脊髓损伤后下肢电刺激训练范式

摘要

脊髓损伤是一种创伤性医疗状况，可能导致慢性继发性代谢紊乱的风险升高。本文介绍了一种联合应用表面神经肌肉电刺激抗阻训练与功能性电刺激下肢骑行的方案，作为改善上述多种医学问题的策略。

摘要

脊髓损伤（SCI）后，骨骼肌萎缩、脂肪含量增加以及体力活动减少是常见的关键性变化，这些变化与多种心脑代谢健康问题相关。这些改变可能增加慢性继发性疾病的风险，并影响脊髓损伤患者的生活质量。表面神经肌肉电刺激诱发的抗阻训练（NMES-RT）作为一种干预策略，旨在减缓骨骼肌萎缩进程、减少异位脂肪沉积、改善胰岛素敏感性并增强线粒体功能。然而，NMES-RT通常仅限于单一肌群的训练。若能同时动员下肢多个肌群，可能更充分地发挥训练带来的健康益处。功能性电刺激-下肢骑行训练（FES-LEC）可激活6个主要肌群，更有可能引发显著的代谢和心血管适应性改变。掌握合适的刺激参数，是最大化脊髓损伤患者电刺激训练效果的关键。在康复过程中采用长期应用NMES-RT和FES-LEC的策略，有助于维持肌肉骨骼系统的完整性，这对于旨在恢复损伤后行走能力的临床试验而言是必要的前提条件。本文介绍了一种将NMES-RT与FES-LEC相结合的联合训练方案。我们假设，在骑行训练前接受为期12周的肌肉预适应训练后，肌肉能够产生更大的功率，克服更高的阻力骑行，并在脊髓损伤患者中引发更显著的生理适应性改变。

引言

据估计，目前美国约有 282,000 人生活在脊髓损伤（SCI）状态下¹。平均每年新增病例约 17,000 例，主要原因为机动车交通事故、暴力事件和体育活动¹。脊髓损伤导致损伤平面及以下神经传导的部分或完全中断²，从而引起损伤平面以下的感觉和/或运动功能丧失。损伤后，损伤平面以下的骨骼肌活动显著减少，导致瘦体重迅速下降，并伴随异位脂肪组织浸润，即肌内脂肪（IMF）。研究表明，下肢骨骼肌在损伤后的最初几周内即出现显著萎缩，并持续至伤后第一年末^3,4。伤后仅 6 周，完全性脊髓损伤患者的损伤平面以下肌肉体积较年龄和体重匹配的健康对照者减少了 18-46%。至伤后 24 周，骨骼肌横截面积（CSA）可降至原始值的 30% 至 50%³。Gorgey 和 Dudley 发现，伤后 4.5 个月，骨骼肌体积继续萎缩至原始大小的 43%，且不完全性脊髓损伤患者体内的肌内脂肪含量是健康对照者的三倍⁴。具有代谢活性的瘦体重减少导致基础代谢率（BMR）降低^2,6，而基础代谢率约占每日总能量消耗的 ∼65-70%；BMR 的降低可导致伤后出现有害的能量失衡及体脂增加^{2,7,8,9,10,18}。体脂升高与多种慢性继发性疾病的发生相关，包括高血压、2 型糖尿病（T2DM）和心血管疾病^{2,10,11,12,13,14,15,16,17,18}。此外，脊髓损伤患者可能面临营养不良以及依赖高脂饮食的问题。膳食脂肪摄入量可能占脊髓损伤患者体脂的 29% 至 34%，这可能是解释该人群体脂增加及肥胖患病率不断上升的因素之一^12,13。

神经肌肉电刺激诱发的抗阻训练（NMES-RT）旨在诱导瘫痪骨骼肌的肥大^{19,20,21,22,23,24}。在每周两次、持续12周的NMES-RT干预后，整个大腿、膝伸肌群和膝屈肌群的骨骼肌横截面积（CSA）分别增加了28%、35%和16%²²。Dudley et al. 研究表明，每周两次、持续8周的NMES-RT可使膝伸肌肌量恢复至伤后6周时原始大小的75%¹⁹。此外，Mahoney et al. 采用相同方案，在12周NMES-RT后观察到右侧和左侧股直肌的肌量分别增加了35%和39%²⁰。

功能性电刺激-下肢骑行（FES-LEC）是一种常用于脊髓损伤（SCI）后锻炼下肢肌群的康复技术^25,26。与神经肌肉电刺激抗阻训练（NMES-RT）不同，FES-LEC依赖于对6个肌群的刺激，可能带来更大的肌肉肥大效应，并改善心代谢指标^{10,25,26,27,28}。Dolbow et al. 发现，一名脊髓损伤个体在接受56个月的FES-LEC干预后，全身瘦体重增加了18.5%²⁷。一名60岁的截瘫女性在接受每周三次、持续12个月的FES-LEC训练后，全身瘦体重增加了7.7%，下肢瘦体重增加了4.1%²⁸。规律使用功能性电刺激（FES）与脊髓损伤后心代谢疾病风险因素的改善相关^10,25,26。

适合进行电刺激训练的理想候选者应具有运动完全性或不完全性损伤，且周围运动神经元完整，下肢感觉受限。本文描述了一种结合神经肌肉电刺激抗阻训练（NMES-RT）与功能性电刺激下肢循环训练（FES-LEC）的综合方法，旨在改善慢性脊髓损伤（SCI）个体的电刺激训练效果。本文将概述使用踝部负重进行NMES-RT的过程，同时强调该方案中的关键步骤以及该干预措施为慢性SCI个体带来的整体益处。第二个目标是描述旨在最大化干预整体心代谢效应的FES-LEC实施过程。既往研究已证实我们的推论，即在经过24周的电刺激训练后，联合训练方案可能产生更显著的效果^{20,21,22,23,24,25,26,31,32,33,34,35,36}。

方案

本手稿中描述的训练方案已在 clinicaltrials.gov 注册，注册号为 NCT01652040。该训练项目包括结合踝部负重的神经肌肉电刺激抗阻训练（NMES-RT）以及功能性电刺激下肢循环训练（FES-LEC）。所有必需设备均列于表2中。研究方案及知情同意书已通过里士满退伍军人事务医疗中心（Richmond VAMC）机构审查委员会（IRB）和弗吉尼亚联邦大学（VCU）机构审查委员会（IRB）的审查与批准。在试验开始前，已向每位受试者详细解释所有研究流程。

1. 受试者招募

1. 对潜在参与者进行初步筛选评估。
   1. 详细说明训练方案的具体细节，包括研究时长（24周）、每周训练次数（每周两次）以及每次训练的持续时间（NMES-RT：30分钟；FES-LEC：45–60分钟）。
      注意：前12周进行神经肌肉电刺激-阻力训练（NMES-RT），随后12周进行功能性电刺激-下肢循环训练（FES-LEC）。
   2. 向潜在参与者说明医学要求，包括：脊髓损伤（SCI）患者，性别不限，美国脊髓损伤协会（American Spinal Injury Classification, AIS）分级为 A、B 或 C 级（AIS分级为 "C" 分类中无法站立和行走者）、18至65岁、伤后超过1年、体重指数（BMI）≤ 30 kg/m²²，运动完全性或不完全性C5-L2水平损伤。
   3. 向潜在参与者说明医学限制，包括：心血管疾病诊断、未控制的2型糖尿病或正在使用胰岛素者、未控制的高血压、3期及以上压疮、尿路感染或相关症状、骨质疏松（T值为-2.5）以及脊髓损伤女性患者的妊娠情况。

2. NMES-RT

1. 确保受试者排空膀胱，并测量静息状态下的血压和心率。当受试者坐在轮椅上时，指导其脱鞋。然后在小腿后方放置一个枕头，以在膝关节屈曲过程中缓冲腿部。将踝部负重（0–26 磅）固定在受试者的脚踝上（图 1）。
   注意：前两次训练不使用踝部负重，以确保受试者能够对抗重力抬起腿部。
2. 将两个尺寸为 7.5 cm × 12.7 cm 的粘性碳电极对称地贴附于膝伸肌群皮肤表面。
   1. 将远端电极置于髌骨与腹股沟褶皱之间约三分之一处，位于股四头肌中线内侧。电极应纵向放置，并与从髋关节到膝关节的中线轴平行（图 2）。
   2. 将近端电极置于股外侧肌上方，位于腹股沟褶皱外侧并紧邻该褶皱。电极应纵向放置，并与中线轴平行（图 2）。
3. 将便携式刺激器设置为频率 30 Hz、双相矩形脉冲宽度 450 µs、脉冲间间隔 50 µs^{19,20,21,22,23,24,37,38,39}。将刺激器的导线连接至每个电极。
   注意：只要电极位置正确，其极性不会影响刺激模式。
4. 从右腿开始，逐渐增加电流，直至在膝伸肌群中观察到明显的可见张力。继续缓慢增加电流以诱发完全的膝关节伸展（最大 200 mA）。保持腿部伸展状态 3–5 秒，以在激活的运动单位中诱发最大张力。
5. 逐渐降低电流至低于伸展腿部所需目标电流的 50%，并使腿部离心性地回到起始位置。记录诱发完全腿部伸展所需的电流强度。
6. 完成单侧训练，每条腿进行 4 组，每组 10 次重复，左右腿交替进行。每次重复之间让腿部休息 3–5 秒，每组之间休息 3 分钟。如果受试者未能达到完全膝关节伸展，记录其关节活动范围的百分比，并增加重复之间的间隔时间。
   注意：肌肉疲劳定义为连续两次重复的关节活动范围 ≤ 25%。
7. 尝试完成全部四组训练，但如果受试者出现肌肉疲劳，则终止当前组训练，并继续对另一条腿进行训练。如果在连续两次训练中均实现完全膝关节伸展且无肌肉疲劳，则在下一周训练中增加 2 磅踝部负重。

3. FES-LEC

1. 测量受试者的静息血压和心率。将受试者安置在其个人电动或手动轮椅上，正对FES功率自行车（材料表）就座（图3a，图3b）。
2. 在双侧膝伸肌、膝屈肌和臀大肌肌群上贴附粘性碳电极。
   1. 对于膝伸肌，将远端电极（7.5 × 12.7 cm）置于髌骨与腹股沟皱襞之间距离的1/3处，位于股内侧肌上方；将近端电极置于外侧，紧邻腹股沟皱襞，位于股外侧肌上方（图4a）。
   2. 对于膝屈肌，将远端电极（7.5 × 10 cm）置于腘窝上方2–3 cm处的皮肤上；将近端电极置于腘窝上方20 cm处（图4b）。为防止远端电极移位，使用弹性绷带固定电极位置（图3a）。
   3. 对于臀大肌，指导受试者向前倾斜靠近功率计。将两个电极（5 × 9 cm）平行放置于肌肉腹部最厚处，电极之间保留约两个手指宽度的间距。
3. 当受试者坐在轮椅上并正对功率计居中就位后，将刺激器的导线连接至全部12个电极。检查功率计前后位置，确保受试者正确居中。
4. 确保受试者的轮椅已锁定，轻柔地将受试者穿着运动鞋的双脚放入踏板内（图6）。使用包裹织物的弹性绑带将小腿固定在功率计上。利用每个踏板上的两条交叉弹性绑带和魔术贴将受试者的双脚固定到位（图5）。
5. 将双腿绑紧至功率计后，被动移动腿部以观察骑行模式。若腿部过度压缩或过度伸展，应调整自行车高度，并通过被动移动腿部重新检查位置。
6. 使用功率计底部的两个可伸缩挂钩将受试者的轮椅固定在功率计上。将挂钩连接至轮椅下方的稳固结构（图5）。在轮椅车轮下方放置两块木制挡块，以防止骑行过程中轮椅移动。
7. 设置刺激频率为33.3 Hz，脉冲持续时间为350 µs，电流强度分别为膝伸肌140 mA、膝屈肌100 mA、臀大肌100 mA。
8. 设置骑行参数如下：目标速度为40–45转/分钟（RPM）；起始可调电机扭矩为10 Nm；运动阶段I、II和III的阻力分别为1.0、1.5和2.0 Nm。
9. 设置间歇训练参数如下：3分钟"热身"阶段；三个10分钟的运动阶段（刺激开启）；每个运动阶段后进行2分钟的休息阶段；以及3分钟的"冷身"阶段。
10. 根据损伤水平（T4以上或以下），每2至5分钟测量一次血压和心率，以预防自主神经反射异常症状的发生。
11. 若血压持续升高，应停止功率计运行，并指导受试者排空膀胱，或在已排空的情况下休息。此外，检查受试者坐姿是否正确，以减少任何压力点，并确认鞋子或任何绑带未过紧。每2分钟密切监测血压一次。若血压恢复正常，可继续训练；若血压未恢复，则终止本次训练，并指导受试者就诊其主要照护医师。
    注意：必须确保受试者在FES骑行前始终规律服用降压药物（如有），并排空膀胱。
12. 每30秒记录一次受试者的心率、速度、功率、距离、阻力和刺激百分比。
13. 若受试者在无疲劳状态下完成整个训练（主动骑行期间速度<18 RPM），则在下一次训练中将伺服电机扭矩辅助减少1 Nm；否则保持所有参数不变。
14. 若受试者连续两次训练均能在无疲劳且无需伺服电机辅助的情况下完成各运动阶段，则在每个运动阶段将阻力增加0.5 Nm。

结果

在16周的神经肌肉电刺激抗阻训练（NMES-RT）期间，22名参与者的踝部负重逐步增加（图6a）。参与者 lifting 的平均重量为19.6 ± 6.5 lb.（右腿）和20 ± 6 lb.（左腿）[8–24 lb.]。右腿和左腿的电流强度在试验期间有所波动（图6b）。

一名运动完全性脊髓损伤个体在接受12周FES-LEC训练后的进展情况如图所示 表1结果显示，在为期12周的训练中，使用FES-LEC时，为抵消飞轮阻力的增加，电流刺激的百分比也随之上升。在12周训练期间的3个阶段中，每个阶段的飞轮阻力均增加了3至4倍。 (表1阻力从1.6至5.1 Nm（I期）、2.12至5.5 Nm（II期）和2.12至5.5 Nm（III期）逐渐...

讨论

本研究展示了两种不同的电刺激范式。一种范式侧重于对训练肌肉实施渐进性负荷，以诱导骨骼肌肥大；另一种范式主要旨在通过提高有氧能力来增强心肺代谢功能。该研究确保对两种范式进行比较，并突出各自的优势与局限性。

神经肌肉电刺激结合抗阻训练（NMES-RT）已被证实对急性及慢性脊髓损伤（SCI）患者恢复肌肉体积并诱导肌肉肥大具有显著效果^{19,20,21,22,23,24}。本干预方案依赖于双通道刺激设备，此类设备在大多数临床环境中或供脊髓损伤患者家庭使用时均易于获取。目前存在一种未经证实的说法，认为对瘫痪的膝伸肌进行渐进性负荷训练可能导致股骨或胫骨髁部骨折。然而，根据现有证据，我们及其他研究团队均未观察...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
粘性碳电极（每个 2 个）	Physio Tech（美国弗吉尼亚州里士满 23233）	PT3X5 PALS3X4 E7300	7.5' x 12.7' 7.5' x 10' 5' x 9'TheraTouch
4.7 刺激器	Richmar（美国田纳西州查塔努加 37406）	400-082	41.28 英寸 x 39.37 英寸 x 17.78 英寸（8.91 千克） 功率：60 Hz 时 110 VAC / 50 Hz 时 220 VAC 功耗：110 瓦
红色 &白铅线 （2）	Richmar （美国田纳西州查塔努加 37406）	A1717	2.0 m
RT300-SL FES 测力计	修复疗法公司 （美国马里兰州巴尔的摩 21231）	RT300-SL	80' x 49' x 92-103' （39 kg） 16 通道 速度：15 – 55 rev/min
弹性 NuStim 包裹 （2）	Fabrifoam（美国宾夕法尼亚州埃克斯顿 19341）	PP108666	36 英寸
木制轮椅休息（2）	n/a	n/a n	/a
枕头/靠垫	n/a	n/a	标准
脚踝重量	n/a	n/a	2-26 磅。