L. Awai

1 Centrul de leziuni ale măduvei spinării, Spitalul Universitar Balgrist, Forchstrasse 340, 8008 Zurich, Elveția

2 Departamentul Sobell de neuroștiințe motorii și tulburări de mișcare, UCL Institute of Neurology, University College London, 33 Queen Square, London, WC1N 3BG UK

M. Franz

1 Centrul de leziuni ale măduvei spinării, Spitalul Universitar Balgrist, Forchstrasse 340, 8008 Zurich, Elveția

C. S. Easthope

1 Centrul de leziuni ale măduvei spinării, Spitalul Universitar Balgrist, Forchstrasse 340, 8008 Zurich, Elveția

H. Vallery

3 Departamentul de Inginerie BioMecanică, Universitatea de Tehnologie Delft, 2628 CD Delft, Olanda

A. Curt

1 Centrul de leziuni ale măduvei spinării, Spitalul Universitar Balgrist, Forchstrasse 340, 8008 Zurich, Elveția

M. Bolliger

1 Centrul de leziuni ale măduvei spinării, Spitalul Universitar Balgrist, Forchstrasse 340, 8008 Zurich, Elveția

Date asociate

Tendințele datelor și dispersiile care susțin concluziile acestui studiu sunt furnizate în manuscris. Datele brute sunt disponibile de la autorul corespunzător, la cerere rezonabilă.

Abstract

fundal

S-a demonstrat că antrenamentul locomotor susținut de greutatea corporală îmbunătățește funcția de mers la pacienții neurologici și este adesea efectuat pe o bandă de alergat. Cu toate acestea, mersul pe banda de alergat nu imită mersul natural din mai multe motive: auto-inițiere absentă, retragere mai puțin activă a piciorului necesară și intrare aferentă modificată. Superioritatea antrenamentului suprateran a fost sugerată la oameni și a fost demonstrată la șobolani, demonstrând o plasticitate mai mare, în special în căile descendente, comparativ cu antrenamentul cu bandă de alergat. Prin urmare, am dezvoltat un sistem de susținere a greutății corporale care să permită mersul pe jos fără restricții, cu forțe de interferență minime, pentru a instrui pacienții neurologici. Prezentul studiu a investigat influența diferitelor cantități de susținere a greutății corporale asupra mersului la persoanele sănătoase.

Metode

Datele cinematice și electromiografice ale a 19 persoane sănătoase au fost înregistrate în timpul mersului pe jos la diferite niveluri de susținere a greutății corporale (0, 10, 20, 30, 40 și 50%). S-au calculat înclinația corpului superior, unghiurile articulațiilor inferioare ale corpului și coordonarea multi-articulației, precum și parametrii timp-distanță. Au fost analizate date continue în ceea ce privește modificările distincte dintr-un ciclu de mers în toate condițiile de descărcare.

Rezultate

Parametrii de mers temporali au fost cei mai sensibili la modificările descărcării corpului, în timp ce variabilele spațiale (lungimea pasului, unghiurile articulațiilor) au prezentat răspunsuri modeste atunci când au fost descărcate cu până la 50% din greutatea corporală. Activarea mușchiului gastrocnemius a arătat o scădere treptată odată cu creșterea descărcării, în timp ce mușchiul biceps femoral a prezentat niveluri crescute de activitate la descărcare de 50%. Aceste modificări au avut loc în timpul fazei de poziție, în timp ce activitatea fazei de swing a rămas nealterată.

Concluzii

Persoanele sănătoase au reușit să-și păstreze cinematicele de mers pe jos izbitor de constante chiar și atunci când sunt descărcate cu jumătate din greutatea lor corporală, sugerând că sistemul de susținere a greutății permite un model de mers fiziologic. Cu toate acestea, menținerea unei viteze date de mers folosind o cinematică apropiată de cea normală în timp ce a fost descărcată a fost realizată prin adaptarea tiparelor de activitate musculară. Interesant este faptul că propulsia necesară pentru menținerea vitezei nu a fost realizată prin creșterea activității gastrocnemiei la împingere, ci mai degrabă prin activitatea crescută a bicepsului femural în timp ce retrage piciorul în timpul fazei de poziție. Rămâne de investigat în ce măsură pacienții neurologici cu tulburări de mers sunt capabili să își adapteze tiparul de mers ca răspuns la descărcarea corpului.

fundal

Scopul studiului de față a fost de a caracteriza modificările modelor de mers induse de diferite mărimi de descărcare folosind FLOAT la indivizii fără deficiențe. Studiile anterioare care au investigat influența descărcării corpului în timpul mersului pe bandă au sugerat modificări ale sincronizării fazei mersului, modificări inconsistente ale parametrilor cinematici și modificări semnificative ale tiparelor distincte de activare a mușchilor membrului inferior [16, 17]. Un studiu care a explorat modificările mersului induse de un sistem de susținere a terenului a constatat modificări cinematice [18] și electromiografice (EMG) semnificative [19] în mersul neîntrerupt al terenului, deși nu au investigat mușchii care contribuie la retragerea picioarelor. Înțelegerea modificărilor caracteristicilor mersului sub influența unui sistem BWS la indivizii sănătoși este o condiție prealabilă pentru o interpretare contextuală a comportamentului mersului la subiecții care se recuperează din afecțiuni neurologice care se antrenează cu dispozitive de reabilitare comparabile. Constatările pot ajuta la adaptarea celui mai potrivit program de instruire la starea specifică a pacienților individuali.

Metode

Participanți

19 voluntari sănătoși (9 femele și 10 bărbați, vârsta de 29 ± 5 ani (medie ± 1SD), înălțime: 1,74 ± 0,09 m, greutate: 72 ± 12 kg) au participat la acest studiu și și-au dat consimțământul scris în cunoștință de cauză. Studiul a fost aprobat de comitetul local de etică al Cantonului Zurich și a fost realizat în conformitate cu Declarația de la Helsinki.

Materiale

Un sistem BWS (FLOAT, LME, Rüdlingen, Elveția) a descărcat participanții în timpul mersului pe jos (Fig. 1). Robotul cu cablu a fost alimentat de patru motoare care acționează un nod central printr-un sistem de șină și deflector. Subiecții purtau un ham legat de nod. Senzorii de forță montați între nod și cabluri controlau forța de descărcare, care era comandată să fie pur verticală. Această configurație a permis subiecților să meargă liber într-o zonă de aproximativ 8 x 2 m. O descriere detaliată a sistemului poate fi găsită în altă parte [15]. Cinematica mersului a fost înregistrată utilizând un sistem optic de urmărire a mișcării 3D la o frecvență de eșantionare de 200 Hz (Vicon motion systems Ltd., Oxford, Marea Britanie). Activitatea EMG a fost înregistrată la 1500 Hz folosind un sistem EMG fără fir (Noraxon Inc., Arizona, SUA) cu electrozi cu două suprafețe plasate peste următorii mușchi ai membrelor inferioare: rectus femoris (RF), biceps femoris (BF), tibialis anterior (TA) și gastrocnemius medialis (GM).

păstrată

Robotul cu cablu este alimentat de patru motoare care acționează un nod central printr-un sistem montat pe tavan și deflector. Designul sistemului de susținere a greutății corporale permite mersul nerestricționat pe teren plan sau pe scări, precum și paradigme de antrenament, cum ar fi tranziția așezare-stand

Configurare și protocol

Subiecții au mers desculți pe sol de-a lungul unei pasarele de 8 m, în timp ce doar pe mijloc

Au fost analizați 6 m pentru a exclude fazele de accelerație și decelerare. Am înregistrat cel puțin 20 de cicluri de mers complete pe afecțiune, ceea ce a dus la aproximativ 6 studii pe afecțiune la majoritatea subiecților. Subiecții au fost instruiți să meargă la o viteză dată de mers (0,56 m/s). Această viteză de mers destul de lentă a fost aleasă pentru a se potrivi cu viteza de mers observată la pacienții neurologici pentru care a fost conceput sistemul BWS. Viteza de mers a fost măsurată de sistemul BWS și feedback-ul acustic a fost prezentat subiecților ori de câte ori viteza lor de mers a fost în afara unui interval de toleranță (± 0,14 m/s) al vitezei dorite. Au fost evaluate șase condiții diferite de descărcare: lipsa descărcării (linia de bază), 10%, 20%, 30%, 40% și 50% descărcarea greutății corporale. În starea de bază, subiecții purtau ham și erau atașați la dispozitiv, dar descărcarea a fost controlată ca fiind minimă, după cum este necesar pentru a menține tensiunea în cabluri. Ordinea celor 6 condiții a fost pseudorandomizată.

Analiza datelor

Datele au fost analizate offline. Pe subiect și condiție au fost analizate 20 de cicluri de mers (de la lovirea călcâiului la lovirea călcâiului). Datele cinematice au fost achiziționate și postprocesate utilizând Vicon Nexus Software (1.7.1 și 1.8.3). Prelucrarea a inclus reconstrucția punctelor de date, umplerea golurilor traiectoriei și netezirea traiectoriilor utilizând rutina de validare încrucișată a Woltring cu o eroare pătrată medie de 10 mm 2. Unghiurile articulare au fost calculate din modelul Vicon Nexus Plug-in Gait full body (v 3.0). O altă analiză cinematică a datelor a fost efectuată folosind scripturi MATLAB scrise la comandă (The Mathworks Inc., Natick, SUA). Toate datele continue (de exemplu, datele cinematice și EMG) au fost tăiate în cicluri individuale de mers (de la lovirea călcâiului unui picior până la lovirea consecutivă a călcâiului cu același picior identificată folosind traiectoria marcatorului călcâiului) și a fost normalizată astfel încât poziția - și fazele de oscilare au avut aceleași lungimi relative în toate condițiile de descărcare (definite de punctul mediu de timp de la vârf în toate condițiile).

Măsuri finale

Semnalul EMG a fost corectat, compensat, filtrat utilizând un filtru recursiv de trecere în bandă Butterworth de ordinul cinci (10-500 Hz), rectificat și netezit folosind un filtru mediu mobil cu o lățime a ferestrei de 11 înainte de analiza statistică. Amplitudinile EMG au fost normalizate la media celor mai mari 5% din activitatea EMG în timpul stării de bază pentru fiecare persoană. Datele EMG continue au fost apoi tăiate în fază de poziție și fază de oscilație, normalizată în timp la media fazei de poziție și fază de oscilație în toate condițiile (adică 625 și respectiv 375 de probe) și apoi concatenate pentru a forma o traiectorie de 1000 de probe reprezentând un întreg ciclul mersului.

analize statistice

Rezultate

Parametrii timp-distanță

Parametrii timp-distanță au arătat o gamă largă de modificări în ceea ce privește descărcarea corpului. Lungimea pasului a fost semnificativ crescută la 30% BWS comparativ cu valoarea inițială și cadența a fost redusă la 40% și 50% BWS. Faza de poziție și faza de susținere dublă au fost reduse semnificativ la 20% până la 50% BWS, prin urmare, o singură fază de susținere și oscilație a fost prelungită la aceste condiții de descărcare respective (vezi Tabelul 1 pentru un rezumat al rezultatelor din rmGLM și comparații perechi post-hoc).

tabelul 1

Contraste ale diferitelor niveluri de descărcare în comparație cu valoarea inițială

Parametru BL10% 20% 30% 40% 50%
Lungimea pasului [m] *0,435 (0,036)0,438 (0,043)0,444 (0,045) 0,457 (0,048) 0,445 (0,046)0,463 (0,051)
Cadență [pași/min] **80,75 (6,38)80,66 (7,88)79,46 (8,02)78,13 (8,89) 77,17 (9,10) 74,23 (9,64)
Faza de poziție [%] **64,41 (1,09)64,19 (1,16) 63,21 (1,33) 62,23 (1,60) 61,14 (1,77) 59,42 (2,19)
Faza de oscilație [%] **35,59 (1,09)35,81 (1,16) 36,79 (1,33) 37,77 (1,60) 38,86 (1,77) 40,58 (2,19)
Faza de sprijin unic [%] **35,62 (1,05)35,75 (1,17) 36,76 (1,34) 37,90 (1,82) 38,93 (1,78) 40,48 (2,20)
Faza de suport dublă [%] **28,79 (2,13)28,45 (2,32) 26,45 (2,67) 24,33 (3,38) 22,20 (3,54) 18,94 (4,32)
ACC șold-genunchi **0,7610,7910,7530,7160,7880,818
Glezna ACC **0,7440,7730,7320,6950,7590,778
SSD șold-genunchi [a.u.] **0 2.07 3.41 5.39 7,95 11.34
SSD genunchi-gleznă [a.u.] **0 1,58 3.37 5.37 8.21 11.26

Rezultatul modelului liniar general cu măsuri repetate (rmGLM) este reprezentat de asteriscuri: * = p 2), care a fost reflectat de traiectoriile rămase în intervalul ± 1SD pentru toate condițiile. Doar unghiul gleznei a arătat în mod constant diferențe semnificative în diferitele condiții de descărcare, care a fost, de asemenea, în afara intervalului ± 1SD al mersului inițial: odată cu creșterea cantității de descărcare a gleznei a arătat mai multă dorsiflexie la lovirea călcâiului (și pe parcursul părții inițiale a fazei de poziție, Fig. 2). RmGLM a sugerat un efect al descărcării corpului asupra consistenței ciclogramei (ACC) atât pentru coordonarea proximală șold-genunchi (rmGLM: F = 8.22, p 1). Prin contrast, diferența de formă față de linia de bază a ciclogramei și, prin urmare, calitatea coordonării interjoante s-au schimbat odată cu descărcarea corpului (Fig. 3, Tabelul 1). Acest lucru a fost valabil atât pentru coordonarea șold-genunchi (rmGLM: F = 54.12, p 4).

A Figurile stick ale unui subiect sunt prezentate în timpul mersului inițial și la 50% greutate corporală (BWS). Unghiul de înclinare φ a fost calculat ca unghiul dintre vectorul torace - pelvis în plan sagital și axa pământ-verticală și este prezentat pentru întregul ciclu de mers b. Unghiul de înclinare în timpul unui ciclu de mers pe toate nivelurile de descărcare este afișat (zona neagră prezintă intervalul de deviație standard de ± 1 în condițiile de bază), iar linia punctată verticală indică timpul mediu al punctului de descărcare pe toate nivelurile de descărcare