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
2022年11月11日
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。
このプロトコルは、アームサポートと機能的電気刺激の助けを借りて座位から立位までの実験を実施する際に、重要な部分とそれらがどのように実行されるかを説明することにより、適切なガイドラインを示しています。この技術は、スタンディングフレームのインスツルメンテーション、機能的電気刺激、メカノミオグラフィーなど、いくつかのセットアップを持つことの複雑さを管理するのに役立ちます。この方法は、腕の補助で座位から立位へのセットアップを必要とする他の集団に適用できます。
手順を実演するのは、MMGとFESのセットアップを担当するアシスタントのKhairulです。AdhliはViconセットアップの助手であり、MusfirahはDr.Nur Azah Hamzaidの監督の下で博士号候補生です。椅子と立位フレームを配置して、セットアップされた座位から立位までの実験を開始します。
そのためには、動作解析室の床に埋め込まれたフォースプレート1の寸法に従って、背もたれのない高さ45センチメートルのアームレスチェアを設計します。次に、下部の各SF脚に、0〜12キログラムの感度範囲の独立した力センサーを計装します。持ち運び可能で折り畳み式のSFを椅子の前に腕の届く範囲に配置し、SFの4本の脚をフォースプレート2の外側に配置して、二重測定を回避します。
モーション解析を設定する場合は、脚の長さ、足首の幅、膝の幅など、参加者の詳細をシステムに入力します。次に、上腸骨棘の両側、前部、および後部に直接両面テープで参加者の下肢に16個の反射マーカーを配置します。両側の大腿部とシャンクの側面、左右のくるぶしの外側にマーカーを取り付けます。
次に、第2中足骨頭の左右、および第2中足骨頭の同じ高さの踵骨にマーカーを配置します。完了したら、参加者に裸足で座り、膝を90度に曲げ、両足をフォースプレート2に置くように指示します。直立して座った状態で、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。
参加者の手をSFのハンドルに置いた後、大腿部の中央とかさばる領域を触診して大腿直筋を特定し、次に、大腿直筋の大腿部領域に脚ごとに1つのメカノミオグラフィーまたはMMGセンサーを両側に配置して、脚の筋肉を測定します 座位から立位および立位から座位の努力。センサーを両面テープで固定し、センサーを太ももにストラップで固定して、モーションアーチファクトを減らしてから、MMGデバイスとコンピューターに接続します。1日目に、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、自発的に座位から立位までのエクササイズを実行します。
電子タイマーで計時された5秒のカウントダウンが終わったら、参加者に静止した座位から3秒間立ち上がってもらい、椅子に座り直します。5秒の休憩後、参加者が同じルーチンを実行できなくなるまで、座位から立位までの試行を続けます。完了したら、記録されたすべてのデータをオフにします。
5分間の休憩をとってから、次の座位から立位までのルーティンを続け、セット間で筋肉を回復させます。トライアルが終了したら、参加者に少なくとも48時間休ませます。2日目には、大腿四頭筋と大殿筋に機能的な電気刺激電極を配置して、FES支援の座位から立位までの運動を実行します。
大腿四頭筋の場合は、第1の電極を膝から指2本分の幅で水平に置き、第2の電極を股関節の手のひらの幅で水平に配置します。大殿筋の場合は、参加者に前屈して最初の電極を腰骨に最も近い垂直に配置し、2番目の電極を尾骨に最も近い垂直に、最初の電極から並べて取り付けるように指示します。電極が所定の位置に配置されたら、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。
パルス幅を300、周波数を35ヘルツに設定してFESソフトウェアを設定します。FES電流強度を定義するには、参加者が膝と股関節の伸展を達成するために電流に耐えられるかどうかを尋ねます。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。
次に、参加者が立ち上がったときにFESをオンにし、FESをオフにして参加者を椅子に座らせることで、前述のように実験を開始します。試行をセットで繰り返し、データを収集します。両方のセッションの座位から立位までの動作を通じて、参加者1の腕の割合は、脚の割合と比較して、総体重の割合により高い寄与を示しました。
参加者 1 では、電気刺激は、座位から立位までのルーチンの終了段階で右膝を完全に伸展させることができませんでした。右膝の角度が通常の膝伸展可動域に達していませんでした。対照的に、参加者 2 は、全身の体重を支えるために脚により多くの力を加え、自発的な座位から立位までのルーチンの終了段階で脚の割合の寄与度が高かった。
さらに、自発的な座位から立位へのルーチンの最後のセットでは、参加者2は動きの初期段階でより小さな膝の角度を示しました。イベントBでは、臀部のリフトアップが開始されると、参加者1は腕の力を増して上半身を椅子から持ち上げることが観察されました。一方、参加者 2 では、FES 支援の座位から立位までのルーチンのイベント B 中に腕の最大寄与が検出されました。
この手順の各ステップは重要であり、記載されているとおりに従う必要があります。ただし、特に参加者の初期姿勢には柔軟性があり得ることに注意する必要があります。定性的なフィードバックを追加して、参加者の視点から座位から立位までのルーチン、安定性、および疲労に関する意見や見解を測定できます。
この方法を追加することで、研究者は座位から立位までの技術の挙動をよりよく理解し、定量的な結果が得られます。
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概要
このプロトコルは、腕のサポートと機能的電気刺激を利用した立ち上がり実験のガイドラインを概説しています。脊髄損傷のある個人が立ち上がり（SitTS）プロセス中に使用する補償戦略と、脚の筋肉状態の重要性を強調しています。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 神経科学
- リハビリテーション
- バイオメカニクス
背景
- SitTSにおける腕のサポートの役割を理解すること。
- 脊髄損傷のある個人の補償戦略を調査すること。
- バイオメカニクス測定値と主観的な負荷知覚の関係を探ること。
- 機能的電気刺激を動きを助けるために利用すること。
研究目的
- 立ち上がり実験のセットアップと実行を示すこと。
- SitTSパフォーマンスにおける腕の補助の影響を評価すること。
- 脊髄損傷のある個人のバイオメカニクスに関する洞察を提供すること。
使用された方法
- 実験用の椅子と立ち上がりフレームの配置。
- 機能的電気刺激（FES）の実装。
- 筋活動評価のための機械筋電図（MMG）の使用。
- セットアップと実行のための助手の協力。
主要な結果
- SitTS中の補償戦略の特定。
- SitTSにおける筋肉状態とパフォーマンスの相関関係。
- 動き中の主観的な負荷経験への洞察。
- 同様の集団のための効果的な実験セットアップの実証。
結論
- 腕のサポートは、SitTSの実行を著しく支援します。
- 機能的電気刺激はリハビリテーションにおける動きを強化できます。
- バイオメカニクスの理解はリハビリテーション戦略の改善に重要です。
よくある質問
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.
