Kwantificering van de bijdragen van armen en benen tijdens repetitieve elektrisch ondersteunde zit-naar-sta-oefeningen bij dwarslaesiepatiënten: een pilotstudie
11 november 2022
De armbijdrage in Sit-To-Stand (SitTS) wordt bepaald door de spierconditie van de benen. Er werden verschillende compenserende strategieën ontdekt in pogingen om volledige SitTS-cycli te bereiken. Deze bevindingen trianguleren de biomechanische metingen van de dwarslaesie (SCI) personen met hun subjectieve gevoel van belasting gedragen door hun beide ledematen tijdens de SitTS-benaderingen.
Dit protocol demonstreert de juiste richtlijnen door essentiële onderdelen uit te leggen en hoe ze worden uitgevoerd bij het uitvoeren van een zit-naar-sta-experiment met behulp van armondersteuning en functionele elektrische stimulatie. Deze techniek helpt bij het beheersen van de complexiteit van het hebben van een paar opstellingen, waaronder de instrumentatie van een staand frame, functionele elektrische stimulatie en mechanomyografie. Deze methode kan van toepassing zijn op andere populaties die de opstelling van zit-naar-sta met armhulp nodig hebben.
De procedure wordt gedemonstreerd door Khairul, een assistent bij het afhandelen van de MMG- en FES-opstelling. Adhli, een assistent in de opstelling van Vicon, en Musfirah, een promovendus onder supervisie van Dr. Nur Azah Hamzaid. Begin het zit-naar-sta-experiment door een stoel en sta-frame te plaatsen.
Ontwerp hiervoor een armloze stoel met een hoogte van 45 centimeter zonder rugleuning volgens de afmeting van een krachtplaat 1 ingebed in de vloer van het bewegingsanalyselaboratorium. Instrumenteer vervolgens elke SF-poot aan de onderkant met een onafhankelijke krachtsensor met een gevoeligheidsbereik van 0 tot 12 kilogram. Plaats een draagbare en opvouwbare SF voor de stoel binnen handbereik en plaats vier poten van de SF buiten krachtplaat 2 om dubbele metingen te voorkomen.
Voor het instellen van bewegingsanalyse voert u de gegevens van de deelnemer, zoals beenlengte, enkelbreedte en kniebreedte, in het systeem in. Plaats vervolgens 16 reflecterende markeringen op de onderste ledematen van de deelnemer met dubbelzijdige tape direct over de bilaterale, anterieure en posterieure van de superieure iliacale wervelkolom. Bevestig de markering over het laterale oppervlak van de bilaterale dij en schacht, en op de laterale linker en rechter malleolus.
Plaats vervolgens markeringen links en rechts van de tweede middenvoetsbeentje en op de calcaneus op dezelfde hoogte van de tweede middenvoetskop. Als u klaar bent, instrueert u de deelnemer om op blote voeten te gaan zitten, met de knieën in een hoek van 90 graden gebogen en beide voeten op krachtplaat 2. Zorg ervoor dat het hoofd en de romp van de deelnemer naar voren wijzen terwijl hij rechtop zit.
Nadat u de handen van de deelnemer op het handvat van de SF hebt geplaatst, identificeert u de rectus femoris-spier door het middelste en omvangrijke deel van de dij te palperen en plaatst u vervolgens één mechanomyografie of MMG-sensor per been op het dijgebied van de rectus femoris-spier bilateraal om de beenspieren te meten zit-naar-sta en staan-naar-zit-inspanningen. Zet de sensoren vast met een dubbelzijdige tape en bind de sensoren om de dij om de bewegingsartefacten te verminderen voordat u verbinding maakt met het MMG-apparaat en de computer. Voer op de eerste dag een vrijwillige zit-naar-sta-oefening uit door alle instellingen in te schakelen om de geselecteerde parameters vast te leggen.
Aan het einde van het aftellen van vijf seconden, getimed door een elektronische timer, vraagt u de deelnemer om drie seconden op te staan vanuit de stilstaande zitpositie voordat hij weer op de stoel gaat zitten. Ga na een rust van vijf seconden door met het doen van zit-naar-sta-proeven totdat de deelnemer niet langer dezelfde routine kan uitvoeren. Als u klaar bent, schakelt u alle opgenomen gegevens uit.
Geef een pauze van vijf minuten voordat je doorgaat met de volgende set van de zit-naar-sta-routine om spierherstel tussen de sets door te bieden. Als de proef voorbij is, laat de deelnemer dan minimaal 48 uur rusten. Plaats op dag twee functionele elektroden voor elektrische stimulatie op de quadriceps- en gluteus maximus-spieren om de FES-ondersteunde zit-naar-sta-oefening uit te voeren.
Plaats voor de quadricepsspier de eerste elektrode horizontaal ongeveer twee vingerbreedtes boven de knie en de tweede elektrode horizontaal ongeveer een handpalmbreedte onder het heupgewricht. Instrueer de deelnemer voor de gluteus maximus-spier om naar voren te buigen om de eerste elektrode verticaal te plaatsen, het dichtst bij het heupbeen, en bevestig de tweede elektrode verticaal, het dichtst bij het stuitje, naast de eerste elektrode. Wanneer de elektroden op hun plaats zitten, sluit u alle FES-elektroden aan op het FES-apparaat en sluit u ze aan op de FES-software in de computer.
Stel de FES-software in door de pulsbreedte van 300 en de frequentie van 35 hertz te selecteren. Om de FES-stroomintensiteit te bepalen, informeert u of de deelnemer de stroom kan verdragen om knie- en heupextensie te bereiken. Bepaal de huidige amplitude van de FES door middel van verschillende oefeningen voordat u met de eigenlijke proef begint.
Start vervolgens het experiment zoals eerder beschreven door de FES aan te zetten terwijl de deelnemer opstaat en de FES uit te schakelen om de deelnemer weer op de stoel te laten zitten. Herhaal de proef in sets en verzamel de gegevens. Tijdens de zit-naar-sta-actie in beide sessies vertoonde het armpercentage van deelnemer 1 een hogere bijdrage aan het totale lichaamsgewichtpercentage in vergelijking met zijn beenpercentage.
Bij deelnemer 1 kon de elektrostimulatie niet zorgen voor een volledige extensie in de rechterknie tijdens de eindfase van de zit-naar-sta-routine. De rechterkniehoek bereikte niet het normale bewegingsbereik van de knie-extensie. Deelnemer 2 oefende daarentegen meer kracht uit op haar benen om het volledige lichaamsgewicht te dragen, met een hogere bijdrage van beenpercentage tijdens de eindfase van de vrijwillige zit-naar-sta-routine.
Bovendien vertoonde deelnemer 2 tijdens de laatste set van de vrijwillige zit-naar-sta-routine een kleinere kniehoek tijdens het vroege stadium van de beweging. Tijdens gebeurtenis B, toen de billen werden opgetild, werd waargenomen dat deelnemer 1 de armkracht verhoogde om zijn bovenlichaam uit de stoel te tillen. Ondertussen werd voor deelnemer 2 de maximale bijdrage van armen gedetecteerd tijdens evenement B, voor FES-ondersteunde zit-naar-sta-routine.
Elke stap in deze procedure is belangrijk en moet worden gevolgd zoals vermeld. Het is echter noodzakelijk op te merken dat er flexibiliteit kan zijn, met name in de beginhouding van de deelnemer. Kwalitatieve feedback kan worden toegevoegd om meningen en opvattingen over de zit-naar-sta-routines, stabiliteit en vermoeidheid vanuit het perspectief van de deelnemer te meten.
Door deze methode toe te voegen, zullen onderzoekers het gedrag van de zit-naar-sta-techniek beter begrijpen met de behaalde kwantitatieve resultaten.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit protocol schetst de richtlijnen voor het uitvoeren van een sit-to-stand experiment met armondersteuning en functionele elektrische stimulatie. Het benadrukt de belangrijkheid van de spierconditie in de benen en compenserende strategieën die individuen met ruggenmergletsel hanteren tijdens het Sit-To-Stand (SitTS) proces.
Belangrijkste Studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Revalidatie
- Biomechaniek
Achtergrond
- Begrip van de rol van armondersteuning in SitTS.
- Onderzoek naar compenserende strategieën bij personen met ruggenmergletsel.
- Onderzoek naar de relatie tussen biomechanische metingen en subjectieve belastingswaarneming.
- Gebruik van functionele elektrische stimulatie om beweging te ondersteunen.
Doel van het Onderzoek
- Om de opstelling en uitvoering van een sit-to-stand experiment te demonstreren.
- Om de impact van armondersteuning op de SitTS prestaties te beoordelen.
- Om inzichten te bieden in de biomechanica van personen met ruggenmergletsel.
Gebruikte Methoden
- Opstelling van een stoel en staande frame voor het experiment.
- Implementatie van functionele elektrische stimulatie (FES).
- Gebruik van mechanomyografie (MMG) voor beoordeling van spieractiviteit.
- Samenwerking met assistenten voor opstelling en uitvoering.
Belangrijkste Resultaten
- Identificatie van compenserende strategieën tijdens SitTS.
- Correlatie tussen spierconditie en prestaties in SitTS.
- Inzichten in de subjectieve ervaring van belasting tijdens beweging.
- Demonstratie van een effectieve experimentele opstelling voor vergelijkbare populaties.
Conclusies
- Armondersteuning helpt individuen aanzienlijk bij het uitvoeren van SitTS.
- Functionele elektrische stimulatie kan beweging verbeteren tijdens revalidatie.
- Begrip van biomechanica is cruciaal voor het verbeteren van revalidatiestrategieën.
Veelgestelde Vragen
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.
