対麻痺患者における反復的な電気支援座位から立位への運動中の腕と脚の寄与の定量化:パイロット研究

サマリー

Sit-to-Stand (SitTS) における腕の寄与は、脚の筋肉の状態によって決まります。完全なSitTSサイクルを達成するための取り組みにおいて、いくつかの補償戦略が発見されました。これらの知見は、脊髄損傷(SCI)患者の生体力学的測定と、SitTSアプローチ全体を通して両肢が負担する主観的な負荷感を三角測量するものである。

要約

不完全な脊髄損傷(SCI)患者における座位から立位(SitTS)の実行には、上肢と下肢の両方の運動機能が含まれます。特にアームサポートの使用は、SCI集団でSitTS運動を実行する際の重要な補助要因です。さらに、大腿四頭筋と大殿筋への機能的電気刺激(FES)の適用は、単純な下肢運動の筋肉の動きを改善するための不完全なSCIの処方管理の1つです。ただし、SitTS中の上肢と下肢の相対的な寄与は十分に調査されていません。2つの運動不完全なSCI対麻痺患者は、疲労運動チャレンジに対して反復的なSitTSを実行しました。それらのパフォーマンスは、FESの支援がある場合とない場合のSitTSを比較する混合法のケースコントロール研究として調査されました。大腿直筋にメカノミオグラフィー(MMG)センサーを取り付けて、セット間に5分間の安静時間を割り当てて、3セットのSitTSテストを完了しました。演習は2つのセッションに分かれていました。自発的な SitTS の 1 日目と FES 支援の SitTS の 2 日目。アンケートは、反復的なSitTS経験に関する参加者の意見を収集するために、各セッションの後に実施されました。分析により、SitTSサイクルは3つのフェーズに分けられることが確認されました。フェーズ1(起立の準備)、フェーズ2(シートオフ)、およびフェーズ3(股関節伸展の開始)は、それぞれSitTSサイクルの23%±7%、16%±4%、61%±6%に寄与しました。SitTS運動中の腕と脚の寄与は、脚の医学研究評議会(MRC)の筋肉グレードに基づいて、参加者によって異なっていました。特に、立っているときに脚の力が低下し始めると、加えられる腕の力が明らかに増加し始めます。この発見は、下肢の筋肉の疲労と報告された疲労感を示すMMGシグナルの有意な減少によって裏付けられています。

概要

Sit-to-Stand(SitTS)は、人間の日常生活動作(ADL)における重要な動きです。また、立位、移動、歩行などの基本的な機能的活動の前提条件でもあります。不完全な脊髄損傷(SCI)、特に対麻痺の患者にとって、SitTS運動は機能的自立のための重要な活動です^1,2。このエクササイズは、自立訓練に不可欠であり、最終的にはSCIの人々の生活の質を向上させるのに役立ちます。SitTSエクササイズを十分かつ適切に行うためには、トレーニング中に生体力学と筋肉活動に関する知識が測定可能である必要があります。

臨床リハビリテーションプログラムでは、グレードの米国脊髄損傷協会(ASIA)障害スケール、AIS CのSCI患者は、完全な運動障害があるグレードAIS Bの患者よりも進行が良好で、運動機能を回復する可能性が高くなります。SitTSのパフォーマンスは、SCI患者において、^{回復過程における}運動機能を示す重要な指標となります3。ただし、SCI AIS C患者は、一連の反復SitTS動作を成功させるために、上肢と下肢の両方からのサポートを必要とします。上肢のサポートは^、膝の負荷を降ろすと同時に、適切な持ち上げ力を提供し、エクササイズ中に体のバランスを確保する上で重要な役割を果たします4。

この研究の目的は、不完全な SCI 個人における反復性 SitTS 全体での腕と脚の生体力学的寄与を説明することです。この研究では、生体力学的分析を、SitTSエクササイズ中の参加者の主観的な腕と脚、筋肉のパフォーマンス、および「努力と疲労」の感覚に関連して位置づけます。

以前の多くのSitTS研究は、活動の運動学と動力学の側面の調査にのみ焦点を当てていました^4,5,6,7。SitTSトレーニングのより広い文脈では、計装スタンディングフレーム(SF)とフォースプレート分析を含むこの方法の開発により、研究者は脳卒中、高齢者、変形性関節症患者などの他の集団の上肢と下肢の両方の寄与を評価することができます^8,9,10。Zouliasらによる以前の研究では、SFのカスタムビルドのハードウェアとソフトウェアを計装し、大きなフレーム設計を提示しました¹¹。この方法は、再現が困難な場合があります。したがって、このSitTS研究は、既存の動作解析ラボのセットアップで他の研究者が採用できるポータブル機器SFを強調しました。

プロトコル

この原稿のSitTS演習とインフォームドコンセントは、マラヤ大学医療センター倫理委員会(2017119-4828)¹²によって倫理的に考慮されて説明されています。研究手順は各参加者に詳細に説明され、SitTS試験を開始する前に書面によるインフォームドコンセントが得られました。この研究は混合モードとして実施され、定量的データは生体力学的分析を使用して取得されましたが、主観的なスコアは(参加者の)フィードバックセッションと音声録音(研究中の研究者と参加者の相互作用)から取得されました。このパイロット研究では、自発的なSitTS運動における参加者の腕と脚の貢献と、FESの存在によるパフォーマンスを比較しました。

1. 参加者の選定

1. 潜在的な SCI 参加者で評価を実行します。
   1. 研究期間(4日間)とセッションの長さ(SitTS:2時間)を含むSitTSプロトコルの詳細を説明します。
      注:自発的なSitTSは1日目に実施され、その後2日間休息しました。その後、機能的電気刺激 (FES) 支援 SitTS は翌日も継続され、2 日目として定義されます。
   2. SCI AIS Cの男性または女性(立ち上がることができる)、18〜60歳、受傷後12か月以上を含む潜在的な参加者に医学的要件を説明し、特定の服を着る意欲を示します。
      注: SCI AIS C の参加者は、この研究でボランティアをすることについて、書面によるインフォームド コンセントを提供しました。参加者1は男性(45歳;ボディマス指数(BMI)20.32 kg / m²)で、参加者2は女性(49歳;BMI 33.54 kg/m²)。両者とも、SCI損傷後95カ月および33カ月後をそれぞれ呈した。両方の参加者は、下肢(LE)の筋肉グレードを評価しました。参加者 1 の LE 筋グレードは 2 (右側) と 4 (左側) でした。一方、参加者 2 の LE 筋グレードは 4 で、両側で¹² でした。どちらの参加者も体幹のコントロールが良好でした。参加者1は、膝と足首の反射がない弛緩した右脚と診断され、下部運動ニューロンの損傷を示しました。それ以外に、彼の右足はFESに何の反応も示さなかったことが観察されました。
   3. 研究中に指示を完了できない原因となる病状など、潜在的な参加者に除外基準を説明します。その他の免除基準には、骨粗鬆症および骨折¹²、心臓ペースメーカーまたはその他の埋め込み型電子システム、既存の電気刺激装置(植込み型除細動器、ペースメーカー、または脊椎刺激)を使用している参加者、またはボツリヌス毒素を患っている参加者が含まれます。

2. SitTS実験装置

注:このSitTS演習では、3つのパラメータが記録されます。最初のパラメータは腕の力で、2番目のパラメータは脚の力です。3番目のパラメータは、大腿直筋の活動を調べるメカノミオグラフィー(MMG)です。

1. 椅子とSFのセットアップ。
   1. 動作解析ラボの床に埋め込まれたフォースプレート1の寸法に応じて、背もたれのない高さ45 cm ^13,14のアームレスチェアを設計します(図1)。
   2. フォースプレート1の上部に椅子を置きます。
   3. 各センサーの感度範囲が0〜12 kgの場合、SFの脚の下部にある力^{センサー15} を使用して、各SF脚を個別に計装します(図2)。
      注:SFからの4つの力センサーの読み取り値の合計値は、腕力寄与と呼ばれていました。
   4. 持ち運び可能で折りたたみ式のSFを椅子の前に腕の届く範囲に配置します¹²。SFの4本の脚をフォースプレート2の外側にしっかりと配置して、二重測定を回避します(図1)。
2. モーション解析のセットアップ
   1. 参加者の詳細(脚の長さ、足首の幅、膝の幅など)を動作解析システムに入力します。
   2. ステップ2.2.3-2.2.5で説明したように、参加者の下肢に両面テープで16個の反射マーカーを配置します。
   3. これらのマーカーを上腸骨棘の両側前部と後部に直接取り付けます。次に、左右の膝の外側上顆にマーカーを取り付けます。
   4. 両側の大腿部とシャンクの側面にマーカーを取り付けます。次に、左右の外側くるぶしにマーカーを付けます。
   5. 第2中足骨頭の左右にマーカーを取り付けます。第2中足骨頭の同じ高さの踵骨にマーカーを取り付けます。
      注:反射マーカーの配置は、モーション解析システム¹⁶のセットアップに基づく。
3. 参加者の準備
   1. 参加者に、膝を90°曲げて座り、両足をフォースプレート2に置くように指示します。
   2. 直立姿勢で座っている間、参加者の頭と体幹が前を向いていることを確認してください。参加者が裸足であることを確認してください。
   3. SFのハンドルに手を置きます。
   4. 大腿直筋は、大腿部の中央とかさばる部分を触診して特定します。
   5. 大腿直筋の大腿部に2つのMMGセンサーを両側に(脚ごとに1つずつ)配置して、脚の筋肉の座位から立位、立位から座位への努力を正確に測定します¹²。
   6. センサーを両面テープで固定します。MMGセンサーを太ももにストラップで固定して、モーションアーティファクトを減らします¹²。
   7. MMGセンサーをMMGデバイスとコンピューターに接続します。

3. SitTSプロトコル

1. 1日目:自発的なSitTSエクササイズを実行します。
   注:参加者は、SFの助けを借りて反復的なSitTSイベントを行うように指示されました。
   1. 実験を開始する前に、すべてのセットアップをオンにして、選択したパラメーターを記録してください。
      注:記録されたパラメータは、上肢の寄与のための力センサー、下肢の寄与のためのフォースプレート、および大腿直筋活動のためのMMGデータでした。
   2. 参加者に、電子タイマーで計時された5秒のカウントダウンの終わりに、静止した座位から立ち上がるように依頼します。
   3. 参加者を3秒間立たせてから、椅子に座り直します。
   4. 参加者に5秒間休むように依頼します。
      注:これは試験間の休息間隔でした。
   5. SitTS 試験を続行します (参加者が同じルーチンを実行できなくなるまで、手順 3.1.2 と 3.1.4 を繰り返します)。
   6. 記録したデータをすべてオフにします。
   7. 次に、参加者に 5 分間休んでから、SitTS ルーチンの次のセットを続行するように依頼します。セットとセットの間に5分間の休憩を取り、セット¹⁷で筋肉を回復させます。
   8. 手順3.1.1〜3.1.7を別の2セット繰り返します。
   9. 参加者に少なくとも48時間休ませます。
2. 2日目:FES支援SitTSエクササイズを実行します。
   注:参加者は、SFとFESの助けを借りて、反復的なSitTSイベントを行うように指示されました。
   1. 大腿四頭筋と大臀筋にFES電極を配置します¹⁸。
   2. 大腿四頭筋の場合は、最初の電極を膝から約2本の指の幅で水平に配置します。第2の電極を股関節の手のひら幅を中心として水平に配置する。
   3. 大殿筋の場合は、参加者に前屈みにして、最初の電極を腰骨に最も垂直に最も近い位置に配置するように依頼します。2番目の電極を尾てい骨に最も近い垂直に、1番目の電極から並べて取り付けます。
   4. すべてのFES電極をFESデバイスに取り付け、コンピューターのFESソフトウェアに接続します。
   5. パルス幅を300、周波数を35Hzに設定してFESソフトウェアを設定します。
   6. 膝と股^関節の伸展を達成するために与えられた電流に耐えられるかどうかを参加者に尋ねて、FES電流強度を定義します7。実際の試験を開始する前に、いくつかの実践を通じてFES電流振幅を決定します。
      注: 表1 は、補助FES SitTSセッション中に参加者が選択した筋肉に向かって刺激されたFES電流を示しています。
   7. 実験を開始する前に、すべてのセットアップをオンにして、選択したパラメーターを記録してください。
   8. 参加者に、電子タイマーで計時された5秒のカウントダウンの終わりに、静止した座位から立ち上がるように依頼します。カウントダウンが終わったら、FESのスイッチを入れます。
   9. 参加者を3秒間立たせます。次に、FESのスイッチを切り、参加者を椅子に座らせます。
   10. 参加者に5秒間休むように依頼します。
   11. SitTS 試験を続行します (参加者が同じルーチンを実行できなくなるまで、手順 3.2.7-3.2.10 を繰り返します)。
   12. 記録したデータをすべてオフにします。
   13. 次に、参加者に 5 分間休んでから、SitTS ルーチンの次のセットを続行するように依頼します。
   14. 手順3.2.7〜3.2.13を別の2セット繰り返します。

4. データの取得と解析

1. アームフォースの貢献
   1. 力覚センサーのすべての生データをコンピューターのワークブックファイルに抽出して、オフラインで分析します。
2. 脚力の寄与
   1. SitTSの運動学的および動的の生データをモーション解析ソフトウェアで解析します。フォースプレートデータと膝角度データをコンピューターのワークブックファイルに抽出して、オフラインで分析します。
      注:フォースプレートのデータは、脚の力の寄与を表します
3. 大腿直筋のMMG
   1. 大腿直筋の生のMMGデータを抽出し、2つの取得ユニットと振動筋造影ソフトウェアを使用してワークブックファイルに保存し、オフライン分析を行います。
      注:MMG信号は、振動筋造影センサーによって2kHzのサンプリングレートで記録されました。20Hzから200Hzの間の有限インパルス応答バンドパスフィルタを使用して、筋力評価のためにメーカーが推奨するように、MMG信号の生データを中継および変換した¹⁹。すべての試行について、すべてのデータセットを正規化し、SitTS演習の完全なサイクルとして同期しました。独立したサンプルt検定は、自発的なSItTSエクササイズとFES支援SItTSエクササイズの間の平均時間の有意差を観察するために行われました。

5. フィードバックセッション

1. フィードバックセッション(研究者と参加者のやり取り)中に音声を録音します。
2. 1日目と2日目のSitTSの達成中に参加者が経験した安定性と疲労について4つの質問をします。
   注:このセクションでは、安定性はSitTSイベントの最高残高として参加者によって解釈されました。最高のバランスは、選択したイベントを最も長く保持できるときに達成されました。一方、倦怠感は、SitTSエクササイズ中に最低のパフォーマンスにつながる「疲労感」として特定されました。
3. 音声を収集して文字起こしします。

結果

合計399件および463件のSitTS試験が、FESの補助なしおよび補助ありでそれぞれ完了した。各セットに寄与した試験を 表2に示した。参加者は、脚に電気刺激、すなわちFESを印加して、より多くのSitTS試験を実施することができた。全体として、両参加者はFESの助けを借りて、より多くのSitTS試験を実施することができました。これは、FESが参加者の大腿四頭筋を刺激して、長期間にわたってSitTSアクションを実行するのに役立つことを示唆しています²⁰。この研究で記述されたSitTSには3つのフェーズがありました。フェーズ1は、動きの開始から始まり、お尻が座席を離れるまで続きました。フェーズ2は、股関節が最大屈曲イベントまで臀部がシートを離れる時間を指します。フェーズ3は、股関節伸展の開始から始まり、動きの終わりまで続きました。 図3に示すように、各フェーズは、フェーズ1で23%±7%、フェーズ2で16%±4%、フェーズ3で61%±6%に寄与しました。この研究では、SitTSの3つのフェーズが、S...

ディスカッション

現在の研究では、SitTS運動中のSCI個人の体重寄与が実証されました。この研究は、対麻痺患者がSitTSサイクルを成功させるために不可欠な補助装置としてSFを提示しました。さらに、軍備力も評価できるように計装SFが開発された²⁸。MMGの適用は、研究者がSitTSのパフォーマンスをよりよく理解するのに役立つ主要なSitTS筋肉を観察するために研究に追加されました。さらに、フィードバックセッションにより、研究者はSitTS研究の定量的データの証拠を裏付ける主観的な感情に関する洞察を得ることができました。

代表的な結果は、キャリブレーションプロセスが行われる前に足に存在していた排除された力を示す負の大きさの脚力を示しました(図8)。これらのSitTSプロトコルは、エクササイズの初期段階で脚の力の負の値を生成するという制限に対処しました。したがって、研究者は、将来の同様のSitTS演習のために、これらの条件の変更技術を期待するものとします。さらに、MMGデバイスは、筋電図(EMG...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
カスタムチェア			カスタムチェアは、フォースプレートの寸法に追従するように作られました。
FES RehaStim 2	Hasomed		筋肉に向かう電流を刺激する装置です。
FlexiForce A201	Tekscan, Inc., USA	フォースレンジ: 0-100 lbs. (440 N)	フォースセンサーは、スタンディングフレームで腕の力を捕捉するために使用されます。
折りたたみ式スタンディングフレーム		高さ:70.0cm-90.0cm。	地元の医療会社から購入したウォーキングフレーム。
Motion Analysis	Vicon Oxford, UK		活動の運動学と動力学を記録するシステム。
シリアルポート端末アプリケーション	CoolTerm	バージョン1.4.6。ロジャー・マイヤーの	フォースセンサーデータを記録するアプリケーション。
振動筋グラフィソフト	BIOPAC System Inc., USA	AcqKnowledge 4.3.1	MMGの生データを記録・ストローレするソフトです。また、オフライン分析にも機能します。
VMGトランスデューサーとBIOPAC振動筋計システム	BIOPAC System Inc., USA	BP150 and HLT100C	筋肉活動を測定する装置です。