Waiting
Login processing...

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

Behavior

Paradigmer af nedre ekstremiteter elektrisk Stimulation uddannelse efter rygmarvsskade

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

Rygmarvsskade er en traumatisk medicinsk tilstand, som kan resultere i forhøjet risiko for kronisk sekundære stofskiftesygdomme. Her, præsenterede vi en protokol bruger overflade neuromuskulære elektrisk stimulation-modstand uddannelse sammen med funktionel elektrisk stimulation-nedre ekstremiteter cykling som en strategi til at rette op på flere af disse medicinske problemer.

Abstract

Skeletale muskelatrofi, øget overvægt og nedsat fysisk aktivitet er vigtige ændringer observeret efter rygmarvsskade (SCI) og er forbundet med talrige cardiometaboliske sundhedsmæssige konsekvenser. Disse ændringer er tilbøjelige til at øge risikoen for at udvikle kronisk sekundære betingelser og påvirker livskvaliteten hos personer med SCI. overflade neuromuskulære elektrisk stimulation vakte modstand uddannelse (NMES-RT) blev udviklet som en strategi til dæmpe processen med skeletale muskelatrofi, mindske ektopisk overvægt, forbedre insulinfølsomheden og forbedre mitokondrie kapacitet. NMES-RT er dog begrænset til kun en enkelt muskelgruppe. Involverer flere muskelgrupper i de nedre ekstremiteter kan maksimere de sundhedsmæssige fordele af uddannelse. Funktionel elektrisk stimulation-nedre ekstremiteter cykling (FES-LEC) giver mulighed for aktivering af 6 muskelgrupper, der kan forventes at fremkalde større metaboliske og kardiovaskulære tilpasning. Passende viden om parametrene stimulation er nøglen til at maksimere resultaterne af elektrisk stimulation uddannelse i personer med SCI. vedtage strategier for lang tids brug af NMES-RT og FES-LEC under revalidering kan bevare integriteten af de bevægeapparatet, en forudsætning for kliniske forsøg med henblik på at genoprette gå efter skade. Det aktuelle manuskript præsenterer en kombineret protokol bruger NMES-RT før FES-LEC. Vi hypotesen om, at musklerne aircondition for 12 uger før cykling vil være i stand til at generere større magt, cykle mod højere modstand og resultere i større tilpasning i personer med SCI.

Introduction

Det anslås, at ca. 282,000 personer i USA i øjeblikket lever med rygmarv skade (SCI)1. I gennemsnit er der omkring 17.000 nye tilfælde årligt, primært forårsaget af motorkøretøjer nedbrud, voldshandlinger og sportslige aktiviteter1. SCI resulterer i hel eller delvis afbrydelse af neurale transmission over og under niveauet for skade2, fører til sub-lesional sensoriske og/eller motor tab. Efter skade, er aktivitet af skeletmuskulatur under niveauet for skade stærkt reduceret, hvilket fører til en hurtig nedgang i lean masse og ledsagende infiltration af ektopiske fedtvæv eller intramuskulær fedt (IMF). Undersøgelser har vist, at lavere ekstremitet skeletmuskulatur oplever betydelige atrofi inden for de første par uger af skade, fortsætter i hele slutningen af det første år3,4. Så snart 6 uger efter skaden, personer med komplet SCI erfarne en 18-46% fald i sub-lesional muskel størrelse i forhold til alder og vægt-matchede abled-karrosseri kontrol. Af 24 uger efter skaden, kunne skeletmuskulatur tværsnitsareal (CSA) være så lav som 30-50%3. Gorgey og Dudley viste, at skeletmuskulaturen fortsat atrofi af 43% af den oprindelige størrelse 4,5 måneder efter skade og bemærket en tre gange større beløb af IMF i personer med ufuldstændige SCI sammenlignet med abled-rørige styrer4. Tab af metabolisk aktive lean masse resulterer i en reduktion i basal metabolic rate (BMR)2,6, som tegner sig for ∼65 - 70% af de samlede daglige energi udgifter; sådanne reduktioner i BMR kan føre til en skadelig energiubalance og stigende overvægt efter skade2,7,8,9,10,18. Øget overvægt har været knyttet til udviklingen af kronisk sekundære betingelser, herunder forhøjet blodtryk, type II diabetes mellitus (T2DM) og hjerte-kar-sygdom2,10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18. Endvidere personer med SCI kan lider af underernæring og afhængighed af en høj fedt diæt. Fedt indtag kan tegne sig for 29 til 34% af fedtmasse i personer med SCI, som er sandsynligvis en faktor forklarer stigende overvægt og den stigende forekomst af fedme i SCI befolkningen12,13.

Neuromuskulære elektrisk stimulation vakte modstand uddannelse (NMES-RT) var designet til at inducere hypertrofi af lammet skeletmuskulatur19,20,21,22,23, 24. Følgende tolv uger af to gange ugentlig NMES-RT, skeletmuskulatur CSA hele lår, knæ extensor og knæ flexor muskelgrupper steg med 28%, 35% og 16%, henholdsvis22. Dudley mfl. viste, at 8 uger to gange ugentlig NMES-RT restaureret knæ extensor muskel størrelse til 75% af den oprindelige størrelse på seks uger efter skade19. Derudover Mahoney mfl. udnyttet den samme protokol og bemærket en 35% og 39% stigning i højre og venstre rectus femoris muskler efter 12 uger på NMES-RT20.

Funktionel elektrisk stimulation-nedre ekstremiteter cykling (FES-LEC) er en almindelig rehabilitering teknik bruges til at udøve nedre ekstremiteter muskelgrupper efter SCI25,26. I modsætning til NMES-RT, FES-LEC bygger på stimulering af 6 muskelgrupper, hvilket kan resultere i øget hypertrofi og forbedringer i cardiometaboliske profil10,25,26,27, 28. Dolbow mfl. fandt dette samlede organ lean masse øget 18,5% efter 56 måneder af FES-LEC i en person med SCI27. Efter tolv måneder af tre gange ugentlig FES-LEC, en 60 - årig kvinde med paraplegi erfarne 7,7% stigning i kroppens samlede lean masse og en stigning på 4,1% i ben lean masse28. Rutinemæssig brug af funktionel elektrisk stimulation (FES) er forbundet med forbedring i risikofaktorer af cardiometaboliske efter SCI10,25,26.

Ideelle kandidater til elektrisk stimulation uddannelse vil have enten motor komplet eller ufuldstændig skader, med intakt perifere motoriske neuroner og begrænset lavere ende fornemmelse. Det aktuelle manuskript, beskriver en kombineret tilgang med NMES-RT og FES-LEC designet til at forbedre resultaterne af elektrisk stimulation uddannelse hos personer med kronisk SCI. Processen med NMES-RT ved hjælp af ankel vægte vil blive skitseret, mens fremhæve vigtige trin i protokollen og den samlede fordel indgriben giver til personer med kronisk SCI. Det andet formål er at beskrive processen med FES-LEC designet til at maksimere den overordnede cardiometaboliske effekt af intervention. Tidligere arbejde har bekræftet vores rationelle at en kombineret uddannelse protokollen kan fremkalde større resultater efter 24 uger af elektrisk stimulation uddannelse20,21,22,23,24 ,25,26,31,32,33,34,35,36.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Uddannelse protokollen beskrevet i dette håndskrift er registreret med clinicaltrials.gov identifier (NCT01652040). Træningsprogrammet omfatter NMES-RT med ankel vægte og FES-LEC. Alt nødvendigt udstyr er opført i tabel 2. Undersøgelse protokol og informeret samtykke blev gennemgået og godkendt af Richmond MORTENS institutionelle Review Board (IRB) og Virginia Commonwealth University (VCU) IRB. Hver undersøgelse, der blev forklaret i detaljer til hver deltager før retssagen.

1. deltager rekruttering

  1. Udføre en pre-screening evaluering med potentielle deltagere.
    1. Grundigt forklare detaljerne i uddannelse protokollen herunder længden af undersøgelsen (24 uger), gange om ugen (bi-ugentlige) og længden af sessioner (NMES-RT: 30 min og FES-LEC: 45-60 min).
      Bemærk: NMES-RT er gennemført for de første 12 uger, efterfulgt af 12 uger af FES-LEC.
    2. Beskrive de medicinske krav til den potentielle deltager herunder: mand eller kvinde med SCI, amerikansk Spinal skade klassificering (AIS) A, B eller C (dem med en AIS "C"-klassifikation, der ikke er i stand til at stå og gå), 18-65 - årige, større end 1 års efter skade, body mass index (BMI) ≤ 30 kg/m2, motor komplet eller ufuldstændig C5-L2 niveau af skade.
    3. Beskrive de lægelige begrænsninger til den potentielle deltager herunder: en diagnose af hjerte-kar-sygdom, ukontrolleret type II diabetes mellitus eller dem på insulin, ukontrolleret hypertension, tryk sår fase 3 eller større, urinvejsinfektion eller symptomer, osteoporose med T-Score-2.5 og graviditet for kvinder med SCI.

2. NMES-RT

  1. Sikre, at deltageren porevolumen sin blære og måle den hvilende blodtryk og puls. Mens deltager er siddende i kørestol, instruere deltager at tage hans/hendes sko. Anbring en pude bag kalv at afbøde benet under knæet fleksion. Anvende ankel vægte (0-26 lbs.) til deltagerens ankler (figur 1).
    Bemærk: Første 2 sessioner er gennemført uden ankel vægte til at sikre, at deltageren kan løfte sit ben mod tyngdekraften.
  2. Anvende to 7,5 cm x 12,7 cm klæbende Kulelektroder bilateralt på huden over knæ extensor muskelgruppe.
    1. Placer den distale elektrode ~1/3 afstanden mellem patella og lyskebrok fold og mediale med midterlinjen af quadriceps. Placer elektroden på langs og parallelt med midterlinjen akse kører fra hoften til knæled (figur 2).
    2. Placer den proksimale elektrode lateralt og støder op til den lyskelymfeknuder fold over vastus lateralis musklen. Placer elektroden på langs og parallelt med midterlinjen akse (figur 2).
  3. Angive en transportabel stimulator til en frekvens på 30 Hz og et bifasisk rektangulære pulse bredde af 450 µs og 50 µs interpulse interval19,20,21,22,23,24 ,37,38,39. Tilslut kablerne fra stimulatoren til hver elektrode.
    Bemærk: Polariteten af elektroderne ikke påvirke stimulation mønster så længe elektroder er placeret korrekt.
  4. Begyndelsen med det højre ben, gradvist øge nuværende indtil en mærkbar synlige spændinger er anerkendt i knæ extensor muskelgruppe. Fortsæt til langsomt rampe den nuværende for at fremkalde full knæ forlængelse (max. 200 mA). Gøre det muligt ben at forblive udvidet til 3-5 s til at fremkalde maksimal spænding i de aktiverede motoriske enheder.
  5. Gradvis at reducere nuværende indtil det nedenfor 50% af det nuværende mål kræves for at forlænge benet og flytte ben eccentrically tilbage til udgangspositionen. Optage den aktuelle amplitude nødvendigt at fremkalde fuld ben forlængelse.
  6. Komplet ensidig træning herunder 4 sæt af 10 gentagelser pr. ben og suppleant mellem højre og venstre ben. Gøre det muligt ben til at hvile 3-5 s mellem hver gentagelse og 3 min. mellem sæt. Hvis deltageren ikke nå fuld knæ udvidelse, optage % vifte af bevægelse og øge tiden mellem gentagelser.
    Bemærk: Muskeltræthed er defineret som to på hinanden følgende gentagelser med en vifte af bevægelse ≤ 25%.
  7. Forsøg på hver af de fire sæt, men hvis deltageren oplever muskeltræthed, afslutte det aktuelle sæt og fortsat uddannelse på de modsatte ben. Hvis fuld knæ udvidelse opnås uden muskeltræthed til 2 på hinanden følgende træningspas, tilføje 2 lbs. af ankel vægte den følgende uge af uddannelse.

3. FES-LEC

  1. Måle deltagerens hvilende blodtryk og puls. Placer deltager foran FES ergometer cykel (Table of Materials) siddende i hans/hendes personlige magt eller manuel kørestol (figur 3a, figur 3b).
  2. Gælde knæ extensor klæbende Kulelektroder, knæ flexor og gluteus maximus muskelgrupper bilateralt.
    1. For knæ extensors, placere den distale elektrode (7,5 x 12,7 cm) på huden 1/3 afstanden mellem patella og lyskebrok fold, over vastus medialis muskel. Placer den proksimale elektrode lateralt og støder op til den lyskelymfeknuder fold over vastus lateralis muskel (figur 4a).
    2. For knæ flexors, placere den distale elektrode (7,5 x 10 cm) på huden 2-3 cm over den knæhaselymfeknuderne fossa. Placer den proksimale elektrode 20 cm over den knæhaselymfeknuderne fossa (figur 4b). For at forhindre bevægelse af den distale elektrode, anvende en elastisk wrap til sikker placering af elektrode (figur 3a).
    3. Gluteus maximus, instruere deltager at læne sig frem mod Ergometeret. Sted to elektroder (5 x 9 cm) mave parallelt og på hovedparten af musklen; Tillad ~ to fingre bredde af adskillelse mellem elektroderne.
  3. Med deltageren siddende i sin kørestol og centreret foran Ergometeret, Tilslut kablerne fra stimulatoren til hver af de 12 elektroder. Check forsiden og bagsiden af ergometer til Sørg for, at deltageren er korrekt centreret.
  4. Sikrer, at deltagerens kørestol er låst og blidt sted deltagerens fødder (iført hvide tennissko) inde pedaler (figur 6). Sikre underbenet til ergometer ved hjælp af de elastiske stropper pakket ind i et stof, der dækker. Sikre deltagerens fødder på plads med to passage elastiske stropper og Velcro beliggende på hver petal (figur 5).
  5. Efter omsnøringsbånd flytte ben til ergometer, passivt benene så observere den cykel mønster. Hvis benene er alt for komprimeret eller hyperextended, justere højden på cyklen igen og igen holdning af passivt flytter benet.
  6. Sikre deltagerens kørestol til ergometer ved hjælp af to udtrækkelige kroge placeret i bunden af Ergometeret. Tilslut kroge til en stabil struktur nedenunder kørestol (figur 5). Placer to træ pauser under hjulene i kørestol, til at forhindre enhver bevægelse af stolen under cykling.
  7. Indstil stimulation frekvens til 33.3 Hz, til 350 µs puls varighed og den aktuelle amplitude til 140, 100, 100 mA for knæ extensor, knæ flexor og gluteus maximus muskel grupper, henholdsvis.
  8. Angive parametrene cyklus som følger: mål hastigheden på 40-45 omdrejninger pr. minut (RPM); justerbar motor drejningsmoment startende fra 10 Nm; modstand af 1,0, 1,5 og 2,0 Nm for motion stadier I, II og III.
  9. Indstille intervallet uddannelse parametre som følger: 3 min "varme op" fase; tre 10-min udøve faser (stimulation på); en 2-min hvilefase efter hver øvelse fase; og 3 min "køle af" fase.
  10. Baseret på skadens (over eller under T4), foranstaltning blod pres og hjertet sats hver 2 og 5 min. for at forhindre forekomsten af symptomer af autonome dysreflexia.
  11. Hvis blodtrykket er forhøjet, stoppe Ergometeret og bede vedkommende om at annullere sin blære eller hvile hvis de allerede har annulleret. Derudover skal du sørge for deltageren sidder ordentligt for at reducere alle trykpunkter og kontrollere, at sko eller enhver stropper ikke er overdrevent strammet. Nøje blodtryk hver 2 min. Hvis blodtrykket bedres, genoptage uddannelse; Hvis blodtrykket er udækkede, afslutte sessionen og instruere deltager at se hans/hendes praktiserende læge.
    Bemærk: Det er afgørende at sikre, at deltagerne konsekvent tager deres blodtryksmedicin, hvis nogen, og annullere deres blæren før FES-cykling.
  12. Optage deltagerens puls, hastighed, kraft, afstand, modstand og % stimulation hver 30 s.
  13. Hvis deltageren fuldfører et hele træningspas uden træthed (hastighed < 18 RPM under aktiv cykling), mindske servo motor drejningsmoment bistand ved 1 Nm følgende sessionen, ellers holde alle parametre af samme.
  14. Hvis deltageren fuldfører to træningspas uddannelse uden træthed eller brug af servo motordrevne bistand under motion stadier, øge modstanden med 0,5 Nm i hver øvelse fase.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ankel vægte steg gradvist til 22 deltagere, over 16 uger af NMES-RT (figur 6a). De gennemsnitlige vægt løftet af deltagerne var 19,6 ± 6,5 lb. (højre ben) og 20 ± 6 lbs. (venstre ben) [8-24 lb.]. Nuværende amplitude svingede i hele forsøget til højre og venstre ben (fig. 6b).

Progression af en person med motor komplet SCI efter 12 uger af FES-LEC uddannelse er fremhævet i tabel 1. Resultaterne viser, at med FES-LEC, er en stigning i procentdelen af aktuelle stimulation til at kompensere for den øgede svinghjul modstand over 12 uger med træning. Svinghjul modstand steg med 3 - 4 gange i hver af de 3 faser i hele 12-ugers uddannelse (tabel 1). Modstanden skred fra 1,6 til 5,1 Nm (fase I), 2.12 til 5,5 Nm (fase II) og 2.12 til 5,5 Nm (fase III). Det er værd at bemærke, at hver 10-min etape blev afbrudt af en 2-minutters hvileperiode, hvor deltagerne passivt cyklede mod 0,77 Nm.

Endelig, power output steget med 2 - 4 gange i hver af de 3 faser mellem uge 1 og uge 12 (tabel 1). Power skred fra 4 til 14 W (fase I), 5.4 til 11.24 W (fase II) og 2,6-11 W (fase III).

Figure 1
Figur 1. NMES-RT setup viser overflade elektroder, stimulator, bilaterale ankel vægte og pude pude. Fire sæt af ti gentagelser er udført for både højre og venstre ben. Vægte er gradvis steget med 2 lbs. hver uge hvis hvert sæt er afsluttet uden muskeltræthed. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2. Knæ extensor overflade elektroder anvendes under NMES-RT. En elektrode er placeret ~1/3 afstanden mellem patella og lyskebrok fold og mediale med midterlinjen af quadriceps. En anden elektrode er placeret lateralt og støder op til den lyskelymfeknuder fold over vastus lateralis musklen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3. Anterior (a) og laterale (b) udsigt over cykel setup under FES-LEC. Deltageren er siddende i sin kørestol og sikret på cyklen til at udføre FES cykling. Elastisk wraps er svøbt omkring hvert ben til at sikre den distale knæ flexor elektroder. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4. Knæ extensor overflade elektroder (a) brugte i FES-LEC og knæ flexor overflade elektroder (b). (a) en elektrode er placeret ~1/3 afstanden mellem patella og lyskebrok fold og mediale med midterlinjen af quadriceps. En anden elektrode er placeret lateralt og støder op til den lyskelymfeknuder fold over vastus lateralis musklen. (b) mens støtteben, en elektrode er placeret på huden 2-3 cm over den knæhaselymfeknuderne fossa; den anden elektrode er placeret 20 cm over den knæhaselymfeknuderne fossa. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5. Deltagerens mund er sikret til pedalen ved at krydse to elastiske stropper på hver petal. Det er vigtigt, at disse stropper er sikret stramt for at forhindre, at foden flytte, når cykling mod øget modstand. Patientens kørestol er sikret til cyklen ved hjælp af to udtrækkelige kroge placeret i bunden af cyklen. Når knyttet til kørestolen, er disse kroge forkrøppet og strammet for at fjerne enhver slæk. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6. Progression af ankel vægte (lbs.) af 22 deltagere i hele 16 uger af NMES-RT og progression af nuværende amplitude (mA) i hele 16 uger af NMES-RT. (a) vægt var steget med 2 lbs. ugentligt hvis deltageren kunne fuldføre 4 sæt af 10 gentagelser uden muskeltræthed. (b) under træning, blev nuværende amplitude gradvist øget for at bringe ben i fuld knæ udvidelse. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Uge 1 Uge 4 Uge 8 Uge 12
Procentdel Stimulation af nuværende Amplitude Fase 1 74 72 88 90
Fase 2 98 96 99 100
Fase 3 100 99 100 100
Svinghjul modstand (Nm) Fase 1 1,0 1.5 3.1 4.5
Fase 2 1,6 2.1 3.5 5.1
Fase 3 2.1 2.5 4.0 5.5
Effekt (watt) Fase 1 4.0 6.5 10,0 14,0
Fase 2 5.4 8.4 9.3 11.2
Fase 3 2.6 7.5 8.4 11,0

Tabel 1: procentdel stimulering af den nuværende amplitude, svinghjul modstand og effekt steg i 12 ugerne af FES-LEC i en person med SCI. Modstand blev øget hver uge, hvis 2 sessioner blev afsluttet uden beviser af muskeltræthed (hastighed < 18 rpm). Procentdel stimulation øges gradvist i hele 12 ugerne træning. Power output steg under hver incremental motion fase og i løbet af uddannelsen. NOTE: Data er fra en deltager, der har afsluttet 12 uger af FES-LEC efter endt 12 uger af NMES-RT.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den nuværende undersøgelse viste to forskellige paradigmer af elektrisk stimulation. Et paradigme er fokuseret på gennemførelse af progressive loading til den trænede muskel til at fremkalde skeletmuskulatur hypertrofi og andre paradigme er primært beregnet til at øge cardio-metaboliske ydeevne via forbedring af den aerobe kapacitet. Studiet sikret at sammenligne begge paradigmer og fremhæve de fordele og ulemper ved hver.

NMES-RT er vist sig for at være effektiv i genoprette muskel størrelse og fremkaldelsen hypertrofi hos personer med akut og kronisk SCI19,20,21,22,23,24. Den nuværende intervention afhængig tokanals stimulation enheder, der forventes at være tilgængelig i de fleste kliniske indstillinger eller til brug i hjemmet til personer med SCI. Der er en udokumenterede myte at progressive loading af lammet knæ extensor kan medføre fraktur af collum eller tibial condyles. Men, baseret på den aktuelle beviser, vi og andre ikke opleve en enkelt forekomst af fraktur. Dette kan fremhæve, at den nuværende protokol er sikre og tilgængelige til at blive brugt efter SCI.

Når du bruger NMES-RT, foretrækkes et bifasisk bølge, fordi det er bevist for at være sikkert og i stand til at generere en kraftfuld muskelsammentrækning, der kan forlænge benet mod tyngdekraften mens løfte ankel vægte. For disse personer med intakt sensation synes bifasisk bølge at være mere komfortable og tåleligt. Frekvens (30 Hz), bifasisk varighed (400 µs) med Inter puls interval (50 µs) er udvalgt på baggrund af vores tidligere publicerede forskning viser, at en lavere frekvens reducerer muskeltræthed og hjælper med at producere tetanic sammentrækning af knæet extensors37 ,38. En impulslængde på 450 µs har vist sig at øge aktiveringen af stimuleret musklerne og generere større evoked drejningsmoment, hvilket sikrer maksimal rekruttering af lammede muskler under uddannelse37. Derudover er det nødvendigt at gradvist rampe strøm for at undgå brug af overdreven nuværende amplitude, der kan forårsage hurtige muskeltræthed i knæet extensors. Uddannelsesstrategi herunder mængden af resten, frekvens og pulse bredde er designet til at forhindre forekomsten af utilsigtede hændelser svarende til autonome dysreflexia især hos personer med et niveau af skade ovenfor T4.

NMES-RT før cykling kan fremkalde større muskel hypertrofi og reducere muskeltræthed. Øget træthed modstand og styrke kan optimere FES-LEC cykel- og maksimere uddannelse resultater. Gorgey et al. demonstreret at 12 uger, to gange ugentlig, af NMES-RT fremkaldte en mere end 35% stigning i muskel størrelse og faldt IMF og visceralt fedtvæv22. Derudover har NMES-RT vist sig for at øge glukose transporter type-4 (GLUT-4) koncentration, som er forbundet med øget træthed modstand36,46. Sabatier et al. rapporterede, at træthed modstand af uddannede knæ extensors steget med 33% efter 18 uger af NMES-RT og konkluderede, at NMES-RT tilstrækkelig til at fremkalde muskel hypertrofi, også reduceret muskel træthed46. NMES-RT har vist sig for at fremkalde positive tilpasning i mitokondrier af muskelceller. Ryan mfl. noterede en 25% forbedring i mitokondrielle kapacitet efter 16 ugers NMES-RT, to gange ugentligt, i personer med kronisk komplet SCI23. A kombineret uddannelsesprogram, som beskrevet i det aktuelle manuskript, designet til at øge muskel masse og reducere muskel træthed kan forbedre cardiometaboliske sundhed og bidrage til FES-LEC bliver mere effektiv.

Der er begrænset dokumentation af cardiometaboliske tilpasning efter langvarig FES-LEC i personer med SCI. FES-LEC uddannelse har varieret fra 2 til 7 gange ugentlig i 1,5 til 12 måneder; motion varighed har varieret fra 20 til 60 min26. Tidligere undersøgelser ved hjælp af FES-LEC viste en beskeden forbedring i insulinfølsomhed og konditionen31,32. Mohr et al. viste, at 3 dage om ugen af FES-LEC udført for 1 h resulterede i en 25% forbedring i insulinfølsomhed hos personer med SCI31. På samme måde, otte uger af daglige FES-LEC resulterede i en 33% forbedring i insulinfølsomhed for 5 mænd med livmoderhalskræft SCI32. Derudover viste FES-LEC et begrænset svar på iltoptagelsen og hjerte-kar-efterspørgslen i forhold til arm krank ergometry (ACE) eller hybrid udøve42.

De fleste FES-LEC forsøg bruge nogle form for motor støtte hvor motor cyklen gælder styrker pedaler til at bistå med at gennemføre cyklussen. Motorisering giver mulighed for en større andel af person med SCI at foretage FES cykling, især dem ude af stand til at generere og opretholde tilstrækkelig muskel kraft til at rotere svinghjul eller dem med lav-tolerance til FES på grund af resterende sensation43. For dem, der kan producere tilstrækkelig muskel kraft, bistand fra FES motor-support kan imidlertid begrænse resultaterne af uddannelse. Af denne grund bruger den nuværende metode kun motor-support hvis deltageren oplever muskler træthed og under de hvilende faser. Dette giver knæ extensor, knæ flexor og bagdelen muskelgrupper til at give maksimal indsats, når du cykler, som kan maksimere cardiometaboliske tilpasning, som det fremgår af stigende modstand og power output over 12 uger af FES-LEC. Derudover er FES-LEC begrænset af hurtige muskeltræthed under cykling44, især når du bruger minimal motor-support. Tidligere har offentliggjorte arbejde vist en bred variation i cykling udholdenhed af personer med SCI. ti personer med motor-komplet SCI cyklet, ved hjælp af FES ergometry indtil deres trætte muskler. Én deltager udøves for et samlet beløb på 3 min, mens en anden udøves for 10 minutter44. I den nuværende uddannelse undersøgelse, har vi søgt at give en lige dosis af behandling blandt deltagerne i form af 30 min FES-uddannelse. Dette vil sikre behandling konsistens mellem hver deltager til at sikre, at tilpasning, eller manglende heraf, er udelukkende på grund af produktionen af de aktiverede muskler og ikke begrænset af varigheden af cykling.

Repræsentative resultater viste, at i en person med SCI i hvilke 12 uger af FES-LEC var forud med 12 ugers NMES-RT, modstand og effekt steg i løbet af intervention. I modsætning til tidligere undersøgelser, at faldet kadence at øge modstanden 43,47, har den nuværende undersøgelse vedtaget en strategi for at øge modstanden med et mål hastighed på 40-45 omdr. Dette kan være en vellykket strategi, især efter 12 uger af conditioning musklerne ved hjælp af NMES-RT for at forbedre muskel kvalitet22. Anvendelser af elektrisk stimulation, herunder FES-LEC, bør drage stor nytte af forbedre muskel kvalitet48 og kan resultere i større kraft og effekt af de trænede muskler. Større effekt kan føre til hjerte-kar- og knogle tilpasning til at opnå resultater svarende til hvad er opnået ved hjælp af es eller hybrid øvelse. El produceret af musklerne under FES-LEC motion kan stimulere tilpasninger til knogle ved at udsætte nedre ekstremiteter lemmer til gentagne belastninger cyklusser på høj modstand. For eksempel viste Johnston et al. en lav cykling kadence på 2,9 Nm kan forbedre parametre af knogle sundhed efter 6 måneder af FES-LEC i personer med SCI sammenlignet med høj kadence, der genererer et drejningsmoment på 0,8 Nm47. Den nuværende undersøgelse vist, at modstanden kan øges op til 5,5 Nm. Dette er dobbelt drejningsmoment output rapporteret på lav-kadence og det er sandsynligt, at have større indvirkning på parametre af knogle- og hjerte-kar-sundhed.

Ergometer bruges i den aktuelle protokol (Table of Materials) drives direkte fra deltagernes kørestol, eliminerer behovet for overførsel og giver mulighed for stimulering af op til 12 muskelgrupper af låret, lavere ben og krop. Vi har valgt at stimulere quadriceps, forstrækning og gluteus maximus musklerne i den nederste ende. Fremtidige studier vil udvide for at stimulere mave- og musklerne i personer med SCI. Desuden, at Ergometeret vejer kun 39 kg, hvilket gør det langt mere kompakt og fleksible end andre kommercielt tilgængelige FES ergometer. Ergometeret har også en justerbar motor-assist funktion, som giver mulighed for deltageren til at maksimere sin uddannelse uden motor støtte når det er relevant. Desuden, Ergometeret giver mulighed for valgfri motor-bistand. Den nuværende protokol tillader motor-støtte under 1) warm-up fase, 2) den første "aktive overgang" fase (første 1-2 min i træningsfasen), 3) hver hvilefase og 4) hvis deltageren uniform mod modstand. Under aktiv cykling er motoren slukket til tilstrækkeligt udfordre hver deltager. Muskeltræthed under cykling blev defineret som det punkt, hvor hastighed falder til under 18 RPM. Derudover Gorgey et al. afslørede træningseffekt af tre forskellige stimulation parametre, varierende i impulslængde (200, 350 og 500 µs), cykling ydeevne i 10 personer med kronisk SCI. Efter en enkelt anfald af FES-LEC, knæ extensor drejningsmoment faldt med 33-59% og forblev væsentligt udækkede følgende 48-72 h44. Baseret på disse resultater, mener vi, at to gange ugentlig er en rimelig udøvelse dosis for personer med kronisk SCI og giver tid nok (48 h) for genopretning af de trætte muskler.

Under FES-LEC, er stimulation parametrene angivet til at forhindre enhver episoder af autonome dysreflexia, mens stadig fremme robuste cardiometaboliske tilpasning; de cykling parametre blev designet med denne balance i sind og er som følger: hyppighed (33.3 Hz), modstand (justerbar), målrette hastighed (40-45 RPM) og impulslængde (350 µs). Frekvens er angivet på 33.3 Hz til minimerer muskeltræthed; nuværende amplitude (% stimulation) øges gradvist af ergometer til at opretholde en hastighed over 18 RPM. De seneste resultater tyder på, at en større end 350 µs under FES ergometry impulslængde udløser autonome dysreflexia i personer med SCI44. Derudover en impulslængde på 350 µs øget delta energi udgifter sammenlignet med en impulslængde på 200 µs. Derudover delta energi udgifter ikke var nogen større når sat til 500 µs44. Den højere forekomst af autonome dysreflexia under FES-LEC kan tilskrives det faktum, at 6 muskelgrupper stimuleres samtidigt. Dette er sandsynligvis vil øge strømtæthed og antallet af nociceptorer bliver aktiveret, hvilket resulterer i oversvømmelser af skadelige stimuli til nervesystemet. Det er usandsynligt, at ske under NMES-RT på grund af uddannelse af en enkelt muskelgruppe; Dette kan dog forekomme hos personer med høj grad af skade svarende til C6 SCI. anekdotiske kliniske erfaring viste, at det er sandsynligt at fade ud med uddannelse som personer med SCI bliver mindre sårbare over for udvikle autonome dysreflexia. De ovennævnte parametre er blevet valideret for at sikre deltagernes sikkerhed, mens maksimering af uddannelse resultater.

Der er få begrænsninger, der skal løses, når de overvejer lignende kombineres uddannelse protokoller. Uundgåeligt, uddannelse resultater og kropssammensætning kan blive forvirret af visse variabler; den største er kosten indtag. For at eliminere denne variation så meget som muligt, bør klinikere evaluere kalorieindtag rapporter på ugebasis. Samling af ugentlige rapporter, kan tillade klinikere til nøje at overvåge ekstra kalorieindtag (> 300 - 500 kcal/uge af sin oprindelige BMR) og instruere SCI personer til at justere hans/hendes makronæringsstoffer nøgletal efter behov. Ud over kosten variabilitet, den nuværende træningsprogram muligvis ikke gælder for 20-25% af SCI befolkningen, der ikke kan udøve ved hjælp af elektrisk stimulation grund at denervering af skeletmuskulatur. Derudover viser tidligere data, at personer med SCI sandsynligvis miste uddannelse fordele efter ophør af uddannelse program49; kliniske interventioner bør derfor give mekanismer for at sikre langsigtet overholdelse, svarende til at reducere uddannelse frekvensen til to gange ugentlig og/eller giver hjem-baserede telehealth alternativer24. Fremtidige studier undersøger virkningerne af NMES-RT og FES-LEC bør udnytte telehealth strategier for at overvinde socioøkonomiske hindringer for at udøve og fremme langsigtet overholdelse. NMES-RT foretaget ved hjælp af videokonference, telehealth var i stand til at øge absolutte lårmuskel med 11% og mindske hele låret IMF med 14% i fem mænd med motor komplet SCI24. Uddannelse blev udført to gange ugentlig i 8 uger ved hjælp af en bærbar batteri-drevet stimulator. Deltagerne blev overvåget via webcam til at sikre sikkerhed og korrekt opsætning i hele uddannelse program24.

Brugen af NMES-RT i kombination med FES-LEC kan være en effektiv strategi til at maksimere resultaterne af bi-ugentlige elektrisk stimulation uddannelse. Ved hjælp af NMES for at stimulere lårmusklerne har vist sig at fremkalde muskel hypertrofi, øge styrke og reducere træthed. Stærkere, slankere benmuskler kan være i stand til at fremkalde større magt, når du cykler, mere effektivt udnytte ilt og maksimere cardiometaboliske fordelene ved uddannelse i personer med SCI.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Vi vil gerne takke de deltagere, der afsættes tid og kræfter til at deltage i de tidligere undersøgelser. Vi vil gerne takke Hunter Holmes McGuire Research Institute og rygmarv skade tjenester og lidelser for at give miljøet at gennemføre klinisk human forskning forsøg. Ashraf S. Gorgey understøttes i øjeblikket af Institut for Veteran anliggender, Veteran sundhed Administration, rehabilitering forskning og udvikling 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

Adfærd sag 132 rygmarvsskader rehabilitering neuromuskulære elektrisk stimulation funktionel elektrisk stimulation styrketræning cardiometaboliske biomarkører
Paradigmer af nedre ekstremiteter elektrisk Stimulation uddannelse efter rygmarvsskade
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