 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).
