Waiting
Login processing...

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

Behavior

Парадигмы нижней конечности электрическая стимуляция обучения после травмы спинного мозга

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

Травмы спинного мозга является травматическим медицинское состояние, которое может привести к повышенных рисков хронических средних метаболических расстройств. Здесь мы представили протокол, с помощью поверхности нервно электрической стимуляции сопротивление подготовки в сочетании с функциональной электрической стимуляции нижний конечностей, Велоспорт в качестве стратегии для улучшения некоторых из этих медицинских проблем.

Abstract

Скелетная мышечная атрофия, рост ожирения и снижения физической активности являются ключевые изменения, наблюдаемые после травмы спинного мозга (SCI) и связаны с многочисленными последствиями для здоровья кардиометаболического. Эти изменения могут увеличить риск развития хронических средних и повлиять на качество жизни людей с поверхностью SCI. нейромышечную электростимуляцию вызвала сопротивление обучение (NMES-RT) была разработана стратегия смягчение процесса атрофией скелетных мышц, сокращение внематочной ожирение, улучшить чувствительность инсулина и митохондриального потенциала. Однако NMES-RT ограничивается только одной мышечной группы. С участием нескольких групп мышц нижних конечностей может максимизировать преимущества здоровья профессиональной подготовки. Функциональные электрической стимуляции нижней конечности, Велоспорт (FES-LEC) позволяет для активации 6 групп мышц, что скорее всего, вызывают более сердечно-сосудистой и метаболической адаптации. Соответствующие знания параметров стимуляции является ключом к максимизации результатов обучения электрической стимуляции людьми с SCI. принятие стратегий долгосрочного использования NMES-RT и Фес-LEC во время реабилитации может поддерживать целостность опорно-двигательный аппарат, предпосылкой для клинических испытаний, направленных на восстановление ходьбы после травмы. Текущий рукопись представляет комбинированный протокол, с помощью NMES-RT до ФЕСА-LEC. Мы предполагаем, что мышцы, кондиционером за 12 недель до Велоспорт будет способен генерировать большую мощность, цикл против сопротивление выше и привести к большей адаптации лиц с SCI.

Introduction

Предполагается, что примерно 282,000 человек в США в настоящее время живут с спинного мозга травмы (SCI)1. В среднем есть примерно 17 000 новых случаев, ежегодно, в первую очередь, вызванного дорожно-транспортных происшествий, акты насилия и спортивные мероприятия1. SCI приводит частичное или полное прекращение нейронной передачи через и ниже уровня травмы2, приводя к потере sub-lesional сенсорные и моторные. После травмы значительно снижается активность скелетных мышц ниже уровня травмы, приводит к быстрому снижению мышечной массы и сопутствующих проникновение эктопические жировой ткани, или внутримышечного жира (МВФ). Исследования показали, что нижняя оконечность скелетных мышц испытывает значительную атрофию в течение первых нескольких недель травмы, на протяжении всего к концу первый год3,4. Как только 6 недель после травмы, лиц с полной SCI опытных 18-46% уменьшение размера sub-lesional мышц по сравнению с возраст и вес согласованной ограниченными физическими возможностями здоровых элементов управления. 24 недель после травмы сечение скелетной мускулатуры (CSA) могут быть как низко как 30-50%3. Gorgey и Дадли показал, что скелетных мышц по-прежнему атрофия на 43% от первоначального размера 4,5 месяцев после травмы и отметила три раза большее количество МВФ в лица с неполной SCI, по сравнению с ограниченными физическими возможностями здоровых контролирует4. Потери метаболически активной мышечной массы приводит к снижению в базальных метаболизма (BMR)2,6, какие учетные записи для ∼65 - 70% общего объема ежедневных расходов энергии; Такое сокращение BMR может привести к пагубным энергетического дисбаланса и увеличения ожирения после травмы2,,78,9,10,18. Был повышенный ожирение связано с развитием хронического среднего условий, включая гипертонии, типа, сахарный диабет II (T2DM) и сердечно-сосудистых заболеваний2,10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18. Кроме того, лица с SCI могут страдать от недоедания и опора на высоких жиров. Диетических жиров может приходиться 29 – 34% массы жира людьми с SCI, которая, вероятно, фактор, объясняя, ожирение и ростом распространенности ожирения в SCI населения12,13.

Нейромышечную электростимуляцию вызвала сопротивление обучение (NMES-RT) был разработан чтобы побудить гипертрофия парализованных мышцах19,20,21,,2223, 24. Следующие двенадцать недель два раза в неделю NMES-RT, скелетных мышцах CSA всего бедра, разгибателей коленного сустава и групп мышц сгибателей коленного сустава, увеличился на 28%, 35% и 16%, соответственно22. Дадли и др. показали, что 8 недель два раза в неделю NMES-RT восстановлен колена разгибателей мышц размера до 75% от первоначального размера на шесть недель после травмы19. Кроме того Махони и др. использовать тот же протокол и отметил увеличение права на 35% и 39% и оставил прямая мышца бедра мышцы после 12 недель NMES-RT-20.

Функциональные электрические стимуляции нижней конечности Велоспорт (FES-LEC) является общей реабилитации метод, используемый для осуществления группы мышц нижних конечностей после SCI25,26. В отличие от NMES-RT, Фес-LEC опирается на стимуляции 6 групп мышц, которые могут привести к увеличению гипертрофия и улучшений в кардиометаболического профиль10,25,26,27, 28. Dolbow и др. Найдено что всего тела мышечной массы увеличился на 18,5%, после 56 месяцев Фес-LEC в индивидуал с SCI27. После двенадцати месяцев трижды в неделю Фес-LEC, 60 - летняя женщина с параплегией опытных 7,7% увеличение общего объема lean массы и увеличение на 4,1% ногу худой массового28. Рутинное применение функциональных электростимуляции (FES) связан с улучшение факторов риска кардиометаболического условий после SCI10,25,26.

Идеальные кандидаты для электростимуляции обучение будет иметь либо мотор полный или неполный травм, с нетронутым периферических двигательных нейронов и ограниченные нижней конечности ощущения. Текущий рукопись, описывает комбинированный подход с использованием NMES-RT и Фес-LEC, призванных улучшить исходы электрическая стимуляция обучения лиц с хроническими SCI. Процесс NMES-RT будет определен с помощью лодыжки веса, подчеркнув ключевые шаги в рамках протокола и общих интересах вмешательства предоставляет лицам с хроническими SCI. Вторая цель заключается в описать процесс Фес-LEC предназначен для максимальной общей кардиометаболического эффект вмешательства. Предыдущие работы подтвердил наш рациональный что комбинированный курс подготовки протокола может вызвать больше результатов после 24 недель электрической стимуляции обучение20,21,,2223,24 ,25,26,,3132,33,34,35,36.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Подготовки протокола, описанные в этой рукописи регистрируется с clinicaltrials.gov идентификатор (NCT01652040). Программа обучения включает в себя NMES-RT с лодыжки веса и Фес-LEC. Все необходимое оборудование, перечисленные в таблице 2. Протокол исследования и осознанного согласия были рассмотрены и одобрены Ричмонд VAMC институционального обзора Совет (IRB) и Содружества Университета Вирджинии (VCU) IRB. Все процедуры исследования, были разъяснены в деталь для каждого участника до начала судебного разбирательства.

1. участник набора

  1. Выполнение предварительной проверки оценки с потенциальными участниками.
    1. Тщательно объяснить детали подготовки протокола, включая продолжительность исследования (24 недель), раз в неделю (два раза в неделю) и продолжительность сессий (NMES-RT: 30 мин и Фес-LEC: 45-60 мин).
      Примечание: NMES-RT проводится для первых 12 недель, после 12 недель Фес-LEC.
    2. Описывают медицинские требования потенциальных участников, в том числе: мужчина или женщина с SCI, американский спинальной травмы классификации (АИС) A, B или C, (те, с классификацией АИС «C», которые не могут встать и ходить), 18-65 лет, больше, чем 1 год после травмы, тела индекс массы (BMI) ≤ 30 кг/м2, мотор полный или неполный C5-L2 уровень травм.
    3. Описывают медицинские ограничения потенциальных участников, в том числе: диагноз сердечно-сосудистых заболеваний, тип неконтролируемый сахарный диабет II или тех, кто на инсулин, неконтролируемая гипертензия, давление язвы стадии инфекции 3 или выше, мочевыводящих путей или симптомы остеопороза с T-Оценка-2,5 и беременности для женщин с SCI.

2. NMES-RT

  1. Убедитесь, что участник лишает его мочевого пузыря и измерения отдыха артериального давления и частоты сердечных сокращений. Участник, сидя в инвалидном кресле, поручить участник снять свою обувь. Затем место подушку позади теленка смягчить ноги во время сгибания колена. Применить лодыжки веса (0-26 кг) участника лодыжки (рис. 1).
    Примечание: Первоначальный 2 проводятся без лодыжки веса, чтобы убедиться, что участник может поднять его ноги против силы тяжести.
  2. На двусторонней основе применить два 7,5 см х 12,7 см клей углеродных электродов на кожу над группы мышц разгибателей коленного сустава.
    1. Место дистальной электрод ~1/3 Расстояние между надколенника и паховой складки и медиальнее срединной четырехглавой. Место электрода продольно и параллельно оси срединной, работает от бедра до коленных суставов (рис. 2).
    2. Боков место проксимальную электрода и прилегающих к паховой складки над мышц бедра мышцы. Место электрода продольно и параллельно к средней линии оси (рис. 2).
  3. Установите портативный стимулятором частотой 30 Гц и двухфазные прямоугольные импульса 450 МКС и 50 µs interpulse интервал19,20,21,,2223,24 ,37,,3839. Подключите кабели от стимулятор для каждого электрода.
    Примечание: Полярности электродов не влияет шаблон стимуляции, пока электроды расположены правильно.
  4. Начиная с правой ноги, постепенно увеличивайте текущий пока заметно видимых напряжение распознается в группы мышц разгибателей коленного сустава. Продолжать постепенно наращиваться тока вызывают расширение полной колена (Макс. 200 мА). Разрешить ноги, чтобы оставаться расширенный для 3-5 s, чтобы вызвать максимальное напряжение в активации двигательных единиц.
  5. Постепенно уменьшить ток до тех пор, пока это ниже 50% текущего целевого необходимых для расширения ногу и эксцентрично двигаться ноги обратно в исходное положение. Запись необходимо вызвать полного разгибания амплитуда тока.
  6. Полное односторонних обучения, включая 4 комплекта 10 повторений за ноги и альтернативные между правой и левой ноги. Разрешить ноги, чтобы отдых 3-5 s между каждым повторением и 3 мин между наборами. Если участник не достигают полной колена расширение, запись % диапазон движения и увеличить время между повторами.
    Примечание: Усталость мышц определяется как два последовательных повторений с диапазоном движения ≤ 25%.
  7. Попытка каждый из четырех наборов, но если участник испытывает усталость мышц, конец текущего набора и продолжить обучение на противоположной ноге. Если расширение полной колена достигается без усталости мышц за 2 последовательных учебных занятий, добавьте 2 lbs. лодыжки веса следующей недели обучения.

3. ФЕС LEC

  1. Измерьте участника покоя артериального давления и частоты сердечных сокращений. Позиция участника перед Фес велоэргометр велосипед (Таблица материалов) вошла в его личной власти или ручной инвалидных колясок (рис. 3a, 3b рисунок).
  2. Применять клей углеродных электродов к разгибателей колена, колена сгибателей и ягодичной группы мышц на двусторонней основе.
    1. Для разгибателей коленного сустава, место дистальной электрода (7,5 x 12,7 см) на коже 1/3 расстояния между надколенника и паховые складки, более широких мышц мышц. Боков место проксимальную электрода и прилегающих к паховой складки над мышц бедра мышцы (рис. 4a).
    2. Для сгибателей коленного сустава, место дистальной электрода (7,5 x 10 см) на кожу 2-3 см выше подколенной ямки. Место проксимальной электрода 20 см выше подколенной ямки (рис. 4В). Для предотвращения перемещения дистальной электрода, обмотайте упругой на безопасное позиционирование электрода (рис. 3a).
    3. Для ягодичная поручить участник наклониться вперед к велоэргометр. Место два электрода (5 x 9 см), параллельно и на основную часть мышцы живота; разрешить ~ двумя пальцами ширина разделения между электродами.
  3. С участником сидит в своей коляске и по центру перед велоэргометр Подключите кабели от стимулятор каждому из 12 электродов. Проверьте передней и задней части велоэргометр чтобы убедиться, что участник правильно по центру.
  4. Убедитесь, что участник инвалидной коляске заблокирован и осторожно поместите ноги участника (ношение теннисные туфли) внутри педали (рис. 6). Безопасность голень для велоэргометр, используя эластичные ремни, завернутые в ткань покрытия. Закрепите участника ноги на месте с двумя пересечения лямках и Velcro, расположенных на каждом лепестке (рис. 5).
  5. После обвязки ноги велоэргометр, пассивно двигаться ноги так наблюдать Велоспорт картину. Если ноги слишком сжаты или hyperextended, отрегулируйте высоту велосипед и перепроверять позицию, пассивно перемещая ногу.
  6. Закрепите участника инвалидной коляски для велоэргометр, используя два удлиняемым крючки, расположенные на базе велоэргометр. Подключите крючки к стабильной структуры под инвалидных колясок (рис. 5). Место два деревянных перерывы под колеса коляски, чтобы предотвратить любые передвижения Председателя во время Велоспорт.
  7. Установите частоту стимуляции 33.3 Гц, длительность импульса до 350 МКС и амплитуда тока до 140, 100, 100 мА для разгибателей колена, колена сгибателей и большая ягодичная мышца групп, соответственно.
  8. Установите параметры цикла следующим образом: Целевая скорость 40-45 оборотов в минуту (об/мин); регулируемым мотор крутящий момент, начиная с 10 Нм; сопротивление 1.0, 1.5 и 2.0 Нм для осуществления этапов I, II и III.
  9. Задайте интервал подготовки параметры следующим образом: «разогреть» фаза3 мин; три 10-мин осуществлять этапы (стимуляции на); 2-мин отдыха фазы следующее каждый осуществлять этап; и 3 мин «охладить» фазу.
  10. На основе уровня травмы (выше или ниже T4), мера крови давление и сердце ставка каждые 2-5 мин для предотвращения возникновения каких-либо симптомов вегетативной dysreflexia.
  11. Если артериальное давление остается повышенным, остановить велоэргометр и поручить участник аннулировать его мочевого пузыря или если они уже аннулированы. Кроме того проверьте, чтобы убедиться, что участник установлен правильно, чтобы уменьшить любой точки давления и проверить, что обувь или любой ремни не чрезмерно затянуты. Мониторинг артериального давления тесно каждые 2 мин. Если артериальное давление восстанавливается, возобновить обучение; Если артериальное давление остается невосстановленной, завершить сеанс и поручить участник видеть своего лечащего врача.
    Примечание: Жизненно важно для обеспечения того, чтобы участники последовательно их лекарства кровяного давления, если таковые имеются и лишить их пузыря до ФЕСА Велоспорт.
  12. Запись участника пульс, скорость, мощность, расстояние, сопротивление и стимуляции % каждые 30 s.
  13. Если участник завершает весь тренировки без усталости (скорость < 18 RPM во время активных Велоспорт), уменьшение помощи крутящий момент мотора сервопривода на 1 Нм следующей сессии, в противном случае держать все параметры то же самое.
  14. Если участник завершает две тренировки упражнения без усталости или использование мотор сервопривода помощи во время осуществления этапов, увеличение сопротивления на 0,5 Нм на каждом этапе осуществления.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Лодыжки веса увеличивалось для 22 участников, свыше 16 недель NMES-RT (рис. 6a). Средний вес сняты Участники был 19.6 ± 6,5 фунта (правая нога) и 20 ± 6 фунтов (левая нога) [lb 8-24.]. Амплитуда тока колебались в течение всего судебного разбирательства для правой и левой ноги (рис. 6b).

Прогрессирование индивидуума с двигателем, который полный SCI, после 12 недель обучения Фес-LEC выделена в таблице 1. Результаты показывают, что с Фес-LEC, является увеличение доли текущих стимуляции, чтобы компенсировать увеличение маховик сопротивления свыше 12 недель обучения. Маховик сопротивления увеличилось на 3 - 4 раза в каждом из 3 этапов на протяжении 12-недельного учебного (Таблица 1). Сопротивление продвинулись от 1,6 до 5.1 Нм (этап I), 2.12 до 5,5 Нм (этап II) и 2.12 до 5,5 Нм (этап III). Стоит отметить, что каждый этап 10-мин был interspersed покоя сроком на 2-мин, в котором участники пассивно циклическое против 0,77 Нм.

Наконец Выходная мощность увеличилась на 2 - 4 раза в каждом из 3 этапов между 1 неделя и неделя 12 (Таблица 1). Власть перешла от 4 до 14 W (этап I), 5.4 для 11.24 W (этап II) и 2.6 до 11 W (этап III).

Figure 1
Рисунок 1. NMES-RT установки показаны поверхности электродов, стимулятор, двусторонние лодыжки веса и наволочка для подушки. Четыре набора из десяти повторений выполняются для правой и левой ноги. Веса постепенно увеличивается на 2 фунтов каждую неделю если каждый набор будет завершена без усталости мышц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2. Колено разгибателей поверхности электродов, используемых во время NMES-RT. Один электрод помещается ~1/3 Расстояние между надколенника и паховой складки и медиальнее срединной четырехглавой. Второй электрод размещены сбоку и прилегающих к паховой складки над мышц бедра мышцы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3. Передняя (а) и боковой (b) виды велосипед установки во время Фес-LEC. Участник сидит в кресле и закреплен на велосипед для выполнения Фес Велоспорт. Эластичных обертываний, обернутые вокруг каждой ноги для обеспечения дистальной части колена сгибателей электродов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4. Колено разгибателей поверхности электродов () используется во время Фес-LEC и сгибателей коленного поверхности электродов (b). a один электрод помещается ~1/3 Расстояние между надколенника и паховой складки и медиальнее срединной четырехглавой. Второй электрод размещены сбоку и прилегающих к паховой складки над мышц бедра мышцы. (b) поддерживая ногу, один электрод накладывают на кожу 2-3 см выше подколенной ямки; Второй электрод находится 20 см выше подколенной ямки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 5
Рисунок 5. Участника ногой на педаль обеспечивается пересечения двух лямках, расположенных на каждом лепестке. Важно, что эти ремни плотно закреплены для предотвращения перемещения при Велоспорт против повышенная стойкость ноги. Пациента в инвалидной коляске крепится к велосипед, используя два удлиняемым крючки, расположенные на базе велосипеда. После присоединения к инвалидной коляске, эти крючки коленчатого и ужесточены, чтобы удалить любой слабину. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 6
Рисунок 6. Прогрессирование лодыжки веса (кг.) 22 участников на протяжении 16 недель NMES-RT и прогрессирование амплитуда тока (mA) на протяжении 16 недель NMES-RT. () вес был увеличен на 2 кг за неделю, если участник может завершить 4 комплекта 10 повторений без усталости мышц. (b) во время обучения, амплитуда тока постепенно было увеличено до приведения ногу в полной колена расширение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

1 неделя Неделя 4 Неделя 8 Неделя 12
Процент стимуляция амплитуда тока Этап 1 74 72 88 90
Этап 2 98 96 99 100
Этап 3 100 99 100 100
Маховик сопротивление (Нм) Этап 1 1.0 1.5 3.1 4.5
Этап 2 1.6 2.1 3.5 5.1
Этап 3 2.1 2.5 4.0 5.5
Мощность (Вт) Этап 1 4.0 6.5 10,0 14,0
Этап 2 5.4 8.4 9.3 11.2
Этап 3 2.6 7.5 8.4 11.0

Таблица 1: процент стимуляции амплитуда тока, сопротивление маховик и выходная мощность увеличилась на протяжении 12 недель Фес-LEC в индивидуал с наук Сопротивление было увеличено каждую неделю, если 2 сессии были завершены без признаков усталости мышц (скорость < 18/мин). Процент стимуляции увеличена постепенно на протяжении 12 недель обучения. Выходная мощность увеличилась на каждой стадии добавочные упражнения и в течение обучения. Примечание: Данные из одного участника, который завершил 12 недель Фес-LEC после окончания 12 недель NMES-RT.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Текущее исследование продемонстрировало два различных парадигм электрической стимуляции. Один парадигмы сосредоточена на осуществлении прогрессивной загрузки подготовленных мышц вызывают гипертрофии скелетных мышц и другая парадигма предназначен прежде всего для повышения производительности сердечно метаболических через повышения аэробной способности. Исследования, сравнить обе парадигмы и подчеркнуть плюсы и минусы каждого из них.

NMES-RT оказалась эффективной в восстановление размер мышц и вызывая гипертрофии у лиц с острой и хронической SCI19,20,21,,2223,24. Текущий вмешательства опирается на двухканальной стимуляции единиц, которые скорее всего будут доступны в самых клинических параметров или для домашнего использования для лиц с SCI. Существует необоснованные миф, что прогрессивной загрузки разгибателей парализована колено может привести к перелом мыщелков бедра или голени. Однако основываясь на имеющихся данных, мы и другие не испытывали один число переломов. Это может подчеркнуть, что текущий протокол безопасных и доступных для использования после SCI.

При использовании NMES-RT, двухфазный волна является предпочтительным, поскольку доказано, чтобы быть безопасным и способны генерировать мощные мышц, которые могут продлить ноги против силы тяжести во время подъема лодыжки веса. Для тех людей, с нетронутым ощущение двухфазный волны, как представляется, будет более комфортным и терпимым. Частота (30 Гц), двухфазный продолжительность (400 МКС) с интервалом между импульса (50 µs) выбираются основанный на ранее опубликованные исследования показывают, что более низкая частота снижает мышечную усталость и помогает производить столбнячной сужением разгибателей коленного37 ,38. Длительность импульса, МКС 450 показал увеличить активации стимулировали мышц и генерировать больше вызвала крутящий момент, обеспечивая максимальный набор парализованных мышц во время обучения37. Кроме того необходимо постепенно увеличить ток избегать использования чрезмерной амплитуда тока, что может привести к быстрой мышечной усталости в разгибателей коленного сустава. Стратегии подготовки кадров, включая количество отдыха, частоту и длительность импульса предназначены для предотвращения возникновения неблагоприятных событий похож на вегетативные dysreflexia, особенно у людей с уровнем травматизма выше T4.

NMES-RT до Велоспорт может вызвать больше мышечной гипертрофии и уменьшить мышечную усталость. Повышенная утомляемость устойчивость и прочность могут оптимизировать Фес-LEC Велоспорт и максимизации результатов обучения. Gorgey et al. показали, что 12 недель, два раза в неделю, РТ NMES вызвало более чем 35% увеличение размера мышц и снижение МВФ и висцеральных жировой ткани22. Кроме того NMES-RT показал увеличение (GLUT-4) концентрация глюкозы транспортер типа-4, который связан с повышенной утомляемости сопротивления36,46. Sabatier et al. сообщили, что сопротивление усталости подготовленных колена разгибателей увеличилось на 33%, после 18 недель NMES-RT и пришел к выводу, что NMES-RT достаточно, чтобы вызвать мышечной гипертрофии, также уменьшить мышечную усталость46. NMES-RT показал вызывают позитивные адаптации в митохондриях мышечных клеток. Райан и др. отметил 25% улучшения в митохондриальной емкостью, после 16 недель NMES-RT, два раза в неделю, у лиц с хроническими полный SCI23. A комбинированные учебные программы, как описано в текущем рукописи, предназначен для увеличения мышечной массы и сокращения мышц усталость может улучшить кардиометаболического здоровья и способствовать Фес-LEC является более эффективным.

Есть ограниченные свидетельства кардиометаболического адаптации после длительного Фес-LEC людьми с SCI. Фес-LEC подготовки колебалась от 2 до 7 раз в неделю в течение 1,5-12 месяцев; продолжительность осуществления варьировался от 20 до 60 мин26. Последние исследования с использованием Фес-LEC показал скромные улучшения в чувствительности к инсулину и аэробные31,32. Мор et al. показал, что 3 дня в неделю Фес-LEC, выполняемой для 1 h привели к улучшению 25% в чувствительность инсулина у лиц с SCI31. Аналогичным образом восемь недель ежедневно Фес-LEC привели к улучшению 33% в чувствительность инсулина для 5 мужчин с шейки матки SCI32. Кроме того Фес-LEC показал ограниченный ответ на поглощение кислорода и сердечно-сосудистых спроса по сравнению с Рука кривошипно велоэргометрия (ACE) или гибридных упражнений42.

Большинство испытаний Фес-LEC использовать некоторую форму мотор поддержки где Мотор велосипед применяется силы на педали для оказания содействия в завершении цикла. Моторизация позволяет большую часть лица с SCI провести Фес Велоспорт, особенно те возможности для создания и поддержания достаточной силой мышц для поворота маховика или тех, с низким толерантность к Фес из-за остаточного ощущение43. Однако для тех, кто способны производить достаточно мышечной силы, помощь от ФЕСА мотор поддержка может ограничить результаты обучения. По этой причине текущий метод использует мотор поддержка только если участник испытывает усталость мышц и во время отдыха фазы. Это позволяет разгибателей коленного сустава, сгибателей коленного сустава и группы ягодичных мышц предоставлять максимум усилий, когда Велоспорт, который может максимально кардиометаболического адаптации, как свидетельствует увеличение сопротивления и выходная мощность свыше 12 недель Фес-LEC. Кроме того Фес-LEC ограничивается быстрой мышечной усталости во время Велоспорт44, особенно при использовании минимальной мотор поддержки. Ранее опубликованные работы показал большой изменчивости в Велоспорт выносливость лиц с SCI. десять человек с мотор полный SCI циклическое использование Фес велоэргометрия до их мышцы устали. Один из участников осуществили в общей сложности 3 мин, в то время как другой осуществляется за 10 минут44. В текущем исследовании обучения мы стремились обеспечить равные дозы лечения среди участников в виде 30 мин Фес-обучения. Это обеспечит согласованность лечения каждого участника для обеспечения что адаптация, или отсутствие его, строго обусловлен вывода активации мышц и не ограничивается продолжительность Велоспорт.

Представитель результаты показали, что в человеке с SCI в котором 12 недель Фес-LEC предшествовали с 12 недель NMES-RT, сопротивления и мощности, увеличилось в течение вмешательства. В отличие от предыдущих исследований, которые снизились Каденция для увеличения сопротивления 43,47настоящее исследование приняло стратегию увеличения сопротивления с целевой скорости 40-45 об/мин. Это может быть успешной стратегии, особенно после 12 недель кондиционирования мышцы с помощью NMES-RT для улучшения мышечной качества22. Применения электрической стимуляции, в том числе Фес-LEC, следует извлечь большую пользу от улучшения качества мышц48 и может привести к большей силы и мощности тренированных мышц. Большей мощности может привести к сердечно-сосудистой и кости адаптации для достижения результатов похож на то, что был достигнут с помощью ACE или гибридные упражнения. Мощность, генерируемая мышцы во время тренировок Фес-LEC может стимулировать адаптацию к кости, подвергая нижних конечностей конечности повторные загрузки циклов высокого сопротивления. Например Джонстон et al. показали низкий Велоспорт каденцию на 2,9 Нм может улучшить показатели здоровья костей, после 6 месяцев Фес-LEC людьми с SCI, по сравнению с высокой каденцию, который генерирует крутящий момент 0,8 Нм47. Текущее исследование показало, что сопротивление может быть увеличена до 5.5 Нм. Это двойной выход вращающего момента, сообщили в низкой каденцию и вполне вероятно иметь большее влияние на параметры кости и сердечно-сосудистых заболеваний.

Велоэргометр, используемые в текущем протоколе (Таблица материалов) управляется непосредственно из участников инвалидной коляске, устраняя потребность в передаче и позволяя для стимуляции до 12 групп мышц бедра, голени и ствол. Мы выбрали для стимулирования четырехглавой, подколенного сухожилия и ягодичной мышцы нижней конечности. Будущие исследования будет расширяться, чтобы стимулировать мышцы живота и спины людьми с SCI. Дополнительно, велоэргометр весит всего 39 кг, что делает его гораздо более компактная и адаптируемая чем другие коммерчески доступных фонокардиографию FES. Велоэргометр также имеет регулируемый мотор assist функцию, которая позволяет участнику максимизировать свое обучение без двигателя поддержки при необходимости. Кроме того велоэргометр обеспечивает дополнительный мотор помощи. Текущий протокол допускает мотор поддержка на этапе 1) разминка, 2 первый «активный переход» этап (первые 1-2 мин фазы упражнения), 3) каждой фазе покоя и 4) Если участник fatigues против сопротивления. Во время активного Велоспорт, двигатель выключен надлежащим образом оспаривать каждый участник. Мышечную усталость во время Велоспорт был определен как точки, где скорость падает ниже 18 об/мин. Кроме того, Gorgey et al. показали обучение эффект трех параметров различных стимуляции, различающихся по продолжительности импульса (200, 350 и 500 МКС), на велосипеде производительности в 10 лиц с хроническими SCI. После одного приступа Фес-LEC крутящий момент разгибателей колена сократился на 33-59% и оставалось значительно невозмещенных следующие 48-72 ч44. Основываясь на этих выводах, мы считаем, что два раза в неделю разумных доза для лиц с хроническими SCI и позволяет достаточно времени (48 h) для восстановления утомленных мышц.

Во время Фес-LEC задаются параметры стимуляции для предотвращения любых серий автономных dysreflexia, содействуя при этом по-прежнему надежный кардиометаболического адаптации; Велоспорт параметры были разработаны с этот баланс в виду и заключаются в следующем: частота (33,3 Гц), сопротивление (регулируемая), целевые скорость (40-45 мин) и длительность импульса (350 μs). Частота устанавливается на 33,3 Гц для сведения к минимуму усталость мышц; амплитуда тока (% стимуляции) постепенно увеличивается велоэргометр для поддержания скорости выше 18 об/мин. Последние результаты показывают, что больше чем 350 µs в ФЕСЕ велоэргометрия длительности импульса триггеры вегетативная dysreflexia людьми с SCI44. Кроме того длительности импульса 350 µs увеличили расходы энергии Дельта по сравнению с длительности импульса 200 МКС. Кроме того, расходы энергии Дельта не любой больше когда присвоено44500 МКС. Тот факт, что 6 групп мышц, стимулируются одновременно может объясняться выше заболеваемость вегетативная dysreflexia во время Фес-LEC. Это может увеличить плотность тока и количество ноцицепторами активации, что привело наводнения вредных раздражителей для нервной системы. Это вряд ли произойдет во время NMES-RT за обучение одной мышечной группы; Однако это может произойти в лица с высоким уровнем травмы похож на C6 SCI. анекдотический клинических опыт показал, что это может исчезать с обучением как лиц с SCI становится менее уязвимым для разработки автономных dysreflexia. Вышеупомянутые параметры были проверены для обеспечения безопасности участника, при максимальных результатов обучения.

Существует несколько ограничений, которые необходимо решить при рассмотрении аналогичных сочетании подготовки протоколов. Неизбежно результаты обучения и состава тела может быть confounded определенных переменных; Наибольшее время, диетическое потребление. Для устранения этой изменчивости насколько это возможно, клиницисты следует оценивать доклады калорий на еженедельной основе. Коллекция еженедельные отчеты, может позволить клиницистам внимательно следить за экстра калорий (> 300 - 500 ккал/неделя его базовой BMR) и проинструктировать лиц SCI для регулировки его макро коэффициенты при необходимости. В дополнение к диетических изменчивости текущей учебной программы не могут быть применимы к 20-25% из населенности SCI, который не может осуществлять с помощью электрической стимуляции из-за denervation скелетных мышц. Кроме того предыдущие данные показывает, что лица с SCI, скорее всего, потерять учебных пособий после прекращения программы обучения49; Таким образом клинические вмешательства следует предусмотреть механизмы для обеспечения долгосрочного соответствии, похож на снижение частоты подготовки два раза в неделю и/или предоставление на дому телемедицина альтернативы24. Будущие исследования, изучение последствий NMES-RT и Фес-LEC следует использовать телемедицина стратегии преодоления социально-экономических барьеров для осуществления и поощрения долгосрочного соблюдения. NMES-RT проводились с использованием телемедицины видео конференций был способен увеличение абсолютной мышцы бедра на 11% и снижение всей бедра МВФ на 14% в пяти мужчин с мотор полный SCI24. Обучение было проведено два раза в неделю за 8 недель, используя портативные батареи стимулятором. Участники были проконтролированы через веб-камеру для обеспечения безопасности и правильной установки всей программы обучения24.

Использование NMES-RT в сочетании с Фес-LEC может быть эффективной стратегией для максимизации результатов подготовки два раза в неделю электрической стимуляции. С помощью NMES стимулировать мышцы бедра оказалось вызывают гипертрофию мышц, увеличение силы и снижения усталости. Мышцы сильнее, компактнее ног могут быть способны вызвать большей мощности, когда Велоспорт, более эффективно использовать кислород и максимизации выгод кардиометаболического обучения лиц с SCI.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Мы хотели бы поблагодарить участников, которые посвятили время и усилия, чтобы участвовать в предыдущих исследованиях. Мы хотели бы поблагодарить Хантер Макгуайр Холмс научно-исследовательский институт и услуги травмы спинного мозга и расстройств за обеспечение условий для проведения клинических исследований человеческого судебных разбирательств. Ашраф S. Gorgey в настоящее время поддерживается Департаментом по делам ветеранов, ветеран здравоохранения администрации, реабилитации научных исследований и развития службы (B7867-W) и МО-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

Поведение выпуск 132 травмы спинного мозга реабилитации нейромышечную электростимуляцию Функциональная электрическая стимуляция обучение сопротивления кардиометаболического биомаркеров
Парадигмы нижней конечности электрическая стимуляция обучения после травмы спинного мозга
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