Sarah R. Chang

1 Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center, Cleveland, OH

implicații

2 Departamentul de Inginerie Biomedică, Case Western Reserve University, Cleveland, OH

Rudi Kobetic

1 Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center, Cleveland, OH

Ronald J. Triolo

1 Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center, Cleveland, OH

3 Departamentul de Ortopedie, Case Western Reserve University, Cleveland, OH

Abstract

Funcțiile în picioare, în picioare și în mers pot fi restabilite persoanelor cu leziuni ale măduvei spinării prin contractarea mușchilor paralizați ai șoldului, genunchiului și gleznei cu stimulare electrică. Restaurarea acestor funcții utilizând stimularea electrică necesită activare controlată pentru a oferi mișcări coordonate. Cu toate acestea, manevra stand-to-sit (STS) implică contracții excentrice ale cvadricepsului pentru a controla coborârea corpului în poziția așezat, ceea ce este dificil de realizat doar prin stimulare și prezintă provocări unice neuroprotezelor membrelor inferioare. În acest studiu, am examinat biomecanica manevrei STS la cinci indivizi nedizabili și cinci utilizatori ai unei neuroproteze implantate. Utilizatorii de neuroproteză s-au bazat foarte mult pe membrele superioare în timpul STS, cu forțe de susținere de vârf de aproximativ 25% din greutatea corporală și au prezentat o accelerație verticală medie la impact de șase ori mai mare decât cea a subiecților nedisabili (p Cuvinte cheie: biomecanică, stimulare neuromusculară funcțională, forță de impact, neuroproteză, paralizie, SCI, leziuni ale măduvei spinării, stand-to-sit, forța membrelor superioare, accelerație verticală

INTRODUCERE

Neuroprotezele care utilizează stimulare neuromusculară funcțională (FNS) pot restabili mobilitatea în picioare și personală pentru persoanele cu leziuni ale măduvei spinării (SCI) [1-2]. Micii curenți electrici aplicați pe nervii periferici intacti determină contractarea mușchilor paralizați și produc forțele și cuplurile articulare necesare pentru a susține corpul împotriva prăbușirii și a genera mișcările necesare pasului [3-5]. Mobilitatea îmbunătățită datorită stimulării oferă, de asemenea, beneficii fizice și psihologice, cum ar fi condiția cardiovasculară, riscul redus de apariție a rănilor și o imagine de sine îmbunătățită [6-8]. În timp ce tranziția stând-în picioare [9], echilibrul în picioare și în picioare [10-12] și mersul cu stimulare [7,13-14] au fost studiate pe larg, manevra stand-to-sit (STS) a primit relativ puțină atenție. Controlul coborârii corpului și minimizarea impactului cu suprafața de așezare sunt obiective importante pentru o funcționare practică și sigură a neuroprotezelor la nivelul membrelor inferioare.

Una dintre principalele provocări pentru realizarea unei tranziții STS mai naturale și mai sigure este dificultatea de a controla contracțiile excentrice ale mușchilor extensori ai genunchiului cu stimulare electrică. Mușchii cvadricepsului trebuie să se prelungească lin și continuu, în timp ce sunt activați cu stimulare pentru a controla coborârea corpului în poziția așezat [15-16]. Interacțiunea complexă a informațiilor senzoriale legate de lungimea musculară, tensiunea, poziția articulației și momentul și accelerația care ar determina în mod normal dacă contracțiile mușchilor cvadricepsului trebuie ajustate pentru a controla mișcarea descendentă a corpului în timpul STS sunt lipsite sau insuficient integrate în neuroproteze existente la nivelul membrelor inferioare.

Un număr de controlere au fost proiectate anterior pentru a răspunde nevoii unei tranziții STS controlate. Un controler de curbă de comutare cu buclă închisă (SCC) de nivel scăzut a asistat în picioare și așezat prin utilizarea unei curbe simple de comutare pentru a modula stimularea la cvadriceps, în funcție de faptul dacă o viteză unghiulară prescrisă la un unghi dat de genunchi a fost depășită în timpul manevrei [17]. Acest controler a fost mai eficient decât un controler cu buclă deschisă (OLC), care a oprit stimularea pur și simplu pentru a produce tranzițiile STS. Viteza unghiulară maximă a genunchiului pentru SCC a fost de 1,7 ori mai mare decât cea pentru nedisabilitate (170,9 ± 47,6 °/s față de 101,7 ± 29,5 °/s). Cu OLC, subiecții au început să se așeze doar după ce stimularea a fost oprită. Ca rezultat, STS a fost finalizat fără asistența FNS și subiecții necesari să se bazeze exclusiv pe membrele superioare pentru sprijin și control al coborârii. S-a sugerat, de asemenea, că OLC ar putea fi potențial îmbunătățit prin reducerea stimulării cvadricepsului, mai degrabă decât prin simpla oprire a stimulării.

Chiar dacă controlerul ONZOFF a redus viteza unghiulară a genunchiului terminal, subiecții care folosesc FNS au prezentat încă o viteză mult mai mare decât indivizii nedisabili, a căror viteză unghiulară a genunchiului la unghiul maxim de flexie a genunchiului a fost de 21,3 ± 14,0 °/s [17]. În plus, controlerul ONZOFF a cerut participanților să exercite forțe de braț de aproximativ 50% din greutatea corporală (% BW) pe un dispozitiv de sprijin în timpul manevrei. Accelerația verticală a centrului de masă al corpului la impact și forța de impact cu suprafața așezată nu au fost raportate [17-18].

Forțele de impact care apar la prima contactare cu scaunul nu au fost studiate anterior pentru manevra STS cu FNS. Chen și colab. a investigat influența posturii asupra forțelor de impact așezate atunci când pacienții cu AVC au efectuat manevre STS [19]. Forța de impact așezată a variat între 70 și 80% BW (± 28% –37%).

Scopul studiului nostru a fost de a descrie și compara biomecanica STS în ceea ce privește forțele de impact, forțele membrelor superioare, accelerația verticală la impact și cinematica genunchiului și șoldului la voluntarii nedisabili și la persoanele cu SCI așezate cu bucla deschisă rampată stimulare [2,20]. Deși studiile anterioare au constatat că forțele mari ale membrelor superioare au fost exercitate la șezut cu stimulare și că mișcarea a început numai după ce stimularea a fost oprită, forțele care apar pe fese la contactul inițial cu scaunul nu au fost cuantificate și justifică investigarea, în special cu stimularea la rampă. Înțelegând aceste forțe, putem minimiza riscul de rănire în timpul STS și putem determina caracteristicile dorite ale noilor intervenții neuroprotetice și sisteme de control pentru tranziții STS mai naturale.

METODE

Participanți

Dintr-o analiză a puterii bazată pe mărimea efectului determinată din datele preliminare de forță și accelerație verticală, a fost necesar un total de cinci subiecți pe populație pentru a îndeplini semnificația statistică (α = 0,05, β = 0,95). Cinci voluntari bărbați fără dizabilități (subiecți A - E) cu vârste cuprinse între 23 și 63 de ani (media 45 de ani), cu o greutate medie de 74 ± 6 kg și înălțimea de 170 ± 23 cm, au participat la studiu. În mod similar, au fost recrutați cinci (2 femei, 3 bărbați) indivizi cu SCI cronică (timp mediu post-vătămare de 10 ± 11 ani) care primiseră neuroproteze implantate în picioare (timp mediu postimplant 8 ani). Voluntarii cu SCI (subiecți F - J) au variat între 46 și 58 de ani (medie 53 de ani), cu o greutate medie și înălțime de 75 ± 14 kg și respectiv 174 ± 11 cm (Tabel). Nu au existat diferențe semnificative de vârstă (p = 0,42), înălțime (p = 0,68) și greutate (p = 0,84) între controalele nedisabilitate și subiecții cu SCI. De asemenea, nu au existat diferențe semnificative de vârstă (p = 0,85), înălțime (p = 0,15) și greutate (p = 0,28) între bărbați și femei pentru subiecții cu SCI. Toți subiecții au semnat formulare de consimțământ aprobate de comisia de revizuire instituțională locală înainte de a participa la studiu.

Masa

Caracteristicile subiecților cu leziuni ale măduvei spinării.