Paradigmas de formación de estimulación eléctrica de la extremidad inferior después de lesión de la médula espinal

Se estima que aproximadamente 282.000 personas en Estados Unidos viven actualmente con médula espinal lesión (SCI)¹. En promedio, hay aproximadamente 17.000 nuevos casos anualmente, principalmente causados por accidentes de vehículo de motor, actos de violencia y actividades deportivas¹. SCI resulta en la interrupción parcial o total de la transmisión neural a través y por debajo del nivel de lesión², sublesional pérdida sensorial o motor. Después de la lesión, actividad del músculo esquelético por debajo del nivel de lesión se reduce, llevando a un rápido descenso en la masa magra y la infiltración concomitante de ectópico tejido adiposo, o grasa intramuscular (FMI). Los estudios han demostrado que el músculo esquelético de la extremidad inferior experimenta atrofia significativa dentro de las primeras semanas de la lesión, continuando a lo largo de la final del primer año^3,4. Tan pronto como lesiones después de 6 semanas, los individuos con SCI completa experimentado una disminución de 18-46% en el tamaño muscular sublesional comparado con edad y los controles pareados por peso del cuerpo con capacidades diferentes. Por lesión después de 24 semanas, el área transversal del músculo esquelético (CSA) podría ser tan baja como 30 a 50%³. Gorgey y Dudley demostraron que el músculo esquelético sigue atrofia en un 43% del tamaño original 4,5 meses después de la lesión y observó una tres veces mayor cantidad del FMI en las personas con SCI incompleto comparado con capacidades de cuerpo controla⁴. Pérdida de masa magra metabólicamente activa resulta en una reducción en la tasa metabólica basal (BMR)^2,6, que representa ∼65 - 70% del gasto total de energía diaria; tales reducciones en BMR pueden conducir a un desequilibrio de energía perjudicial y el aumento de adiposidad después de lesiones^{2,7,8,9,10,18}. Mayor adiposidad ha sido ligado al desarrollo de condiciones secundarias crónicas como hipertensión, tipo diabetes II (T2DM) y enfermedad cardiovascular^{2,10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18}. por otra parte, las personas con SCI pueden sufrir de desnutrición y la dependencia de una dieta alta en grasas. Ingesta de grasa puede explicar 29 a 34% de la masa grasa en personas con SCI, que es probablemente un factor explica aumento de la adiposidad y la creciente prevalencia de obesidad en la población de SCI^12,13.

Resistencia evocada de la estimulación eléctrica neuromuscular (NMES-RT) de formación fue diseñada para inducir la hipertrofia del músculo esquelético paralizado^{19,20,21,22,23, 24}. Siguientes doce semanas de dos veces a la semana NMES-RT, músculo esquelético CSA del muslo entero, extensor de la rodilla y grupos de músculos de flexor de rodilla aumentados en 28%, 35% y 16%, respectivamente²². Dudley et al. demostró 8 semanas dos veces a la semana NMES-RT restaurado rodilla extensor músculo del tamaño de a 75% del tamaño original en seis semanas posterior a la lesión¹⁹. Por otra parte, Mahoney et al. utiliza el mismo protocolo y señaló un aumento del 35% y 39% en la derecha e izquierda músculo recto femoral músculos después de 12 semanas de NMES-RT²⁰.

Ciclismo de extremidades funcionales del eléctricas bajo estimulación (FES-LEC) es una técnica de rehabilitación común solía ejercer grupos de músculos de la extremidad inferiores después de SCI^25,26. A diferencia de NMES-RT, FES-LEC se basa en el estímulo de 6 grupos de músculos, que puede resultar en mayor hipertrofia y mejoras en el cardiometabólico perfil^{10,25,26,27, 28}. Dolbow et al. encontrado ese cuerpo magra masa aumentada 18,5% tras 56 meses de Fez-LEC en un individuo con SCI²⁷. Tras doce meses de Fez-LEC de tres veces por semana, una mujer de 60 años con paraplegia experimentado un incremento de 7.7% en cuerpo total magra masa y un aumento de 4.1% en pierna magra masa²⁸. Uso sistemático de la estimulación eléctrica funcional (FES) se asoció con mejoría en los factores de riesgo cardiometabólico condiciones después de SCI^10,25,26.

Los candidatos ideales para el entrenamiento de estimulación eléctrica tendrá ya sea motor lesiones completas o incompletas, con las neuronas de motor periférico intactas y limitada sensación de extremidad inferior. El manuscrito actual, describe un acercamiento combinado con RT NMES y FES-LEC diseñado para mejorar los resultados de entrenamiento de estimulación eléctrica en personas con SCI crónica. El proceso de NMES-RT utilizando pesas en los tobillos a dividirse, mientras destaca pasos clave en el protocolo y el beneficio general la intervención proporciona a las personas con SCI crónica. El segundo objetivo es describir el proceso de Fez-LEC diseñado para maximizar el efecto cardiometabólico global de intervención. Trabajo previo ha afirmado nuestra racional que un protocolo de entrenamiento combinado puede evocar los resultados mayor después de 24 semanas de estímulo eléctrico formación^{20,21,22,23,24 ,25,26,31,32,33,34,35,36}.

El protocolo de entrenamiento descrito en este manuscrito está registrado con el identificador de clinicaltrials.gov (NCT01652040). El programa de capacitación implica NMES-RT con pesas en los tobillos y FES-LEC. Todo el equipo necesario se enumera en la tabla 2. El protocolo de estudio y consentimiento informado fueron revisadas y aprobadas por el Richmond Junta centro de la revisión institucional (IRB) y la Virginia Commonwealth University (VCU) IRB. Todos los procedimientos de estudio fueron explicados en detalle a cada participante antes de comenzar el juicio.

1. participante reclutamiento

1. Realizar una preselección evaluación con los participantes potenciales.
   1. Explicar bien los detalles del Protocolo de entrenamiento incluyendo la duración del estudio (24 semanas), veces por semana (dos veces por semana) y duración de las sesiones (NMES-RT: 30 min y FES-LEC: 45-60 min).
      Nota: NMES-RT se lleva a cabo durante las primeras 12 semanas, seguido de 12 semanas de Fez-LEC.
   2. Describir los requisitos médicos para el potencial participante, incluyendo: hombres o mujeres con SCI, americano espinal lesiones clasificación (AIS) A, B o C (aquellos con una clasificación de AIS "C" que son incapaces de levantarse y caminar), 18 a 65 años de edad, más de 1 año después de la lesión, cuerpo índice de masa (IMC) ≤ 30 kg/m², motor completo o incompleto C5-L2 nivel de lesión.
   3. Describir las restricciones médicas para el potencial participante, incluyendo: un diagnóstico de la enfermedad cardiovascular, tipo incontrolado mellitus de la diabetes II o en la insulina, hipertensión no controlada, presión úlceras etapa 3 o mayor, infecciones urinarias o síntomas, osteoporosis con T-Score-2,5 y el embarazo para mujeres con SCI.

2. NMES-RT

1. Garantizar que al participante anula su vejiga y medir el reposo la presión arterial y ritmo cardíaco. Mientras el participante esté sentado en silla de ruedas, instruir a los participantes a quitarse sus zapatos. Luego, coloque una almohada detrás de la pantorrilla para amortiguar la pierna en flexión de la rodilla. Pesas en los tobillos (0-26 lb) se aplican a los tobillos de los participantes (figura 1).
   Nota: Los primeros se realizan 2 sesiones sin pesas en los tobillos para asegurar que el participante puede levantar su pierna contra la gravedad.
2. Aplicar los electrodos del carbón adhesivo dos de 7,5 cm x 12,7 cm bilateral en la piel sobre el grupo de Músculo extensor de la rodilla.
   1. Coloque el electrodo distal ~1/3 la distancia entre la rótula y pliegue inguinal y medial a la línea media de los cuádriceps. Coloque el electrodo longitudinalmente y paralelo al eje de la línea media va desde la cadera hasta las articulaciones de la rodilla (figura 2).
   2. Coloque el electrodo proximal lateralmente y el pliegue inguinal en el músculo vasto lateral. Coloque el electrodo longitudinalmente y paralelo al eje de la línea media (figura 2).
3. Un estimulador portátil a una frecuencia de 30 Hz y un ancho de pulso rectangular bifásico de 450 μs y 50 μs interpulse intervalo^{19,20,21,22,23,24 ,37,38,39}. Conecte los cables desde el estimulador a los electrodos.
   Nota: La polaridad de los electrodos no influye en el patrón de estimulación como los electrodos están colocados correctamente.
4. Comenzando con la pierna derecha, gradualmente aumente la corriente hasta que se reconozca una notable tensión visible en el grupo de Músculo extensor de la rodilla. Seguir la corriente para evocar la extensión completa de rodilla (máx. 200 mA) lentamente de la rampa. Permita que la pierna permanezca extendido para 3-5 s evocar la tensión máxima en las unidades motoras activadas.
5. Reducir gradualmente la corriente hasta su siguiente 50% del objetivo actual necesario para extender la pierna y mover pierna excéntrico de nuevo a la posición inicial. Registro de la amplitud actual necesaria para evocar la extensión completa.
6. Completa formación unilateral 4 sets de 10 repeticiones por pierna y alternar entre las patas derecha e izquierdas. Permita que la pierna descansar 3-5 s entre cada repetición y 3 minutos entre sets. Si el participante no alcanza la extensión completa de rodilla, registrar el rango de % de movimiento y aumentar el tiempo entre las repeticiones.
   Nota: La fatiga muscular se define como dos repeticiones consecutivas con un rango de movimiento ≤ 25%.
7. Trate de cada uno de los cuatro juegos, pero si el participante experimenta fatiga muscular, acabar con el sistema actual y continuar la formación en la pierna opuesta. Si se alcanza la extensión completa de rodilla sin fatiga muscular para 2 sesiones de entrenamiento consecutivas, añadir 2 libras de pesas en los tobillos la siguiente semana de entrenamiento.

3. FES-LEC

1. Medir la presión arterial y frecuencia cardiaca reposo el participante. La posición del participante frente a la bicicleta ergométrica de Fez (Tabla de materiales) en su poder personal o silla de ruedas manual (figura 3a, figura 3b).
2. Aplique los electrodos de carbono adhesivo para el extensor de la rodilla, rodilla grupos musculares flexores y maximus del glúteo bilateral.
   1. Para los extensores de rodilla, colocar el electrodo distal (7.5 x 12.7 cm) sobre la piel 1/3 la distancia entre la rótula y el pliegue inguinal, sobre el músculo medialis de vastus. Coloque el electrodo proximal lateral y adyacente al pliegue inguinal en el vasto lateral del músculo (figura 4a).
   2. Para flexores de rodilla, colocar el electrodo distal (7,5 x 10 cm) sobre la piel 2-3 cm por encima de la fosa poplítea. Coloque el electrodo proximal 20 cm por encima de la fosa poplítea (Figura 4b). Para evitar que se mueva el electrodo distal, aplique un vendaje elástico para colocar seguro del electrodo (figura 3a).
   3. Para maximus del glúteo, instruir al participante a inclinarse hacia el ergómetro. Coloque dos electrodos (5 x 9 cm) paralelo y en la mayor parte del músculo del vientre; permiten ~ dos dedos de ancho de separación entre los electrodos.
3. Con el participante sentado en su silla de ruedas y centrado frente el ergómetro, conecte los cables del estimulador a cada uno de los 12 electrodos. Compruebe el frente y atrás del ergómetro para asegurarse de que el participante que está correctamente centrada.
4. Asegurar que el bloqueo de ruedas del participante y Coloque suavemente los pies de los participantes (uso de zapatos tenis) dentro de los pedales (figura 6). Asegure la pierna más baja que el ergómetro con las correas elásticos envueltas en una funda. Sujete los pies del participante en su lugar con las correas elásticos cruce dos y Velcro en cada pétalo (figura 5).
5. Después de atar con correa las piernas en el ergómetro, mover pasivamente las piernas para observan la secuencia del ciclo. Si las piernas están demasiado comprimidas o hiperextendida, ajustar la altura de la bicicleta y vuelva a verificar la posición moviendo pasivamente la pierna.
6. Asegurar la silla de ruedas del participante para el ergómetro mediante los dos ganchos extensibles situados en la base del ergómetro. Conecte los ganchos a una estructura estable por debajo de la silla de ruedas (figura 5). Coloque dos interrupciones de madera debajo de las ruedas de la silla de ruedas, para evitar cualquier movimiento de la silla durante el ciclo.
7. Ajustar la frecuencia de estimulación a 33,3 Hz, duración del pulso a 350 μs y la amplitud actual 140, 100, 100 mA para el extensor de la rodilla, flexores de rodilla y glúteo grupos, respectivamente.
8. Configurar los parámetros de ciclo como sigue: objetivo velocidad de 40-45 revoluciones por minuto (RPM); par motor ajustable a partir de 10 Nm; resistencia de 1.0, 1.5 y 2.0 Nm para ejercicio etapas I, II y III.
9. Establecer el intervalo de parámetros de la formación como sigue: 3 min fase "caliente"; tres min 10 etapas del ejercicio (estímulo a); ejercicio de un 2-min fase de reposo después de cada etapa; 3 min y fase de "enfriar".
10. Basado en el nivel de la lesión (por encima o por debajo de la T4), medir el índice de presión y corazón de sangre cada 2 a 5 min para prevenir la aparición de síntomas de Disreflexia autonómica.
11. Si la presión arterial permanece elevada, deje el ergómetro e instruir al participante para anular su vejiga o descansar si ya han anulado. Además, verifique que el participante esté asentado correctamente para reducir los puntos de presión y comprobar que los zapatos o cualquier las correas no están excesivamente apretados. Medir la presión arterial de cerca cada 2 minutos. Si la presión arterial se recupera, reanudar el entrenamiento; Si la presión arterial permanece no recuperada, finalizar la sesión y dar instrucciones al participante para ver a su médico de atención primaria.
    Nota: Es vital para asegurar que los participantes constantemente toman su medicación de la presión arterial, si cualquier y anular su vejiga antes de Fez-ciclismo.
12. Registro del participante la frecuencia cardíaca, velocidad, potencia, distancia, resistencia y estimulación % cada 30 s.
13. Si el participante completa una sesión de todo ejercicio sin fatiga (< 18 RPM de velocidad durante el ciclo activo), disminuir la ayuda de par del motor servo de 1 Nm la siguiente sesión, de lo contrario mantener todos los parámetros de la misma.
14. Si el participante realiza dos sesiones de entrenamiento de ejercicio sin fatiga o el uso de asistencia motor servo durante etapas del ejercicio, aumentar la resistencia de 0,5 Nm en cada etapa de ejercicio.

Pesas en los tobillos aumentaron progresivamente para 22 participantes, más de 16 semanas de NMES-RT (Figura 6a). Los pesos promedio levantados por los participantes fue 19,6 ± 6,5 libras (pierna derecha) y 20 ± 6 lb (pierna izquierda) [8-24 lb.]. Amplitud actual fluctuó a lo largo de la prueba para las patas derecha e izquierdas (figura 6b).

Progresión de un individuo con motor SCI completa después de 12 semanas de entrenamiento de Fez-LEC se destaca en la tabla 1. Los resultados indican que con Fez-LEC, hay un aumento en el porcentaje de estimulación actual para compensar la resistencia del volante mayor más de 12 semanas de entrenamiento. Resistencia del volante aumentó 3 - 4 veces en cada una de las 3 fases durante el entrenamiento de 12 semanas (tabla 1). La resistencia progresó de 1,6 a 5,1 Nm (etapa I), 2.12 a 5.5 Nm (etapa II) y 2.12 a 5.5 Nm (etapa III). Cabe señalar que cada etapa de 10-min fue entremezclada por un período de descanso de 2 min en el que los participantes ciclo pasivamente contra 0.77 Nm.

Finalmente, la potencia incrementa de 2 - 4 veces en cada una de las 3 etapas entre la semana 1 y semana 12 (tabla 1). Energía progresó de 4 a 14 W (fase I), 5.4 a 11.24 W (etapa II) y 2.6 a 11 W (etapa III).

Figura 1. Configuración de NMES-RT mostrando los electrodos de superficie, estimulador, pesas de tobillo bilateral y almohada cojín. Cuatro series de diez repeticiones son completados por las piernas izquierdas y derecha. Pesos son progresivamente aumentados por 2 libras cada semana si cada conjunto se completa sin fatiga muscular. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2. Electrodos de superficie del extensor durante NMES-RT de la rodilla Un electrodo se coloca ~1/3 la distancia entre la rótula y pliegue inguinal y medial a la línea media de los cuádriceps. Un segundo electrodo está colocado lateralmente y junto al pliegue inguinal en el músculo vasto lateral. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3. Anterior (a) y lateral (b) vista de la configuración de la bicicleta durante el FES-LEC de. El participante está sentado en su silla de ruedas y asegurado a la moto para llevar a cabo el FES ciclismo. Envoltura elástica se envuelve alrededor de cada pierna para garantizar la rodilla distal electrodos del flexor. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4. Superficie de los electrodos de superficie de extensor de rodilla (a) utilizados durante el FES-LEC y el flexor de rodilla electrodos (b). un electrodo se coloca ~1/3 la distancia entre la rótula y pliegue inguinal y medial a la línea media de los cuádriceps. Un segundo electrodo está colocado lateralmente y junto al pliegue inguinal en el músculo vasto lateral. (b) mientras la pierna de apoyo, se coloca un electrodo en la piel 2-3 cm por encima de la fosa poplítea; el segundo electrodo se coloca a 20 cm por encima de la fosa poplítea. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5. Pie del participante se asegura al pedal mediante el cruce de dos cintas elásticas en cada pétalo. Es esencial que estas correas están aseguradas firmemente para prevenir que el pie se mueva cuando bicicleta contra resistencia creciente. Silla de ruedas del paciente se fija a la moto utilizando los dos ganchos extensibles situados en la base de la moto. Una vez fijado a la silla de ruedas, estos ganchos son manivela y apretar para eliminar cualquier holgura. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6. La progresión de pesas en los tobillos (libras) de los 22 participantes a lo largo de 16 semanas de NMES-RT y la progresión de la amplitud actual (mA) a lo largo de 16 semanas de NMES-RT (a) peso fue aumentado en 2 libras cada semana si el participante pudo completar 4 series de 10 repeticiones sin fatiga muscular. (b) durante el entrenamiento, amplitud actual fue aumentado poco a poco para poner la pierna en extensión de rodilla completa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Tabla 1: porcentaje de estimulación de la amplitud corriente, volante de resistencia y la potencia aumentó a lo largo de las 12 semanas de Fez-LEC en un individuo con LME. Resistencia fue aumentada cada semana si se completaron 2 sesiones sin evidencia de fatiga muscular (velocidad < 18 rpm). Porcentaje de estimulación aumenta gradualmente a lo largo de las 12 semanas de entrenamiento. Potencia de salida aumentó durante cada etapa de ejercicio incremental y en el curso de formación. Nota: Los datos están de uno de los participantes que completaron 12 semanas de Fez-LEC al finalizar las 12 semanas de NMES-RT.

Los autores no tienen nada que revelar.