Waiting
Login processing...

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

Behavior

Paradigm av nedre extremitet elektrisk stimulering utbildning efter ryggmärgsskada

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

Ryggmärgsskada är en traumatisk medicinskt tillstånd som kan resultera i förhöjda risker för kronisk sekundära ämnesomsättningsrubbningar. Vi presenterade här, ett protokoll som använder surface neuromuskulär elektrisk stimulering-styrketräning tillsammans med funktionella elektrisk stimulering nedre extremitet cykling som en strategi för att förbättra flera av dessa medicinska problem.

Abstract

Skelettmuskulaturen atrofi, fetma och minskad fysisk aktivitet är viktiga förändringar som observerats efter ryggmärgsskada (SCI) och är förknippat med många kardiometabola hälsa konsekvenser. Dessa förändringar kommer sannolikt att öka risken att utveckla kroniska sekundära tillstånd och påverkar livskvaliteten hos personer med SCI. yta neuromuskulär elektrisk stimulering framkallat motstånd utbildning (NMES-RT) utvecklades som en strategi för att dämpa processen av skelettmuskulaturen atrofi, minska ektopisk adiposity, förbättra insulinkänsligheten och förbättra mitokondriella kapacitet. NMES-RT är dock begränsad till bara en enda muskelgrupp. Som involverar flera muskelgrupper i de nedre extremiteterna kan maximera de positiva hälsoeffekterna av utbildning. Funktionella elektrisk stimulering-nedre extremitet cykling (FES-LEC) möjliggör aktivering av 6 muskelgrupper, som sannolikt kommer att framkalla större metabola och kardiovaskulära anpassning. Tillräcklig kunskap om parametrarna stimulering är nyckeln till att maximera resultaten av elektrisk stimulering utbildning hos personer med SCI. Adopting strategier för långvarig användning av NMES-RT och FES-LEC under rehabilitering kan upprätthålla integriteten hos den rörelseapparaten, en förutsättning för kliniska prövningar som syftar till att återställa promenader efter skada. Det nuvarande manuskriptet presenterar en kombinerade protokoll använder NMES-RT före FES-LEC. Vi hypotes att muskler luftkonditionerade för 12 veckor före cykling kommer att kunna generera större makt, cykla mot högre motstånd och resultera i större anpassning hos personer med SCI.

Introduction

Det uppskattas att cirka 282,000 personer i USA för närvarande lever med ryggmärgen skadan (SCI)1. I genomsnitt finns det ca 17 000 nya fall årligen, främst orsakade av motorfordon kraschar, våldshandlingar, och idrottsliga aktiviteter1. SCI resulterar i helt eller delvis avbrott av neural transmission över och under nivån för skada2, leder till sub-lesional sensoriska eller motoriska förlust. Efter skada minskas aktivitet i skelettmuskulaturen under nivån för skada avsevärt, vilket leder till en snabb nedgång i muskelmassa och samtidig infiltration av ektopisk fettvävnad eller intramuskulärt fett (IMF). Studier har visat att nedre extremitet skelettmuskulaturen upplever betydande atrofi inom de första veckorna av skada, fortsätter under hela slutet av den första år3,4. Så snart 6 veckor efter skada, individer med komplett SCI erfarna en 18-46% minskning sub-lesional muskelstorlek jämfört med ålder och vikt-matchade abled arbetsföra kontroller. Genom 24 veckor efter skada vara skelettmuskel tvärsnittsarea (CSA) så låg som 30 till 50%3. Gorgey och Dudley visade att skelettmuskulaturen fortsätter att atrofi med 43% av den ursprungliga storleken 4,5 månader efter skada och noterade en tre gånger större mängd IMF i personer med ofullständig SCI jämfört med nedsatt arbetsförmåga-bodied styr4. Förlust av metaboliskt aktiva muskelmassa leder till en minskning i basala ämnesomsättning (BMR)2,6, som står för ∼65 - 70% av den totala dagliga energiförbrukningen; sådana minskningar i BMR kan leda till en negativ energi obalans och öka adiposity efter skada2,7,8,9,10,18. Förhöjd adiposity har varit kopplad till utvecklingen av kroniska sekundära sjukdomar inklusive högt blodtryck, typ II diabetes mellitus (T2DM) och hjärt-kärlsjukdom2,10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18. Dessutom personer med SCI kan drabbas av undernäring och beroendet av en fet kost. Fett intaget kan konto för 29 till 34% av fett massan i personer med SCI, vilket sannolikt en faktor förklara ökande adiposity och eskalerande förekomsten av fetma inom SCI befolkningen12,13.

Neuromuskulär elektrisk stimulering framkallat motstånd utbildning (NMES-RT) utformades för att inducera hypertrofi av förlamad skelettmuskulaturen19,20,21,22,23, 24. Följande tolv veckor två gånger i veckan NMES-RT, skelettmuskel CSA av hela låret, knät extensor och knä flexor muskel grupperna ökade med 28%, 35% och 16% respektive22. Dudley et al. visade att 8 veckor två gånger i veckan av NMES-RT återställd knä extensor muskler storlek till 75% av den ursprungliga storleken på sex veckor efter skada19. Dessutom Mahoney et al. utnyttjade samma protokoll och noterade en 35% och 39% ökning av höger och vänster rectus femoris muskler efter 12 veckors NMES-RT20.

Funktionella elektrisk stimulering nedre extremitet cykling (FES-LEC) är en vanlig rehabilitering teknik används för att utöva nedre extremitet muskelgrupper efter SCI25,26. Till skillnad från NMES-RT, FES-LEC bygger på stimulering av 6 muskelgrupper, vilket kan resultera i ökad hypertrofi och förbättringar i kardiometabola profil10,25,26,27, 28. Dolbow et al. hittade det totala kropp lean massa ökade med 18,5% 56 månader av FES-LEC i en individ med SCI27. Efter tolv månader av tre veckovisa FES-LEC, en 60 - årig kvinna med paraplegi erfarna en ökning med 7,7 procent av kroppens totala lean mass och en 4,1% ökning av benet magert massa28. Rutinmässig användning av funktionella elektrisk stimulering (FES) är associerad med förbättring i riskfaktorer av kardiometabola efter SCI10,25,26.

Perfekta kandidater för elektrisk stimulering utbildning kommer att ha antingen motor fullständig eller ofullständig skador, med intakt perifera motoriska nervceller och begränsad nedre extremitet sensation. Det nuvarande manuskriptet, beskriver ett kombinerat tillvägagångssätt och använda NMES-RT och FES-LEC syftar till att förbättra resultaten av elektrisk stimulering utbildning hos personer med kronisk SCI. Processen för NMES-RT med vrist vikter kommer att beskrivas, samtidigt belysa viktiga steg inom protokollet och övergripande fördelen interventionen ger till personer med kronisk SCI. Det andra syftet är att beskriva processen för FES-LEC utformade för att maximera den totala kardiometabola effekten av interventionen. Tidigare arbeten har bekräftat våra rationellt att en kombinerad utbildning protokollet kan framkalla större utfall efter 24 veckor av elektrisk stimulering utbildning20,21,22,23,24 ,25,26,31,32,33,34,35,36.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Utbildning protokollet beskrivs i detta manuskript är registrerad med clinicaltrials.gov identifier (NCT01652040). Utbildningen innebär NMES-RT med fotled och FES-LEC. All nödvändig utrustning är listade i tabell 2. De studieprotokoll och informerat samtycke var granskas och godkänns av Richmond VAMC institutionella granskning Board (IRB) och Virginia Commonwealth University (vuc) IRK. Alla förfaranden som studien förklarades i-detalj till varje deltagare innan du börjar rättegången.

1. deltagare rekrytering

  1. Utföra en pre screening utvärdering med potentiella deltagare.
    1. Grundligt förklara detaljerna i protokollet utbildning inklusive längd studie (24 veckor), gånger per vecka (varannan vecka) och längd av sessioner (NMES-RT: 30 min och FES-LEC: 45-60 min).
      Obs: NMES-RT utförs för de första 12 veckorna, följt av 12 veckor av FES-LEC.
    2. Beskriva de medicinska krav till potentiella deltagare inklusive: man eller kvinna med SCI, American Spinal skada klassificering (AIS) A, B eller C (de med en AIS ”C”-klassificering som inte kan stå upp och gå), 18 till 65 år, större än 1 år efter skada, kroppen kroppsmasseindex (BMI) ≤ 30 kg/m2, motor fullständig eller ofullständig C5-L2 nivå av skada.
    3. Beskriva de medicinska begränsningarna till potentiella deltagare inklusive: en diagnos av hjärt-kärlsjukdom, okontrollerad typ II diabetes mellitus eller de på insulin, okontrollerad hypertoni, pressar sår steg 3 eller högre, urinvägsinfektion eller symptom, benskörhet med T-Score-2,5 och graviditet för kvinnor med SCI.

2. NMES-RT

  1. Säkerställa att deltagaren ogiltigförklarar sin urinblåsa och mäta vilande blodtryck och hjärtfrekvens. Medan deltagare sitter i rullstol, instruera deltagaren att ta av sig sina skor. Sedan placera en kudde bakom kalven att dämpa benet under knä flexion. Gäller fotled (0-26 lbs.) deltagarens fotleder (figur 1).
    Obs: Ursprungliga 2 sessioner bedrivs utan fotled att säkerställa att deltagaren kan lyfta sin benet mot tyngdkraften.
  2. Applicera två 7,5 x 12,7 cm självhäftande Kolelektroder bilateralt på huden över gruppen knä extensor muskler.
    1. Placera den distala elektrod ~1/3 avståndet mellan patella och inguinal veck och mediala till mittlinjen av quadriceps. Placera elektroden längdriktningen och parallellt med mittlinjen axeln löper från höften till knäleder (figur 2).
    2. Placera den proximala elektroden sidled och intill inguinal luckan över vastus lateralis muskeln. Placera elektroden längdriktningen och parallellt med mittlinjen axeln (figur 2).
  3. Ange en bärbar stimulator till en frekvens på 30 Hz och en bifasisk rektangulär pulsbredd 450 µs och 50 µs interpulse intervall19,20,21,22,23,24 ,37,38,39. Anslut kablarna från stimulatorn till varje elektrod.
    Obs: Polariteten av elektroderna påverkar inte mönstret stimulering så länge elektroderna är rätt placerade.
  4. Börjar med höger ben, gradvis öka nuvarande tills en märkbar synliga spänning redovisas i gruppen knä extensor muskler. Fortsätta att långsamt rampa strömmen för att framkalla full knä extension (max. 200 mA). Låt benet att förbli utökad för 3-5 s att framkalla maximal spänning i aktiverade motoriska enheter.
  5. Gradvis minska nuvarande tills det är nedan 50% av det aktuella målet krävs att förlänga benet och flytta benet excentriskt tillbaka till startpositionen. Spela in nuvarande amplituden nödvändigt att framkalla full bensträck.
  6. Komplett ensidiga utbildning inklusive 4 uppsättningar av 10 repetitioner per ben och växla mellan höger och vänster ben. Låt benet vila 3-5 s mellan varje repetition och 3 min mellan seten. Om deltagaren inte når full knä förlängning, % rörelseomfång samt öka tiden mellan repetitioner.
    Obs: Muskeltrötthet definieras som två konsekutiva repetitioner med ett utbud av rörelse ≤ 25%.
  7. Försök fyra set, men om deltagaren upplever muskeltrötthet, avsluta den aktuella uppsättningen och fortsätta utbildning på motsatta benet. Om full knä extension uppnås utan muskeltrötthet för 2 på varandra följande utbildningar, lägga till 2 lbs. av fotled den följande veckan av träning.

3. FES-LEC

  1. Mäta deltagarens vilande blodtryck och hjärtfrekvens. Placera den deltagaren framför FES ergometer cykel (Tabell för material) sittande i sin personliga makt eller manuell rullstol (figur 3a, figur 3b).
  2. Gälla den knä extensor självhäftande Kolelektroder, knä flexor och gluteus maximus muskelgrupper bilateralt.
    1. För knä extensorer, placera den distala elektroden (7,5 x 12,7 cm) på huden 1/3 avstånd mellan patella och inguinal veck, över vastus medialis muskeln. Placera den proximala elektroden sidled och angränsande till inguinal luckan över vastus lateralis muskel (figur 4a).
    2. För knä flexors, placera den distala elektroden (7,5 x 10 cm) på huden 2-3 cm ovanför Poplietallymfknutor fossa. Placera den proximala elektroden 20 cm ovanför Poplietallymfknutor fossa (figur 4b). För att förhindra förflyttning av den distala elektroden, gälla en elastisk wrap säker positionering av elektroden (figur 3a).
    3. För gluteus maximus, instruera deltagaren att luta sig framåt mot ergometern. Placera två elektroder (5 x 9 cm) parallellt och på huvuddelen av muskeln magen; tillåta ~ två fingrar bredd av separation mellan elektroderna.
  3. Med deltagaren sittande i sin rullstol och centrerad framför ergometern, Anslut kablarna från stimulatorn till var och en av de 12 elektroderna. Kolla är fram- och baksidan av ergometern kontrollera deltagaren korrekt centrerad.
  4. Kontrollera att deltagarens rullstol är låst och försiktigt placera deltagarens fötter (bär tennisskor) släpper pedalerna (figur 6). Säkra underbenet till den ergometer med hjälp av de elastiska remmar insvept i en tygklädsel. Säkra deltagarens fötter på plats med två korsning elastiska remmar och Velcro ligger på varje kronblad (figur 5).
  5. Efter strapping ben till ergometern, passivt flytta benen så Observera cykling mönstret. Om benen är alltför komprimerad eller hyperextended, justera höjden på cykeln och dubbelgranska ståndpunkten genom att passivt flytta benet.
  6. Säkra deltagarens rullstol till den ergometer med två utdragbara krokarna ligger vid basen av ergometern. Anslut krokar till en stabil struktur under rullstolen (figur 5). Placera två trä pauser under hjulen på rullstolen, att förhindra rörelse av stol under cykling.
  7. Ställa in frekvensen stimulering till 33,3 Hz, pulslängd till 350 µs och aktuella amplituden till 140, 100, 100 mA för knä extensor, knä flexor och gluteus maximus muskeln placebogrupperna.
  8. Ange parametrarna cykel enligt följande: rikta hastighet av 40-45 varv per minut (RPM); Justerbar motor vridmoment från 10 Nm. motstånd av 1.0, 1.5 och 2.0 Nm för motion stadier I, II och III.
  9. Ange intervall träning parametrar enligt följande: 3 min ”värma upp” fas; tre 10-min utöva stadier (stimulering på); en 2-min vilande fas efter varje övning scenen; och 3 min ”kyla ner” fas.
  10. Baserat på nivån på skada (ovanför eller nedanför T4), åtgärd blod tryck och hjärta frekvensen varje 2 till 5 min för att förhindra uppkomsten av symtom på autonoma dysreflexia.
  11. Om blodtryck förblir förhöjda, stoppa ergometern och instruera deltagaren att annullera sin urinblåsa eller vila om de redan har annullerat. Dessutom Kontrollera att deltagaren sitter ordentligt för att minska eventuella tryckpunkter och kontrollera att skorna eller några remmar inte är alltför åtdragna. Blodtryck noggrant övervaka varje 2 min. Om blodtryck återvinner, återuppta utbildning; om blodtryck förblir utestående, avsluta sessionen och instruera deltagaren att se sin primärvårdsläkare.
    Obs: Det är viktigt att säkerställa att deltagarna konsekvent tar sin blodtrycksmedicin, om någon, och annullera blåsan innan FES-cykling.
  12. Registrera deltagarens puls, hastighet, makt, distans, motstånd och % stimulering varje 30 s.
  13. Om deltagare slutför ett hela träningspass utan trötthet (hastighet < 18 RPM under aktiv cykling), minska servo motor vridmoment bistånd med 1 Nm följande sessionen, annars hålla alla parametrar samma.
  14. Om deltagaren är klar två träningspass utbildning utan trötthet eller användningen av servo motor stöd under övningen stadier, öka motståndet med 0,5 Nm i varje övning etapp.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Fotled ökade successivt för 22 deltagare, under 16 veckor av NMES-RT (figur 6a). De genomsnittliga vikten lyfts av deltagarna var 19,6 ± 6,5 lb. (höger ben) och 20 ± 6 lbs. (vänster ben) [8-24 lb.]. Aktuella amplituden fluktuerade under hela rättegången för höger och vänster ben (figur 6b).

Progression av en individ med motor komplett SCI efter 12 veckors FES-LEC utbildning markeras i tabell 1. Resultaten tyder på att med FES-LEC, det finns en ökning av andelen nuvarande stimulering att kompensera för ökade svänghjul motstånd under 12 veckor av träning. Svänghjulet motståndet ökade med 3 - 4 gånger i varje 3 steg i hela den 12-veckors utbildningen (tabell 1). Motståndet utvecklats från 1,6 till 5,1 Nm (steg I), 2.12 till 5,5 Nm (stadium II) och 2,12 till 5,5 Nm (stadium III). Det är värt att notera att varje 10-min-scenen var varvas med en 2-min viloperiod där deltagarna passivt cyklade mot 0,77 Nm.

Slutligen, uteffekt ökade med 2 - 4 gånger i varje 3 steg mellan vecka 1 och vecka 12 (tabell 1). Power gått från 4 till 14 W (steg I), 5,4 till 11,24 W (stadium II) och 2,6 till 11 W (stadium III).

Figure 1
Figur 1. NMES-RT setup visar surface elektroder, stimulator, bilaterala fotled och kudde kudde. Fyra set med tio repetitioner har slutförts för både höger och vänster ben. Vikter ökas successivt med 2 lbs. varje vecka om varje set slutförs utan muskeltrötthet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2. Knä extensor ytan elektroder används under NMES-RT. En elektrod placeras ~1/3 avståndet mellan patella och inguinal veck och mediala till mittlinjen av quadriceps. En andra elektroden är placerade i sidled och i anslutning till inguinal luckan över vastus lateralis muskeln. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3. Främre (a) och laterala (b) utsikt över cykel setup under FES-LEC. Deltagaren är sittande i sin rullstol och säkrade på cykeln att utföra FES cykling. Elastisk wraps är lindade runt varje ben att säkra distala knäet flexor elektroder. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4. Knäet extensor ytan elektroderna (a) används under FES-LEC och den knä flexor ytan elektroder (b). (a) en elektrod placeras ~1/3 avståndet mellan patella och inguinal veck och mediala till mittlinjen av quadriceps. En andra elektroden är placerade i sidled och i anslutning till inguinal luckan över vastus lateralis muskeln. (b) samtidigt stödja benet, placeras en elektrod på huden 2-3 cm ovanför Poplietallymfknutor fossa; den andra elektroden placeras 20 cm ovanför Poplietallymfknutor fossa. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5. Deltagarens foten är säkrad till pedalen genom att korsa två elastiska remmar ligger på varje kronblad. Det är viktigt att dessa band är säkrade tätt för att förhindra att foten rör sig när cykling mot ökat motstånd. Patientens rullstol är säkrad på cykeln med två utdragbara krokarna ligger vid basen av cykeln. När fäst vid rullstolen, är dessa krokar vevas och åtdragna för att ta bort något slack. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6. Progressionen av fotled (lbs.) 22 deltagare i hela 16 veckor av NMES-RT och progression av aktuella amplitud (mA) i hela 16 veckor av NMES-RT. (a) vikt höjdes med 2 lbs. varje vecka om deltagaren kunde slutföra 4 uppsättningar av 10 repetitioner utan muskeltrötthet. (b) under träning ökad aktuella amplituden gradvis du föra benet i full knä förlängning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Vecka 1 Vecka 4 Vecka 8 Vecka 12
Procentandel stimulering av aktuella amplituden Etapp 1 74 72 88 90
Etapp 2 98 96 99 100
Etapp 3 100 99 100 100
Svänghjulet motstånd (Nm) Etapp 1 1.0 1.5 3.1 4.5
Etapp 2 1.6 2.1 3.5 5.1
Etapp 3 2.1 2.5 4.0 5.5
Effekt (watt) Etapp 1 4.0 6.5 10,0 14,0
Etapp 2 5.4 8,4 9,3 11.2
Etapp 3 2.6 7.5 8,4 11,0

Tabell 1: andel stimulering av aktuella amplituden, svänghjul motstånd och uteffekt ökade under hela de 12 veckorna av FES-LEC i en individ med SCI. Motståndet var ökat varje vecka om 2 sessioner slutfördes utan bevis av muskeltrötthet (hastighet < 18 rpm). Procentandel stimulering ökat gradvis under de 12 veckorna utbildning. Uteffekt ökade under varje inkrementell motion etapp och under loppet av utbildning. Obs: Uppgifterna är från en deltagare som fullföljt 12 veckor av FES-LEC efter avslutad 12 veckor av NMES-RT.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den aktuella studien visade två olika paradigms av elektrisk stimulering. Ett paradigm är inriktad på genomförandet av progressiva lastning till utbildade muskeln att framkalla skelettmuskulaturen hypertrofi och andra paradigm är främst avsedd att förbättra hjärt-metabola prestanda via öka aerob kapacitet. Studien säkerställs att jämföra båda paradigmer och belysa för- och nackdelar av varje.

NMES-RT har visat sig vara effektiva i återställa muskelstorlek och frammana hypertrofi hos personer med akut och kronisk SCI19,20,21,22,23,24. Det aktuella ingripandet är beroende av tvåkanals stimulering enheter som sannolikt kommer att vara tillgängliga i de flesta kliniska inställningar eller för hemmabruk för personer med SCI. I området i närheten finns det en ogrundade myt att progressiva lastning av den förlamade knä extensor kan resultera i fraktur av de femorala eller tibia kondyler. Men fått baserat på de aktuella beläggen, vi och andra inte en enda förekomst av fraktur. Detta kan belysa att det nuvarande protokollet är säker och tillgänglig att användas efter SCI.

När du använder NMES-RT, är en bifasisk våg att föredra eftersom det har visat sig vara säkra och kan generera en kraftfull muskelkontraktion som kan förlänga benet mot tyngdkraften samtidigt lyfta fotled. För de personer med intakt sensation verkar biphasic vågen vara mer bekväma och tolerabel. Frekvensen (30 Hz), biphasic varaktighet (400 µs) med mellan puls intervall (50 µs) är utvalda baserat på våra tidigare publicerad forskning visar att en lägre frekvens minskar muskeltrötthet och hjälper till att producera tetanic sammandragning av de knä extensorer37 ,38. Pulslängd på 450 µs har visat sig öka aktiveringen av stimuleras musklerna och generera högre evoked vridmoment, vilket garanterar maximal rekrytering av förlamade muskler under utbildning37. Dessutom är det nödvändigt att gradvis rampa strömmen för att undvika användning av överdriven nuvarande amplitud som kan orsaka snabb muskeltrötthet i de knä extensorer. Utbildningsstrategin inklusive mängden resten, frekvens och pulsbredd är utformade för att förhindra uppkomsten av biverkningar liknar autonoma dysreflexia speciellt hos individer med en nivå av skada ovanför T4.

NMES-RT före cykling kan framkalla större muskelhypertrofi och minska muskeltrötthet. Ökad utmattningshållfasthet och styrka kan optimera FES-LEC cykling och maximera utbildning resultat. Gorgey et al. visade att 12 veckor, två gånger i veckan, NMES-RT framkallade en mer än 35% öka i muskelmassa och minskad IMF och visceral fettvävnad22. NMES-RT har dessutom visat för att öka glukos transporter typ 4 (GLUT-4) koncentration, som är associerade med ökad trötthet motstånd36,46. Sabatier et al. rapporterade att utmattningshållfasthet av de utbildade knä extensorer ökade med 33 procent efter 18 veckor för NMES-RT och slutsatsen att NMES-RT tillräckliga för att framkalla muskelhypertrofi, också minskat muskel trötthet46. NMES-RT har visat för att framkalla positiva anpassning i mitokondrier av muskelceller. Ryan et al. noterade en 25% förbättring i mitokondriell kapacitet efter 16 veckor av NMES-RT, två gånger i veckan hos personer med kronisk komplett SCI23. A kombinerat träningsprogram, som beskrivs i den aktuella manuskriptet, som syftar till att öka muskel massa och minska muskel trötthet kan förbättra kardiometabola hälsa och bidra till FES-LEC att vara mer effektiva.

Det finns begränsade belägg för kardiometabola anpassning efter långvarig FES-LEC i personer med SCI. FES-LEC utbildning har varierat från 2 till 7 gånger per vecka för 1,5 till 12 månader. träningstiden har varierat från 20 till 60 min26. Tidigare studier med hjälp av FES-LEC visade en blygsam förbättring insulinkänslighet och kondition31,32. Mohr et al. visade att 3 dagar i veckan av FES-LEC utfört för 1 h resulterade i en 25% förbättring i insulinkänsligheten hos personer med SCI31. Likaså, åtta veckor av daglig FES-LEC resulterade i en 33% förbättring i insulinkänsligheten för 5 män med cervikal SCI32. FES-LEC visade dessutom en begränsad svar på syreupptagning och kardiovaskulära efterfrågan jämfört med beväpna vev ergometry (ACE) eller hybrid utöva42.

De flesta FES-LEC prövningar använda någon form av motorstöd där motorn på cykeln gäller styrkor pedalerna att hjälpa till att slutföra cykeln. Motorization tillåter en större andel av person med SCI att genomföra FES Cykling, särskilt de oförmögen att skapa och upprätthålla tillräcklig muskel kraft för att rotera svänghjulet eller de med låg-tolerans till FES på grund av kvarstående förnimmelse43. Men för dem kan producera tillräckligt muskel kraft, stöd från FES motor-stöd kan begränsa resultaten av utbildning. Därför använder den nuvarande metoden endast motor-stöd om deltagaren upplever muskler trötthet och under vila faser. Detta tillåter den knä extensor, knä flexor och glutealmuskeln grupper att ge maximal ansträngning när cykling som kan maximera kardiometabola anpassning som visat genom att öka motståndet och power output över 12 veckor av FES-LEC. Dessutom begränsas FES-LEC snabb muskeltrötthet under cykling44, särskilt när du använder minimalt motor-stöd. Tidigare har publicerade arbete visat en bred variation i cykling uthållighet för personer med SCI. tio individer med motor-komplett SCI cyklade med FES ergometry tills deras muskler trött. En deltagare utövat för totalt 3 min medan en annan utövas för 10 minuter44. I nuvarande utbildning studien, har vi försökt att ge ett lika dos behandling bland deltagarna i form av 30 min av FES-utbildning. Detta kommer att säkerställa behandling konsekvens hos varje deltagare att säkerställa att anpassningen eller avsaknaden därav, är strängt på grund av produktionen av de aktivera musklerna och inte begränsas av längden på cykling.

Representativa resultat visade att i en individ med SCI i som 12 veckor av FES-LEC föregicks med 12 veckors NMES-RT, både motstånd och uteffekt ökade under loppet av intervention. Till skillnad från tidigare studier att minskat kadens att öka motståndet 43,47, har den aktuella studien antagit en strategi för att öka motståndet med en målets hastighet av 40-45 RPM. Detta kan vara en framgångsrik strategi, särskilt efter 12 veckor av konditionering musklerna använder NMES-RT för att förbättra muskel kvalitet22. Tillämpningar av elektrisk stimulering, inklusive FES-LEC, bör ha stor nytta att förbättra muskel kvalitet48 och kan resultera i större kraft och uteffekt av utbildade musklerna. Större uteffekt kan leda till hjärt- och ben anpassning att uppnå resultat liknar vad har uppnåtts med ACE eller hybrid-träning. Kraften som genereras av musklerna under FES-LEC träning kan stimulera anpassningar till ben genom att exponera nedre extremitet lemmar att upprepade belastningar cykler vid hög motståndskraft. Exempelvis visade Johnston et al. en låg cykling kadens på 2,9 Nm kan förbättra parametrar benhälsa efter 6 månader av FES-LEC i personer med SCI jämfört med hög kadens som genererar ett vridmoment på 0.8 Nm47. Den aktuella studien visat att motståndet kan ökas upp till 5.5 Nm. Detta är dubbelt vridmoment utdata rapporteras på låg-kadens och det är sannolikt att ha större inverkan på parametrar av ben och kardiovaskulär hälsa.

Den ergometer som används i det aktuella protokollet (Tabell av material) drivs direkt från deltagarnas rullstol, vilket eliminerar behovet av överföring och möjliggör stimulering av upp till 12 muskelgrupper av låret, nedre ben och bålen. Vi har valt att stimulera den quadriceps, hamstring och gluteus maximus musklerna i nedre extremiteten. Framtida studier kommer att expandera för att stimulera de buk- och musklerna hos personer med SCI. Dessutom, ergometern väger endast 39 kg, vilket gör det mycket mer kompakt och anpassningsbar än andra kommersiellt tillgängliga FES ergometercyklar. Ergometern har också en justerbar motor-assist-funktion som gör deltagaren att maximera sin träning utan motor stöd när så är lämpligt. Dessutom tillåter ergometern för valfri motor-stöd. Det nuvarande protokollet tillåter motor-stöd under 1) fasen uppvärmning, 2) den första ”aktiva övergången” fas (första 1-2 min motion fasen), 3) varje vilofasen och (4) om deltagaren tröttar ut mot motstånd. Under aktiv cykling är motorn avstängd till adekvat utmana varje deltagare. Muskeltrötthet under cykling definierades som den punkt där farten faller under 18 RPM. Dessutom Gorgey et al. visade träningseffekten av tre olika stimulering parametrar, varierande pulslängd (200, 350 och 500 µs), på cykling prestanda i 10 individer med kronisk SCI. Efter en enda Dust av FES-LEC, knä extensor vridmoment sjönk med 33-59% och förblev betydligt utestående följande 48-72 h44. Baserat på dessa fynd, tror vi att två gånger i veckan är en rimlig motion dos för individer med kronisk SCI och möjliggör återvinning av trötta muskler tillräckligt med tid (48 h).

Under FES-LEC anges stimulering parametrarna att alla episoder av autonoma dysreflexia, samtidigt som du fortfarande har robust kardiometabola anpassning; parametrarna för cykling utformades med denna balans i åtanke och är som följer: frekvens (33,3 Hz), motstånd (justerbar), rikta hastighet (40-45 RPM) och pulslängd (350 µs). Frekvens är inställd på 33,3 Hz till minimera muskeltrötthet; aktuella amplituden (% stimulering) ökas gradvis ergometern att upprätthålla en hastighet över 18 RPM. Senaste fynd tyder på att större än 350 µs under FES ergometry pulslängd utlöser autonoma dysreflexia hos personer med SCI44. Dessutom ökar pulslängd på 350 µs delta energiförbrukning jämfört med pulslängd på 200 µs. Dessutom delta energi utgifter var inte något större när inställd på 500 µs44. Den högre incidensen av autonoma dysreflexia under FES-LEC kan tillskrivas det faktum att 6 muskelgrupper stimuleras samtidigt. Detta kommer sannolikt att öka strömtäthet och antalet nociceptorer aktiveras, vilket resulterar i översvämningar av skadliga stimuli till nervsystemet. Detta är osannolik till hända under NMES-RT på grund av utbildning i en enda muskelgrupp. emellertid uppstå detta hos personer med hög skada liknar C6 SCI. anekdotiska kliniska erfarenhet visade att detta är sannolikt att tona ut med utbildning som personer med SCI blir mindre sårbara för att utveckla autonoma dysreflexia. De ovan nämnda parametrarna har validerats för att garantera deltagarnas säkerhet, samtidigt maximera utbildning utfallen.

Det finns några begränsningar som måste lösas när överväger liknande kombinerat utbildning protokoll. Oundvikligen, utbildning utfall och kroppssammansättning kan blandas ihop av vissa variabler; den största är dietary intag. För att eliminera denna variation som möjligt, bör läkare utvärdera kaloriintaget rapporter på veckobasis. Insamling av veckorapporter, kan läkare att noga övervaka extra kaloriintag (> 300 - 500 kcal/vecka av sin baslinje BMR) och instruera SCI personer att justera sin macronutrient nyckeltal som behövs. Förutom kosten variabilitet kanske nuvarande träningsprogrammet inte gäller för den 20-25% av SCI befolkningen som inte kan utöva använda elektrisk stimulering på grund att denervation av skelettmuskulaturen. Dessutom visar tidigare data att personer med SCI är benägna att förlora utbildning förmåner efter avslutad utbildning program49; kliniska interventioner bör därför tillhandahålla mekanismer för att garantera långsiktig efterlevnad, liknar minska utbildning frekvensen till två gånger i veckan eller som ger hemmet telehälsa alternativ24. Framtida studier som undersöker effekterna av NMES-RT och FES-LEC bör utnyttja telehälsa strategier för att övervinna socioekonomiska hinder för att utöva och främja långsiktig efterlevnad. NMES-RT genomfördes med telemedicin videokonferenser var kapabel att öka absoluta lårmuskeln med 11% och minska hela låret IMF med 14% i fem män med motor komplett SCI24. Utbildning genomfördes två gånger i veckan under 8 veckor med hjälp av en bärbar batteridriven stimulator. Deltagarna var övervakas via webbkamera att garantera säkerhet och rätt inställningar i hela den utbildning program24.

NMES-RT kan i kombination med FES-LEC användas i en effektiv strategi för att maximera resultaten av varannan vecka elektrisk stimulering utbildning. Med NMES för att uppmuntra lårmuskler har visat sig framkalla muskelhypertrofi, styrka och motverkar trötthet. Starkare, smalare benmuskler kan kunna framkalla större kraft när du cyklar, mer effektivt utnyttja syre och maximera kardiometabola nyttan av träning hos personer med SCI.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Vi vill tacka deltagarna som ägnade tid och ansträngning för att delta i de tidigare studierna. Vi vill tacka Hunter Holmes McGuire Research Institute och ryggmärgen skadan tjänster och störningar för en miljö att bedriva kliniska mänskliga forskningsförsök. Ashraf S. Gorgey stöds för närvarande av Department of Veteran Affairs, Veteran Health Administration, rehabiliteringsforskning och utveckling Service (B7867-W) och 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

Beteende fråga 132 ryggmärgsskada rehabilitering neuromuskulär elektrisk stimulering funktionella elektrisk stimulering styrketräning kardiometabola biomarkörer
Paradigm av nedre extremitet elektrisk stimulering utbildning efter ryggmärgsskada
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