肌肉适应在急性SCI后地上外骨骼+菲斯培训:一个试点研究

介绍

有近18000新病例脊髓损伤(SCI)每年的∼250000 - 360000人目前生活在美国(SCI1)。行走步态或函数通常妥协SCI后(1)。当前科学临床实践指南(论文认定)步态训练干预措施包括为了这座新奇走路,跑步机训练,和功能性电刺激(FES) (2,3)。菲斯也常用在步态训练来解决电动机活化障碍在这个人口(4)。虽然机器人外骨骼的使用不是讨论的2020 CPG (5),最近的研究强调了可行性和潜在改善步态和减轻病态的后遗症(如肌肉变化)SCI后(6,7)。

发生急性SCI后,肌肉萎缩迅速与肌内脂肪组织的增加(IMAT),尤其是下肢肌肉组织(8- - - - - -10)。大减少下肢肌肉横断面地区(LE)肌肉损伤后发生在早期的周10- - - - - -12)。IMAT可能高出三倍的人SCI后仅仅6周损伤相比,匹配的控制和继续增加慢性阶段(9)。此外,患者颈椎水平SCI (C5-7)倾向于有更高比例的LE IMAT相比,那些有腰椎损伤(T12-L2)由于痉挛状态的差异(13)。这些改变的影响是巨大的,影响功能移动,骨骼健康,增加代谢疾病的风险和相关的死亡率(8,12,14)。步态训练干预措施,诸如跑步机训练,菲斯,和机器人外骨骼已知减少有害的肌肉变化人慢性(状态邮报> 1年)SCI (6,10,15- - - - - -18)。然而,研究学习这些干预措施的影响在急性SCI住院期间仍然是最小的。

一种减少废弃的早期发病/减少使用肌肉萎缩是调动个体早期急性SCI从而激活他们的肌肉组织。然而,这个过程很难作为个体急性SCI在住院不容忍直立站立或行走由于SCI相关血流动力学问题和减少意志控制。临床医生在住院病人中使用外骨骼设置有轶事表明,患有急性SCI能够容忍直立行走的外骨骼在早期相比,标准的护理,因此可以作为早期步态训练工具。此外,当前的外骨骼允许菲斯设备同步与他们从而时机和刺激发生下肢肌肉而步态训练。因此,在本试验研究中,我们评估的影响智能辅助软件驱动外骨骼(19)结合菲斯训练肌肉变化和静态平衡人急性SCI在为了这座新奇步态训练。使用磁共振成像(MRI),我们测量了骨骼肌改编前和后培训。我们假设减少肌肉萎缩,量化使用后会发生肌肉体积和IMAT菲斯和外骨骼步态训练相比,独立标准治疗急性SCI患者的住院病人康复。

方法

参与者和协议细节

患有急性(≤1个月),创伤SCI承认住院康复研究招募了。研究的入选标准是SCI C7-T11之间美国脊髓损伤学会障碍量表(AIS)级模拟,没有下肢(LE)和上肢负重预防措施,没有开放的皮肤伤口,设备接触他们,体重在220磅(99公斤),高度5′0之间“6′4”(152 cm - 193 cm),没有伴随的脑损伤,从住院医师和医疗间隙。

参与者作为自己的控制和随机使用电脑1:1配置的早期或晚期开始干预。如果一个参与者是早期开始,他们收到了三个星期,然后跨越干预对照组三周。如果他们被随机分配到后期开始,他们开始在对照组急性康复,然后交叉干预组。这项研究持续时间的平均停留时间挑选,因为病人在这个人口6 - 8周。核磁共振图像收集在三个不同的时间点:在开始任何急性康复(前)之前,三周后康复(中期),经过6周的康复(Post)。因为没有参与者在急性损伤状态能够完成/行走步态的结果,Berg平衡规模,静态平衡和下跌的风险,在每个时间点跟踪评估临床进展(20.)。研究的参与者无法执行和完成其他临床结果措施由于损伤的复杂性和敏锐度。西北大学(芝加哥)的机构审查委员会批准了这项研究,所有参与者提供入学前书面知情同意。

Ekso设备

Ekso GT™与SmartAssist Ekso Bionics,里士满,加州是下肢外骨骼,它允许地上行走的指导训练和物理治疗师。由两个可充电锂电池供电,髋关节和膝关节马达,和一个可调的脚踝春天,该设备可以被编程允许定制的援助。Ekso GT被FDA批准用于SCI、中风和mTBI人群。一步启动最初发生通过“没什么”模式,物理治疗师控制步进行动当参与者达到一个平衡的重量转移。这种模式是用来帮助参与者熟悉设备和平衡感。一旦实现,参与者可以进步到“ProStep”模式,参与者启动步进通过执行一个向前和侧向重量转移目标,为每个用户配置概要文件时安装在设备上。一旦这些重量转移目标实现,设备触发一个步骤。另外,参与者不完全损伤利用“ProStep +”模式,在参与者启动步进通过实现横向体重转变立场的腿上,然后抬腿。这允许参与者积极贡献起始荡来荡去,如果他们有下肢力量。

干预措施

发生在干预阶段/组、培训每周至少3天作为补充常规标准治疗住院治疗。标准治疗住院治疗期间发生的干预和控制阶段包括转移培训等干预措施,坐着和站着平衡训练,流动培训,适应教育设备,如果合适的轮椅移动和步态训练。如果调度允许,参与者可以每周5训练除了标准治疗会议。第一次会议发生没有额外的菲斯,以便设备配件和适应。所有后续会话包括菲斯[Hasomed RehaStim II,马格德堡,德国)双边股四头肌,腿筋,胫前肌和腓肠肌肌肉组织与Ekso步进周期时间。菲斯是在一个脉冲宽度200 - 300µs,频率35赫兹,0坡道。这些参数是选择减少肌肉疲劳,训练时间,最大限度地减少自主反射性异常发生的可能性(21,22)。对每一块肌肉,强度是单独设定的目标来实现一个反引力肌肉收缩,但偶尔设置较低是由于病人舒适,交叉肌肉干扰或增加痉挛状态。脉冲参数设置后,刺激脉冲被开启了5分钟,然后关闭2分钟没有自愿的参与者下肢(LE)的力量。对于那些与任何力量,训练模型转移到5分钟和5分钟与降低机器人援助增加意志努力和提供一个更大的挑战。在期间,模拟肌肉群是步态周期时间。评估LE力量与人工肌肉测试期间每周进行培训,确保所有参与者收到适当的菲斯。所有课程都由一个注册物理治疗师。完整的干预训练所示设置图1。在控制阶段/组的研究中,参与者只有标准治疗住院治疗。

图像采集

对于每一个时间点,使用3.0特斯拉西门子棱镜扫描(德国西门子,埃朗根),核磁共振成像是每个参与者的下肢肌肉组织,使用基于化学位移的迪克逊方法提供左、右大腿的脂肪和水图像和腿部肌肉(23- - - - - -25)。16通道的身体表面线圈使用数组。先生成像参数的细节如下:使用TR = 7.05毫秒,TE1 = 2.46毫秒,TE2 = 3.69毫秒,翻转角度= 12度,带宽= 505 Hz / Px,成像矩阵448×266。237×400毫米的视野,大腿骨覆盖完整的解剖学,60片获得使用一片厚度5毫米。

肌肉数据分析

下肢肌肉数据分析完成六个训练有素的评级机构,盲法临床表现和治疗分配,利用医学影像软件OsiriX Pixmeo SARL,瑞士日内瓦。一个评定等级的分析一个参与者在每个时间点。轴向下肢的图像被用来手动部分大腿和腿部肌肉在三个时间点的数据收集。手动分割的下肢肌肉,因为肌肉量化的目的,已被证明有一个高水平的两分的作者在SCI的可靠性和其他组(15,23)。

当测量大腿肌肉组织,与会阴的rostral-most切片轮廓开始和结束时没有被观察到caudal-most片了。个人肌肉分割完成整个大腿在每个连续切片。为左、右大腿股四头肌,腿筋,内收肌组分段(不包括股薄肌和缝匠肌,明白了图2)。相同数量的轴向片是用于所有三次点。当测量腿肌肉组织,每个参与者开始轮廓远膝关节和结束最后一块腓肠肌仍然存在。的左右腿,dorsiflexors,腓肠肌、比目鱼肌,后胫、腓骨肌肌肉群分段(见图3)。相同数量的轴向片被使用在所有三个时间点。

感兴趣的区域是由轮廓的肌肉组织内筋膜边界,不包括皮下脂肪或骨头,创建一个横截面积(CSA)在每个轴向片(参见每一块肌肉图2,3)。个人肌肉组卷被计算为肌肉CSA乘以切片厚度(5毫米)使用OsiriX卷计算器工具:体积_肌肉=∑CSA_eachslice×5毫米厚度(见图2,3)。IMAT百分比也计算使用脂肪和水图片:IMAT % =脂肪信号/ * 100(脂肪信号+水信号)。片都是那么平均生产单一IMAT肌肉的百分比。这些计算是重复在每个计算所有肌肉。

统计分析

IBM SPSS版本28(纽约州阿蒙克的美国)被用来执行所有统计分析。一个p值< 0.05的选择来确定统计学意义。Shapiro-Wilk测试为正常进行检查所有数据。

对于所有16个肌肉群,分数变化百分比计算为对照组和干预组干预前(从时间点到干预后的时间点)。一个非参数Wilcoxon等级测试是用来比较和肌肉体积和IMAT变化百分比%控制和干预组之间的数据不是正态分布。

结果

八个潜在参与者参与了这项研究。八,一个不符合装配要求外骨骼和没有登记。剩下的7个,只有6个完成了协议如上所述。人口统计信息对于那些完成的研究表1。

临床结果和训练数据

静态平衡,以Berg平衡规模,改善干预组比对照组(见图4左面板)。参与者开始干预,平均分数的变化是相同的控制和干预阶段。对于那些接受干预后,平均分数的变化是更大的干预比控制(见图4右面板)。

虽然所有六个参与者开始菲斯训练5分钟,2分钟,参与者5和6获得勒力量和转换到5分钟,5分钟后4和8训练,分别。参与者平均13培训为期三周的干预。在这60 - 90分钟,平均步行时间为28.51分钟平均刺激时间为20.19分钟。个人的这些和其他指标从培训中可以找到表2。

肌肉数据

肌肉体积和IMAT变化百分比数据不满足正常的假设,因此使用了非参数统计测试。肌肉量平均为所有16个肌肉群显著增加干预期间相比,控制时间(平均差= 12.20,95% CI: 4.22, 20.19,p< 0.001,看图5)。IMAT结果表明较低的脂肪百分比的趋势渗透在干预期间相比,控制时间(平均差IMAT = 12.30%, 95%置信区间CI:−0.74, 25.35,p= 0.07,看图6)。此外,没有区别的干预效应基于时间的干预(早期或晚期)。

讨论

下肢肌肉群萎缩立即和加班后脊髓损伤(8- - - - - -10)。菲斯等干预措施,体重支持跑步机训练,和地上的步态训练改善肌肉萎缩,改善肌肉和运动机能SCI后(2- - - - - -4)。符合这些先前的研究,我们的工作结合菲斯和地上的步态训练机器人外骨骼个体急性SCI(损伤)的第一个月的住院病人康复。对照组的结果表明,用户体验肌肉萎缩是由平均减少肌肉体积而干预组增加肌肉体积。此外,两组显示减少IMAT群体倾向于意义的区别。这些结果间接表明增强下肢肌肉的健康和功能更好的整体功能恢复(14)。尽管没有参与者可以完成行走的结果,所有显示改善静态平衡的研究。这更增加临床结果进一步支持我们发现在图像分析结果。当区分早期和晚期开始组、早期开始组看到相同的控制和干预改善阶段,而后期开始组在干预阶段看到更大的改进。这表明,它可能更有利于患者首先标准治疗,然后过渡到外骨骼和菲斯训练一段时间后自然恢复。

这些结果揭示了机器人外骨骼的影响和菲斯训练与标准治疗相结合,帮助个人急性脊髓损伤住院的设置。在复苏的急性期,肌肉变化迅速通过萎缩和脂肪浸润(8- - - - - -10,12,14,26)。在急性期早期干预可能减轻肌肉萎缩和IMAT的不利影响,从而提高肌肉代谢健康(16潜力)和为这些患者提供更好的长期预后等进行早期的移动正确的病人。我们的研究为进一步研究提供了一个强碱机器人外骨骼的干预措施在住院急性SCI患者,以及它如何影响。此外,许多病人后acute-SCI站立或行走不容忍由于血压调节问题。有趣的是,在当前的研究中我们发现,所有的参与者能够立即容忍与外骨骼行走,从而帮助他们早期直立移动。这需要进一步的调查我们可以最大化流动性在急性SCI早期。

局限性和未来的工作

作为一个试点研究,这对于临床应用调查的局限性。样本量太小(N= 6)的异构表示病人资料。这些人不同的位置和严重程度的伤害(根据AIS规模)。后续研究应该包括一个更大的群体的参与者,以及同质性和组织/分组根据AIS分类和级别。增加参与者的数据也证实了先前的结果改善肌肉体积使用菲斯(27),作为我们的试点研究检测这些变化可能是动力不足。本研究的另一个限制是缺乏洗掉。虽然这个选择是确保参与者可以完整的双手在住院,可能延滞效应可能发生。未来的研究可能需要评估的可行性添加洗掉期或在一个单独的控制和干预组。进一步,利用MRI评估和监测肌肉的变化可能是浪费和纵向设计构成方法的挑战。超声波测量肌肉厚度或表面EMG出现承诺更多的临床,实惠的方法对下肢肌肉监测SCI后(28)。

除了解决这项研究的局限性,未来的工作可能包括比较的影响菲斯和外骨骼培训只有外骨骼培训相结合,优化当参与者应该开始接受菲斯和外骨骼培训相结合,以及能量消耗等结果,训练,和步态速度。

结论

机动性训练机器人外骨骼和菲斯补充标准治疗导致减少肌肉萎缩在急性SCI,促进增加肌肉体积和维护水平的下肢肌肉脂肪浸润,相比标准治疗。这是一个试验临床研究和未来更大的临床试验结果将有助于推广和规范护理模式。

数据可用性声明

原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。

道德声明

涉及人类受试者的研究回顾和西北大学的机构审查委员会批准(芝加哥)。患者/参与者提供了他们的书面知情同意参与这项研究。

作者的贡献

KH:概念化、数据收集、写作初稿,ACS:数据分析,编写,审查和编辑,RM:数据分析,编写,修订草案,MG:数据收集、写作——审查,SP:数据收集、写作——复习,做的事:数据分析,撰写审查,路:数据分析,写作——评论,发表:数据分析,编写,审查和编辑,AJ:概念、方法、写作——审查和编辑、监理、项目管理、融资收购。所有作者的文章和批准提交的版本。

资金

AJ和KH NIDILRR-funded机器支持协助康复中风和脊髓损伤(MARS3)更容易融入社会康复工程研究中心(H133E120010)。ACS是由国立卫生研究院尤尼斯•肯尼迪•施莱佛国立儿童健康和人类发展研究所——K01HD106928和种子Webb-Waring生物医学研究项目的基础。

确认

谢谢雪莉瑞安AbilityLab和参与者与SCI为临床参与这项研究。我们还要感谢团队从Ekso Bionics,尤其是Musick达雷尔PT的后勤支持的设备。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

缩写

核磁共振、磁共振成像;菲斯,功能性电刺激;SCI, apinal索损伤;IMAT,肌内脂肪组织;勒,下肢;AIS,美国脊髓损伤学会障碍量表;T水平,胸水平;L水平,腰椎水平

引用