Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

Paradigmene for nedre ekstremitet elektrisk stimulering trening etter ryggmargsskade

Published: February 1, 2018 doi: 10.3791/57000
Automatic Translation
1,2, 1, 1, 3, 4
1Spinal Cord Injury and Disorders Service, Hunter Holmes McGuire VAMC, 2Department of Physical Medicine and Rehabilitation, Virginia Commonwealth University, 3Deceased, Department of Kinesiology, The University of Georgia, 4Department of Physical Medicine and Rehabilitation, Penn State Milton S. Hershey Medical Center

Summary

Ryggmargsskade er en traumatisk medisinsk tilstand som kan føre til forhøyet risiko for kroniske sekundære metabolske forstyrrelser. Her presentert vi en protokoll bruker overflate nevromuskulær elektrisk stimulering-motstand trening sammen med funksjonell elektrisk stimulering-Nedre ekstremiteter sykling som en strategi for å forbedre flere av disse medisinske problemer.

Abstract

Skjelettmuskulatur atrofi, økt lokalisert fedme og redusert fysisk aktivitet er viktige endringer observert etter ryggmargsskade (SCI) og er forbundet med mange cardiometabolic helsemessige konsekvenser. Disse endringene er sannsynlig å øke risikoen for å utvikle kroniske sekundære tilstander og innvirkning på livskvaliteten i personer med SCI. overflate nevromuskulær elektrisk stimulering utløste styrketrening (NMES-RT) ble utviklet som en strategi for å attenuere prosessen med skjelettmuskulatur atrofi, redusere ektopisk lokalisert fedme, forbedre insulinfølsomhet og forbedre mitokondrie kapasitet. NMES-RT er imidlertid begrenset til bare en enkelt muskelgruppe. Involverer flere muskelgrupper i Nedre ekstremiteter kan maksimere de helsemessige fordelene av trening. Funksjonell elektrisk stimulering-nedre ekstremitet sykling (FES-LEC) tillater aktivering av 6 muskelgrupper, som er sannsynlig å fremkalle større metabolske og hjerte tilpasning. Riktig kunnskap om parameterne stimulering er nøkkelen til å maksimere resultatene av elektrisk stimulering opplæring i personer med SCI. Adopting strategier for langvarig bruk av NMES-RT og FES-LEC under rehabilitering kan opprettholde integriteten til den bevegelsesapparatet, en forutsetning for kliniske forsøk å gjenopprette gå etter skade. Gjeldende manuskriptet viser en kombinert NMES-RT før FES-LEC-protokoll. Vi hypothesize at musklene betinget for 12 uker før sykling vil være i stand til å generere mer kraft, bla mot høyere motstand og resultere i større tilpasning i personer med SCI.

Introduction

Det anslås at ca 282,000 personer i USA i dag lever med ryggmargen skaden (SCI)1. I gjennomsnitt er det omtrent 17 000 nye tilfeller årlig, hovedsakelig forårsaket av motorvogn krasj, vold, og sportslige aktiviteter1. SCI resulterer i delvis eller totalt avbrudd av nevrale overføring over og under nivået av skade2, fører til sub-lesional sensorisk og/eller motor tap. Etter skade redusert aktiviteten til Skjelettmuskel nedenfor nivået til skade sterkt, fører til en rask nedgang i lean mass og samtidig infiltrasjon av ektopisk fettvev eller intramuskulær fett (IMF). Studier har vist at nedre ekstremitet Skjelettmuskel opplever betydelige atrofi i de første ukene av skade, fortsetter utover slutten av første år3,4. Så snart 6 uker etter skade, personer med komplett SCI erfarne en 18-46% nedgang i sub-lesional muskel størrelse i forhold til alder og vekt-matchet abled-bodied kontroller. Ved 24 uker etter skade, kan skjelettlidelser muskel tverrsnitt (CSA) være så lite som 30-50%3. Gorgey og Dudley viste at Skjelettmuskel fortsetter å bli svekket med 43% av den opprinnelige størrelsen 4,5 måneder etter skade og bemerket en tre ganger større mengde IMF i personer med ufullstendig SCI sammenlignet abled-bodied styrer4. Tap av metabolsk aktive lean mass resulterer i en reduksjon i basal metabolske rate (BMR)2,6, hvilke konti for ∼65 - 70% av det totale daglig energiforbruket; slike reduksjoner i BMR kan føre til en skadelig energi ubalanse og øke lokalisert fedme etter skade2,7,8,9,10,18. Økt lokalisert fedme har vært knyttet til utvikling av kronisk sekundære vilkårene inkluderer hypertensjon, type II diabetes mellitus (T2DM) og hjerte-og karsykdommer2,10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18. videre personer med SCI kan lide av underernæring og avhengighet av en høy fett diett. Fett inntaket kan utgjør 29-34% av fett i personer med SCI, som trolig en faktor forklarer øke lokalisert fedme og økende utbredelsen av fedme i SCI befolkningen12,13.

Nevromuskulær elektrisk stimulering utløste styrketrening (NMES-RT) ble utviklet for å indusere hypertrofi av lammet Skjelettmuskel19,20,21,22,23, 24. Etter tolv uker med to ganger i uken NMES-RT, skjelettlidelser muskel CSA hele lår, kne extensor og kneet bøyer muskelgrupper økte med 28% og 35% 16%, henholdsvis22. Dudley et al. viste at 8 uker to ganger i uken av NMES-RT gjenopprettet kneet extensor muskel størrelse til 75% av den opprinnelige størrelsen på seks uker etter skade19. Videre Mahoney et al. benyttes samme protokoll og registrert en 35% og 39% økning i høyre og venstre rectus femoris muskler etter 12 uker NMES-RT20.

Funksjonell elektrisk stimulering-Nedre ekstremiteter sykling (FES-LEC) er en vanlig rehabilitering teknikk som brukes til å utøve nedre ekstremitet muskelgrupper etter SCI25,26. I motsetning til NMES-RT, FES-LEC avhengig av stimulering av 6 muskelgrupper, som kan resultere i økt hypertrofi og forbedringer i cardiometabolic profil10,25,26,27, 28. Dolbow et al. fant at hele kroppen lean mass økte med 18,5% etter 56 måneder av FES-LEC i en person med SCI27. Etter tolv måneder med tre-ukentlig FES-LEC, en 60 år gammel kvinne med paraplegia erfarne en 7,7% økning i hele kroppen lean mass og en 4,1% økning i beinet lean mass28. Rutinemessig bruk av funksjonell elektrisk stimulering (FES) er assosiert med bedring i risikofaktorer av cardiometabolic etter SCI10,25,26.

Velegnet for elektrisk stimulering opplæring må enten motor fullstendig eller ufullstendig skader, med intakt perifere motor neurons og begrenset nedre ekstremitet følelse. Gjeldende manuskriptet, beskriver en kombinert tilnærming ved hjelp av NMES-RT og FES-LEC utformet for å forbedre resultatene av elektrisk stimulering opplæring i personer med kroniske SCI. Prosessen med NMES-RT bruke ankel vekter blir skissert, mens uthevingen hovedtrinnene i protokollen og den samlede fordelen intervensjon gir personer med kroniske SCI. Andre målet er å beskrive prosessen med FES-LEC utformet for å maksimere den totale cardiometabolic effekten av intervensjon. Tidligere arbeid bekreftet vår rasjonelle at en samlet kurs protokoll kan fremkalle større resultatene etter 24 uker av elektrisk stimulering trening20,21,22,23,24 ,25,26,31,32,33,34,35,36.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Trening protokollen beskrevet i dette manuskriptet er registrert med clinicaltrials.gov identifikator (NCT01652040). Treningsprogrammet omfatter NMES-RT ankel vekter og FES-LEC. Alt nødvendig utstyr er oppført i tabell 2. Studien protokollen og samtykke ble vurdert og godkjent av Richmond VAMC institusjonelle Review Board (IRB) og Virginia Commonwealth University (VCU) IRB. Alle studie prosedyrer ble forklart i detalj til hver deltaker før du begynner rettssaken.

1. deltaker rekruttering

  1. Utføre en sortering vurdering potensielle deltakere.
    1. Grundig forklare detaljer om trening protokollen inkludert studie (24 uker), ganger per uke (bi-ukentlige) og lengden på økter (NMES-RT: 30 min og FES-LMU: 45-60 minutter).
      Merk: NMES-RT er gjennomført for de første 12 ukene, etterfulgt av 12 ukers FES-LEC.
    2. Beskrive medisinske kravene til den potensielle deltaker inkludert: mann eller kvinne med SCI, amerikanske Spinal skade klassifisering (AIS) A, B eller C (de med en AIS "C" klassifisering som ikke kan stå opp og gå), 18 til 65 år gammel, større enn 1 år etter skade, body mass index (BMI) ≤ 30 kg/m2, motor fullstendig eller ufullstendig C5-L2 nivå av skade.
    3. Beskrive medisinsk begrensningene til den potensielle deltaker inkludert: en diagnose av hjerte-karsykdommer, ukontrollert type II diabetes mellitus eller på insulin, ukontrollert hypertensjon, trykk sores trinn 3 eller høyere, urin spor infeksjon eller symptomer, osteoporose med T-Score-2.5 og graviditet for kvinner med SCI.

2. NMES-RT

  1. Kontroller at deltakeren tomrom sin blære og måle hvile blodtrykk og hjertefrekvens. Mens deltaker sitter i rullestol, instruere deltakerne til å ta av sin sko. Deretter plassere en pute bak kalven å kvele benet under kneet strekking. Bruke ankel vekter (0-26 lbs.) deltakerens ankler (figur 1).
    Merk: Første 2 økter er gjennomført uten ankel vekter slik deltakeren kan løfte sin etappe mot tyngdekraften.
  2. Bruke to 7,5 cm x 12,7 cm selvklebende karbon elektroder bilateralt på huden over kneet extensor muskelgruppe.
    1. Plass den distale elektrode ~1/3 avstanden mellom patella og lysken brett og medialt til midtlinjen av quadriceps. Plass elektroden langs- og parallell midtlinjen aksen kjører fra hofte til kne leddene (figur 2).
    2. Plasserer den proksimale elektroden lateralt og tilstøtende til lysken brett over vastus lateralis muskelen. Plass elektroden langs- og parallell midtlinjen aksen (figur 2).
  3. Angi en bærbar stimulator en frekvens på 30 Hz og en bifasisk rektangulære pulsbredde på 450 µs og 50 µs interpulse intervall19,20,21,22,23,24 ,37,38,39. Koble kablene fra stimulator til hver elektroden.
    Merk: Polariteten til elektrodene påvirker ikke stimulering mønsteret som elektrodene er plassert riktig.
  4. Begynner med høyre benet, gradvis øke gjeldende til en merkbar synlig spenning er anerkjent i kneet extensor muskelgruppe. Fortsett å ramp sakte gjeldende å fremkalle full kneleddsplastikk forlengelsen (maks 200 mA). At benet skal være utvidet for 3-5 s å fremkalle maksimal spenning i aktivert motor enheter.
  5. Gradvis redusere gjeldende inntil det er under 50% av målet gjeldende krevde å forlenge benet og flytte etappe eksentrisk tilbake til utgangsposisjonen. Registrer gjeldende amplituden nødvendig å fremkalle full beinstyrke.
  6. Fullføre ensidige trening inkludert 4 sett med 10 repetisjoner per ben og alternative mellom høyre og venstre ben. Tillate benet til hvile 3-5 s mellom hver gjentakelse og 3 minutter mellom settene. Hvis deltakeren ikke når full kneleddsplastikk forlengelsen, registrere bevegelsesutslag % og øke tiden mellom gjentakelser.
    Merk: Muskeltretthet er definert som to etterfølgende gjentakelser med en rekke bevegelse ≤ 25%.
  7. Forsøke hver av de fire settene, men hvis deltakeren opplever muskeltretthet, avslutte gjeldende og fortsette treningen på motsatt etappe. Hvis full kneleddsplastikk utvidelse er oppnådd uten muskeltretthet for 2 sammenhengende treningsøkter, legge 2 lbs. av ankel vekter uken trening.

3. FES-LEC

  1. Måle deltakerens hvile blodtrykk og puls. Plasser deltakeren foran FES ergometer sykkelen (Tabell for materiale) sitter i sin personlig makt eller manuell rullestol (figur 3a, 3b figur).
  2. Bruke selvklebende karbon elektrodene på kne extensor, knee muskelgruppene bøyer og gluteus maximus bilateralt.
    1. For kneet extensors, plasserer den distale elektroden (7.5 x 12,7 cm) på huden 1/3 avstanden mellom patella og lysken fold, over vastus medialis muskelen. Plasser proksimale elektroden lateralt og tilstøtende til lysken brett over vastus lateralis muskel (figur 4a).
    2. For kneet flexors, plasserer den distale elektroden (7.5 x 10 cm) på huden 2-3 cm over femoral fossa. Plass proksimale elektroden 20 cm over femoral fossa (figur 4b). For å hindre bevegelse av distale elektroden, gjelde en elastisk wrap sikker plassering av elektroden (figur 3a).
    3. Gluteus maximus, ber du deltakeren om å lene seg fremover mot ergometer. Plass to elektroder (5 x 9 cm) parallelle og mesteparten av magemusklene; tillate ~ to fingre bredde av separasjon mellom elektrodene.
  3. Med deltakeren sitter i sin rullestol og sentrert foran ergometer, koble kablene fra stimulator til hver av 12 elektrodene. Sjekk forsiden og baksiden av ergometer sørge for deltakeren er riktig sentrert.
  4. Sikre at deltakerens rullestol er låst og forsiktig plassere deltakerens føtter (iført tennissko) i pedalene (figur 6). Sikre leggen til ergometer med de elastiske stroppene innpakket i et stoff dekker. Sikre deltakerens føtter på plass med to kryssende Elastiske stropper og Velcro på hver petal (figur 5).
  5. Etter strapping bena til ergometeret, passivt flytte bena så observere sykling mønsteret. Hvis beina komprimeres for eller hyperextended, justere høyden på sykkelen og Kontroller plasseringen av passivt flytte beinet.
  6. Sikre deltakerens rullestol til ergometeret hjelp av to utvidbart kroker ligger ved foten av ergometer. Koble kroker til en stabil struktur under rullestol (figur 5). Plass to tre bryter under hjulene på rullestolen, å forhindre enhver bevegelse av stolen under sykling.
  7. Angi stimulering frekvensen 33.3 Hz, puls varigheten til 350 µs og gjeldende amplituden til 140, 100, 100 mA for extensor kneet, kne bøyer og gluteus maximus muskel grupper, henholdsvis.
  8. Angi parameterne syklus som følger: målrette hastighet på 40-45 omdreininger per minutt (RPM); justerbar motor dreiemoment starter på 10 Nm; motstand av 1.0, 1.5 og 2.0 Nm for trening stadier I, II og III.
  9. Angi intervallet trening parametere slik: 3 min "varme opp" fase; tre 10 minutters mosjon stadier (stimulering på); en 2-min hviler fasen etter hver trening scene; og 3 min "avkjølt" fase.
  10. Basert på nivået av skade (over eller under T4), måle blod trykk og hjertefrekvens hver 2 til 5 minutter for å forhindre forekomsten av symptomer av autonome dysreflexia.
  11. Hvis blodtrykket fortsatt opphøyet, stoppe ergometer og instruere deltakeren å annullere sin blære eller hvile hvis de allerede har kansellert. Kontroller i tillegg sikre deltakeren er satt riktig for å redusere trykket poeng og sjekk at sko eller alle stroppene ikke er altfor strammet. Overvåke blodtrykk nært hver 2 min. Hvis blodtrykk gjenoppretter, gjenoppta trening; Hvis blodtrykket fortsatt unrecovered, avslutte økten og instruere deltakeren å se sin primære omsorg lege.
    Merk: Det er viktig å sikre at deltakerne konsekvent tar deres Blodtrykk medisiner, hvis noen, og annullere deres blæren før FES-sykling.
  12. Registrere deltakerens hjertefrekvens, hastighet, kraft, distanse, motstand og % stimulering hver 30 s.
  13. Hvis deltakerne fullfører en hele treningsøkt uten tretthet (fart < 18 RPM under aktiv sykling), redusere servo motor dreiemoment hjelp 1 Nm følgende økten, ellers beholde alle parametere.
  14. Hvis deltakeren fullført to treningsøkter trening uten tretthet eller bruk av servo veihjelp under trening stadier, øke motstanden ved 0,5 Nm i hver øvelse scenen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ankel vekter økte gradvis for 22 deltakere, over 16 uker NMES-RT (figur 6a). Gjennomsnittlig vekt løftet av deltakerne var 19,6 ± 6,5 pund (høyre ben) og 20 ± 6 lbs. (venstre ben) [8-24 lb.]. Gjeldende amplituden svingt i rettssaken for høyre og venstre ben (figur 6b).

Utviklingen av en person med motor komplett SCI etter 12 ukers FES-LEC trening utheves i tabell 1. Resultatene indikerer at med FES-LEC, det er en økning i prosentandelen av gjeldende stimulering å kompensere for økt svinghjul motstanden over 12 ukers trening. Svinghjul motstand økte med 3 - 4 ganger i hver av de 3 stadiene i hele 12-ukers trening (tabell 1). Motstanden kommet fra 1.6 til 5.1 Nm (trinn I), 2.12 til 5,5 Nm (trinn II) og 2.12 til 5,5 Nm (stadium III). Det er verdt å merke seg at hver 10-minutters scene var blandet med en 2-min hvile periode der deltakerne passivt syklet mot 0,77 Nm.

Til slutt, effekt økt med 2 - 4 ganger i hver av de 3 stadiene mellom uke 1 og uke 12 (tabell 1). Makt kommet fra 4 til 14 W (trinn I), 5.4 til 11.24 W (trinn II) og 2.6 11 W (stadium III).

Figure 1
Figur 1. NMES-RT oppsett viser overflaten elektroder, stimulator, bilaterale ankel vekter og pute pute. Fire sett med ti gjentakelser er fullført for både høyre og venstre ben. Vekter er gradvis økt med 2 lbs. hver uke om hvert fullføres uten muskeltretthet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2. Kneet extensor overflaten elektrodene brukes under NMES-RT. En elektrode plasseres ~1/3 avstanden mellom patella og lysken brett og medialt til midtlinjen av quadriceps. En andre elektrode er plassert lateralt og tilstøtende til lysken brett vastus lateralis muskelen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3. Fremre (a) og lateral (b) utsikt over sykkelen oppsett under FES-LEC. Deltakeren er plassert i rullestolen sin og festet til sykkelen å utføre FES sykling. Elastisk wraps er pakket rundt hvert ben å sikre distale kneet bøyer elektroder. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4. Kneet extensor overflaten elektrodene (a) brukes under FES-LEC og kneet bøyer overflaten elektroder (b). (a) en elektrode plasseres ~1/3 avstanden mellom patella og lysken brett og medialt til midtlinjen av quadriceps. En andre elektrode er plassert lateralt og tilstøtende til lysken brett vastus lateralis muskelen. (b) samtidig beinet, plasseres en elektrode på huden 2-3 cm over femoral fossa; andre elektroden plasseres 20 cm over femoral fossa. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5. Deltakerens foten er sikret til pedal ved krysset to Elastiske stropper på hver petal. Det er viktig at disse remmene er sikret tett for å hindre at foten flytte når sykling mot økt motstandsdyktighet. Pasientens rullestol sikres på sykkelen hjelp av to utvidbart kroker ligger ved foten av sykkelen. Når festet til rullestolen, er disse krokene cranked og strammet for å fjerne noen slakk. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6. Utviklingen av ankel vekter (lbs.) 22 deltakere i 16 uker NMES-RT og progresjon av gjeldende amplituden (mA) i hele 16 uker av NMES-RT. (a) vekt ble økt med 2 lbs. ukentlig hvis deltakeren kan fullføre 4 sett med 10 full av gjentagelser uten muskeltretthet. (b) under trening økt gjeldende amplituden gradvis for å få beinet i full kneleddsplastikk forlengelsen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Uke 1 Uke 4 Uke 8 Uke 12
Prosentandel stimulering av gjeldende Amplitude Trinn 1 74 72 88 90
Trinn 2 98 96 99 100
Etappe 3 100 99 100 100
Svinghjul motstand (Nm) Trinn 1 1.0 1.5 3.1 4.5
Trinn 2 1.6 2.1 3.5 5.1
Etappe 3 2.1 2.5 4.0 5.5
Kraft (watt) Trinn 1 4.0 6.5 10.0 14.0
Trinn 2 5.4 8.4 9.3 11.2
Etappe 3 2.6 7.5 8.4 11.0

Tabell 1: prosentandel stimulering av gjeldende amplituden, svinghjul motstand og utgangseffekt økt gjennom de 12 ukene av FES-LEC i en person med SCI. Motstand økt hver uke 2 økter ble fullført uten bevis for muskeltretthet (hastighet < 18 rpm). Prosentandel stimulering økt gradvis hele 12 uker med trening. Effekt økt under hver inkrementelle øvelse scenen og i løpet av trening. Merk: Data er fra en deltaker som fullført 12 ukers FES-LEC når 12 ukens av NMES-RT.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne studien viste to forskjellige paradigmene for elektrisk stimulering. En paradigme er fokusert på å implementere progressiv lasting til utdannet muskler til å fremkalle skjelettlidelser muskel hypertrofi og andre paradigmet er primært ment å forbedre cardio-metabolsk gjennomførelse via øke aerob kapasitet. Studien sikret sammenligne begge paradigmer og fremheve fordeler og ulemper av hver.

NMES-RT er bevist for å være effektive i gjenopprette muskel størrelse og fremkaller hypertrofi i personer med akutt og kronisk SCI19,20,21,22,23,24. Gjeldende intervensjon er avhengig av tokanals stimulering enheter som trolig vil være tilgjengelig i de fleste kliniske innstillinger eller for hjemmebruk for personer med SCI. Det er en ubekreftet myte at progressiv lasting av lammet kneet extensor kan føre til brudd i femur eller tibial Kondyler. Imidlertid oppleve basert på dagens bevisene, vi og andre ikke en enkelt forekomst av brudd. Dette kan markere at gjeldende protokollen er trygge og tilgjengelige skal brukes etter SCI.

Når du bruker NMES-RT, er en bifasisk bølge foretrukket fordi det er bevist for å være trygg og generere en kraftig muskel sammentrekning som kan forlenge benet mot tyngdekraften mens løfte ankel vekter. Personer som har intakt sensasjon synes bifasisk bølgen å være mer komfortabel og utholdelig. Frekvensen (30 Hz), bifasisk varighet (400 µs) med Inter puls intervall (50 µs) velges basert på tidligere publisert forskning viser at en lavere frekvens reduserer muskeltretthet og hjelper produsere tetanic sammentrekning av kneet extensors37 ,38. En puls varighet på 450 µs har vist seg å øke aktivisering stimulert muskler og generere større vakte dreiemoment, sikrer maksimal rekruttering av lammet muskler under trening37. Videre er det nødvendig å gradvis rampen gjeldende for å unngå bruk av overdreven gjeldende amplituden som kan forårsake rask muskeltretthet i kneet extensors. Strategi for opplæring blant annet resten, frekvens og pulsbredde er utformet for å forhindre forekomsten av uønskede hendelser ligner autonome dysreflexia spesielt hos individer med et skadestatistikken ovenfor T4.

NMES-RT før sykling kan fremkalle større muskel hypertrofi og redusere muskeltretthet. Motstand mot økt tretthet og styrke kan optimalisere FES-LEC sykling og maksimere trening resultater. Gorgey et al. vist at 12 uker, to ganger i uken, på NMES-RT skapte en mer enn 35% økning i muskel størrelse og redusert IMF og visceral fettvev22. I tillegg har NMES-RT vist for å øke glukose transporter type-4 (GLUT-4) konsentrasjon, som er forbundet med økt tretthet motstand36,46. Sabatier et al. rapportert at motstand mot tretthet av utdannet kneet extensors økte med 33% etter 18 uker av NMES-RT og konkluderte med at NMES-RT tilstrekkelig til å fremkalle muskel hypertrofi, også redusert muskel tretthet46. NMES-RT har vist for å fremkalle positiv tilpasning i mitokondrier av muskelceller. Ryan et al. bemerket en 25% forbedring i mitokondrie kapasitet etter 16 uker NMES-RT, to ganger ukentlig, i personer med kroniske komplett SCI23. En kombinert opplæringsprogram, som beskrevet i gjeldende manuskriptet, designet for å øke muskel masse og redusere muskel trøtthet kan forbedre cardiometabolic helse og bidra til FES-LEC blir mer effektiv.

Det foreligger begrensede bevis på cardiometabolic tilpasning etter langvarig FES-LEC i personer med SCI. FES-LEC trening har variert fra 2 til 7 ganger ukentlig i 1.5 til 12 måneder; varigheten har variert fra 20 til 60 min26. Tidligere studier med FES-LEC viste en beskjeden forbedring i insulin sensitivitet og aerob kondisjon31,32. Mohr et al. viste at 3 dager i uken av FES-LEC utført for 1t resulterte i en 25% forbedring i insulin sensitivitet i personer med SCI31. Tilsvarende resulterte åtte uker av daglige FES-LEC i en 33% forbedring i insulin sensitivitet for 5 menn med cervical SCI32. Videre viste FES-LEC en begrenset respons på oksygenopptak og hjerte etterspørsel sammenlignet arm sveiv ergometry (ACE) eller hybrid utøve42.

De fleste FES-LEC studier bruker noen form for motor støtte der motoren på sykkelen gjelder styrker pedalene å bistå i å fullføre syklusen. Motoriserte framkomstmidler gir en større andel av person SCI å gjennomføre FES sykling, spesielt de til å generere og opprettholde tilstrekkelig muskel styrke rotere svinghjulet eller de med lav-toleranse til FES på grunn av gjenværende sensasjon43. Men for de produsere tilstrekkelig muskel styrke, assistanse fra FES motor-støtte kan begrense resultatene av trening. Derfor bruker det aktuelle metoden bare motor-støtte hvis deltakeren opplever muskler tretthet og fra hvile faser. Dette gjør at kneet extensor, kne bøyer og gluteal muskelgruppene å gi maksimal innsats når sykling som kan maksimere cardiometabolic tilpasning som demonstrert av økende motstand og effekt over 12 ukers FES-LEC. I tillegg er FES-LEC begrenset av rask muskeltretthet under sykling44, særlig når benytter minimal motor-støtte. Tidligere har publiserte arbeid vist en bred variasjon i sykling utholdenhet av personer med SCI. ti personer med motor-fullstendig SCI syklet bruke FES ergometry til sine muskler utmattet. En deltaker utøves for totalt 3 min mens en annen utøves for 10 minutter44. I denne opplæringen studien, har vi søkt å gi en lik dose av behandling blant deltakerne i form av 30 min FES-trening. Dette sikrer behandling konsekvens mellom hver deltaker å sikre at tilpasning, eller mangel derav, er strengt utdataene for aktivert musklene og ikke begrenset av varigheten av sykling.

Representant resultatene viste at i en person med SCI i som 12 ukene av FES-LEC var innledes med 12 uker med NMES-RT, både motstand og utgangseffekt økte i løpet av intervensjonen. I motsetning til tidligere studier som redusert tråkkfrekvensen til øke motstand 43,47, har denne studien vedtatt en strategi for å øke motstanden med en mål hastighet på 40-45 RPM. Dette kan være en vellykket strategi, spesielt etter 12 ukers musklene bruker NMES-RT for å forbedre muskel kvalitet22. Anvendelser av elektrisk stimulering, inkludert FES-LEC, bør ha stor nytte av å forbedre muskel kvalitet48 og kan resultere i større kraft og makt produksjon av utdannet musklene. Større effekt kan føre til hjerte og bein tilpasning å oppnå resultater som er lik hva har oppnådd med ess eller hybrid øvelse. Kraft generert av musklene under FES-LEC trening kan stimulere tilpasninger til bein ved å utsette lavere enden lemmer til gjentatte lasting sykluser på høy motstand. For eksempel viste Johnston et al. en lav sykling løpsfrekvens på 2,9 Nm kan forbedre parameterne for beinhelse etter 6 måneder av FES-LEC i personer med SCI sammenlignet med høy tråkkfrekvens som genererer dreiemoment 0,8 Nm47. Denne studien viste at motstanden kan økes til 5.5 Nm. Dette er dobbel dreiemoment effekt ved lav-tråkkfrekvens og det er sannsynlig å ha større innvirkning på parametere av bein og kardiovaskulær helse.

Ergometer i gjeldende protokollen (Tabell av materialer) drives direkte fra deltakernes rullestol, eliminerer behovet for overføring og tillate stimulering av opptil 12 muskelgrupper lår, lavere etappe og bagasjerommet. Vi har valgt å stimulere til det gluteus maximus musklene underekstremitetene med quadriceps og hamstring. Fremtidige forsøk vil utvide for å stimulere mage- og musklene i personer med SCI. i tillegg, ergometer veier bare 39 kg, noe som gjør det langt mer kompakt og tilpasningsdyktig enn andre tilsvarede FES-ergometer. Ergometeret har også en justerbar motor-hjelpe-funksjon som lar deltakeren å maksimere trening uten motor støtte når det passer. Videre tillater ergometer valgfri motor-hjelp. Gjeldende protokollen tillater motor-støtte under 1) oppvarming fase 2) første "aktiv overgang" fase (første 1-2 min av arbeidsfasen), 3) hver hviler fasen og 4) hvis deltakeren fatigues mot motstand. Under aktiv sykling er motoren av tilstrekkelig utfordre hver deltaker. Muskeltretthet under sykling ble definert som et punkt der hastigheten synker under 18 RPM. I tillegg Gorgey et al. avslørt treningseffekten tre forskjellige stimulering parametere i puls varighet (200, 350 og 500 µs), på sykling ytelse i 10 personer med kroniske SCI. Etter en enkelt kamp av FES-LEC, kne extensor dreiemoment falt med 33-59% og forble betydelig unrecovered følgende 48-72 h44. Basert på disse funn, tror vi at to ganger i uken er en fornuftig trening dose for personer med kroniske SCI og tillater nok tid (48 h) for å gjenopprette de trette musklene.

Under FES-LEC, er stimulering parameterne angitt å hindre noen episoder av autonome dysreflexia, mens fortsatt fremme robuste cardiometabolic tilpasning; parameterne sykling ble utformet med denne balansen i tankene, og er som følger: frekvens (33.3 Hz), motstand (justerbar), målrette hastighet (40-45 RPM) og puls varighet (350 µs). Frekvens settes på 33.3 Hz til redusere muskeltretthet; gjeldende amplituden (% stimulering) økes gradvis med ergometer å opprettholde en hastighet over 18 RPM. Nyere funn tyder på at en puls lengre varighet enn 350 µs under FES ergometry utløser autonome dysreflexia i personer med SCI44. I tillegg økte puls varighet 350 µs delta energiforbruk i forhold til en puls varighet på 200 µs. Videre delta energiforbruket var ikke noe større når satt til 500 µs44. Den høyere forekomsten av autonome dysreflexia under FES-LEC kan tilskrives det faktum at 6 muskelgrupper er samtidig stimulert. Dette er trolig øke den nåværende tettheten og antall nociceptors blir aktivert, oversvømmelser i skadelige stimuli til nervesystemet. Dette er usannsynlig å finne sted i løpet av NMES-RT på grunn av opplæring av en enkelt muskelgruppe. men kan dette skje i personer med høy skade ligner C6 SCI. anekdotiske klinisk erfaring viste at dette er sannsynlig å fade ut med trening personer med SCI blir mindre sårbar å utvikle autonome dysreflexia. Parameterne nevnte har validert for å sikre deltakerens sikkerhet, og større trening resultater.

Det er noen begrensninger som må tas opp vurderer lignende kombinert trening protokoller. Uunngåelig, trening resultater og kroppssammensetning kan bli tilbakevist av bestemte variabler; den største er kosttilskudd inntak. For å eliminere denne variasjonen som mulig, bør klinikere vurdere kaloriinntaket rapporter ukentlig. Samlingen av ukentlige rapporter, kan klinikere å nøye overvåke ekstra kaloriinntaket (> 300 - 500 kcal/uke av sin opprinnelige BMR) og instruere SCI personer å justere sin macronutrient prosenter etter behov. I tillegg til kosttilskudd variasjon kanskje gjeldende treningsprogrammet gjelder ikke til 20-25% av befolkningen SCI som ikke trener bruker elektrisk stimulering grunn til denervation av skjelettmuskulatur. I tillegg viser tidligere data at personer med SCI er sannsynlig å miste treningen etter opphør av trening programmet49; Derfor bør kliniske tiltak tilby mulighet for å garantere langsiktig etterlevelse, ligner på å redusere opplæring hyppigheten til to ganger i uken og/eller gi hjemme-baserte telehealth alternativer24. Fremtidige studier undersøker virkningene av NMES-RT og FES-LEC bør benytte telehealth strategier for å overvinne sosioøkonomiske barrierer for å utøve langsiktige samsvar. NMES-RT utført med telehealth videokonferanse var i stand til å øke lår absolutt muskel med 11% og redusere hele lår IMF med 14% i fem menn med motor komplett SCI24. Opplæringen ble ledet to ganger i uken i 8 uker med en bærbar batteridrevet stimulator. Deltakerne ble overvåket via webkamera for å sikre sikkerhet og riktig oppsett gjennom trening programmet24.

Bruk av NMES-RT i kombinasjon med FES-LEC kan være en effektiv strategi å maksimere resultatene av bi-ukentlige elektrisk stimulering trening. Bruke NMES til å stimulere lårmuskelen har vist seg å fremkalle muskel hypertrofi, øke styrke og redusere tretthet. Sterkere, slankere beinmuskulaturen kunne vekke større makt når sykling, mer effektivt utnytte oksygen og maksimere cardiometabolic fordelene ved trening i personer med SCI.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Vi vil gjerne takke deltakerne som viet tid og krefter på å delta i de tidligere studiene. Vi vil gjerne takke Hunter Holmes McGuire Research Institute og ryggmargen skaden tjenester og lidelser for å gi miljøet å gjennomføre klinisk human forskning prøvelser. Ashraf S. Gorgey støttes av Institutt for Veteran Affairs, Veteran helse administrasjon, rehabilitering forskning og utvikling Service (B7867-W) og DoD-CDRMP (W81XWH-14-SCIRP-CTA).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
adhesive carbon electrodes (2 of each) Physio Tech (Richmond, VA, USA 23233) PT3X5
PALS3X4
E7300		 7.5' x 12.7'
7.5' x 10'
5' x 9'
TheraTouch 4.7 stimulator Richmar (Chattanooga, TN, USA 37406) 400-082 41.28' x 39.37' x 17.78' (8.91 kg)
power: 110 VAC at 60 Hz / 220VAC at 50 Hz
power consumption: 110 Watts
Red & White Lead Cords (2) Richmar (Chattanooga, TN, USA 37406) A1717 2.0 m
RT300-SL FES Ergometer Restorative Therapies, Inc. (Baltimore, MD, USA 21231) RT300-SL 80' x 49' x 92-103' (39 kg)
16 channel
speed: 15 – 55 rev/min
elastic NuStim wraps (2) Fabrifoam (Exton, PA, USA 19341) PP108666 36"
wooden wheelchair break (2) n/a n/a n/a
pillow/cushion n/a n/a standard
ankle weights n/a n/a 2-26 lb.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. National Cord Injury Statistical Center. Facts and Figures at a Glance. , University of Alabama at Birmingham. Birmingham, AL. (2016).
  2. Gorgey, A., Dolbow, D., Dolbow, J., Khalil, R., Castillo, C., Gater, D. Effects of spinal cord injury on body composition and metabolic profile-Part I. J Spinal Cord Med. 37 (6), 693-702 (2014).
  3. Castro, M., Apple, D., Hillegass, E., Dudley, G. Influence of complete spinal cord injury on skeletal muscle cross-sectional area within the first 6 months of injury. Eur J Appl Physiol O. 80 (4), 373-378 (1999).
  4. Gorgey, A., Dudley, G. Skeletal muscle atrophy and increased intramuscular fat after incomplete spinal cord injury. Spinal Cord. 45 (4), 304-309 (2007).
  5. Elder, C., Apple, D., Bickel, C., Meyer, R., Dudley, G. Intramuscular fat and glucose tolerance after spinal cord injury - a cross-sectional study. Spinal Cord. 42 (12), 711-716 (2004).
  6. Monroe, M., Tataranni, P., Pratley, R., Manore, M., Skinner, J., Ravussin, E. Lower daily energy expenditure as measured by respiratory chamber in subjects with spinal cord injury compared with control subjects. Am J Clin Nutr. 68 (6), 1223-1227 (1998).
  7. Buchholz, A., Pencharz, P. Energy expenditure in chronic spinal cord injury. Curr Opin Clin Nutr. 7 (6), 635-639 (2004).
  8. Buchholz, A., McGillivray, C., Pencharz, P. Physical activity levels are low in free-living adults with chronic paraplegia. Obes Res. 11 (4), 563-570 (2003).
  9. Olle, M., Pivarnik, J., Klish, W., Morrow, J. Body composition of sedentary and physically active spinal cord injured individuals estimated from total body electoral conductivity. Arch Phys Med Rehab. 74 (7), 706-710 (1993).
  10. Mollinger, L., et al. Daily energy expenditure and basal metabolic rates of patients with spinal cord injury. Arch Phys Med Regab. 66 (7), 420-426 (1985).
  11. Gater, D. Obesity after spinal cord injury. Phys Med Rehabil Cli. 18 (2), 333-351 (2007).
  12. Khalil, R., Gorgey, A., Janisko, M., Dolbow, D., Moore, J., Gater, D. The role of nutrition in health status after spinal cord injury. Aging Dis. 4 (1), 14-22 (2013).
  13. Gorgey, A., et al. Frequency of Dietary Recalls, Nutritional Assessment, and Body Composition Assessment in Men with Chronic Spinal Cord Injury. Arch Phys Med Rehab. 96 (9), 1646-1653 (2015).
  14. Bauman, W., Spungen, A. Carbohydrate and lipid metabolism in chronic spinal cord injury. J Spinal Cord Med. 24 (4), 266-277 (2001).
  15. Bauman, W., Spungen, A. Disorders of carbohydrate and lipid metabolism in veterans with paraplegia or quadriplegia: a model of premature aging. Metabolism. 43 (6), 749-756 (1994).
  16. Bauman, W., Spungen, A., Zhong, Y., Rothstein, J., Petry, C., Gordon, S. Depressed serum high density lipoprotein cholesterol levels in veterans with spinal cord injury. Paraplegia. 30 (10), 697-703 (1992).
  17. Nash, M., Mendez, A. A guideline-driven assessment of need for cardiovascular disease risk intervention in persons with chronic paraplegia. Arch Phys Med Rehab. 88 (6), 751-757 (2007).
  18. Aksnes, A., Hjeltnes, N., Wahlstrom, E., Katz, A., Zierath, J., Wallberg-Henriksson, H. Intact glucose transport in morphologically altered denervated skeletal muscle from quadriplegic patients. Am J Physiol. 271 (3), E593-E600 (1996).
  19. Dudley, G., Castro, M., Rogers, S., Apple, D. A simple means of increasing muscle size after spinal cord injury: a pilot study. Eur J Appl Physiol O. 80 (4), 394-396 (1999).
  20. Mahoney, E., et al. Changes in skeletal muscle size and glucose tolerance with electrically stimulated resistance training in subjects with chronic spinal cord injury. Arch Phys Med Rehab. 86 (7), 1502-1504 (2005).
  21. Gorgey, A., Shepherd, C. Skeletal muscle hypertrophy and decreased intramuscular fat after unilateral resistance training in spinal cord injury: case report. J Spinal Cord Med. 33 (1), 90-95 (2010).
  22. Gorgey, A., Mather, K., Cupp, H., Gater, D. Effects of resistance training on adiposity and metabolism after spinal cord injury. Med Sci Sport Exer. 44 (1), 165-174 (2012).
  23. Ryan, T., Brizendine, J., Backus, D., McCully, K. Electrically induced resistance training in individuals with motor complete spinal cord injury. Arch Phys Med Rehab. 94 (11), 2166-2173 (2013).
  24. Gorgey, A., et al. Feasibility Pilot using Telehealth Video-Conference Monitoring of Home-Based NMES Resistance Training in Persons with Spinal Cord Injury. Spinal Cord Ser Cases. 3 (17039), (2017).
  25. Gater, D., Dolbow, D., Tsui, B., Gorgey, A. Functional electrical stimulation therapies after spinal cord injury. NeuroRehabilitation. 28 (3), 231-248 (2011).
  26. Gorgey, A., Dolbow, D., Dolbow, J., Khalil, R., Gater, D. The effects of electrical stimulation on body composition and metabolic profile after spinal cord injury - Part II. J Spinal Cord Med. 38 (1), 23-37 (2015).
  27. Dolbow, D., Gorgey, A., Khalil, R., Gater, D. Effects of a fifty-six month electrical stimulation cycling program after tetraplegia: case report. J Spinal Cord Med. 40 (4), 485-488 (2016).
  28. Dolbow, D., Gorgey, A., Gater, D., Moore, J. Body composition changes after 12 months of FES cycling: case report of a 60-year-old female with paraplegia. Spinal Cord. 1 (S3-S4), (2014).
  29. Gorgey, A., Cho, G., Dolbow, D., Gater, D. Differences in current amplitude evoking leg extension in individuals with spinal cord injury. NeuroRehabilitation. 33 (1), 161-170 (2013).
  30. Wade, R., Gorgey, A. Skeletal muscle conditioning may be an effective rehabilitation intervention preceding functional electrical stimulation cycling. Neural Regen Res. 11 (8), 1232-1233 (2016).
  31. Mohr, T., Dela, F., Handberg, A., Biering-Sørensen, F., Galbo, H., Kjaer, M. Insulin action and long-term electrically induced training in individuals with spinal cord injuries. Med Sci Sports Exer. 33 (8), 1247-1252 (2001).
  32. Jeon, J., et al. Improved glucose tolerance and insulin sensitivity after electrical stimulation-assisted cycling in people with spinal cord injury. Spinal Cord. 40 (3), 110-117 (2002).
  33. Kjaer, M., et al. Fatty acid kinetics and carbohydrate metabolism during electrical exercise in spinal cord-injured humans. Am J Physiol-Reg I. 281 (5), R1492-R1498 (2001).
  34. Hettinga, D., Andrews, B. Oxygen consumption during functional electrical stimulation assisted exercise in persons with spinal cord injury: implications for fitness and health. Sports Med. 38 (10), 825-838 (2008).
  35. Yarar-Fisher, C., Bickel, C., Windham, S., McLain, A., Bamman, M. Skeletal muscle signaling associated with impaired glucose tolerance in spinal cord-injured men and the effects of contractile activity. J Appl Physiol. 115 (5), 756-764 (1985).
  36. Yarar-Fisher, C., Bickel, C., Kelly, N., Windham, S., Mclain, A., Bamman, M. Mechanosensitivity may be enhanced in skeletal muscles of spinal cord-injured versus ablebodied men. Muscle Nerve. 50 (4), 599-601 (2014).
  37. Gorgey, A., Mahoney, E., Kendall, T., Dudley, G. Effects of neuromuscular electrical stimulation parameters on specific tension. Eur J Appl Physiol. 97 (6), 737-744 (2006).
  38. Gorgey, A., Black, C., Elder, C., Dudley, G. Effects of electrical stimulation parameters on fatigue in skeletal muscle. J Orthop Sports Phys. 39 (9), 84-92 (2009).
  39. Gorgey, A., et al. Effects of Testosterone and Evoked Resistance Exercise after Spinal Cord Injury (TEREX-SCI): study protocol for a randomised controlled trial. BMJ Open. 7 (4), (2017).
  40. Nelson, M., et al. Metabolic syndrome in adolescents with spinal cord dysfunction. J Spinal Cord Med. 30 (s1), 127-139 (2007).
  41. Ashley, E., et al. Evidence of autonomic dysreflexia during functional electrical stimulation in individuals with spinal cord injuries. Paraplegia. 31 (9), 593-605 (1993).
  42. Hasnan, N., et al. Exercise responses during functional electrical stimulation cycling in individuals with spinal cord injury. Med Sci Sports Exer. 45 (6), 1131-1138 (2013).
  43. Fornusek, C., Davis, G., Russold, M. Pilot study of the effect of low-cadence functional electrical stimulation cycling after spinal cord injury on thigh girth and strength. Arch Phys Med Rehab. 94 (5), 990-993 (2013).
  44. Gorgey, A., Poarch, H., Dolbow, D., Castillo, T., Gater, D. The Impact of adjusting pulse durations of functional electrical stimulation cycling on energy expenditure and fatigue after spinal cord injury. J Rehabil Res Dev. 51 (9), 1455-1468 (2014).
  45. Ryan, A., Ivey, F., Prior, S., Li, G., Hafer-Macko, C. Skeletal muscle hypertrophy and muscle myostatin reduction after resistive training in stroke survivors. Stroke. 42 (2), 416-420 (2011).
  46. Sabatier, M., et al. Electrically stimulated resistance training in SCI individuals increases muscle fatigue resistance but not femoral artery size or blood flow. Spinal Cord. 44 (4), 227-233 (2006).
  47. Johnston, T., et al. Musculoskeletal Effects of 2 Functional Electrical Stimulation Cycling Paradigms Conducted at Different Cadences for People With Spinal Cord Injury: A Pilot Study. Arch Phys Med Rehab. 97 (9), 1413-1422 (2016).
  48. Gorgey, A., Cho, G., Dolbow, D., Gater, D. Differences in current amplitude evoking leg extension in individuals with spinal cord injury. NeuroRehabilitation. 33 (1), 161-170 (2013).
  49. Gorgey, A., Martin, H., Metz, A., Khalil, R., Dolbow, D., Gater, D. Longitudinal changes in body composition and metabolic profile between exercise clinical trials in men with chronic spinal cord injury. J Spinal Cord Med. 39 (6), 699-712 (2016).

Tags

Atferd problemet 132 ryggmargsskade rehabilitering nevromuskulær elektrisk stimulering funksjonelle elektrisk stimulering styrketrening cardiometabolic biomarkers
Paradigmene for nedre ekstremitet elektrisk stimulering trening etter ryggmargsskade
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Gorgey, A. S., Khalil, R. E.,… More

Gorgey, A. S., Khalil, R. E., Lester, R. M., Dudley, G. A., Gater, D. R. Paradigms of Lower Extremity Electrical Stimulation Training After Spinal Cord Injury. J. Vis. Exp. (132), e57000, doi:10.3791/57000 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter