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方法文章

量化截瘫患者在重复电刺激辅助站起训练中上肢与下肢的贡献：一项初步研究

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DOI：

10.3791/63149

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2022年11月11日

 ,  , 
1Biomechatronics and Neuroprosthetics Laboratory, Department of Biomedical Engineering, Faculty of Engineering, Universiti Malaya, 2Center for Applied Biomechanics (CAB), Department of Biomedical Engineering, Faculty of Engineering, Universiti Malaya, 3Department of Rehabilitation Medicine, Faculty of Medicine, Universiti Malaya

本文内容

摘要

坐-站转移（SitTS）过程中上肢的参与程度取决于下肢肌肉的状态。在完成完整的坐-站转移周期过程中，已发现多种代偿策略。这些发现将脊髓损伤（SCI）个体在不同坐-站转移方式中双侧肢体所承受负荷的生物力学测量结果与其主观感受相互印证。

摘要

不完全性脊髓损伤（SCI）患者执行坐-站转移（SitTS）动作时，涉及上肢和下肢的运动功能。在SCI患者群体中，使用手臂支撑是完成坐-站转移动作的重要辅助因素。此外，对股四头肌和臀大肌施加功能性电刺激（FES）是临床上用于改善不完全性SCI患者下肢简单运动肌肉功能的推荐管理方法之一。然而，上肢与下肢在坐-站转移过程中的相对贡献尚未得到充分研究。两名运动功能不完全性SCI截瘫患者完成了重复坐-站转移直至疲劳的运动挑战。通过一项混合方法的病例对照研究，分析他们在有无FES辅助情况下的坐-站转移表现。共完成三组坐-站转移测试，每组之间安排5分钟休息时间，并在双侧股直肌表面放置机械肌电图（MMG）传感器。实验分为两个阶段进行：第1天为自主完成坐-站转移，第2天为FES辅助下的坐-站转移。每次实验后均进行问卷调查，以收集参与者对重复坐-站转移体验的反馈。分析结果证实，一个完整的坐-站转移周期可分为三个阶段：第1阶段（起立准备期），第2阶段（离座期），第3阶段（髋关节伸展启动期），分别占坐-站转移周期的23% ± 7%、16% ± 4% 和 61% ± 6%。在坐-站转移过程中，上肢与下肢的贡献程度因不同参与者的下肢医学研究委员会（MRC）肌力分级而异。特别是当下肢发力开始下降时，上肢施加的力会明显增加。该发现得到了显著降低的MMG信号的支持，表明下肢肌肉出现疲劳，且参与者自我报告感到疲倦。

引言

坐-站转移（SitTS）是人类日常生活活动（ADL）中一项重要的动作，也是站立、转移和行走等基本功能活动的前提。对于不完全性脊髓损伤（SCI）患者，尤其是截瘫患者而言，坐-站转移训练是实现其功能独立的关键活动1,2。该训练对独立性康复至关重要，最终有助于提高脊髓损伤人群的生活质量。为了进行充分且有效的坐-站转移训练，有必要在训练过程中可行地测量其生物力学特征和肌肉活动情况。

在临床康复项目中，美国脊髓损伤协会（American Spinal Cord Injury Association, ASIA）损伤量表分级为AIS C的脊髓损伤（SCI）患者，其运动功能恢复的进展和可能性优于分级为AIS B的患者，后者存在完全性运动功能缺损。坐-站-坐（SitTS）测试的表现是评估SCI患者在康复过程中运动功能的重要指标3。然而，AIS C级的SCI患者需要上肢和下肢的共同辅助，才能完成一系列重复的SitTS动作。其中，上肢辅助在减轻膝关节负荷、提供足够的抬升力量以及确保运动过程中的身体平衡方面起着关键作用4。

本研究旨在描述不完全性脊髓损伤个体在重复进行坐立-站立（SitTS）过程中，上肢和下肢的生物力学贡献。本研究将生物力学分析与参与者在SitTS锻炼过程中对上肢和下肢肌肉功能表现以及“用力感和疲劳感”的主观感受相结合进行探讨。

以往许多 SitTS 研究仅集中于分析该活动的动力学与运动学特征4,5,6,7。在更广泛的 SitTS 训练背景下，本方法结合了仪器化站立架（SF）与测力台分析，可使研究人员评估中风患者、老年人及骨关节炎患者等其他人群的上下肢参与情况8,9,10。Zoulias 等人先前的一项研究介绍了定制的仪器化硬件与软件系统，其站立架设计体积较大11，该方法在复制上可能存在挑战。因此，本 SitTS 研究突出了一种便携式仪器化站立架，可供已具备运动分析实验室条件的其他研究人员采用。

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方案

本研究中的坐-站-坐（SitTS）运动及知情同意书已获得马来亚大学医学中心伦理委员会（2017119-4828）的伦理批准12。研究人员向每位参与者详细解释了研究流程，并在开始SitTS试验前获取了书面知情同意。本研究采用混合模式进行，其中定量数据通过生物力学分析获得，而主观评分则来自参与者的反馈访谈以及研究过程中研究人员与参与者互动的音频记录。该初步研究比较了参与者在自主完成SitTS运动时与在功能性电刺激（FES）辅助下完成该运动时上肢和下肢的参与程度。

1. 受试者选择

  1. 对潜在的脊髓损伤（SCI）参与者进行评估。
    1. 向参与者详细说明SitTS方案的具体内容，包括研究周期（4天）和每次训练时长（SitTS：2小时）。
      注：第1天进行自愿性的SitTS，随后休息2天。之后在下一天继续进行功能性电刺激（FES）辅助的SitTS，并定义为第2天。
    2. 向潜在参与者说明医学入选要求，包括性别不限，脊髓损伤美国脊髓损伤协会（AIS）分级为C级 （能够站立），年龄18–60岁，伤后时间超过12个月，并愿意穿着特定服装。
      注：AIS C级SCI参与者均已签署书面知情同意书，自愿参加本研究。参与者1为男性（45岁；体重指数（BMI）20.32 kg/m2），参与者2为女性（49岁；BMI 33.54 kg/m2）。两人分别在脊髓损伤后95个月和33个月参与研究。两名参与者的下肢（LE）肌力均经过评估。参与者1的下肢肌力为右侧2级、左侧4级；而参与者2双侧下肢肌力均为4级12。两名参与者躯干控制能力良好。参与者1被诊断为右下肢弛缓性瘫痪，膝反射和踝反射消失，提示下运动神经元损伤。此外，观察发现其右下肢对FES无任何反应。
    3. 向潜在参与者说明排除标准，包括可能影响其在研究期间完成指令的医学状况。其他排除标准包括患有骨质疏松或骨折12、装有心脏起搏器或其他植入式电子系统、已使用电刺激设备（如植入式心律转复除颤器、起搏器或脊髓刺激器），或近期使用过肉毒杆菌毒素者。

2. SitTS 实验装置

注意：在此 SitTS 实验中，将记录三个参数。第一个参数是手臂力量，第二个参数是腿部力量。第三个参数是机械肌电图（MMG），用于检测股直肌的肌肉活动。

  1. 椅子和助行架（SF）设置。
    1. 根据运动分析实验室地面嵌入的测力台1的尺寸，设计一把高度为45 cm13,14、无扶手且无靠背的椅子（图1）。
    2. 将椅子放置在测力台1的上方。
    3. 在助行架（SF）每条腿的底部独立安装力传感器15，每个传感器的灵敏范围为0–12 kg（图2）。
      注：助行架四个力传感器读数的总和被视为上肢施力的贡献。
    4. 将便携式可折叠助行架（SF）置于受试者前方手臂可及范围内12。确保助行架的四条腿稳固地位于测力台2之外，以避免重复测量（图1）。
  2. 运动分析系统设置
    1. 在运动分析系统中输入受试者的信息（例如，腿长、踝宽、膝宽）。
    2. 使用双面胶带将16个反光标记点贴附于受试者的下肢，具体位置见步骤2.2.3–2.2.5所述。
    3. 将标记点直接贴附于双侧髂前上棘和髂后上棘处；随后，将标记点贴附于左侧和右侧膝关节的股骨外上髁处。
    4. 将标记点贴附于双侧大腿和小腿的外侧表面；接着，在左侧和右侧外踝处各贴一个标记点。
    5. 在左侧和右侧第二跖骨头处贴附标记点，并在跟骨处贴附标记点，使其高度与第二跖骨头处的标记点齐平。
      注：反光标记点的放置依据运动分析系统的设置要求16。
  3. 受试者准备
    1. 指导受试者坐在椅子上，双膝屈曲90°，双脚置于测力台2上。
    2. 确保受试者坐姿端正，头部和躯干朝向前方，并且赤脚。
    3. 将双手放在助行架（SF）的手柄上。
    4. 通过触诊大腿中部较粗壮的区域，确定股直肌的位置。
    5. 在双侧股直肌的大腿区域各放置一个MMG传感器，每条腿一个MMG传感器，以准确测量下肢肌肉在坐-站和站-坐过程中的用力情况12。
    6. 使用双面胶带固定传感器，并用绑带将MMG传感器绑在大腿上，以减少运动伪迹12。
    7. 将MMG传感器连接至MMG设备和计算机。

3. SitTS 实验方案

  1. 第1天：进行自主的坐-站-坐（SitTS）锻炼。
    注意：要求参与者在助力装置（SF）的辅助下重复进行坐-站-坐动作。
    1. 实验开始前，确保开启所有设备以记录所选参数。
      注意：记录的参数包括用于上肢贡献的力传感器、用于下肢贡献的测力台，以及用于股直肌活动的肌肉机械图（MMG）数据。
    2. 要求参与者在电子计时器完成5秒倒计时后，从静止坐姿站起。
    3. 让参与者站立3秒，然后坐回椅子上。
    4. 要求参与者休息5秒。
      注意：此为各次试验之间的休息间隔。
    5. 继续进行坐-站-坐试验（重复步骤3.1.2和3.1.4，直至参与者无法再完成相同动作）。
    6. 关闭所有记录的数据采集设备。
    7. 随后，要求参与者休息5分钟，再进行下一组坐-站-坐训练。每组之间给予5分钟休息时间，以促进肌肉恢复17。
    8. 重复步骤3.1.1–3.1.7，再进行另外两组训练。
    9. 让参与者至少休息48小时。
  2. 第2天：进行功能性电刺激（FES）辅助的坐-站-坐（SitTS）锻炼。
    注意：要求参与者在助力装置（SF）和功能性电刺激（FES）的共同辅助下重复进行坐-站-坐动作。
    1. 将FES电极放置于股四头肌和臀大肌上18。
    2. 对于股四头肌，将第一个电极水平放置于膝关节上方约两个手指宽度处；将第二个电极水平放置于髋关节下方约一个手掌宽度处。
    3. 对于臀大肌，要求参与者向前弯腰，将第一个电极垂直放置于最靠近髋骨的位置；将第二个电极与第一个电极并排垂直放置于最靠近尾骨的位置。
    4. 将所有FES电极连接至FES设备，并将其接入计算机中的FES软件。
    5. 在FES软件中设置脉冲宽度为300，频率为35 Hz。
    6. 通过询问参与者是否能够耐受所施加的电流来确定FES电流强度，以实现膝关节和髋关节的伸展7。在正式试验开始前，通过多次练习确定合适的FES电流幅值。
      注意：表1展示了在FES辅助坐-站-坐过程中施加于参与者目标肌肉的FES电流情况。
    7. 实验开始前，确保开启所有设备以记录所选参数。
    8. 要求参与者在电子计时器完成5秒倒计时后，从静止坐姿站起。倒计时结束时，启动FES。
    9. 让参与者站立3秒。随后关闭FES，并让参与者坐回椅子上。
    10. 要求参与者休息5秒。
    11. 继续进行坐-站-坐试验（重复步骤3.2.7–3.2.10，直至参与者无法再完成相同动作）。
    12. 关闭所有记录的数据采集设备。
    13. 随后，要求参与者休息5分钟，再进行下一组坐-站-坐训练。
    14. 重复步骤3.2.7–3.2.13，再进行另外两组训练。

4. 数据采集与分析

  1. 上肢力量贡献
    1. 将力传感器的所有原始数据导出至计算机中的工作表文件，以进行离线分析。
  2. 下肢力量贡献
    1. 在运动分析软件中分析SitTS运动学与动力学的原始数据。将测力台数据和膝关节角度数据导出至计算机中的工作表文件，以进行离线分析。
      注：测力台数据代表下肢力量贡献
  3. 股直肌的机械肌图（MMG）
    1. 使用两个采集单元和振动肌图软件，提取并存储股直肌的原始MMG数据至工作表文件，以进行离线分析。
      ​注：MMG信号由振动肌图传感器以2 kHz的采样频率记录。根据制造商建议，采用20 Hz至200 Hz的有限冲激响应带通滤波器对MMG信号的原始数据进行传递和转换，用于肌肉用力评估19。每次试验中，所有数据集均被归一化，并同步为一个完整的SitTS运动周期。采用独立样本t检验分析自主SitTS与FES辅助SitTS运动在平均时间上的显著性差异。

5. 反馈环节

  1. 在反馈环节期间录制音频（研究人员与参与者的互动）。
  2. 针对参与者在第1天和第2天完成SitTS过程中所经历的稳定性与疲劳感，提出四个问题。
    注意：在此部分中，参与者将“稳定性”理解为SitTS任务中的最高平衡水平；当他们能够持续保持所选任务的时间最长时，即视为达到最高平衡。而“疲劳”则被定义为他们感受到的“疲倦感”，这种感觉导致其在SitTS练习中表现最差。
  3. 收集音频并进行转录。

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结果

共完成了399次和463次SitTS试验，分别对应未使用和使用FES辅助的情况。各组试验所贡献的试验次数已列于下表。 表2受试者在腿部接受电刺激（即功能性电刺激，FES）的情况下能够完成更多的坐-站-坐（SitTS）试验。总体而言，两名受试者在FES辅助下均完成了更多次SitTS试验。这表明FES有助于刺激受试者的股四头肌，从而在较长时间内支持其完成SitTS动作。20本研究描述了SitTS的三个阶段。第1阶段从动作开始时算起，持续至臀部离开座椅。第2阶段指从臀部离开座椅至髋关节屈曲达到最大值的时间段。第3阶段从髋关节伸展开始，持续至动作结束。各阶段分别占SitTS周期的23% ± 7%（第1阶段）、16% ± 4%（第2阶段）和61% ± 6%（第3阶段），如图所示。 图3本研究根据Kagaya等人先前的一项研究，将SitTS分为三个阶段，该研究采用类似的运动方案，其中脊髓损伤（SCI）参与者使用手部辅助。21第1阶段的贡献值标准差（SD）最高，为...

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讨论

本研究证实了脊髓损伤（SCI）个体在坐-站-坐（SitTS）运动过程中存在体重贡献。该研究提出，上肢支撑装置（SF）是截瘫患者顺利完成SitTS循环的重要辅助设备。此外，本研究开发了一种仪器化的SF，以确保同时评估上肢施加的力28。研究中还引入了机械肌电图（MMG）技术，用于观察参与SitTS动作的主要肌肉，帮助研究人员更深入地理解SitTS运动表现。此外，通过反馈环节，研究人员获得了受试者主观感受的相关信息，从而为SitTS研究的定量数据提供了支持性证据。

代表性结果显示出腿部作用力的负值，表明在进行校准之前，足部存在已被消除的作用力（图8）。该SitTS方案解决了在运动初期产生腿部作用力负值这一局限性。因此，研究人员应针对未来类似的SitTS运动，预期采用相应的条件修正技术。此外，我们发现，在FES辅助的SitTS运动过程中，与肌电图（EMG）相比，MMG设备更适合用于测量肌肉活动。

MMG 提出了一种替代肌电图（E...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者们对所有参与本研究的SCI志愿者表示感谢和敬意 。本研究得到了马来西亚高等教育部和马来亚大学通过基础研究拨款计划（FRGS）资助，项目编号为 FP002-2020； FRGS/1/2020/SKK0/UM/02/1。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
定制座椅定制座椅根据测力台的尺寸制作。
FES RehaStim 2Hasomed一种可向肌肉施加电刺激的设备。
FlexiForce A201Tekscan, Inc., USA力测量范围：0–100 磅（440 N）力传感器用于在站立架上采集上肢力量数据。
可折叠站立架高度：70.0 cm – 90.0 cm从本地医疗公司购买的助行架。
Motion AnalysisVicon Oxford, UK用于记录活动过程中运动学与动力学数据的系统。
串口终端应用程序CoolTerm版本 1.4.6；Roger Meier 开发用于记录力传感器数据的应用程序。
振动肌图软件BIOPAC System Inc., USAAcqKnowledge 4.3.1用于记录和存储原始 MMG 数据的软件，同时具备离线分析功能。
VMG 传感器与 BIOPAC 振动肌图系统BIOPAC System Inc., USABP150 和 HLT100C用于测量肌肉活动的设备。

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