Name: 脊髓损伤后下肢电刺激训练的模式 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-02-01T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 7 s
Description: 学习表面神经肌肉电刺激抗阻训练与功能性电刺激下肢骑行技术，用于脊髓损伤康复。该方法可改善患者肌肉量与心脏代谢健康，为神经康复提供重要临床指导。

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我们感谢各位参与者在先前研究中投入的时间和精力。我们感谢亨特·霍尔姆斯·麦奎尔研究所（Hunter Holmes McGuire Research Institute）以及脊髓损伤服务与疾病部门（Spinal Cord Injury Services and Disorders）为开展临床人体研究试验提供了环境支持。Ashraf S. Gorgey 目前获得美国退伍军人事务部退伍军人健康管理局康复研究与发展服务局（B7867-W）以及美国国防部战斗损伤研究计划管理处（DoD-CDRMP，编号：W81XWH-14-SCIRP-CTA）的资助。

本文所述训练方案已在 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
<ol>
	<li>对潜在参与者进行初步筛选评估。
	<ol>
		<li>详细说明训练方案的具体细节，包括研究周期（24周）、每周训练次数（每周两次）以及每次训练时长（NMES-RT：30分钟；FES-LEC：45–60分钟）。 
		注意：前12周进行NMES-RT，随后进行12周的FES-LEC。</li>
		<li>向潜在受试者说明医学入选要求，包括：脊髓损伤（SCI）的男性或女性，美国脊髓损伤协会（AIS）分级为 A、B 或 C 级（AIS 分级为 &#34;C&#34; 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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. NMES-RT
<ol>
	<li>确保受试者排空膀胱，并测量静息状态下的血压和心率。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 lbs.）固定在受试者踝部（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。</li>
	<li>将两个尺寸为 7.5 cm × 12.7 cm 的粘性碳电极双侧贴附于膝伸肌群皮肤表面。
	<ol>
		<li>将远端电极置于髌骨与腹股沟皱襞之间约三分之一处，位于股四头肌中线内侧。电极应纵向放置，且与从髋关节到膝关节的中线轴平行（图2）。</li>
		<li>将近端电极置于股外侧肌上方，位于腹股沟皱襞外侧并紧邻该皱襞。电极应纵向放置，且与中线轴平行（图2）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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 µs19,20,21,22,23,24,37,38,39。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。</li>
	<li>从右腿开始，逐渐增加电流，直至观察到膝伸肌群出现明显的可视性张力。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，以使激活的运动单位产生最大张力。</li>
	<li>逐渐降低电流至低于伸展腿部所需目标电流的 50%，并控制腿部离心性地返回起始位置。记录诱发完全腿部伸展所需的电流强度。</li>
	<li>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。若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%。</li>
	<li>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，并继续对对侧腿进行训练。若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 lbs. 的踝部负重。</li>
</ol>
3. FES-LEC
<ol>
	<li>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）。</li>
	<li>在双侧膝伸肌、膝屈肌和臀大肌肌群上贴附粘性碳电极。
	<ol>
		<li>对于膝伸肌，将远端电极（7.5 × 12.7 cm）置于髌骨与腹股沟褶之间距离的1/3处，位于股内侧肌上方；将近端电极置于外侧，紧邻腹股沟褶，位于股外侧肌上方（图4a）。</li>
		<li>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）。</li>
		<li>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丰满处，电极之间保留约两个手指宽度的间距。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>当受试者坐在轮椅上并正对功率计中心位置时，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。</li>
	<li>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）。使用包裹织物外层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）。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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定结构（图5）。在轮椅车轮下方放置两个木制挡块，以防止骑行过程中轮椅移动。</li>
	<li>设置刺激频率为33.3 Hz，脉冲持续时间为350 µs，电流幅度分别为膝伸肌140 mA、膝屈肌100 mA、臀大肌100 mA。</li>
	<li>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。</li>
	<li>设置间歇训练参数如下：3分钟&#34;热身&#34;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&#34;冷身&#34;阶段。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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生。 
	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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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&#60;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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本研究展示了两种不同的电刺激范式。其中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；另一种范式则主要旨在通过提高有氧能力来增强心肺代谢功能。该研究对两种范式进行了比较，并强调了各自的优缺点。
神经肌肉电刺激结合抗阻训练（NMES-RT）已被证实对恢复急性和慢性脊髓损伤（SCI）患者的肌肉体积并诱导肌肉肥大具有显著效果19,20,21,22,23,24。当前干预措施依赖于双通道刺激装置，这类设备在大多数临床环境中或脊髓损伤患者的家庭使用中均易于获取。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...

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。在完全性脊髓损伤患者中，伤后仅 6 周，其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）可降至原始大小的 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的肌内脂肪含量是健康对照者的三倍4。代谢活跃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问题，并依赖高脂饮食。膳食脂肪摄入量可能占脊髓损伤患者体脂质量的 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。经过每周两次、持续12周的NMES-RT训练后，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可使膝伸肌肌肉体积恢复至伤后6周时原始体积的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肉体积分别增加了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、持续十二个月的FES-LEC干预后，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相关危险因素的改善有关10,25,26。
适合进行电刺激训练的理想候选者应具有运动功能完全性或不完全性损伤，且周围运动神经元完整，下肢感觉有限。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FES-LEC的实施过程，以最大化干预的整体心代谢效应。既往研究已证实我们的理论依据，即联合训练方案在经过24周的电刺激训练后可能产生更显著的效果20,21,22,23,24,25,26,31,32,33,34,35,36。

<table><tbody><tr><td>粘附性碳电极（每种2个）</td><td>Physio Tech（美国弗吉尼亚州里士满，邮编23233）</td><td>PT3X5&lt;br/&gt; PALS3X4&lt;br/&gt; E7300</td><td>7.5' x 12.7&#039;&lt;br/&gt; 7.5 英寸 × 10&#039;&lt;br/&gt; 5' x 9'</td></tr><tr><td>TheraTouch 4.7 刺激器</td><td>Richmar（美国田纳西州查塔努加，邮编 37406）</td><td>400-082</td><td>41.28 英寸 × 39.37 英寸 × 17.78 英寸（8.91 kg）&lt;br/&gt; 功率：110 VAC，60 Hz / 220 VAC，50 Hz&lt;br/&gt; 功率消耗：110 瓦特</td></tr><tr><td>红色 &amp;amp; 白色导联线（2条）</td><td>Richmar（美国田纳西州查塔努加，邮编 37406）</td><td>A1717</td><td>2.0 m</td></tr><tr><td>RT300-SL FES 功率车</td><td>Restorative Therapies, Inc.（美国马里兰州巴尔的摩市 21231）</td><td>RT300-SL</td><td>80 英尺 × 49 英尺 × 92–103 英尺（39 千克）&lt;br/&gt; 16 通道&lt;br/&gt; 速度：15 &amp;ndash; 55 转/分钟</td></tr><tr><td>弹性 NuStim 绷带（2 个）</td><td>Fabrifoam（美国宾夕法尼亚州埃克斯顿 19341）</td><td>PP108666</td><td>36&quot;</td></tr><tr><td>木质轮椅支架（2）</td><td>n/a</td><td>n/a</td><td>n/a</td></tr><tr><td>枕头/垫子</td><td>n/a</td><td>n/a</td><td>标准</td></tr><tr><td>踝部负重</td><td>n/a</td><td>n/a</td><td>2-26 磅</td></tr></tbody></table>

脊髓损伤后下肢电刺激训练范式

Paradigms of Lower Extremity Electrical Stimulation Training After Spinal Cord Injury

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功能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相结合的联合干预方案。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。

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经过12周功能性电刺激下肢循环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...

脊髓损伤是一种创伤性医学状况，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。

脊髓损伤（SCI）后观察到的关键变化包括骨骼肌萎缩、脂肪量增加和身体活动减少，这些变化与……相关

本康复干预措施的总体目标是突出表面神经肌肉电刺激抗阻训练以及功能性电刺激下肢骑行的不同应用，作为改善脊髓损伤相关多种健康后果的策略。因此，该方法有助于回答康复领域中的关键问题，即如何为脊髓损伤患者有效设计电刺激干预方案。这些技术的优势在于能够最大化心肺代谢效益，并在脊髓损伤后增加肌肉质量。我们希望研究这一科学问题，以改进针对脊髓损伤患者现有的康复治疗方案。对于初次接触该方法的脊髓损伤患者而言，由于训练初期可能出现疼痛，可能会遇到一定困难。然而，这些患者的感知功能可能仍然完好，随着训练的进展，他们更有可能逐渐适应该训练方案，并对电刺激治疗方案的耐受性逐渐增强。演示神经肌肉电刺激方案的是 Refka Khalil。她是本实验室的研究协调员。演示下肢训练FAS骑行的是 Robert Lester 和 Sally Abilmona。他们两人都是我们实验室的研究助理。首先，测量受试者的静息血压和心率。让受试者坐在轮椅上，指导其脱鞋。在受试者小腿后方放置一个枕头，以在膝关节屈曲期间支撑腿部。然后，将踝部负重固定在受试者的脚踝上。将远端电极置于髌骨与腹股沟皱襞之间约三分之一距离的位置。接下来，将近端电极置于股外侧肌上，位置在腹股沟皱襞的外侧并与其相邻。近端电极应纵向放置，并与髋关节和膝关节中线平行。将便携式刺激器的频率设置为 30 hertz，双相矩形脉冲宽度为 450 微秒，脉冲间间隔为 50 微秒。然后，将刺激器导线连接至每个电极。从右腿开始，逐渐增加电流，直至观察到膝伸肌群出现可见的张力。缓慢递增电流，直至膝关节完全伸展。保持膝关节在此位置三到五秒，以使运动单位达到最大张力。然后逐步降低电流，直至低于伸展腿部所需电流的50%，并将腿部恢复至起始位置。记录实现完全伸展腿部所需的电流幅度。完成一项训练方案，包括每条腿进行四组，每组10次重复动作，左右腿交替进行。如果参与者无法完成完全的膝关节伸展，需记录其关节活动范围的百分比，并允许参与者在每次重复动作之间休息更长时间。首先，测量参与者的静息血压和心率。然后，让受试者坐在其个人使用的轮椅上，并将其置于功能性电刺激（FES）功率自行车前方。将膝伸肌的远端电极置于股内侧肌表面的皮肤上，位置大约在髌骨与腹股沟皱襞之间距离的1/3处。接着，将近端电极置于股外侧肌外侧，靠近腹股沟皱襞处。将膝屈肌的远端电极贴附于腘窝上方两到三厘米处的皮肤，并使用弹性绷带固定其位置。然后，将近端电极置于腘窝上方20厘米处。接下来，指导受试者向前倾斜，朝向功率计的方向。将两个电极平行粘附于臀大肌肌腹的主要部位。检查功率计的前方和后方，确保受试者位置适当，并将电极连接至刺激器。然后确认受试者的轮椅已锁定，并将受试者的双脚固定在功率计的踏板上。接下来，被动地移动受试者的双腿，以观察其在功率车上的运动情况。如果受试者的腿部出现受压或过度伸展，应调整功率车的高度。使用位于功率车底部的两个挂钩将轮椅固定在功率车上。然后，在轮椅的车轮下方放置两个木块，以防止骑行过程中轮椅移动。在刺激器上，为每个肌群设置适当的刺激频率。接着，选择合适的骑行和间歇训练参数。在参与者完成训练期间，每隔两到五分钟测量一次其血压。最后，每30秒记录一次参与者的心率、速度、功率、距离、阻力和刺激百分比，直至训练结束。如本表所示，结果表明，在12周训练过程中，随着飞轮阻力的增加，FES-LEC的电流刺激百分比也随之增加。在第一阶段，阻力从1.0牛·米增加到4.5牛·米；在第二阶段，从1.6牛·米增加到5.5牛·米；在第三阶段，从2.1牛·米增加到5.5牛·米。最终，在第1周至第12周期间，每个阶段的功率输出均增加了2至4倍。功率在第一阶段从4瓦增加到12瓦，第二阶段从5.4瓦增加到11.24瓦，第三阶段从2.6瓦增加到11瓦。该技术的应用意义延伸至脊髓损伤患者的治疗与康复，因为此类患者经历了显著的肌肉萎缩，导致脊髓损伤后出现严重的健康相关后果。该方法至关重要，可为如何将电刺激应用于其他临床人群提供见解，而不仅限于患有神经系统疾病的脊髓损伤患者。该技术还可应用于其他肌群系统，如上肢、腹部及躯干肌肉。

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行为

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