Použití BWS představuje slibný přístup v rehabilitaci chůze u pacientů trpících poruchami CNS, jako je iSCI nebo cévní mozková příhoda. V rámci ohniskové skupiny pacientů, kteří mají dobrovolnou kontrolu nad dolními končetinami, avšak postrádají schopnost volné ambulance, může FLOAT poskytovat transparentní BWS s minimálními interakčními silami. Aplikace až 50% BWS na CiSCI při chůzi po zemi vedla k jemným změnám kinematiky chůze, které jsou do značné míry srovnatelné se změnami pozorovanými u zdravých kontrol. Zatímco tyto změny vyvolané BWS byly patrné v časoprostorových parametrech, jako je délka kroku a relativní trvání fáze stance, pohybové vzorce kloubů a intralimbární koordinace byly u iSCI modulovány v menší míře než u kontrol. Tyto výsledky jsou v rozporu s naším původním očekáváním, že BWS bude mít větší vliv na kinematiku chůze u iSCI ve srovnání s kontrolami. To naznačuje, že použití nadzemního BWS při zatížení do 20 % BW nemá žádný znatelný vliv na vzorce chůze a ani vysoké zatížení 50 % BW zásadně nenarušuje kinematiku chůze. Rozdíly v modulaci vnitrokončetinové koordinace mohou navíc poskytnout příležitost specificky se zaměřit na tuto oblast v rehabilitaci iSCI.
Spatio-temporální adaptace
Jako jedna z významných charakteristik chůze je přizpůsobení délky kroku a doby kroku předpokladem pro zvládání změn podmínek chůze. Se zvyšující se zátěží se doba kroku postupně prodlužuje jak u kontrol, tak u osob s iSCI. Podobná pozorování z literatury nevedla k přesvědčivému vysvětlení v terénu ani na běžeckém pásu . Jedno z možných vysvětlení se opírá o rámec dynamické podobnosti a předpokládá, že Froudeovo číslo, anatomicky nezávislá míra rychlosti závislá na délce nohy a gravitaci, má optimální hodnotu kolem 0 .25 pro chůzi .
Fr: Froudeovo číslo, m: hmotnost, v: rychlost, h: délka nohy, g: gravitační konstanta, sl: délka kroku, sf: frekvence kroku.
Snížení „gravitace“ vyložením při zachování rychlosti chůze by nemělo narušit vztah mezi délkou kroku a frekvencí kroku. Použití odlehčení na trupu však vede k zajímavé interakci: gravitace působící na švihovou nohu zůstává na normální úrovni (9,81 ms- 2), zatímco dynamika fáze kroku je vystavena snížené gravitaci plus potenciálním interakčním silám robota . To má obvykle za následek malé, ale robustní snížení pracovního faktoru, které je způsobeno především prodloužením doby kroku při zachování doby stance. K udržení dané rychlosti je třeba zvýšit relativní délku kroku, čímž se naruší vývojově stabilní vztahy mezi délkou kroku, frekvencí a rychlostí chůze . Toto chování si osvojují i kontrolní subjekty. CiSCI naproti tomu vykazují snížený pracovní cyklus, avšak nemodulují délku kroku tak vhodně jako kontroly, což také vede k mírnému snížení rychlosti chůze zaznamenanému při 50% BWS (tab. 2).
Změny šířky kroku byly neprůkazné jak u kontrol, tak u CiSCI; ačkoli byla zjištěna interakce mezi BWS a skupinou, nebyl zjištěn jednoduchý hlavní vliv nezatížení. To mohlo být způsobeno interakcí s robotem v mediolaterálním směru, což naráží na komplexní interakci mezi BWS, laterální stabilitou a interakčními silami robota . Analýza průhlednosti nás vede k určité diskrepanci kyvadlového efektu závěsu nad hlavou , nicméně interakce mezi vertikálním nezatížením a šířkou kroku a dalšími parametry souvisejícími se stabilitou chůze si zaslouží další zkoumání u zdravých osob. CiSCI si zachoval velkou variabilitu šířky kroku ve všech podmínkách odlehčení, což potenciálně maskuje jakékoli smysluplné reakce na odlehčení. Průměrná šířka kroku měla tendenci ke snížení z patologicky vysoké výchozí hodnoty, což naznačuje, že odlehčení umožňuje CiSCI chůzi s užší opěrnou základnou.
Vliv na držení těla při chůzi
Kvantifikovali jsme posun CoM a kývání trupu, abychom pochopili, jak transparentní BWS ovlivňuje držení těla při chůzi a zda se to liší mezi CiSCI a kontrolami. Jednoduchý hlavní účinek BWS na pohyb ML CoM a kývání AP a ML trupu naznačuje, že systém BWS má určitý vliv na držení těla při chůzi a kontrolu trupu. Se zvyšující se zátěží se kývání trupu v obou rovinách zvyšuje, zatímco ML pohyb CoM se snižuje a AP u kontrol zůstává beze změny. CiSCI přijímá odlišný vzorec odezvy v obou parametrech AP, možná v důsledku kratší počáteční délky kroku, která by vyžadovala menší přenos hybnosti z trupu na pánev k vyvolání přesunu hmotnosti. U CiSCI se také projevilo větší kolísání AP trupu v počátečním stavu, což možná kompenzuje změny v tvorbě maximální síly svalů trupu. Kromě toho byla rychlost chůze u CiSCI při nezatížení snížena v mírně větší míře. Souhrnně lze říci, že CiSCI může být náchylnější k dynamice robota a omezením postroje – zejména ve směrech, kde je nutné vyšší zrychlení . Konstrukce nad hlavou a umístění postroje si potenciálně vynucovaly vzpřímenější postoj a umožňovaly menší přenos hmotnosti dopředu na vedoucí nohu.
Změny v medio-laterálních parametrech při zvýšeném nezatížení se projevily u obou skupin. To kontrastovalo s šířkou kroku, která vykazovala lokální minimum při 20 %BWS u kontrol a postupné, ale nevýznamné snižování u CiSCI. To naznačuje, že obě skupiny se s rostoucím BWS stále více rozhodují pro udržení CoM blíže k mediálnímu okraji své opěrné báze, což poukazuje na komplexní interakci mezi nezatížením a dynamikou frontální roviny . Také rychlost pohybu robota BWS superior-inferior tuto interakci dále komplikuje, protože napětí není ve všech časových bodech dokonale stejné. To vede k jemným změnám úrovně opory a přenosu hybnosti v různých fázích chůze, které pravděpodobně ovlivňují časoprostorovou strukturu stability chůze, nicméně tyto interakce je náročné přesně kvantifikovat.
Pohybové vzorce kloubů
S rostoucím nezatížením jsme pozorovali rostoucí časové posuny úhlových časových stop jak u CiSCI, tak u kontrol. Abychom mohli adekvátně porovnat vzorce pohybu kloubů, byly fáze postoje a švihu normalizovány a interpolovány odděleně, aby se odstranily časové vlivy a zároveň se zachovala informace o časové řadě a amplitudě. To umožnilo odhalit rozdíly ve tvaru trajektorie vyvolané vyložením. Zatímco u kolenních kloubů se projevil jednoduchý hlavní efekt nezatížení, zejména kolem události rozkročení a během postoje, u kolenních kloubů se neprojevil žádný interakční efekt. To naznačuje, že ve zkoumaném vzorku jsme nemohli detekovat rozdílné strategie kolenních kloubů mezi CiSCI a kontrolami v reakci na odlehčení. V kyčelním kloubu vyvolalo odlehčení jednoduchý hlavní účinek soustředěný kolem události odlepení špičky a došlo k silnému interakčnímu účinku zejména během švihu a po úderu patou. Tento interakční efekt může být způsoben kratší délkou kroku CiSCI ve spojení se změnami v postoji při chůzi . V hlezenním kloubu byl interakční efekt přítomen zejména v pozdním postoji, kde kontroly zdůrazňovaly svůj odrazový pohyb, zatímco CiSCI nevykazovala žádnou adaptaci. Odlehčení CiSCI v systému BWS nevyvolalo žádné zjistitelné změny v pohybových vzorcích kloubů, zatímco kontroly vykazovaly jemné adaptace zejména v hlezenním kloubu při vysokých úrovních odlehčení. U kontrol lze změny v pohybu hlezenního kloubu interpretovat jako adaptaci specifickou pro daný úkol, která je nutná k udržení dané rychlosti při optimalizaci jiných, významných determinant chůze . To, že jsme tyto adaptace nezjistili v naší kohortě primárně senzoricky postižených CiSCI, by mohlo souviset se změnami v integraci informací o zátěži do struktury eferentních příkazů . Modely aktivity míšní sítě během chůze naznačují, že mechanoreceptory citlivé na zátěž a střih na chodidle spolu s Golgiho šlachovými orgány a aferenty svalových vřetének významně přispívají k úspěšné regulaci chůze . Po iSCI je však zpracování aferentních informací změněno na mnoha úrovních a je částečně nahrazeno náhradními, nadbytečnými informacemi pocházejícími z nezasažených zdrojů, jako je například vizuální kontrola .
Koordinace končetin
Bylo opakovaně zjištěno, že vzory koordinace končetin jsou citlivými čtečkami lokomoční kontroly u osob s iSCI . Poznatky z experimentů s horními a dolními končetinami u lidí nás vedou k interpretaci vícekloubové koordinace jako produktu proprioceptivní integrace v míše na různých úrovních v kombinaci se supraspinálním eferentním pohonem . Vzorce intralimbární koordinace lze kvantifikovat jako tvarový rozdíl od referenčního tvaru (SSD; forma prokrustové tvarové analýzy) . Variabilitu těchto vzorů lze zachytit pomocí úhlové složky koeficientu korespondence (ACC; specializovaná forma vektorového kódování ), která popisuje střední rozptyl všech sekvenčních dvojic bodů v cyklu. Zvýšená variabilita pohybového spojení segmentů je detekována jako pokles ACC (rozsah: 0-1). Zvýšenou variabilitu pohybu, zejména pokud jde o propojení sousedních intralimbálních segmentů, lze interpretovat jako zvýšený nervový šum při vytváření synergických vzorců svalové aktivace. Při nezatížení vykazovaly kontrolní subjekty progresivní změny v intralimbovém spojení prostřednictvím zvýšené tvarové diference a variability (tab. 2 a obr. 2) v obou párech (kyčel-koleno a koleno-holeň). U CiSCI však SSD zůstala nezměněna jak v proximálním, tak v distálním páru. U ACC obou kupletů nebyl zjištěn žádný interakční efekt, nicméně nezatížení vedlo k vyšší variabilitě spoje v obou skupinách. Nedostatek modulace intralimbového spřažení u pacientů při nezatížení může poskytnout přístup ke zkoumání a zpochybnění tohoto aspektu po iSCI.
Intralimbová koordinace u kontrol a pacientů při BWS. a Reakce vzorců intralimbové koordinace na nezatížení u pacientů a kontrol. Jako reference jsou zobrazeny průměrné výchozí údaje kontrol jako souvislá černá čára. Průměrné reakce pacientů a kontrol jsou znázorněny jako tečkované čáry při 10 %, 30 % a 50 % BWS ve vzrůstajících odstínech šedé. Průměrná výchozí data pacientů jsou znázorněna jako přerušovaná čára. b Kvantifikační metriky intralimbální koordinace. Odlehčení má za následek změnu SSD u kontrol (černě) pro obě dvojice kloubů kyčel-koleno a koleno-holeň. U pacientů zůstává tento koordinační vzorec v obou párech neovlivněn (šedě). Konzistence tvaru (ACC) se u obou skupin s rostoucím nezatěžováním stále více zhoršuje. Sloupce označují průměry skupin s 1SD. Významnost je podrobně popsána jako *: p < 0,05
V syntéze CiSCI a kontroly vykazovaly podobné reakce na odlehčení, pokud jde o časoprostorové parametry a parametry postoje při chůzi. CiSCI si však zachovali svou základní vnitrokončetinovou koordinaci, zatímco kontroly ji v reakci na odlehčení modifikovaly a optimalizovaly své vzorce kloubního spojení tak, aby se přizpůsobily odlehčení při zachování dané rychlosti. Zdá se, že ve zdravém CNS jsou intralimbální vzorce zprostředkovány nejen na míšní úrovni, ale integrují také silný vliv supraspinálních center . Jakmile však dojde ke změně po poranění CNS, ukázalo se, že spřažení segmentů je vůči změnám pozoruhodně odolné. Awai a Curt například u pacientů s iSCI zaznamenali nezměněné tvary intralimbových vzorců chůze u pacientů s iSCI v průběhu jejich rehabilitace, a to navzdory zvýšení rychlosti chůze a snížení intralimbové variability. Podobně Tepavac a Field-Fote zaznamenali zlepšení konzistence, avšak žádnou systematickou změnu tvaru intralimbového spojení po peroneální stimulaci spojené s tréninkem u 14 pacientů s iSCI. Analogická pozorování byla provedena u osob po cévní mozkové příhodě s postižením dolních končetin .
Tato pozorování by mohla být způsobena změnou eferentního pohonu vyvolanou změnami v supraspinálním zpracování, včetně částečné ztráty a náhrady aferentních signálů. Alternativně může být spojení segmentů kódováno hlavně rytmickými míšními sítěmi, a tudíž obtížně modulovatelné prostřednictvím eferentního pohonu, zejména pokud je tento pohon narušen lézí. Oba tyto modely naznačují, že při optimalizaci fenotypu chůze, zejména intralimbální koordinace, na omezení prostředí nebo při setkání s novými úkoly nemůže změněné zpracování přítomné v CiSCI plně kompenzovat zhoršené aferentní informace. V rámci této perspektivy může profil odezvy CiSCI na vykládání; přizpůsobené časoprostorové parametry, nezměněné vzorce pohybu kloubů a mezilumbální koordinace odkazovat na hierarchii řízení lokomoce . Zde jsou nervové zdroje vyhrazeny pro parametry kritické z hlediska úkolu, jako je časoprostorová organizace chůze a kontrola rovnováhy, zatímco méně kritické parametry, jako je vnitrokončetinová koordinace, nejsou modulovány. Předpokládá se, že jakékoli zlepšení funkce vychází z adaptace procesů vyšší úrovně, zatímco nově zavedené motoricky ekvivalentní primitivy zůstávají neměnné . Pokud je nám však známo, neexistuje žádné tréninkové paradigma, které by bylo specificky zaměřeno na intralimbální koordinaci po iSCI. Odlehčení by mohlo být jedinečnou tréninkovou cestou, která by se zaměřila na tento poměrně specifický deficit.
Klinický význam
Použití průhledného BWS nad hlavou u osob s iSCI během chůze po zemi má zanedbatelný vliv na kinematiku chůze při CiSCI. To naznačuje, že pro CiSCI, kteří si zachovávají volní kontrolu nad končetinami, ale nejsou schopni udržet vlastní tělesnou hmotnost, představuje transparentní BWS možnost začít s bezpečnou, podporovanou, neomezenou chůzí po zemi v raném stádiu. Jak se pacienti zlepšují, lze míru podpory snižovat a terapeut může působit dalšími rušivými silami, aby udržel náročné tréninkové prostředí. Kromě toho lze zařízení používat k podpoře při nácviku dalších činností každodenního života, jako je chůze po schodech, překonávání překážek, balancování, chůze po oblouku, získávání předmětů z podlahy, přechod ze sedu do stoje atd. Pozemní trénink BWS zůstává pouze jedním z mnoha rehabilitačních nástrojů, nicméně umožňuje přechod z rehabilitačního prostředí běžeckého pásu do reálnějšího prostředí.
Pohled
Naše závěry jsou založeny na relativně malém a heterogenním vzorku subjektů iSCI s převážně smyslovým postižením kvůli omezení, které spočívá v možnosti chůze rychlostí 2 km/h bez pomůcek pro chůzi po dobu přibližně jedné hodiny měření. Tato rychlost chůze byla zvolena proto, že se jedná o rychlost použitelnou pro CiSCI a blíží se prahové hodnotě pro neřízený pohyb v interiéru pro CiSCI (0,6 m/s) . Při této rychlosti navíc kontrolní osoby stále produkují rytmickou, symetrickou chůzi, i když je mnohem pomalejší (~ 50 %) než jejich typická rychlost chůze specifická pro věk a pohlaví. Na každé úrovni BWS bylo povoleno seznamovací období a CiSCI i kontroly během experimentu konzistentně chodily cílovou rychlostí, aniž by překročily toleranční pásmo, což svědčí o dostatečné aklimatizaci. Bylo by sice zajímavé analyzovat také preferovanou rychlost chůze nebo dokonce vliv různých rychlostí chůze, ale to by vedlo k velmi dlouhému protokolu hodnocení CiSCI. Výchozí míry chůze se mezi skupinami lišily a byl zde významný věkový rozdíl. Zahrnutí věku jako kovariáty do statistického modelu však naznačuje, že adaptace vzorců chůze na BWS nebyla tímto faktorem ovlivněna. Rozdílné reakce mezi CiSCI a kontrolami si zaslouží další zkoumání u širšího okruhu jedinců s poruchami CNS, kteří chodí více rychlostmi. Tři osoby s CiSCI měly TSI kratší než jeden rok, a proto by byly považovány spíše za subakutní než chronické. Tito jedinci byli zařazeni, protože dosáhli funkčního plató vzhledem k relativně mírné povaze svých zranění. Funkčně se řadili mezi lepší jedince v kohortě. Zkoumaná kohorta pacientů s širokou škálou různých poškození a TSI poskytuje určitý náznak zobecnitelného účinku, avšak jak se projevuje konkrétně na úrovni, závažnosti a chronicitě poškození, lze určit pouze pomocí specifičtějších kritérií pro zařazení. To omezuje popis možných mechanismů v tomto experimentu. Do budoucna máme zájem vyhodnotit přesněji definované kohorty a lépe oddělit mechanické účinky od biologických reakcí na odlehčení
.