Andning-styrd elektrisk stimulering (BreEStim) för hantering av neuropatisk smärta och spasticitet

Summary

Syftet är att presentera en ny metod, andning-kontroll elektrisk stimulering (BreEStim) för hantering av neuropatisk smärta och spasticitet.

Abstract

Elektrisk stimulering (Estim) avser tillämpningen av elektrisk ström till muskler eller nerver för att uppnå funktionella och terapeutiska mål. Den har använts i stor utsträckning i olika kliniska situationer. Baserat på senaste upptäckterna rörande de systemiska effekterna av frivilliga andning och inre fysiologiska samspelet mellan system under frivillig andning, en ny estim protokoll har Andning-kontrollerad elektrisk stimulering (BreEStim), har utvecklats för att förstärka effekten av elektrisk stimulering. I BreEStim är en enda puls elektrisk stimulans triggas och levereras till målområdet när luftflödet i en isolerad frivillig inspiration når tröskeln. BreEStim integrerar inneboende fysiologiska interaktioner som aktiveras vid frivillig andning och har visat utmärkt klinisk effekt. Två representativa tillämpningar av BreEStim redovisas med detaljerade protokoll: Förvaltning av post-stroke finger flexeller spasticitet och neuropatisk smärta i ryggmärgsskada.

Introduction

Elektrisk stimulering (Estim) avser tillämpningen av elektrisk ström till muskler eller nerver för att uppnå funktionella och terapeutiska mål. Det har i stor utsträckning använts i olika kliniska miljöer, t.ex. transkutan elektrisk nervstimulering (TENS) för smärtlindring ^1, Peroneal nervstimulering för droppfot ^2, neuromuskulär elektrisk stimulering (NMES) för aktivering och förstärkning av förlamade eller försvagade muskler ^3. När NMES används för att uppnå en funktionell uppgift, det kallas funktionell elektrisk stimulering (FES) ^4. Elektromyogram (EMG)-utlöst har neuromuskulär stimulering har använts för att öka effektiviteten av elektrisk stimulering i motor återhämtning ^5-14 och spasticitet minskning efter stroke ^{7, 15.} I detta papper, ett nytt estim protokoll - andas kontrollerat elektrisk stimulering (BreEStim), som infördes, enligt färska forskningsresultat på systemic effekt av frivillig andning ^{16, 17.}

Transkutan elektrisk nervstimulering (TENS) är en icke-farmakologisk modalitet för smärtlindring ^1. TENS är icke-invasiv, billigt, säkert och lätt att använda ^18. TENS vanligen tillämpas på olika frekvenser, intensitet och varaktighet puls av stimuli för en föreskriven behandlingstid. TENS har tillämpats på en rad olika smärttillstånd, inbegripet neuropatisk smärta. Den kliniska effekten av TENS är kontroversiell, särskilt i ryggmärgsskada (SCI) och amputation (se recensioner ^{1, 19, 20).} De möjliga mekanismerna är porten kontroll teorin ²¹ och frisättningen av endogena opioider ^{22, 23.} Akupunktur från traditionell kinesisk medicin är en annan icke-farmakologisk modalitet för smärtlindring. Det har väl i västerländsk medicin ^24. I modern akupunktur, har den traditionella akupunkturnål ersatts av en yta inslagctrode (eller motsvarande). En specialiserad elektrod är plats över traditionella akupunkturpunkter och en elektrisk stimulering levereras. Denna ändring har kallats elektroakupunktur ^{25, 26.} Nål akupunktur och elektroakupunktur är både effektivt i analgesi via frisättningen av endogena opioider ^{27, 28.} Effekten av elektroakupunktur är vanligtvis tillförlitlig, men effekten är beroende på intensitet och frekvens av levererad elektrisk stimulering. Olika frekvenser av elektrisk stimulering genererar olika endogena opioider, och den analgetiska effekten är naloxon-reversibel ^{26, 27.} Nyligen, har man funnit att upprepad smärtsam stimulering (motvilja) leder till betydande smärta dämpning. Den inducerade smärtan dämpning är inte naloxon-reversibel ^29. Integrering av dessa smärta klara mekanismer (akupunktur, elektrisk stimulering, motvilja) till en eventuell ny ingrepp skulle kunna förbättra sin kliniska effektivitet.

5-10, 12-14, 34. Återvinning av handfunktion är viktigt för strokepatienter, och ändå är mycket utmanande. Ungefär en tredjedel av alla människor som upplever en stroke kommer att ha någon kvarvarande försämring av den övre extremiteten ^30-32, med stora funktionsnedsättningar i handfunktion ^33. EMG-utlöst NMES ingripande protokollet innebär initiering av ett frivilligt sammandragning av extensor muskler för en viss rörelse tills muskelaktiviteten når en tröskelnivå. Så snart EMG-aktivitet når ett mål tröskelvärde, börjar en assisterande elektrisk stimulans för att underlätta rörelserna. Detta ingripande protokoll är överlägsen vanliga NMES i motorn återhämtning ^{6, 7.} Chae och Yu ³⁵ uppgav att alla randomiserade kontrollerade studier rapporterade förbättring av rörelseförmågan med detta ingripandeprotokoll, med mild till måttligt nedsatt njurfunktion förbättra mest. Det är mycket troligt att detta ingripande utnyttjar aktivt engagemang av patienter (genom att sätta ett mål EMG tröskel) och detta resulterar i mätbara förändringar i återvinning samt dokumenterade förändringar i hjärnbarken ^{6, 7.} Detta stöds av en nyligen funktionell MRI studie som visade en signifikant ökning i kortikal intensitet i den ipsilaterala somatosensoriska cortex efter behandling i NMES gruppen, jämfört med kontrollgruppen ^36. Dessutom kan elektrisk stimulering hjälper också till att minska spasticitet efter stroke ^{7, 15,} men effekten är kortvarig, ca ³⁰ min efter Estim ^37. Däremot har vår senaste uppfinning av andning-kontrollerad elektrisk stimulering (BreEStim) en långvarig effekt på spasticitet minskning, även efter en enda session av behandling ^16.

Mänsklig andning är en mycket unik motor handling. Denkan styras reflexmässigt (automatisk andning), t.ex. under sömn, och även frivilligt när det behövs (frivillig andning), t.ex. sång, tal, etc. Under frivillig andning, människor behöver frivilligt undertrycka autonom kontroll av andning genom frivilliga kortikal aktivering ( den "kortikala andningscentrum") ^{38, 39.} Hjärnavbildning studier ^40-51 har visat en omfattande andningsrelaterade engagemang kortikala områden bilateralt, inklusive den primära motoriska cortex (M1), den premotor cortex, den kompletterande motorn området, primära och sekundära somatosensoriska cortex, den isolering, främre cingulate cortex och amygdala, samt den dorsolaterala prefrontala cortex. Den isolering är känd för att ha starka kopplingar till hjärnstammen center och är involverad i smärta behandling ^52. Under autonom andning, är inspiration aktiv medan utgången är passiv, främst förlita sig på rekyl kraft bröstkorgen. Likaså, viljemässigainspiration aktiverar fler andningsrelaterade kortikala och subkortikala områden jämfört med viljemässiga utgångsdatum ^46. Dessa kortikala och subkortikala områden aktiveras under frivilliga andning också är involverade i olika funktioner ^53, såsom muskeltonus, smärta, hållning, humör, tal, etc. Därför är det inte orimligt att associera interaktioner att andas med modulering av andra funktioner.

Nyligen har vi upptäckt att det finns interaktioner mellan andnings-och motor under frivillig andning. Närmare bestämt är det ett finger extension-inspiration koppling ^{16, 54-56.} När elektrisk stimulering levereras till fingret extensorer under inandningsfasen av frivillig andning, en långvarig effekt av minskad finger flexor spasticitet (muskeltonus) i kronisk strokepatient observeras ^16. I en annan ¹⁷ studie, skytte fantomsmärta i en patient med en över-the-knee amputation försvann efter BreEStim behandling, men åter dök ²⁸ dagar senare efter att ha fått en varaktig elektrisk stimulering av misstag. Denna fallstudie ger en unik möjlighet att förstå att den affektiva komponenten av skadliga stimuli av neuropatisk smärta (skytte fantomsmärta) har ändrats genom BreEStim behandling, men sedan åter utlöses av en oavsiktlig stimulering. Dessa observationer av ton och smärtlindring har visat att frivilliga andning, inspiration i synnerhet skulle kunna integreras i en elektrisk stimulering paradigm för att förbättra dess effektivitet i neuropatisk smärtlindring och efter stroke spasticitet ledning.

Case Presentationer

Fall 1: efter stroke Spasticitet Ledning

Patienten var en 69 år gammal man som hade rätt hemiplegi sekundärt till en stroke 22 månader sedan. Han var medicinskt stabil och hade skrivits ut från öppenvården fysiskt och yrkespational terapi program. Inga hjärnröntgen resultat var tillgängliga vid tidpunkten för experiment. Han hade svaghet på sin högra sida men kunde gå självständigt utan hjälpmedel. Han hade rest frivilligt finger böjning och sträckning, men med begränsad aktiv rörelseomfång på hans högra metakarpofalangeala (MCP) lederna, från 90 ° till 70 ° av MCP böjning, dvs inte kan tillräckligt öppna sin hand och fingrar för funktionell användning. Muskeltonus i sitt högra pekfinger flexors var måttligt ökade. Modifierad Ashworth Scale (MAS) var 1 +. Känsla av hans högra hand och fingrar var dock intakt till lätt beröring. Han fick ungefär en 30-min BreEStim till finger extensorer. Hans finger flexor spasticitet minskade till minimum (MAS = 0) och frivilliga finger förlängning blev nästan normal direkt efter behandlingen. Denna patient återfick sin hand funktion. Han rapporterade att han kunde skära kött med en kniv och skjortor knapp med sin nedsatt handfunktion. More slående behöll återhämtningen minst 8 veckor under uppföljningsbesök (figur 1).

Fall 2: neuropatisk smärtlindring

Patienten var en 40 år gammal man som drabbats av en ryggmärgsskada 4,5 år sedan i en trafikolycka, vilket resulterar i T8 ASIEN en ryggmärgsskada. Patienten klagade över neuropatisk smärta vid skada, medan han hade inga andra aktiva medicinska frågor. Han hade varit stabil på en smärta ordning för 2 veckor före behandlingen. Han fick Estim (en session per dag under fem dagar i följd) först, väntade 1 vecka som en wash-out och sedan fick BreEStim med samma dos (en session per dag under 5 dagar i följd). Varje behandlingstillfälle bestod av 120 stimuli (Estim eller BreEStim). Ytelektroder placerades på akupunkturpunkter (Neiguan och Weiguan) i högra underarm. Ändrad visuell analog skala (mVAS) användes för att jämföra effekten av varje insats (Estim och BreEStim). Som shown i figur 2 hade BreEStim en större effekt smärtlindring än Estim, med undantag för Dag 2 under BreEStim när patienten hade en urinvägsinfektion (UVI), som framgångsrikt behandlas med antibiotika. Intensiteten av elektrisk stimulering var likartad mellan Estim och BreEStim (figur 2). Han tolererade båda interventioner väl (maximal effekt intensitet från stimulatorn användes), även under UVI. Under hela försöksperioden (4 veckor), underhålls motivet samma dos och schema för smärtstillande medel. Både BreEStim och Estim sessioner behandling utfördes vid samma tidpunkt på dagen (mellan 11 till middagstid) kan sådana att förändringar i smärtan betyg möjligen tillskrivas stimulering effekter och inte dygnsvariation.

Protocol

Följande BreEStim protokoll kan tillämpas för både finger flexor spasticitet och neuropatisk smärtlindring. Den största skillnaden ligger i ytan elektrodplacering och justering av stimulering intensitet. Dessa skillnader förklaras i detalj för varje applikation.

1. Ämne Förberedelse och inställning

1. Seat ämnet bekvämt. Placera armar och händer bekvämt på behandlingsbordet.
2. Identifiera och lokalisera området av intresse för utanpåliggande elektrodplacering.
   1. För spasticitet hantering palpera muskler mage finger extensorer och bekräfta med elektrisk stimulering.
   2. För smärtlindring, lokalisera akupunkturpunkter i Neiguan och Weiguan på underarmen ²⁴ ipsilaterala vid sidan av intresse, t.ex. amputation ^17, eller på sidan med fler symtom, t ex SCI. Neiguan ligger ca 3-finger bredd ovanför handleden veck på volara sidan ettd i mitten mellan mediala och laterala styrelser underarmen (dvs. distalt 1/6 av underarmen) ²⁴ (Figur 3). Weiguan är motsvarigheten till Neiguan, som ligger i den dorsala aspekten av underarmen ^24.
3. Trimma varje självhäftande elektrod till ungefär en 2 cm x 2 cm torget för att ge fokus och isolerade elektrisk stimulering.
   1. För spasticitet företagsledning, katoden över fingret extensor muskler mage (Figur 4). Fäst anoden till en plats 1 ~ 2 cm distalt till katoden. Optimera platser för anod och katod vid framkallar det största och isolerade insatser finger förlängning med en minimal handled svar.
   2. För smärtlindring, placera katodelektroden på Neiguan och anodelektroden på Weiguan.
4. Anslut ytelektroder till den elektriska stimulatorn (Digitimer DS7A, Storbritannien, www.digitimer.com ).
5. Placera och säkra ansiktsmask. Välj storlek på ansiktsmask försiktigt för att passa individens ansikte för att förhindra luftläckage och ge komfort masken (Figur 5).
6. Anslut facemask till ett pneumotach-system (serie 1110a, Hans Rodolph Inc, Kansas City, Missouri, http://www.rudolphkc.com ).

2. Instruktion om frivilligt andning

Frivillig andning, särskilt frivillig inandning, spelar en avgörande roll i detta ingripande. Frivillig inandning definieras som effortful djup och snabb inandning. Instruera föremål för att ta en enda isolerad djupt andetag, liknande rutinmässiga djupa andetag, men snabbare och starkare. Det finns ingen anledning att utföra frivilligt utandning före tvingad inhalering i en andningscykel. Låt motivet att ha 8 ~ 10 praxis försök att förstå instruktionerna.

3. Elektrisk stimulering SettiNGS

1. Fastställa en enhetlig elektriska impulser som en enda kvadrat-våg puls med 0.1ms varaktighet. Intensiteten av elektrisk stimulering är olika för olika tillämpningar. Eftersom en enda elektrisk stimulans levereras varje gång, finns det inget behov att ställa frekvensparameter.
2. För spasticitet hantering bestämma intensiteten av elektrisk stimulering när 1) isolerade finger förlängning svar framkallas med minimal inblandning av handleden svar, 2) den högsta nivå som ämnet kunde tolerera. Den absoluta storleken på stimulering intensitet kan vara olika för olika ämnen. Uppmuntra den högsta intensitet som ämnet kunde tolerera att uppnå bästa resultat.
3. För smärtlindring, låt motivet för att bestämma inkrementella förändringar av stimuleringen intensitet. Utgångspunkten intensitet är noll. Den högsta nivån är den maximala produktionen av stimulatorn eller nivån motivet kunde tolerera. Men uttryckligen instruera deltect att obehag eller painfulness även "motvilja" av elektrisk stimulering är en del av behandlingen, och därför uppmuntrar motivet för att välja den högsta nivå som ämnet kunde tolerera.

4. Kontroll av elektrisk stimulering

1. Skriv en anpassad LabView (National Instrument, Austin, TX) för att styra leverans av elektrisk stimulering på två sätt: BreEStim och Estim.
2. Andning-styrd elektrisk stimulering (BreEStim) (Figur 6):
   1. Bestäm toppen luftflöde under frivillig inandning, dvs under den djupaste och snabb inandning.
   2. Bestäm tröskeln som är 40% topp luftflöde. Att notera, ställa tröskelvärdet högre än luftflödet under normal andning för att uppmuntra djupare och snabbare frivillig andning.
   3. Ställ sedan in avtryckaren funktionen. När det momentana luftflöde av en isolerad frivillig inandning når eller över tröskeln, the LabView-programmet utlöser och levererar en elektrisk stimulans med förinställd varaktighet och intensitet ^16. Låt motivet att vila på begäran.
3. Slumpmässigt utlöst elektrisk stimulering (Estim):
   1. Låt motivet andas normalt utan specifika instruktioner om att andas.
   2. Det LabView-programmet ger slumpmässigt en enda elektriska impulser med förinställd varaktighet och intensitet var 4 till 7 sek. Likaså kan motivet att vila på begäran.

5. Dos av BreEStim

Det rekommenderas att varje session behandling har 100 till 120 BreEStim stimuli. Den varar cirka 30-40 minuter.

6. Registrering och övervakning

1. Kontrollera att det inte finns någon luft läckage från ansiktsmasken, eftersom frivillig inandning spelar en viktig roll i detta protokoll.
2. Övervaka tecken på hypoxemi och hyperventilering när motivet bär ansiktsmask. Allåg vila på patientens begäran för detta ändamål.
3. Spela några biverkningar, tolerans av frivillig andning genom en ansiktsmask, och eventuella psykosociala effekter.
4. För smärtlindring, registrera en minskning av smärta, dvs visuella analoga poäng (VAS) ⁵⁷ och varaktighet av effekten. Använd de ändrade VAS (mVAS) för att ytterligare kvantifiera effekten av smärtlindring, dvs hur mycket smärta minskar och hur länge den varar (minskning × timmar). Också ange den genomsnittliga intensiteten för varje session, eftersom intensiteten av elektrisk stimulering varierar under varje session av behandlingen.
5. För spasticitet hantering registrera Modified Ashworth Scale (MAS) värde av målet muskler och andra kliniska mätningar, inklusive styrka, känsla och rörelseomfång.

Representative Results

Andning-styrd elektrisk stimulering (BreEStim) har visat utmärkt klinisk effekt i förvaltningen av neuropatisk smärta hos ryggmärgsskada och efter stroke finger flexor spasticitet. Spasticitet minskning efter BreEStim behandling beror på hur allvarligt förbehandling förhållanden. Såsom visas i figur 1, har fingret flexor spasticitet kraftigt minskas efter BreEStim behandling. Finger flexor spasticitet har minskat från MAS 1 + till minimum (MAS = 0). Patienten kan öppna sin hand och fingrar för funktionell användning. Det är viktigt att notera att andra patienter inte kan ha samma grad av spasticitet minskning och funktionell förbättring. I en patient med svår finger flexor spasticitet (MAS = 3) och utan kvarstående frivilliga finger förlängning (såsom visas i fig. 4), var fingret flexor spasticitet reduceras till MAS = 1. Detta gör det lättare för patienten att ligga fingrarna, men inte återställer funktionell användning av hennes hektarnd.

BreEStim visar också bättre och längre smärtlindring effekter. Figur 2 visar att med liknande intensitet elektrisk stimulering, har BreEStim bättre utfall än vanlig elektrisk stimulering. Däremot har BreEStim inte påverka smärtupplevelse Dag 2 när patienten hade en urinvägsinfektion. Detta tyder på att BreEStim har någon effekt på smärtlindring när smärtan är skam av infektion.

Frivillig andning spelar en nyckelroll i BreEStim. Det är viktigt att välja en ansiktsmask som passar patienten (fig. 5) för att förhindra luftläckage. Luftflödet är relativt låg under normal andning (1,6 liter / sek, figur 6). Kraftfull frivillig inandning skulle kraftigt öka luftflödeshastigheten (ca 8 liter / sek). Placering av ytelektroder är också viktigt. Som beskrivs i detalj och visas i Figur 3 och Figur 4, placering för smärtaoch spasticitet förvaltning är annorlunda. Det är nödvändigt att notera att platsen för muskel buk finger extensorer kan förändras som en följd av atrofi, missbildning efter stroke.

Figur 1. Jämförelse av handen kroppshållning före och efter BreEStim. Den strokepatient kan öppna handen efter BreEStim.

Figur 2. Jämförelse av BreEStim och Estim effekter på smärtlindring.

Figur 3. Placering av Neiguan. Observera är Waiguan motsvarigheten till Neiguan pådorsala aspekten av underarmen.

Figur 4. Placering av ytelektroder på finger extensorer.

Figur 5. En patient under BreEStim. Ytelektroder placeras på Neiguan och Waiguan.

Figur 6. Realtid mätning av luftflödet under frivillig inspiration och vila inspiration. Observera att luftflödet är mycket högre under frivillig inspiration än vila inspiration. Det är anmärkningsvärt att patientens andning avbrötsgenom elektrisk stimulering.

Discussion

Andning-styrd elektrisk stimulering (BreEStim), som visas i ovanstående två fall har visat klinisk effekt i spasticitet ledning och efterföljande handfunktion återhämtning i kronisk strokepatienter ^16, samt förvaltning av neuropatisk smärta av centralt ursprung i ovanstående patienten med en ryggmärgsskada eller perifer ursprung hos en patient med ovan-the-knee amputation ^17. Denna förbättrade kliniska resultat och bredare kliniska tillämpningar av BreEStim tillskrivs sin unika metod. Intervention med elektrisk stimulering riktad till den korta fönstret av frivillig andning förknippad-kortikal och subkortikala aktivering ^40-51 kan öka dess kliniska effekt genom inneboende fysiologiska koppling, t.ex. respiratoriska-motor koppling för spasticitet befattningshavare ^16. I detta ingripande blir frivillig andning kritisk, särskilt frivillig inspiration. Utbildning för patienter på rätt andningsteknik och noggrann mätning av andning parametrar (t.ex. ingen luft läckage) är åtgärder för att förhindra fel på BreEStim ingripande.

Den nya insatser protokollet - BreEStim, har några fördelar, förutom bättre effekt och bredare program.

BreEStim är patientnära. BreEStim uppmuntrar aktivt engagemang av patienter eftersom frivillig andning krävs ^17. Patienterna känner att de aktivt deltar i hanteringen sin smärta, snarare än "en passiv deltagare i sin egen vård". Exempelvis styr patienten intensiteten av elektrisk stimulering, från noll till den högsta nivån som patienten kunde tolerera ^17. Detta kan öka sin behandling efterlevs. EMG-utlöst Estim innebär också aktivt deltagande ^36, men patienten kan inte styra intensiteten av elektrisk stimulering.

ntent "> BreEStim tar en integrativ, systemaspekter. Som visats i en tidigare studie ^17, olika smärta anpassningsmekanismer är integrerade i ett protokoll, inklusive elektrisk stimulering, akupunktur, aversiv stimulans och de systemiska effekterna av frivilliga andning. Som sådan patienter kan tolerera höga nivåer av elektrisk stimulering, vilket leder till förbättrade smärtstillande effekter. Med detta integrerande, systemaspekter, vissa signaler frivillig andning sådan positiv feedback loop (aktivering av belöningssystem) resulterar i ökad klinisk effektivitet. skulle också kunna användas för att identifiera tidsfönstret för interaktioner mellan systemen. Som sådan skulle BreEStim tillämpas på patienter med svår spasticitet. Dessa patienter är oftast inte kan utföra frivilliga kontraktion, vilket "rena" EMG signaler från utvalda muskeln inte tillgängliga. I EMG utlöst elektrisk stimulering, EMG signaler från de riktade muskler (<em> t.ex. finger extensorer) krävs för att utlösa elektrisk stimulering. Därför tillämpning av EMG-utlöst Estim begränsad till patienter med lätt till måttlig spasticitet.

BreEStim är en icke-invasiv, icke-farmakologisk behandling. Detta är avgörande eftersom patienterna ofta kräver långvarig användning av läkemedel, och de flesta mediciner för kronisk smärta och spasticitet har biverkningar som ibland kan vara mycket allvarliga. Möjliga biverkningar missbruk, överdos, abstinensbesvär, och förstoppning, etc. Dessa potentiella biverkningar kan undvikas i BreEStim behandlingen.

BreEStim är ett alternativ. Alternativet icke-farmakologisk behandling med bättre smärtstillande effekt är viktig, särskilt när neuropatisk smärta är svår att hantera. Till exempel rapporterade endast 7% som svarade farmakologisk behandling är effektiv för neuropatisk smärta efter SCI i en postenkät ^58.

Sammanfattningsvis är denna andning driven stimulering, BreEStim, baserat på den nyupptäckta fenomenet inneboende fysiologiska kopplingen aktiveras under frivillig andning. Den BreEStim protokollet har visat klinisk effekt för neuropatisk smärta och post-stroke spasticitet ledning. Ytterligare forskning är befogad för att undersöka bakomliggande mekanismer som förmedlar interventionen effekt. Viktigt, kan det finnas andra tillämpningar som inte ännu urskiljas.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Electrical stimulator	Digitimer	DS7A	http://www.digitimer.com
Pneumotach system	Hans Rodolph Inc	Series 1110A	http://www.rudolphkc.com