量化截瘫患者重复性电动辅助坐立锻炼期间手臂和腿部的贡献:一项试点研究
November 11th, 2022
坐到站 （SitTS） 中的手臂贡献由腿部的肌肉状况决定。在努力实现完整的 SitTS 周期的过程中发现了几种补偿策略。这些发现将脊髓损伤 （SCI） 患者的生物力学测量与他们在整个 SitTS 方法中双肢承受的负荷的主观感觉进行三角测量。
该协议通过解释基本部件以及如何在手臂支撑和功能性电刺激的帮助下进行坐立实验来展示适当的指南。该技术有助于管理一些设置的复杂性，包括站立框架的仪器仪表、功能性电刺激和机械学造影。这种方法可以适用于其他需要在手臂辅助下设置坐立的人群。
Khairul 将演示该程序，他是处理 MMG 和 FES 设置的助手。Adhli是Vicon设置的助手，Musfirah是Nur Azah Hamzaid博士监督下的博士生。通过安排椅子和站立架开始设置坐立实验。
为此，根据嵌入运动分析实验室地板的测力板 1 的尺寸，设计一把高度为 45 厘米、不带靠背的无扶手椅子。接下来，使用灵敏度范围为 0 至 12 公斤的独立力传感器测量底部的每个 SF 腿。将便携式可折叠 SF 放置在椅子前方伸手可及的地方，并将 SF 的四条腿放在测力板 2 之外，以避免重复测量。
对于运动分析设置，请在系统中输入参与者的详细信息，例如腿长、脚踝宽度和膝盖宽度。然后，用双面胶带将 16 个反光标记放在参与者的下肢上，直接放在上髂棘的双侧、前部和后部。将标记贴在双侧大腿和小腿的外侧表面，以及左右踝的外侧。
接下来，在第二跖骨头的左侧和右侧以及第二跖骨头相同高度的跟骨上放置标记。完成后，指示参与者赤脚坐着，膝盖弯曲 90 度，双脚放在测力板 2 上。确保参与者的头部和躯干朝前，同时坐直。
将参与者的手放在 SF 的手柄上后，通过触诊大腿的中部和笨重区域来识别股直肌，然后在双侧股直肌的大腿区域放置一个机械图或每条腿的 MMG 传感器，以测量腿部肌肉坐到站和站到坐的努力。在连接到 MMG 设备和计算机之前，用双面胶带固定传感器并将传感器绑在大腿上，以减少运动伪影。在第一天，通过打开所有设置以记录所选参数来执行自愿的坐立练习。
在电子计时器计时的五秒倒计时结束时，要求参与者从静止的坐姿站起来三秒钟，然后坐回椅子上。休息五秒钟后，继续进行从坐到站的试验，直到参与者不能再执行相同的程序。完成后，关闭所有记录的数据。
休息五分钟，然后继续下一组从坐到站的例行程序，以提供组间肌肉恢复。试验结束后，让参与者休息至少 48 小时。第二天，将功能性电刺激电极放在股四头肌和臀大肌上，以进行 FES 辅助坐立锻炼。
对于股四头肌，将第一个电极水平放置在膝盖上方约两指宽处，将第二个电极水平放置在髋关节下方约一掌宽处。对于臀大肌，指示参与者向前弯曲以垂直放置第一个电极，最靠近髋骨，并将第二个电极垂直连接，最靠近尾骨，与第一个电极并排连接。电极就位后，将所有 FES 电极连接到 FES 设备，并将它们连接到计算机中的 FES 软件。
通过选择 300 赫兹的脉冲宽度和 35 赫兹的频率来设置 FES 软件。要定义 FES 电流强度，请询问参与者是否可以忍受电流以实现膝关节和髋关节伸展。在开始实际试验之前，通过多种做法确定 FES 电流幅度。
接下来，如前所述，在参与者站起来时打开 FES 并关闭 FES 让参与者坐回椅子上，从而开始实验。成组重复试验并收集数据。在两个疗程的坐立动作中，参与者 1 的手臂百分比对全身重量百分比的贡献高于他的腿部百分比。
在参与者 1 中，在坐立程序的最后阶段，电刺激无法为右膝提供完全伸展。右膝关节角度未达到正常的膝关节伸展运动范围。相比之下，参与者 2 在她的腿上施加了更多的力量来承受全身重量，在自愿坐立程序的最后阶段，腿部百分比的贡献更高。
此外，在最后一组自愿坐立例程中，参与者 2 在运动的早期阶段表现出较小的膝盖角度。在事件 B 期间，当开始抬起臀部时，观察到参与者 1 增加手臂力量以将上半身从椅子上抬起。同时，对于参与者 2，在事件 B 期间检测到手臂的最大贡献，用于 FES 辅助的坐立程序。
此过程中的每个步骤都很重要，应按照所述进行操作。但是，有必要注意的是，可以有灵活性，特别是在参与者的初始姿势中。可以添加定性反馈，以便从参与者的角度衡量有关坐立程序、稳定性和疲劳的意见和观点。
通过添加这种方法，研究人员将更好地了解坐立技术的行为以及获得的定量结果。
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概述
本协议概述了利用臂部支撑和功能性电刺激进行站立实验的指南。它强调了腿部肌肉状况和脊髓损伤患者在坐立过程中所采用的补偿策略的重要性。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 康复
- 生物力学
背景
- 了解臂部支撑在坐立过程中的作用。
- 调查脊髓损伤患者的补偿策略。
- 探索生物力学测量与主观负荷感知之间的关系。
- 利用功能性电刺激辅助运动。
研究目的
- 展示坐立实验的设置和执行。
- 评估臂部辅助对坐立过程的影响。
- 提供对脊髓损伤患者生物力学的洞察。
使用的方法
- 为实验安排椅子和站立架。
- 实施功能性电刺激（FES）。
- 使用机械肌电图（MMG）评估肌肉活动。
- 与助手合作进行设置和执行。
主要结果
- 识别坐立过程中的补偿策略。
- 肌肉状况与坐立过程中表现之间的相关性。
- 对运动过程中的主观负荷体验的洞察。
- 展示适用于类似人群的有效实验设置。
结论
- 臂部支撑显著帮助脊髓损伤患者完成坐立过程。
- 功能性电刺激可以增强康复过程中的运动。
- 理解生物力学对于改进康复策略至关重要。
常见问题
Executive Industry Relevance
Quantitative assessment of arm and leg contributions during repetitive electrically-assisted sit-to-stand (SitTS) exercises in paraplegics provides actionable insights for early-stage neuromuscular target validation and rehabilitation device development. The integration of mechanomyography (MMG) and functional electrical stimulation (FES) enables objective measurement of muscle fatigue and compensatory strategies, supporting predictive confidence in translational research. These findings inform the design and evaluation of assistive technologies and therapeutic interventions for spinal cord injury populations.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables quantitative interrogation of neuromuscular function and compensatory mechanisms in disease-relevant systems.
- Supports biological de-risking by clarifying the interplay between upper and lower limb contributions during functional tasks.
- Provides objective endpoints for functional target validation in assistive device and therapy development.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of validated biomechanical and electrophysiological assays for downstream screening of interventions.
- Enables reproducible measurement of muscle activity and fatigue using MMG and force sensors.
- Supports standardization of SitTS protocols for reliable cross-study and cross-population comparisons.
Translational & Preclinical Research
- Aligns quantitative outputs with translational biomarker development for neuromuscular rehabilitation.
- Provides continuity from discovery-stage mechanistic studies to preclinical validation of assistive technologies.
- Informs risk-adjusted advancement decisions for device and therapy candidates targeting functional mobility.
Pipeline & Workflow Integration
This protocol integrates into the discovery-to-preclinical continuum for neuromuscular and rehabilitation research, bridging early mechanistic studies with translational device and therapy evaluation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on compensatory strategies and muscle fatigue in paraplegic populations.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative readouts of limb contributions and fatigue thresholds.
- Analytics: Provides force, MMG, and kinematic data for robust statistical comparison of intervention effects.
- Translational Research: Aligns functional outputs with clinical endpoints relevant to mobility and independence.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for evaluating diverse assistive interventions and patient cohorts.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in neuromuscular target validation and functional outcome measurement.
- Operational Value: Standardizes biomechanical and electrophysiological data collection for scalable studies.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for assistive device and therapy development pipelines.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of candidates based on quantitative functional endpoints.
Implementation Considerations
- Requires expertise in biomechanics, electrophysiology, and rehabilitation engineering.
- Demands access to motion analysis labs, force sensors, MMG, and FES instrumentation.
- Necessitates protocol standardization for cross-team and cross-site reproducibility.
- Adaptation may be needed for different patient populations or model systems.
- Practical limitations include participant fatigue and variability in muscle response to FES.
