Unterstützung der funktionellen elektrischen Stimulation

Basierend auf früheren Arbeiten haben wir uns entschieden, FES-induzierte Flatterkicks für kompetente Front Crawl-Schwimmer zu verwenden. Darüber hinaus sind Schwimmer an den Knöcheln befestigt, die zu einer Kniebeugung und einer Aufwärtsbewegung des Knöchels in einem nicht stimulierten Bein führen., Dies führt einerseits zu einer schlankeren Haltung im Wasser. Andererseits bedeutet dies, dass die gewünschte Kniebewegung durch Wechsel zwischen FES-induzierter Kniestreckung und passiver Kniebeugung, die durch die Schwimmer verursacht wird, realisiert werden kann. Daher werden nur zwei Stimulationskanäle benötigt. Die Quadrizepsmuskeln beider Beine werden abwechselnd stimuliert, wobei die Stimulationselektroden am proximalen Teil des Rectus femoris und am motorischen Punkt des Vastus medialis jedes Beins platziert wurden., Die Stimulation, die mit einer Stimulationsimpulsfrequenz von 25 Hz angewendet wird, wird mit einer Rate von 1 oder 2 Hz ein-und ausgeschaltet, was in Abhängigkeit von der Armschlagfrequenz zu ungefähr einem oder zwei Beinstößen pro Armschlag führt. Amplitude und Pulsewidth können in den Bereichen 0-100 mA bzw. 0-500 µs variiert werden. Beide Werte werden gleichzeitig erhöht/verringert, um die erzeugte Muskelkontraktion zu steuern.

Transkutane Rückenmarksstimulation

Die transkutane Rückenmarksstimulation wird verwendet, um die Spastik der unteren Extremitäten während und nach dem Schwimmen zu reduzieren., Daher stimulieren wir die afferenten Fasern der L2–S2 posterioren Wurzeln kontinuierlich bei 50 Hz mittels biphasischer Impulse mit 1 ms Pulsbreite über den T11 / 12 Bereich am Rückenmark gemäß . Die Elektrodenposition am Rücken und die Stimulationsamplitude wurden wie in beschrieben bestimmt . Durch Einschalten des tSCS wird die Rumpfmuskulatur auf motorischer Ebene als positiver Nebeneffekt aktiviert. Dies verbessert die Rumpfstabilität und glättet den Oberkörper. Wie in Abb. 1, eine stromlinienförmige Schwimmposition kann mit FES und tSCS im Vergleich zu keiner Stimulation bei einem querschnittsgelähmten Subjekt erreicht werden.,

Querschnittsgelähmt Thema (Th5/6, – ASIEN Skala A) mit und ohne stimulation (FES+tSCS) mit Schwimmern an den Knöcheln und einen Schnorchel. Vergleichen von Videos zum Schwimmen mit und ohne Stimulationsunterstützung sind für beide Studienfächer als ergänzende Dateien verfügbar (Siehe Zusätzliche Dateien 1 & 2)

Versuchsaufbau

Stimulator

Das in Abb. 2 verwendet einen CE-zertifizierten Stimulator (RehaMove3, Hasomed GmbH, Deutschland) mit kundenspezifischer Firmware. Eine einzelne Stromquelle ist in das Gerät integriert und der Ausgang der Quelle ist für bis zu 4 Kanäle demultiplext. Der Stimulator befindet sich in einer wasserdichten Tasche unter dem T-Shirt des Schwimmers. Alle Stimulationskabel werden durch den Beutel getunnelt und mit Silikon abgelassen, um ein Eindringen von Wasser zu verhindern., Die Tasche ist mit einem Gurt am Rücken des Schwimmers zwischen den Schulterblättern befestigt.

Über die Folientastatur kann der Stimulator gesteuert werden, z.B. das Stimulationsprogramm kann ausgewählt, gestartet/gestoppt und die Stimulationsintensität kann eingestellt werden.angepasst werden., Der Stimulator ist batteriebetrieben und die Hochspannungsquelle ist galvanisch von der Batterieleistung getrennt. Daher ist die Stromleitung immer zwischen der positiven und der negativen Elektrode jedes Stimulationskanals begrenzt.

Wasserdichte Stimulationselektroden

Aufgrund der Tatsache, dass chloriertes Wasser in Schwimmbädern eine Leitfähigkeit von 2,5–3Ms/cm aufweist, was zu einem Widerstand von 333-400 Ohm führt, würde eine direkte Stimulation mit nicht wasserdichten Elektroden während der Stimulation einen parasitären Kurzschluss zwischen den Elektroden erzeugen., Daher erkennt die geräteintegrierte Elektrodenfehlererkennung möglicherweise keine schlechte Verbindung zwischen der Elektrode und der Haut. Wenn beide Elektroden im Wasser schwimmen, würden die Muskeln nicht stimuliert, da der Strom immer den Weg des geringsten Widerstands direkt durch das Wasser und nicht durch den Körper nimmt. Wenn nur eine Elektrode in Wasser schwimmt, fließt der Strom immer noch durch die verbleibende fest befestigte Elektrode und verursacht immer noch eine Muskelkontraktion unter dieser Elektrode., Die einzige potenziell gefährliche Situation würde auftreten, wenn die leitende Seite einer abgelösten und schwimmenden Elektrode versehentlich fest gegen die Haut des Oberkörpers gedrückt würde, da dann elektrische Ströme durch empfindliche Organe wie das Herz fließen könnten. Um dieses Risiko zu minimieren und wegen der begrenzten Elektrodenfehlererkennung, müssen die Elektroden sicher und fest an der Haut befestigt werden. Weiterhin muss die vom Körper weg gerichtete Elektrodenseite gegen Wasser isoliert werden. Mögliche Maßnahmen sind wasserdichte transparente Folie Dressing, Riemen oder Badetücher.,

Derzeit sind keine wasserdichten Stimulationselektroden auf dem Markt erhältlich. Die meisten transkutanen Elektroden bestehen aus einem leitfähigen Hydrogelkleber, der über einen leitfähigen Film mit einem Bleidraht oder Metallschnappbolzen verbunden und mit einer isolierenden Abdeckung isoliert ist. Wenn der Hydrogelkleber mit Wasser in Kontakt kommt, beginnt er Wasser aufzunehmen, während die Dicke zunimmt. Daher nimmt der Bereich mit direktem Kontakt zum Wasser zu. Weiterhin wird die Klebefunktion der Elektrode reduziert., Ansätze zur Unterwasser-EMG-Messung in verwendeten mehrere Schichten wasserdichten Wundpflasters mit getunnelten Löchern für die Leitungsdrähte, um standardklebende EMG-Elektroden wasserdicht zu machen. Das gleiche Verfahren kann für Stimulationselektroden verwendet werden, bei denen Standardelektroden mit Klebefolien wie TegadermTM oder OpSiteTM imprägniert sind.

Für die Schulungen unserer Pilotstudie, die im nächsten Unterabschnitt beschrieben wird, spezielle Elektroden entwickelt von Axelgaard Manufacturing Co. Ltd wurden verwendet,wie in Abb. 3a., Eine einzelne Elektrode besteht aus einer Standardelektrode mit einem übergroßen wasserdichten Träger. Der Snap-Adapter wird durch diesen Träger getunnelt. Die verbleibende Aufgabe besteht dann darin, die Elektrodenleitung (Konverter vom Schnappadapter zur 2-mm-Buchse) anzuschließen und mit einem wasserdichten transparenten Folienverband (3M Tegaderm, 3M Co.) abzudichten., USA). Alle Kabel und Kabelverbindungen müssen ebenfalls wasserdicht sein. Andernfalls treten parasitäre Kurzschlüsse auf. Abnehmbare, dichte Silikonschläuche erwiesen sich als effizient bei der Abdeckung der Verbindung zwischen der Elektrodenleitung und dem Stimulationskabel.,

Ein Nachteil von Klebeelektroden mit übergroßer wasserdichter Unterlage ist, dass sie nach einem einzigen Kontakt mit Wasser nicht wiederverwendet werden können., Daher wird für jede Schwimmsitzung ein neuer Satz Elektroden benötigt. Um Kosten zu senken und die Umwelt zu schonen, ist die Eignung wiederverwendbarer Sicherheits-Silikonelektroden in Abb. 3b bis d wurde in einer Assessment-Session nach dem Training untersucht. Diese Elektroden sind in verschiedenen Größen erhältlich (VITAtronic Limited, Deutschland) und können über einen standardmäßigen 2 mm Elektrodenstecker direkt an das Simulationskabel angeschlossen werden., Aufgrund der nicht leitenden Oberseite und der gerahmten Isolierung auf der leitenden Hautseite kann kein parasitärer Kurzschluss auftreten, wenn die Elektroden fest an der Haut befestigt werden. Das Material ist nicht klebend, was Hautreizungen während der Doffing-Phase reduziert, aber impliziert, dass es mit engen Ärmeln, Trägern, wasserdichtem transparentem Filmverband oder mit engen knielangen Badeanzügen fixiert werden muss. Beim Schwimmen ist ein kleiner Wasserfilm zwischen der Haut und dem leitfähigen Teil der Silikonelektrode vorhanden. Daher wurde kein zusätzliches Hydrogel hinzugefügt., Riemen und knielange Badeanzüge wurden in dieser Studie für die Beinelektroden verwendet. Die Elektroden für tSCS wurden durch wasserdichten transparenten Folienverband fixiert.

Probanden, Trainingsprotokoll und Ergebnismaßnahmen

Diese Machbarkeitsstudie wurde im Behandlungszentrum für Rückenmarksverletzungen in Berlin durchgeführtfootnote 1. Ziel der Studie war es, die Auswirkungen des stimulationsgestützten Schwimmens bei zwei SCI-Patienten mit vollständiger Lähmung der unteren Extremitäten nach einem Wirbelsäulentrauma mit einer Läsion oberhalb von Th10 zu untersuchen. Die Teilnehmer müssen kompetente Front Crawl Schwimmer sein.,

Beide rekrutierten Probanden (A: Alter 40, Zeit seit Verletzung 10 Jahre, B: Alter 58, Zeit seit Verletzung 36 Jahre) sind ASIA impairment scale A mit Läsionsstufe Th5/6 und gaben eine schriftliche Einwilligung. Sie klagen beide über einen mäßigen Clonus der unteren Extremitäten und des Bauches bei Positionsänderungen und erleiden gelegentlich Beinstreckungskrämpfe. Subjekt B leidet an einer Hüftgelenkskontraktur.

Nach der Rekrutierung und Ersteinschätzung wurden die Probanden gebeten, zu Hause ein vierwöchiges FES-Radtraining durchzuführen., Während dieses Landtrainings trainierten sie mindestens dreimal pro Woche 30 Minuten lang mit einem Standard – FES-Radlergometer (RehaMove, Hasomed GmbH, Deutschland). Dieses vorläufige FES-Radtraining war erforderlich, um eine definierte Grundlagenstärke und-ausdauer für die Schwimmphase aufzubauen. Während der Schwimmphase wurde die FES-Radfahraktivität auf zwei Mal pro Woche reduziert.

Das gesamte Schwimmtraining dauerte 10 Wochen. Die Probanden wurden gebeten, an der schwach schwimmenden Trainingseinheit teilzunehmen, die zwischen 30 und 45 Minuten dauerte (ohne Anziehen und Doffing)., Als Sicherheitsmaßnahme wurden die Schwimmstunden immer von einer geschulten Poolwache begleitet. Darüber hinaus können alle rekrutierten Probanden ohne Stimulation schwimmen. Das Training wurde in einem 16 m Pool durchgeführt. Betreff A benutzte einen Schnorchel während des vorderen Crawl-Schwimmens.

Vor der ersten Anwendung von tSCS beim Schwimmen wurden die Elektrodenposition am Rückenmark und die Stimulationsintensität für die Spastizitätsbehandlung entsprechend identifiziert und dokumentiert. Die Gefundene Konstante stimulation Intensität angewendet, in alle Trainingseinheiten, wenn tSCS war.,

Die Stimulationsamplituden für beide Quadrizeps waren identisch und wurden gewählt, um eine fast vollständige Knieverlängerung zu verursachen, während die Probanden am Rand des Schwimmbades mit einem aufrechten Oberkörper ruhten. Vor jeder Runde wurde die Beinbewegung neu bewertet und die Stimulationsamplitude gegebenenfalls erhöht, um die Muskelermüdung auszugleichen. Zwischen den Runden wurde eine Pause von mindestens einer Minute eingelegt.

Zu Beginn jedes Schwimmtrainings wurden Rundenzeiten gemessen. Daher wurden die Probanden angewiesen, jede 16-m-Runde so schnell wie möglich zu schwimmen., Bei vergleichenden Messungen wurden zuerst die Zeiten für das Schwimmen ohne Unterstützung, dann mit FES-Unterstützung und schließlich die Zeiten für die FES plus tSCS-Unterstützung genommen. Wir haben diese Reihenfolge verwendet, damit die Ergebnisse für Versuche mit zunehmender Unterstützung stärker von Muskelermüdung betroffen sind als die Versuche mit weniger oder keiner Unterstützung. Nach dieser Ersteinschätzung fand für den Rest der Sitzung ein Training mit der bevorzugten Unterstützung (FES oder FES plus tSCS) bei selbstgewählter Schwimmgeschwindigkeit statt., Wenn FES plus tSCS als bevorzugte Unterstützung ausgewählt wurde, war tSCS auch in den Pausen zwischen den Runden immer aktiv, während FES in diesen Pausen ausgeschaltet wurde.

In dieser Pilotstudie sind drei Hauptfragen zu beantworten:

• Nimmt die Schwimmgeschwindigkeit, gemessen an Rundenzeiten, im Vergleich zum nicht unterstützten Schwimmen zu?

• Verbessert sich das allgemeine Wohlbefinden des Probanden während der Studie?

• Wie ist die Akzeptanz der Technologie durch den Nutzer?,

Die Probanden wurden gebeten zu bewerten, wird die Therapie auf der basis von vordefinierten Anweisungen mit einem fünf-Grad Skala zwischen voll-Vertrag und keine Vereinbarung. Anhand des Fragebogenergebnisses können die letzten beiden Fragen beantwortet werden.,

IMU-basierte Bewegungsanalyse während des Schwimmens

Beurteilung nach dem Training

Neun Monate nach Abschluss der gesamten Schwimmtrainingsphase, nachdem wir ein geeignetes Messsystem erworben hatten, führten wir mit jedem der beiden Probanden eine zusätzliche Schwimmsitzung durch, um die Auswirkungen der verschiedenen Stimulationsprogramme auf die Bein-und Rumpfbewegung zu überwachen. Beide Probanden wurden angewiesen, wiederholte Runden ohne Unterstützung, tSCS-Unterstützung, FES-Unterstützung und FES plus tSCS-Unterstützung so schnell wie möglich zu schwimmen.

Sensor-Setup

Es wurde ein tragbarer Sensor-Setup verwendet., Das verwendete System WaveTrack (Cometa srl, Italien) ist ein drahtloses und wasserdichtes Trägheitssensorsystem, das aus mehreren zeitsynchronisierten Trägheitsmesseinheiten (IMUs) besteht. Diese Trägheitssensoren liefern dreidimensionale Messungen der Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit und des Magnetfeldvektors mit einer Frequenz von 286 Hz. Die Sensordaten wurden verwendet, um die Gelenkwinkel beider Knie und beider Hüften sowie die Rollorientierungswinkel des Rumpfes auf zervikaler und lumbaler Ebene zu bestimmen., Zu diesem Zweck wurden vier IMUs bilateral am äußeren Oberschenkel und Schaft befestigt, und zwei IMUs befanden sich am oberen und unteren Rücken, wie in Abb. 4a und b. Beachten Sie, dass nur das linke Bein dargestellt ist. Für beide IMUs am rechten Bein zeigt die lokale x-Achse in Längsrichtung zu den Füßen, aber die z-Achse zeigt seitlich nach rechts, was bedeutet, dass die y-Achse nach vorne zeigt.

a: Ausrichtung und Lage am linken Bein., Die lokalen x-Achsen sind mit der Längskörperachse ausgerichtet. Die z-Achse zeigt seitlich nach Links. b) Ausrichtung und Position auf dem oberen und unteren Rücken. Die lokale x-Achse ist auf die Längskörperachse ausgerichtet, während die y-Achse nach rechts zeigt

Da sich alle Sensoren während der gesamten Messung unter Wasser befinden, ist eine drahtlose Datenübertragung (Streaming) keine Option. Daher wird eine Offline – Datenaufzeichnung durchgeführt. Die Datenerfassung und Zeitsynchronisation der Sensoren wird mittels Fernbedienung eingeleitet., Die Aufnahme beginnt, bevor das Subjekt den Pool betritt. Nach dem Verlassen des Pools wird die Aufzeichnung gestoppt und die Daten von den Sensoren an einen PC übertragen. Die Software EMGandMotionTools (Cometa srl, Italien) wurde für die Datenübertragung und Sensoreinstellungen verwendet. Zugegeben, aufgrund des Verlustes der Kommunikation zwischen den Sensoren, wenn sie sich unter Wasser befinden, wird eine Synchronisationsdrift induziert. Da diese Drift jedoch einige Millisekunden pro Stunde nicht überschreitet und alle Erfassungen zwischen etwa 30 und 45 min dauern, wird die Auswirkung auf die Daten als irrelevant angesehen.,

Alle Sensoren wurden mittels doppelseitigem Klebeband zur groben Fixierung an der Haut befestigt. Anschließend wurde eine transparente 3M Tegaderm-Folie verwendet, um eine Bewegung und Lockerung der Sensoren während des Schwimmvorgangs zu verhindern.

Gelenk – und Rollenwinkelschätzung

Für jedes Körpersegment werden die IMU-Messwerte verwendet, um die Segmentorientierung in Bezug auf einen Trägheitsreferenzrahmen zu schätzen., Um die Annahme eines homogenen Magnetfeldes innerhalb des Gebäudes und insbesondere innerhalb des Wassers zu vermeiden, verzichten wir auf die Verwendung der Magnetfeldvektormessungen und verschmelzen nur die gemessenen Beschleunigungen und Winkelraten mit einem modularen quaternionenbasierten Sensorfusionsalgorithmus . Es ist anzumerken, dass Orientierungen, die durch eine solche 6-Achsen-Sensorfusion erhalten werden, nicht direkt für die Berechnung des Gelenkwinkels verwendet werden können, da sie einen beliebigen Vortriebsversatz aufweisen und langsam um die vertikale Achse driften., Bei genauer Bias-Schätzung kann diese Drift in zehn Sekunden so langsam wie ein Grad sein, wird aber nicht auf den perfekten Nullpunkt reduziert.

Um diesen Nachteil des magnetometerfreien Ansatzes zu überwinden, nutzen wir ungefähre kinematische Einschränkungen der Hüft – und Kniegelenke. Während der betrachteten Flatterkickbewegung der Beine bewegen sich Hüfte und Knie ungefähr wie Scharniergelenke – Flexion/Extension ist die dominierende Bewegung, während Adduktion/Abduktion und Innenrotation nur begrenzt auftreten., Wir nutzen diese ungefähren kinematischen Einschränkungen aus, indem wir einen kürzlich entwickelten relativen Kopfverfolgungsalgorithmus verwenden . Dieser Algorithmus nimmt die Orientierungsquaternionen beider Segmente neben dem Gelenk auf und korrigiert die Richtung der Ausrichtung des distalen Segments so, dass die Gelenkbeschränkung in einem gewichteten Sinne mit den kleinsten Quadraten erfüllt ist. Wir wenden diese Methode wiederholt an, beginnend mit dem unteren hinteren Segment und distal in Richtung der Schäfte.,

Folglich erhalten wir sieben Quaternionen, die die Körpersegmentorientierungen in Bezug auf einen gemeinsamen Trägheitsrahmen beschreiben. Wir können also aus diesen Quaternionen Gelenkwinkel berechnen. Die relativen Gelenkorientierungen werden gefunden, indem das Konjugat der proximalen Orientierung mit der distalen Orientierung multipliziert wird. Die Gelenkwinkel werden dann durch intrinsische Euler-Winkelzerlegung dieser relativen Orientierungsquaternion berechnet. Beachten Sie, dass sowohl der Hüft-als auch der Knieverlängerungswinkel so definiert sind, dass sie für ein perfekt gerades Bein 180 Grad betragen.,

Schließlich wird der Rollwinkel des oberen und unteren Rückens aus dem entsprechenden Orientierungsquaternion bestimmt. Dies wird erreicht, indem die lokale Achse von links nach rechts, d. H. Die y-Achse der IMU, in den Trägheitsbezugsrahmen transformiert und dann der Winkel zwischen dieser Achse und der horizontalen Ebene bestimmt wird, wie in Abb. 5. Beachten Sie, dass dieser Winkel positiv definiert ist, wenn die rechte Seite des Rumpfes niedriger als die linke Seite ist.

Eine Segmentierung der aufgezeichneten Daten erfolgt basierend auf der Norm des 3D-Beschleunigungsvektors durch Erfassen von Ruhe-und Bewegungsphasen. Nur die erste Runde jeder Support-Modalität wird exportiert und untersucht. Aus den extrahierten Rundendaten wurde ein Zeitverlauf über 7 Schläge in der Mitte der Runde ausgewählt, um die Fugen-und Rollwinkel mithilfe von Boxplots zu analysieren., Folglich sind die Start-und Stoppphasen jeder Runde von der Datenanalyse ausgeschlossen.