하반신 마비 환자에서 반복적인 전기 보조 기립 운동 중 팔과 다리 기여도 정량화: 파일럿 연구

요약

SitTS(Sit-To-Stand)에서 팔의 기여도는 다리의 근육 상태에 따라 결정됩니다. 완전한 SitTS 사이클을 달성하기 위한 노력에서 몇 가지 보상 전략이 발견되었습니다. 이러한 결과는 척수 손상(SCI) 환자의 생체역학적 측정과 SitTS 접근 방식 전반에 걸쳐 양쪽 팔다리가 견디는 주관적인 하중 감각을 삼각 측량합니다.

초록

불완전 척수 손상(SCI) 환자에서 SitTS(Sit-to-Stand)를 실행하는 것은 상지와 하지의 운동 기능을 포함합니다. 특히 팔 지지대의 사용은 SCI 개체군에서 SitTS 운동을 실행하는 동안 중요한 보조 요소입니다. 또한 대퇴사두근과 대둔근에 기능적 전기자극(FES)을 가하는 것은 단순 하지 운동에 대한 근육 활동을 개선하기 위해 불완전한 SCI에 대해 처방된 관리 중 하나입니다. 그러나 SitTS 중 상지와 하지의 상대적 기여도는 철저히 조사되지 않았습니다. 두 명의 운동 불완전 SCI 하반신 마비 환자가 피로 운동 챌린지를 위해 반복적인 SitTS를 수행했습니다. 그들의 성과는 FES의 도움이 있는 SitTS와 없는 SitTS를 비교하는 혼합 방법 사례-대조군 연구로 조사되었습니다. SitTS 검사 3세트는 세트 사이에 5분의 휴식 시간을 할당하고 대퇴직근 근육에 MMG(Mechanomyography) 센서를 양측으로 부착하여 완료했습니다. 연습은 2개의 세션으로 분리되었습니다. 자발적 SitTS의 경우 1일차, FES 지원 SitTS의 경우 2일차. 반복적인 SitTS 경험에 대한 참가자들의 의견을 수집하기 위해 매 세션 후에 설문지를 실시했습니다. 분석 결과 SitTS 사이클은 세 단계로 나눌 수 있습니다. 1단계(일어서기 위한 준비), 2단계(시트 오프) 및 3단계(고관절 신전 시작)는 각각 SitTS 주기의 23% ± 7%, 16% ± 4% 및 61% ± 6%에 기여했습니다. SitTS 운동 중 팔과 다리의 기여도는 다리의 MRC(Medical Research Council) 근육 등급에 따라 참가자마다 달랐습니다. 특히, 서 있는 동안 다리의 힘이 감소하기 시작할 때 적용된 팔의 힘이 명확하게 증가하기 시작합니다. 이 결과는 다리 근육 피로와 보고된 피로감을 나타내는 MMG 신호가 현저히 감소한 것으로 뒷받침됩니다.

서론

SitTS(Sit-To-Stand)는 인간의 일상 생활 활동(ADL)에서 중요한 움직임입니다. 또한 서기, 이동, 걷기와 같은 기본적인 기능적 활동의 전제 조건이기도 합니다. 불완전 척수 손상(SCI), 특히 하반신 마비 환자에게 SitTS 운동은 기능 독립을 위한 중요한 활동입니다 ^1,2. 이 운동은 독립성 훈련에 필수적이며, 이는 궁극적으로 SCI 인구의 삶의 질을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 충분하고 적절한 SitTS 운동을 수행하기 위해서는 훈련 중에 생체 역학 및 근육 활동에 관한 지식을 실현 가능하게 측정할 수 있어야 합니다.

임상 재활 프로그램에서 미국 척수 손상 협회(ASIA) 장애 척도(AIS C)를 가진 SCI 환자는 완전한 운동 결함이 있는 AIS B 등급의 환자보다 운동 기능 회복 가능성이 더 좋습니다. SitTS 수행은 SCI 환자의 회복 과정에서 운동 기능을 나타내는 중요한 척도^{역할을 한다 3}. 그러나 SCI AIS C 환자는 일련의 반복적인 SitTS 동작을 성공적으로 수행하기 위해 상지와 하지의 지지가 모두 필요합니다. 상지 지지대는 무릎의 하중을 낮추는 데 중요한 역할을 하는 동시에 적절한 양력을 제공하고 운동 중 신체의 균형을 보장한다⁴.

이 연구의 목적은 불완전한 SCI 개인에서 반복적인 SitTS 전반에 걸쳐 팔과 다리의 생체역학적 기여를 설명하는 것입니다. 이 연구는 SitTS 운동 전반에 걸쳐 참가자의 팔과 다리, 근육 수행 및 '노력과 피로'에 대한 주관적 감각과 관련하여 생체역학적 분석을 배치합니다.

이전의 많은 SitTS 연구는 활동 ^4,5,6,7의 운동학 및 동역학적 측면을 조사하는 데에만 집중했습니다. SitTS 교육의 더 넓은 맥락에서 계장화된 스탠딩 프레임(SF) 및 포스 플레이트 분석을 포함하는 이 방법의 개발은 연구자들이 뇌졸중, 노인 및 골관절염 환자와 같은 다른 인구 집단의 상지 및 하지 기여도를 모두 평가하도록 이끌 수 있습니다 ^8,9,10. Zoulias et al.의 이전 연구에서는 SF의 계측 맞춤형 하드웨어 및 소프트웨어가 대형 프레임 디자인을 제시했습니다¹¹. 이 방법은 복제하기 어려울 수 있습니다. 따라서 이 SitTS 연구는 기존 모션 분석 실험실 설정으로 다른 연구원이 채택할 수 있는 휴대용 계측 SF를 강조했습니다.

프로토콜

이 원고의 SitTS 행사 및 정보에 입각한 동의는 University of Malaya Medical Center Ethics Committee (2017119-4828)¹²의 윤리적 고려 하에 기술되어 있습니다. 연구 절차는 각 참가자에게 자세히 설명되었으며, SitTS 임상시험을 시작하기 전에 서면 동의서를 받았습니다. 이 연구는 생체 역학적 분석을 사용하여 정량적 데이터를 얻은 반면, 주관적 점수는 피드백 세션(참가자의) 및 오디오 녹음(연구 중 연구자-참가자 상호 작용)에서 얻은 혼합 모드로 수행되었습니다. 이 파일럿 연구는 참가자가 자발적으로 SitTS 운동에서 팔과 다리의 기여도를 FES가 있는 경우와 비교했습니다.

1. 참가자 선정

1. 잠재적인 SCI 참가자와 함께 평가를 수행합니다.
   1. 연구 기간(4일) 및 세션 길이(SitTS: 2시간)를 포함하여 SitTS 프로토콜의 세부 사항을 설명하십시오.
      참고: 자발적 농성은 1일차에 실시되었으며, 이후 2일간 휴식을 취했습니다. 기능적 전기 자극(FES) 보조 SitTS는 다음 날에 계속되고 2일로 정의됩니다.
   2. SCI AIS C(일어설 수 있는 사람)가 있는 남성 또는 여성, 18-60세, 부상 후 12개월 이상을 포함한 잠재적 참가자에게 의료 요구 사항을 설명하고 특정 옷을 입겠다는 의지를 보여줍니다.
      참고: SCI AIS C 참가자는 이 연구에 자원하기 위해 서면 동의서를 제공했습니다. 참가자 1은 남성(45세; 체질량 지수(BMI) 20.32kg/^m2) 및 참가자 2는 여성(49세; BMI 33.54kg/m²). 두 사람 모두 SCI 부상 후 각각 95개월과 33개월이 지났을 때 나타났다. 두 참가자 모두 하지(LE) 근육 등급을 평가했습니다. 참가자 1의 LE 근육 등급은 2(오른쪽)와 4(왼쪽)였습니다. 한편, 참가자 2는 LE 근육 등급이 4이고 양측이¹²였습니다. 두 참가자 모두 몸통 제어가 좋았습니다. 참가자 1은 무릎과 발목 반사가 없는 오른쪽 다리가 이완되어 하부 운동 뉴런 손상을 나타내는 진단을 받았습니다. 그 외에도 그의 오른쪽 다리는 FES에 대한 반응을 보이지 않는 것이 관찰되었습니다.
   3. 연구 중 지침을 완료하지 못하게 하는 의학적 상태를 포함하여 잠재적 참가자에게 제외 기준을 설명합니다. 기타 면제 기준에는 골다공증 및 골절¹², 심장 박동기 또는 기타 이식된 전자 시스템이 있는 참가자, 기존 전기 자극 장치(이식형 제세동기, 심박 조율기 또는 척추 자극)가 있거나 보툴리눔 독소가 있는 참가자가 포함됩니다.

2. SitTS 실험 설정

알림: 이 SitTS 연습에서는 세 가지 매개변수가 기록됩니다. 첫 번째 매개변수는 팔 힘이고 두 번째 매개변수는 다리 힘입니다. 세 번째 매개변수는 대퇴직근 활동을 관찰하는 기계근 조영술(MMG)입니다.

1. 의자 및 SF 설정.
   1. 모션 해석 실험실의 바닥에 내장된 포스 플레이트 1의 치수에 따라 등받이가 없는 높이^{45cm 13,14}의 팔걸이 없는 의자를 설계합니다(그림 1).
   2. 포스 플레이트 1 상단에 의자를 놓습니다.
   3. 각 센서의 감도 범위가^15-0kg 인 경우 SF 다리 바닥에 있는 힘 센서를 사용하여 각 SF 다리를 독립적으로 계측합니다(그림 2).
      참고: SF의 4가지 힘 센서 판독값의 합계 값을 무기력 기여도라고 합니다.
   4. 팔이 닿는 곳에 의자 앞에 휴대용 접이식 SF를 놓습니다¹². 이중 측정을 방지하기 위해 SF의 다리 4개를 포스 플레이트 2 외부에 단단히 배치합니다(그림 1).
2. 모션 해석 설정
   1. 모션 해석 시스템에 참가자의 세부 정보(예: 다리 길이, 발목 너비, 무릎 너비)를 입력합니다.
   2. 2.2.3-2.2.5단계에서 언급한 대로 양면 테이프로 참가자의 하지에 16개의 반사 마커를 붙입니다.
   3. 이 마커를 상부 장골 척추의 양측 전방 및 후방에 직접 부착합니다. 둘째, 왼쪽 무릎과 오른쪽 무릎의 외측 상과에 마커를 부착합니다.
   4. 양측 허벅지와 생크의 측면 표면에 마커를 부착합니다. 다음으로 측면 좌우 연골에 마커를 부착합니다.
   5. 두 번째 중족골두의 왼쪽과 오른쪽에 마커를 부착합니다. 두 번째 중족골두의 같은 높이에 있는 종골에 마커를 부착합니다.
      참고: 반사 마커의 배치는 모션 분석 시스템(¹⁶)의 설정을 기반으로 합니다.
3. 참가자 준비
   1. 참가자에게 무릎을 90°로 구부리고 두 발을 포스 플레이트 2에 놓고 앉도록 지시합니다.
   2. 똑바로 앉은 상태에서 참가자의 머리와 몸통이 앞을 향하도록 합니다. 참가자가 맨발인지 확인하십시오.
   3. SF의 손잡이에 손을 얹습니다.
   4. 허벅지의 중간 및 부피가 큰 부분을 촉진하여 대퇴직근을 식별합니다.
   5. 대퇴직근의 허벅지 부위에 두 개의 MMG 센서를 다리당 하나의 MMG로 양측으로 배치하여 다리 근육의 기복 및 서기 및 서기 노력을 정확하게 측정합니다¹².
   6. 양면 테이프로 센서를 고정합니다. 허벅지 주위에 MMG 센서를 묶어 모션 아티팩트^{줄이기 12}.
   7. MMG 센서를 MMG 장치와 컴퓨터에 연결합니다.

3. SitTS 프로토콜

1. 1일차: 자발적인 SitTS 운동을 합니다.
   참고: 참가자들은 SF의 도움을 받아 반복적인 SitTS 이벤트를 수행하도록 지시받았습니다.
   1. 실험을 시작하기 전에 선택한 매개변수를 기록하기 위해 모든 설정을 켜야 합니다.
      알림: 기록된 매개변수는 상지 기여에 대한 힘 센서, 하지 기여에 대한 힘 플레이트, 대퇴직근 활동에 대한 MMG 데이터입니다.
   2. 참가자에게 전자 타이머로 측정된 5초의 카운트다운이 끝날 때 고정된 앉은 자세에서 일어서도록 요청합니다.
   3. 참가자를 3초 동안 서 있게 한 다음 의자에 다시 앉습니다.
   4. 참가자에게 5초 동안 휴식을 취하도록 요청합니다.
      참고: 이것은 시험 사이의 휴식 간격입니다.
   5. SitTS 시도를 계속합니다(참가자가 더 이상 동일한 루틴을 수행할 수 없을 때까지 3.1.2 및 3.1.4단계를 반복).
   6. 녹음된 모든 데이터를 끕니다.
   7. 그런 다음 참가자에게 SitTS 루틴의 다음 세트를 계속하기 전에 5분 동안 휴식을 취하도록 요청합니다. 세트 사이에 5분의 휴식을 취하여¹⁷세트 사이에 근육 회복을 제공합니다.
   8. 다른 두 세트에 대해 3.1.1-3.1.7단계를 반복합니다.
   9. 참가자가 최소 48시간 동안 휴식을 취하도록 합니다.
2. 2일차: FES 보조 SitTS 운동을 수행합니다.
   참고: 참가자들은 SF와 FES의 도움을 받아 반복적인 SitTS 이벤트를 수행하도록 지시받았습니다.
   1. FES 전극을 대퇴사두근과 대둔근에 놓는다¹⁸.
   2. 대퇴사두근의 경우 첫 번째 전극을 무릎 위 약 두 손가락 너비에 수평으로 놓습니다. 두 번째 전극을 고관절 아래 손바닥 너비 정도에 수평으로 위치시킵니다.
   3. 대둔근의 경우 참가자에게 앞으로 구부리고 첫 번째 전극을 엉덩이 뼈에 가장 가까운 수직으로 배치하도록 요청합니다. 첫 번째 전극에서 나란히 꼬리뼈에 가장 가까운 수직으로 두 번째 전극을 부착합니다.
   4. 모든 FES 전극을 FES 장치에 연결하고 컴퓨터의 FES 소프트웨어에 연결합니다.
   5. 펄스 폭 300과 주파수 35Hz를 선택하여 FES 소프트웨어를 설정합니다.
   6. 참가자에게 무릎 및 고관절 확장⁷을 달성하기 위해 주어진 전류를 견딜 수 있는지 물어 FES 전류 강도를 정의합니다. 실제 시험을 시작하기 전에 여러 가지 방법을 통해 FES 전류 진폭을 결정합니다.
      알림: 표 1 은 보조 FES SitTS 세션 동안 참가자가 선택한 근육으로 자극된 FES 전류를 보여줍니다.
   7. 실험을 시작하기 전에 선택한 매개변수를 기록하기 위해 모든 설정을 켜야 합니다.
   8. 참가자에게 전자 타이머로 측정된 5초의 카운트다운이 끝날 때 고정된 앉은 자세에서 일어서도록 요청합니다. 카운트다운이 끝나면 FES를 켭니다.
   9. 참가자를 3초 동안 일어서게 합니다. 그런 다음 FES를 끄고 참가자를 의자에 앉히십시오.
   10. 참가자에게 5초 동안 휴식을 취하도록 요청합니다.
   11. SitTS 시도를 계속합니다(참가자가 더 이상 동일한 루틴을 수행할 수 없을 때까지 3.2.7-3.2.10단계를 반복).
   12. 녹음된 모든 데이터를 끕니다.
   13. 그런 다음 참가자에게 SitTS 루틴의 다음 세트를 계속하기 전에 5분 동안 휴식을 취하도록 요청합니다.
   14. 다른 두 세트에 대해 3.2.7-3.2.13단계를 반복합니다.

4. 데이터 수집 및 분석

1. 팔 힘 기여도
   1. 힘 센서의 모든 원시 데이터를 오프라인 분석을 위해 컴퓨터의 통합 문서 파일로 추출합니다.
2. 다리 힘 기여
   1. 모션 해석 소프트웨어에서 SitTS 운동학 및 운동학의 원시 데이터를 분석합니다. 오프라인 분석을 위해 힘 플레이트 데이터 및 무릎 각도 데이터를 컴퓨터의 통합 문서 파일로 추출합니다.
      참고: 포스 플레이트 데이터는 다리 힘 기여도를 나타냅니다.
3. 대퇴직근의 MMG
   1. 오프라인 분석을 위해 두 개의 수집 장치와 생체 근근 소프트웨어를 사용하여 대퇴직근의 원시 MMG 데이터를 추출하고 워크북 파일에 저장합니다.
      참고: MMG 신호는 2kHz의 샘플링 속도로 진동 근전도 센서에 의해 기록되었습니다. 20 Hz와 200 Hz 사이의 유한 임펄스 응답 대역-통과 필터는 근육 노력 평가⁽¹⁹)를 위해 제조업체에 의해 권장된 바와 같이 MMG 신호의 원시 데이터를 중계하고 변환하는데 사용되었다. 모든 시도에 대해 모든 데이터 세트를 정규화한 다음 SitTS 운동의 전체 주기로 동기화했습니다. 자발적 SItTS 운동과 FES 지원 SItTS 운동 사이의 평균 시간에 상당한 차이를 관찰하기 위해 독립적인 샘플 t-검정을 수행했습니다.

5. 피드백 세션

1. 피드백 세션 중에 오디오를 녹음합니다(연구자-참가자 상호 작용).
2. 1일차와 2일차에 SitTS를 수행하는 동안 참가자들이 경험한 안정성과 피로에 대해 4가지 질문을 합니다.
   참고: 이 섹션에서 참가자들은 안정성을 SitTS 이벤트에서 가장 높은 균형으로 해석했습니다. 가장 높은 균형은 선택한 이벤트를 가장 오래 유지할 수 있을 때 달성되었습니다. 한편, 피로감은 '피곤함'을 느끼는 것으로 나타났으며, 이는 SitTS 운동 중 가장 낮은 성과를 내는 것으로 나타났다.
3. 오디오를 수집하고 전사합니다.

결과

총 399건의 SitTS 임상시험과 463건의 SitTS 임상시험이 FES의 도움 없이 완료되었다. 각 세트에 기여한 시행은 표 2에 표로 정리되어 있다. 참가자들은 다리에 전기 자극, 즉 FES가 있는 상태에서 더 많은 SitTS 시험을 수행할 수 있습니다. 전반적으로, 두 참가자 모두 FES의 도움으로 더 많은 SitTS 시험을 수행할 수 있었습니다. 이는 FES가 참가자의 대퇴사두근을 자극하여 장기간에 걸쳐 SitTS 동작을 실행하는 데 도움이 됨을 시사한다²⁰. 이 연구에는 세 가지 단계의 SitTS가 설명되었습니다. 1단계는 움직임의 시작과 함께 시작되어 엉덩이가 좌석을 떠날 때 지속되었습니다. 2단계는 엉덩이가 최대 고관절 굴곡 이벤트까지 좌석을 떠나는 시간을 말합니다. 3단계는 고관절 신전의 시작부터 동작이 끝날 때까지 지속됩니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 각 단계는 1단계에서 23% ± ...

토론

현재 연구는 SitTS 운동 중 SCI 개인의 체중 기여도를 입증했습니다. 이 연구는 SF를 하반신 마비 환자가 성공적인 SitTS 주기를 수행하기 위한 필수 보조 장치로 제시했습니다. 더욱이, 군비도 평가할 수 있도록 계측 SF가 개발되었다²⁸. MMG의 적용은 연구원들이 SitTS 성능을 더 잘 이해하는 데 도움이 되는 주요 SitTS 근육을 관찰하기 위해 연구에 추가되었습니다. 또한 피드백 세션을 통해 연구자들은 SitTS 연구의 정량적 데이터 증거를 뒷받침하는 주관적 느낌에 대한 통찰력을 얻을 수 있었습니다.

대표적인 결과는 교정 프로세스가 발생하기 전에 발에 존재했던 제거된 힘을 나타내는 다리 힘의 음의 크기를 보여주었습니다(그림 8). 이 SitTS 프로토콜은 운동 초기 단계에서 다리의 힘에 대한 음의 값을 생성하는 한계를 해결했습니다. 따라서 연구자들은 향후 유사한 Sit...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
Customade 의자			Customade 의자는 포스 플레이트의 치수를 따르도록 제작되었습니다.
FES RehaStim 2	Hasomed		근육 쪽으로 전류를 자극할 수 있는 장치.
FlexiForce A201	Tekscan, Inc., USA	힘 범위: 0-100lbs. (440N)	힘 센서는 스탠딩 프레임에서 팔의 힘을 포착하는 데 사용됩니다.
접이식 스탠딩 프레임		높이: 70.0cm - 90.0cm.	현지 의료회사에서 구입한 보행 보조기.
모션 분석	Vicon Oxford, UK		활동의 운동학 및 운동학을 기록하는 시스템입니다.
직렬 포트 터미널 응용 프로그램	CoolTerm	버전 1.4.6; Roger Meier의	힘 센서 데이터를 기록하는 응용 프로그램.
진동 근학 소프트웨어	BIOPAC System Inc., USA	AcqKnowledge 4.3.1	원시 MMG 데이터를 기록하고 스트로어하는 소프트웨어입니다. 또한 오프라인 분석에도 사용됩니다.
VMG 트랜스듀서 및 BIOPAC 진동 근촬영 시스템	BIOPAC System Inc., USA	BP150 및 HLT100C	근육 활동을 측정하는 장치.