病例报告:步态偏差指数可能预测neurotherapeutic FES-assisted效应在脑瘫患儿步态训练

1。介绍

脑性瘫痪(CP)是一种运动障碍引起的脑损伤在胎儿或婴儿的发展。这是最常见的儿童神经运动的764000例的诊断和估计美国(1)。虽然最初的非渐进式脑损伤,肌肉骨骼损伤和功能限制,在步态特别问题,进步(2)。约70%被归类为痉挛性脑瘫CP病例的-80% (3,4),特点是软弱和短的肌肉,肌肉痉挛状态,受损的选择性运动控制(5,6)。痉挛性脑瘫患儿显示运动偏差的臀部、膝盖和脚踝导致步态克劳奇步态等偏差,跳跃步态,马蹄足步态(7,8)。行走功能CP患儿通常从青春期到成年下降(9),这有助于减少参与体育活动。残疾儿童具有更大的体力活动要求,以防止下降的功能和防止二次条件不活动(10)。因此,作为成年人,长期久坐不动的生活方式的并发症明显增加去功能化和减少身体残疾的人的生活质量(11)。

由于高发病率和成本与CP,改善该人群的康复策略至关重要(12,13)。目前,外科手术和药物治疗步态障碍往往不足而造成进一步的肌无力(14)。特定于任务的步态训练干预,如body-weight-supported跑步机训练,取得了一些成功改善步态与CP(个人15)。特定于任务的训练可能会产生更持久的影响如果结合干预提供physiological-based修正加强运动,如发生与功能性电刺激(FES)。菲斯的目标是通过应用电刺激引起功能性运动的肌肉,它可以应用与意志的运动促进运动学习。诱发恰当的肌肉收缩,菲斯可能在选择电动机控制弥补赤字,从而可能导致更多的典型行走时下肢运动学(14)。此外,通过招聘高尔基腱器官和肌肉的纺锤波,菲斯提供了丰富的感官反馈通过本体和躯体感觉信息传入皮质脊髓的途径和传递(13)。因此,菲斯激活所有可用的感觉运动组件参与运动控制(13)和皮质兴奋性影响(14),这可能会进一步转化为运动学习。越来越多的证据支持菲斯改善神经肌肉痉挛性脑瘫的赤字(14)。FES-assisted走干预措施,然而,展示了好坏参半的结果,因此,有一种强烈的需要识别那些可能最好的应对这类干预措施,规定适当治疗。

FES-induced动力学和运动学变化,取决于剂量的干预和菲斯的存在,可以分为三类:(1)立即改正的菲斯(直接影响),经过一段时间的培训(2)修正的菲斯(训练效果),和(3)坚持效果没有菲斯,后multi-session培训协议(neurotherapeutic效应)。注意,菲斯存在直接影响测量时,和菲斯neurotherapeutic效应是测量时不存在。此外,neurotherapeutic效应是测量一段时间后培训演示如果菲斯培训后能引起持久的修正,不像直接影响测量当菲斯是第一次应用在走之前实践发生了第一次训练后(不)。解释结果报告时,应区分培训和neurotherapeutic影响尽可能多的报道结果的岗位是FES-assisted经过一段时间的培训。而我们感兴趣的是non-FES-assisted效果持续经过一段时间的训练和菲斯。

积极的直接和培训效果FES-assisted行走在CP患儿干预措施包括提高时空步态参数(16,17)、步态运动学(17- - - - - -20.)、动力学(20.),脚间隙在摆动阶段和初始接触(17,19,21- - - - - -23)。尽管有这些积极的直接和训练影响步态动力学和运动学,neurotherapeutic效应的证据是有限的改善临床措施的流动性,这意味着改善步态但不步态动力学和运动学的直接措施。在目前的研究中,我们关注的影响直接转化为运动学和动力学改进的措施减少步态偏差。在32 CP患儿随机对照试验(平均年龄= 10年8个月,粗大运动功能分类系统(GMFCS)水平I或II],因此运用FES的neurotherapeutic改进前侧(TA)肌肉仅限于流动和平衡分数和减少腓肠肌痉挛状态(17)。在一系列案例14儿童/青少年与CP(意味着(SD) = 13.1(3.56)岁;GMFCS水平I或II),运用菲斯的neurotherapeutic效果助教肌肉增加肌肉大小(24)。直接和培训改进主要影响研究;脚踝在swing和初始接触角改善菲斯的存在。立即有差异和neurotherapeutic效果在这两个研究;踝关节的角度改进与菲斯并不是没有菲斯提出了岗位培训。这种遗漏在识别演示一个挑战neurotherapeutic回应FES-assisted走干预措施。

大多数可用FES-assisted行走研究CP人口集中在TA肌肉;他们强烈建议立即和培训效果的菲斯的脚踝在初始接触和摇摆角度改进。然而,CP步态赤字是复杂的,发生在整个步态周期;进步的方向指向使用多渠道菲斯设备采取跨多个关节(14)。例如,刺激股直肌和股外侧肌的肌肉更有效改善姿势比单独每一块肌肉的刺激与CP(走在一个孩子时25)。三个最近的多渠道FES-assisted行走研究演示了正面的直接(26,27)和培训效果(28)关节角与CP共有九个人。然而,正如所料,改进变量在个人、关节和阶段的步态。

玫瑰等。26),展示了积极的直接影响步态偏差指数(GDI)分数,和联合应用在步态运动学当菲斯。因此,我们最初的假设是,通过增加多渠道菲斯剂量通过实现培训干预和科目的刺激协议我们可能诱发neurotherapeutic改善步态。我们修改他们的干预(1)增加剂量的训练,(2)设计一个科目的刺激协议,和(3)增加肌肉群的数量,系统被刺激的能力。因为响应FES-assisted散步是变异的影响步态模式(28)和科目的应对菲斯(20.,29日),我们相信一个大小菲斯项目并不适合所有人26)。为了解决这些可变性,有必要开个性化的刺激计划。此外,添加更多的灵活性在解决异构步态偏差在CP人口,我们包括大多数下肢肌肉群,包括助教,菲斯展示了更加一致的积极回应。我们小组制定了一项为期12周的FES-assisted培训计划,包括每会话30分钟的步行,每周三个交易日(36会话)。使用一个分布式学习模型组成的交替在跑步机上行走有/没有菲斯其次是地上每周散步三次(28)。剂量和培训协议是基于FastFES步态训练Binder-Macleod和他的同事们提出的范式(29日)。多渠道FES系统中使用的培训是由我们组设计和评估(27,28,30.- - - - - -32),包括灵活地提供个性化的解决与步态偏差刺激。菲斯系统有能力探测到所有七个阶段的步态和刺激5为每条腿肌肉群在每个步态的阶段。

菲斯训练的最理想的结果,就像其他任何体能训练,是一个持久的疗效,例如,creating lasting improvements obtained with FES training even in the absence of FES application (neurotherapeutic effect). In an ideal scenario, the effect of FES-assisted gait training creates permanent improvements; individuals would not have to wear the FES system as an orthotic. Considering time commitment associated with training and the inconsistency in neurotherapeutic effects of FES between participants, it is desirable for the therapists to identify who may respond to a high dosage (multi-session) FES intervention and demonstrate immediate improvements. One intuitive indicator might be the immediate response to FES, i.e., the ability to minimize an individual's gait deviations when FES is applied. The purpose of this case study was to quantify the immediate and neurotherapeutic effects of FES-assisted gait training on lower limb kinematics in two individuals with CP, and thereby, investigate the relationship between immediate and neurotherapeutic effects. Here, we hypothesize that participants, who demonstrate immediate kinematic improvements from baseline towards more typical gait (the gait of typically developing children), quantified using metrics such as GDI score, will also have neurotherapeutic improvements towards more typical gait to a high dosage intervention delivered with a multi-channel FES system.

2。方法

2.1。FES-assisted走干预

刺激协议是由三个物理治疗师(PTs)使用视频每个参与者的步态确定目标肌肉(肌肉选择:臀部、腿腱股四头肌,dorsiflexors,和/或plantarflexors)和时间(步态阶段)的刺激来解决参与者的步态偏差。两个分(PT博士)与专业训练小儿PTs CP人口;剩下的PT生物力学硕士学位,有8年的经验作为一个研究使用CP患儿PT。分了不同的刺激协议建议基于主体的步态(视频)的观察和讨论。当不同的建议,达成共识的刺激策略是通过讨论定义通过考虑最好的妥协改善步态运动学和步行速度。刺激振幅和脉冲持续时间设置为每个肌肉群和步态阶段,分别解决规定的科目的步态偏差分的评价和确定一个过程称为阈值(27,28);每个参与者的阈值过程和个性化的刺激协议可以在附录A和B,分别。在任何时间在训练或评估,如果参与者经历了过度疲劳或不适(口头交流)或操作员注意到这种行为,物理治疗师立即停止跑步机紧急停止按钮。参与者被训练使用其特定协议为期12周每周3次和1 h /会话。岗位培训参与者neurotherapeutic演示功能和运动的改进,包括改进的步行距离以6分钟步行试验。详细结果干预发表在我们之前的工作(28)。

2.2。参与者

两名女性参与者与痉挛性双侧瘫痪参加我们的菲斯的训练计划。参与者1 (CP01:12年,六个月大时,GMFCS等级III)有一个剪克劳奇步态和使用rollator移动。剪克劳奇步态的特点是过度的髋关节和膝关节屈曲过度内收和/或内部旋转臀部,导致下肢交叉scissor-like模式(33)。她最初的步态分析显示增加髋关节屈曲整个步态,通过mid-stance mid-swing膝盖弯曲增加,增加踝关节背屈在步态周期。参与者2 (CP02: 13年5个月大的时候,GMFCS II级)有一个跳跃步态和没有使用辅助设备。跳跃步态的特点是plantarflexion脚踝,髋关节和膝关节弯曲,前在骨盆倾斜和过度的腰椎前凸(34)。她基本步态分析显示在整个步态周期增加髋关节屈曲,通过终端的立场从mid-swing增加膝盖弯曲,近正常踝关节背屈。

特拉华大学的这项研究是通过儿童和后来医院,费城(西方机构审查委员会)。同意和同意从参与者和他们的父母,获得前分别研究。

施瓦茨et al。(提供的工作表35)被用来生成一个比较器组。166年正常受试者(TDs)包含在这片被用作我们的对照组。在这项研究中,运动改善的方向被定义为接近那些测量TD组。

2.3。动作捕捉数据收集(评估)

运动(采样率128 Hz)和动态(两个力的地方(Bertec,哥伦布,哦,美国)采样率为3200 Hz)数据收集,评估,使用仪器的动作捕捉(运动分析Corp .)、圣罗莎、钙、美国),病人走在他们最初的自我选择的一个仪器的跑步机上行走速度(Bertec集团,哥伦布,哦,美国)。运动学数据平均值都完整步态周期(从15到30周期),分析了视觉3 d(位于马里兰州Rockville C-Motion Inc .)、美国)。数据归一化到一个步态周期(%)定义为连续脚跟罢工在跑步机上的盘子。

三个时间点在CP患儿进行评估:(1)参与者运动学行走,在基线会话,S00图1菲斯援助之前,应用程序;(2)在同一个会话的应用菲斯开始之前的12周(S01-S36 FES-assisted步态训练图1),在Time1(直接影响),(3)后的结论FES-assisted步态训练没有菲斯的存在在Time2 (neurotherapeutic效果)(图1)。

2.4。步态偏差指数(GDI)

GDI是主要的结果测量标准和与控制在基准数据集相比,Time1 Time2检查如果菲斯导致转向正常儿童在每个参与者的步态。

GDI是一个综合指数基于15个不同的病理步态运动学措施(即。,hip motion in three planes, pelvic motion in three planes, foot progression, and ankle and knee angles in the sagittal plane), to quantify the similarity of our participants' gait to the that of control individuals measured by the scaled distance of the kinematics measures from those of control subjects (35)。增加5.0分被认为是临床相关改善GDI (26);正常步态的GDI是100±10 (26)。每10点降低的GDI得分100从控制个人(一个标准差35)。

2.5。均方根误差(RMSE)

次要结果测量指标是均方根误差(RMSE)之间的参与者的臀部、膝盖和脚踝关节角(矢状面,图2的平均关节角)和上述TDs在矢状面用于RMSE计算(黑色痕迹,图2)。增加RMSE意味着更大的偏离典型步态。

GDI和RMSE双方的计算表1,2,分别。为简单起见,只有更多的受影响一方的数据包括可视化的矢状平面关节角(图2)。请注意,左边是参与者的影响方面。

3所示。结果

3.1。GDI

的左侧GDI两科目分数显示积极趋势TD从基线Time1 Time2。CP01 (GMFCS级别3)演示了在Time2临床相关的改进,增加了大约11点从基线。改善CP02 (GMFCS II级)小与CP01相比,共2.17分。的右边GDI CP01表现出类似的趋势和水平的改进左边;CP02,虽然从基线的趋势是积极的在Time1和Time2 Time2 neurotherapeutic改进只有0.42点。

3.2。RMSE

CP01:Neurotherapeutic改进的RMSE观察这三个关节,即。,RMSE减少基线和Time2之间。这种下降的趋势,然而,并没有反映在髋关节角之间的直接改变基线和Time1;臀部RMSE增加1.5°(从18.4°到19.9°)和2.3°(从20.6°到22.9°)从基线在Time1左右,分别。CP02:立即生效(基线Time1)和neurotherapeutic效应(基线Time2)展示了类似的减少或增加的趋势在所有的关节,除了右膝盖和脚踝。4.5°的增加在右膝RMSE Time1 neurotherapeutic效应相反的方向,降低6.3°的基线膝盖RMS Time2;为右脚踝RMSE,降低1.6°从基线Time1相比0.4°的增加从Time2基线。所有这些RMSE改变和关节角中演示了在每个时间点表2。细胞,用红色突出显示的时间点是示威反对从基线变化的趋势。

3.3。saggital平面关节角的目视检查

在CP01基线相比,臀部几乎不变时间1(绿色痕迹),不过,它有更多的扩展,典型,Time2(红色痕迹图2)。在最初的摇摆,脚踝dorsiflexed比Time1 TD(黑色痕迹),然而,它变得比TD plantarflexed训练后(红色痕迹)。在CP02期间,臀部更扩展,立场,Time1,即。更典型的;它回到基线Time2(蓝色跟踪)。膝盖弯曲pre-swing期间,即。不典型,Time1;它回到基线模式,更典型的模式,训练后(红色痕迹)。脚踝:除了加载响应,脚踝不典型在Time1在整个步态周期;然而,它的模式是TD模式(黑跟踪)的步态周期期间更多的dorsiflexed Time2和步态周期。

4所示。讨论

我们的探索可能使用急性运动变化来衡量RMSE和GDI得分,应用菲斯的第一次会议期间,由于neurotherapeutic效应指标与菲斯在训练后两个参与者与CP。假设是GDI的方向变化和RMSE是相同的直接影响(基线之间的变化和Time1)和neurotherapeutic效应(改变基线和Time2之间)。从而,可以使用即时变化(基线Time1)来识别个人谁会neurotherapeutic(基线Time2)变化。GDI的改善双方的分数在Time1,直接影响菲(敌人),可以在Time2表明改进与基线相比,即。菲斯的neurotherapeutic效果(NoStim)。关节角RMSE变化的趋势,另一方面,是不一致的。因此,GDI是一个潜在的菲斯的neurotherapeutic效果指标,利用其立即生效。注意,我们的假设是不管的大小直接和neurotherapeutic变化;理想的大小neurotherapeutic改进会比直接改进意义改进的趋势将进一步提升从基线到Time1和继续改进Time1 Time2,即。涉嫌“基线< Time1 < Time2案,案。

GDI曾被报道是一个可靠的测量和被用在许多研究(23,26,36- - - - - -38)评估病理步态所需的轨迹的相似之处,例如,数据集166 TDs (35)。由所有三个关节,包括15运动学措施GDI是一个包容性的运动测量和可以捕捉这种相互依存关系,从而,下肢运动学变化,更彻底地与joint-by-joint相比分析。更多的影响方面,GDI改进从基线到Time1(立即)不仅可以预测基线之间的改善和Time2 (neurotherapeutic效应)在这两个参与者,而且还改进的趋势之间的基线和Time1 Time1之间进一步改善和Time2紧随其后。CP02的影响较小,但是,GDI改善基线和Time1之间没有进一步的改善在Time2紧随其后。改善基线和Time1之间(直接影响),然而,可以预测基线之间的改善和Time2 (neurotherapeutic效应)。因此,如果使用更彻底地进行了测试主题和类似的一致性运动的趋势变化,GDI可能是一个可靠的测量来识别那些显示改善结果后FES-assisted步态训练,尤其是对影响方面。

值得注意的是,GDI变化的大小可能不同于主题,可能取决于流动性水平。可以看到,CP01 (GMFCS III)有更多实质性的对TD和临床相关的变化,超过一个标准偏差(11分)。这可能是因为CP01的GDI分数较低的基线(52.14),因此更多的改善能力,相比与CP02(65.84),即,CP01几乎5 SD TD相比3.5 CP02 SD。类似的差异的大小改善报告之前这两个科目(28)。这些结果表明需要进一步FES-assisted走干预三世与GMFCS CP人口水平。然而,CP FES-walking研究大多集中在GMFCS水平I和II (14)。

当joint-by-joint RMSE作为指标,直接影响是不一定相同的方向neurotherapeutic效果;因此,我们假设被拒绝了这个措施。例如,尽管膝盖和脚踝rms改进(减少)Time2更多的影响方面,在这两个科目,但他们证明有害Time1立即生效,即。,从而RMSE改变从TD, RMSE增加之间的基线和Time1 CP02右脚踝和膝盖(表2)。因此,一个不能识别的方向neurotherapeutic使用关节的关节RMSE变化从基线Time1(立即生效)。GDI,相反,捕捉整个下肢运动变化,可能是另一种衡量这样的预测。

视觉检查关节角的矢状面(图2)进一步证明了非均匀运动变化。因为这些变化的复杂性,可能无法使用视觉检查关节角预测neurotherapeutic FES-assisted走干预措施的效果。例如,在Time2(红色痕迹图2)CP02踝关节的角度,改进从加载响应Pre-swing的开始;然后,离开TD模式(黑色痕迹)通过中间摇摆的开始然后再接近TD模式通过步态周期的结束。不同的关节也菲斯的反应是不一样的,在一个主题。例如,在CP01 Time2髋关节和踝关节改善对TD模式,相比基线(蓝色的痕迹图2),在所有的步态阶段除了最初的摇摆;膝盖的变化,然而,在步态周期中涨跌互现。因此,当评估运动这样干预措施的改进,需要更全面的方法如GDI和RMSE考虑关节角的整体模式的相似性,包括所有下肢关节和不同的轴。

本研究的主要局限是参与者的数量在我们的培训协议。越来越多的科目需要找到一个可靠的指标识别FES-assisted步态的急救员培训协议。额外的步态综合指标,如运动偏差概要文件(39)和步态变量得分(问),它来源于步态轮廓的分数(GPS) (40),必须评估来确定一个健壮的和敏感指标预测运动变化的趋势,甚至可能它的大小。请注意,GPS和GDI被证明是高度相关;因此,全球之声可能展示类似的趋势GDI (41)。此外,因为地上行走的运动学可以不同的跑步机上走路,和改进在地面行走的总体目标是跑步步态训练,必须测试地面候选指标的可预测性。

5。结论

作为本研究的主要目的,我们研究行走期间如果菲斯的急性运动变化的应用程序可以使用作为一个潜在的指标变化后长期FES-assisted步态训练,从而识别反应者。为此,两个kinematic-based措施进行评估。GDI分数改变基线之间的同一方向与Time1和基线与Time2参与者;因此,变化的方向Time1可能是一个指示的方向的变化经过一段时间的FES-assisted步态训练。立即更改基线RMSE没有遵循相同的趋势为所有关节角的岗位培训。此外,预测neurotherapeutic效果直接目视检查的关节角的变化可以复杂,正如所料,没有明确表明如果FES-assisted步态训练是有帮助的。无论如何,继续训练,菲斯援助似乎有利于减少步态偏差,在GDI的改进。因此,包容性,GDI,包括所有三个下肢关节的运动学,可能是一个候选指标指示菲斯的neurotherapeutic效果使用它的直接影响;需要更多的参与者,然而,对于任何结论。

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批准后来费城儿童医院和特拉华大学。书面知情同意参加本研究参与者提供的法定监护人/近亲。

作者的贡献

概念化、AB、AAS, SCKL。数据采集、新西兰、AB。数据分析AB,新西兰AAS, SCKL。统计分析原子吸收光谱法。调查、AB、新西兰、澳大利亚科学院SCKL。原创作品草稿准备、AB、原子吸收光谱法。Writing-review和编辑、AB、新西兰、AAS SCKL。可视化、AB。项目管理SCKL。融资收购,SCKL,新西兰。所有作者的文章和批准提交的版本。

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

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补充材料

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引用