Kwantyfikacja wkładu rąk i nóg podczas powtarzających się elektrycznie wspomaganych ćwiczeń z pozycji siedzącej i stojącej u osób z paraplegią: badanie pilotażowe
11 listopada 2022
Wkład ramion w Sit-To-Stand (SitTS) zależy od stanu mięśni nóg. Odkryto kilka strategii kompensacyjnych w celu osiągnięcia pełnych cykli SitTS. Odkrycia te triangulują pomiary biomechaniczne osób z urazem rdzenia kręgowego (SCI) z ich subiektywnym poczuciem obciążenia przenoszonego przez obie kończyny podczas podejść SitTS.
Protokół ten przedstawia odpowiednie wytyczne, wyjaśniając podstawowe części i sposób ich przeprowadzania podczas przeprowadzania eksperymentu z pozycji siedzącej do stojącej z pomocą podparcia ramion i funkcjonalnej stymulacji elektrycznej. Ta technika pomaga zarządzać złożonością posiadania kilku ustawień, w tym oprzyrządowania ramy stojącej, funkcjonalnej stymulacji elektrycznej i mechanomiografii. Ta metoda może mieć zastosowanie w innych populacjach, które wymagają ustawienia pozycji siedzącej do stojącej ze wspomaganiem ramion.
Procedurę zademonstruje Khairul, asystent w obsłudze konfiguracji MMG i FES. Adhli, asystent w konfiguracji Vicon, i Musfirah doktorantka pod nadzorem dr Nur Azah Hamzaid. Rozpocznij eksperyment z siedzeniem i staniem, ustawiając krzesło i stelaż.
W tym celu należy zaprojektować krzesło bez podłokietników o wysokości 45 centymetrów bez oparcia zgodnie z wymiarem płytki siłowej 1 wbudowanej w podłogę laboratorium analizy ruchu. Następnie oprzyrząduj każdą nogę SF na dole niezależnym czujnikiem siły o zakresie czułości od 0 do 12 kilogramów. Umieść przenośny i składany SF przed krzesłem w zasięgu ręki i umieść cztery nogi SF na zewnątrz płyty siłowej 2, aby uniknąć podwójnych pomiarów.
Aby skonfigurować analizę ruchu, wprowadź do systemu dane uczestnika, takie jak długość nóg, szerokość kostki i szerokość kolan. Następnie umieść 16 odblaskowych znaczników na kończynach dolnych uczestnika za pomocą taśmy dwustronnej bezpośrednio nad obustronną, przednią i tylną częścią górnego odcinka biodrowego kręgosłupa. Przymocuj marker na bocznej powierzchni obustronnego uda i podudzia oraz na bocznej lewej i prawej kostce.
Następnie umieść znaczniki po lewej i prawej stronie drugiej głowy śródstopia oraz na kości piętowej na tej samej wysokości drugiej głowy kości śródstopia. Po zakończeniu poinstruuj uczestnika, aby siedział boso, z kolanami zgiętymi pod kątem 90 stopni i obiema stopami ustawionymi na płycie siłowej 2. Upewnij się, że głowa i tułów uczestnika są skierowane do przodu podczas siedzenia w pozycji pionowej.
Po umieszczeniu rąk uczestnika na uchwycie SF, zidentyfikuj mięsień prosty uda, dotykając palpacyjnie środkowej i masywnej części uda, a następnie umieść jedną mechanomyografię lub czujnik MMG na nogę w obszarze uda mięśnia prostego uda obustronnie, aby zmierzyć wysiłki mięśni nóg w pozycji siedzącej i stojącej. Zabezpiecz czujniki taśmą dwustronną i przymocuj czujniki wokół uda, aby zmniejszyć artefakty ruchu przed podłączeniem do urządzenia MMG i komputera. Pierwszego dnia wykonaj dobrowolne ćwiczenie z pozycji siedzącej i stojącej, włączając wszystkie ustawienia, aby rejestrować wybrane parametry.
Pod koniec pięciosekundowego odliczania czasu odmierzanego przez elektroniczny zegar poproś uczestnika, aby wstał z nieruchomej pozycji siedzącej na trzy sekundy, zanim usiądzie z powrotem na krześle. Po odpoczynku pięciu sekund kontynuuj próby z pozycji siedzącej do stania, aż uczestnik nie będzie już w stanie wykonywać tej samej rutyny. Po zakończeniu wyłącz wszystkie zarejestrowane dane.
Zrób pięciominutową przerwę przed kontynuowaniem następnej serii rutyny z pozycji siedzącej do stojącej, aby zapewnić regenerację mięśni między seriami. Po zakończeniu badania pozwól uczestnikowi odpocząć przez co najmniej 48 godzin. Drugiego dnia umieść funkcjonalne elektrody do stymulacji elektrycznej na mięśniach czworogłowych uda i pośladkowych wielkich, aby wykonać ćwiczenie z pozycji siedzącej i stojącej wspomagane przez FES.
W przypadku mięśnia czworogłowego uda umieść pierwszą elektrodę poziomo około dwóch szerokości palców powyżej kolana, a drugą elektrodę poziomo na szerokość dłoni poniżej stawu biodrowego. W przypadku mięśnia pośladkowego wielkiego poinstruuj uczestnika, aby schylił się do przodu, aby umieścić pierwszą elektrodę pionowo, najbliżej kości biodrowej, a drugą elektrodę przymocować pionowo, najbliżej kości ogonowej, obok pierwszej elektrody. Gdy elektrody są na swoim miejscu, podłącz wszystkie elektrody FES do urządzenia FES i podłącz je do oprogramowania FES w komputerze.
Skonfiguruj oprogramowanie FES, wybierając szerokość impulsu 300 i częstotliwość 35 Hz. Aby określić natężenie prądu FES, zapytaj, czy uczestnik toleruje prąd, aby osiągnąć wyprost kolan i bioder. Określ amplitudę prądu FES za pomocą kilku ćwiczeń przed rozpoczęciem właściwego badania.
Następnie rozpocznij eksperyment zgodnie z wcześniejszym opisem, włączając FES, gdy uczestnik wstaje i wyłączając FES, aby uczestnik mógł usiąść z powrotem na krześle. Powtórz próbę w zestawach i zbierz dane. Podczas akcji z pozycji siedzącej do stojącej w obu sesjach, procent ramion uczestnika 1 wykazał większy udział w procentowym udziale w całkowitej masie ciała w porównaniu z procentem nóg.
U uczestnika 1 stymulacja elektryczna nie była w stanie zapewnić pełnego wyprostu w prawym kolanie podczas końcowej fazy rutyny z pozycji siedzącej do stojącej. Prawy kąt kolana nie osiągnął normalnego zakresu ruchu wyprostu kolana. Natomiast uczestniczka 2 wywierała większą siłę na nogi, aby udźwignąć cały ciężar ciała, z większym udziałem procentu nóg w końcowej fazie dobrowolnej rutyny z pozycji siedzącej do stojącej.
Ponadto, podczas ostatniego zestawu dobrowolnej rutyny z pozycji siedzącej do stojącej, uczestnik 2 wykazywał mniejszy kąt kolana we wczesnej fazie ruchu. Podczas zdarzenia B, kiedy zainicjowano podnoszenie pośladków, zaobserwowano, że uczestnik 1 zwiększa siłę ramienia, aby podnieść górną część ciała z krzesła. Tymczasem w przypadku uczestnika 2 maksymalny wkład ramion został wykryty podczas zdarzenia B, dla rutyny z pozycji siedzącej i stojącej wspomaganej przez FES.
Każdy krok w tej procedurze jest ważny i należy go wykonać zgodnie z opisem. Należy jednak pamiętać, że może istnieć elastyczność, szczególnie w początkowej postawie uczestnika. Jakościowa informacja zwrotna może być dodana w celu zmierzenia opinii i poglądów dotyczących rutyny od siedzenia do stania, stabilności i zmęczenia z perspektywy uczestnika.
Dodając tę metodę, naukowcy będą mogli lepiej zrozumieć zachowanie techniki "z pozycji siedzącej do stojącej" na podstawie uzyskanych wyników ilościowych.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ten protokół opisuje wytyczne dotyczące przeprowadzania eksperymentu z przejściem z siedzenia na stanie, wykorzystującego wsparcie ramienia i funkcjonalną stymulację elektryczną. Podkreśla znaczenie kondycji mięśni nóg oraz strategii kompensacyjnych stosowanych przez osoby z uszkodzeniem rdzenia kręgowego podczas procesu Przejścia z Siedzenia na Stanie (SitTS).
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Rehabilitacja
- Biomechanika
Tło
- Rozumienie roli wsparcia ramienia w SitTS.
- Badanie strategii kompensacyjnych u osób z uszkodzeniem rdzenia kręgowego.
- Zbadanie związku między miarami biomechanicznymi a subiektywną percepcją obciążenia.
- Wykorzystanie funkcjonalnej stymulacji elektrycznej do wspomagania ruchu.
Cel badania
- Aby zademonstrować konfigurację i wykonanie eksperymentu z przejściem z siedzenia na stanie.
- Aby ocenić wpływ pomocy ramienia na wyniki SitTS.
- Aby zapewnić wgląd w biomechanikę osób z uszkodzeniem rdzenia kręgowego.
Stosowane metody
- Ustawienie krzesła i rama stojąca dla eksperymentu.
- Wdrożenie funkcjonalnej stymulacji elektrycznej (FES).
- Wykorzystanie mechanomyografii (MMG) do oceny aktywności mięśni.
- Współpraca z asystentami w celu ustawienia i wykonania eksperymentu.
Główne wyniki
- Identyfikacja strategii kompensacyjnych podczas SitTS.
- Korelację między stanem mięśni a wynikami w SitTS.
- Wgląd w subiektywne doświadczenia obciążenia podczas ruchu.
- Demonstracja skutecznego ustawienia eksperymentalnego dla podobnych populacji.
Wnioski
- Wsparcie ramienia znacznie wspiera osoby w wykonywaniu SitTS.
- Funkcjonalna stymulacja elektryczna może poprawić ruch w rehabilitacji.
- Zrozumienie biomechaniki jest kluczowe dla poprawy strategii rehabilitacji.
Często zadawane pytania
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.
