A BWS alkalmazása ígéretes megközelítés a járás rehabilitációjában olyan betegeknél, akik CNS rendellenességekben szenvednek, mint az iSCI vagy a stroke. Az alsó végtagjaik feletti akaratlagos kontrollal rendelkező, de a szabad járásra nem képes betegek fókuszcsoportján belül a FLOAT átlátható BWS-t biztosíthat minimális interakciós erőkkel. Az akár 50%-os BWS alkalmazása a CiSCI-re a föld feletti járás során a járás kinematikájának olyan finom változásait eredményezte, amelyek nagyrészt összehasonlíthatóak az egészséges kontrolloknál megfigyeltekkel. Míg ezek a BWS által kiváltott változások nyilvánvalóak voltak az olyan tér-időbeli paraméterekben, mint a lépéshossz és a relatív állásfázis időtartama, az ízületi mozgásminták és a végtagokon belüli koordináció kisebb mértékben módosultak az iSCI-ben, mint a kontrolloknál. Ezek az eredmények ellentétesek a kezdeti várakozásainkkal, miszerint a BWS nagyobb hatást gyakorolna a CiSCI járáskinematikájára, mint a kontrolloké. Ez azt jelzi, hogy a föld feletti BWS használata legfeljebb 20%-os BW tehermentesítés esetén nincs észrevehető hatással a járásmintákra, és még a magas, 50%-os BW tehermentesítés sem torzítja alapvetően a járás kinematikáját. Továbbá, a végtagon belüli koordináció modulációjában mutatkozó különbségek lehetőséget adhatnak arra, hogy az iSCI rehabilitációjában célzottan ezt a területet célozzuk meg.
Tér-időbeli adaptáció
A járás egyik kiemelkedő jellemzőjeként a lépéshossz és a lépésidő kiigazítása előfeltétele a járási körülmények változásainak kezelésének. Fokozott tehermentesítéssel a lépésidő fokozatosan növekszik mind a kontroll, mind az iSCI alanyoknál. A szakirodalom hasonló megfigyelései sem a földön, sem a futópadon nem eredményeztek meggyőző magyarázatot . Az egyik lehetséges magyarázat a dinamikus hasonlósági keretrendszerre épül, feltételezve, hogy a Froude-szám, a sebesség anatómiától független, a láb hosszától és a gravitációtól függő mérőszáma optimális értéke 0 körül van.25 a gyalogláshoz .
Fr: Froude-szám, m: tömeg, v: sebesség, h: lábhossz, g: gravitációs állandó, sl: lépéshossz, sf: lépésfrekvencia.
A “gravitáció” tehermentesítéssel történő csökkentése a járási sebesség megtartása mellett nem zavarhatja meg a lépéshossz és a lépésfrekvencia közötti összefüggést. A tehermentesítés alkalmazása a törzsnél azonban érdekes kölcsönhatást eredményez: a lengőlábra ható gravitáció normál szinten marad (9,81 ms- 2), míg a lépésfázis dinamikája a csökkentett gravitációnak és a potenciális robot kölcsönhatási erőknek van kitéve . Ez jellemzően az üzemi tényező kismértékű, de erőteljes csökkenését eredményezi, ami főként a lépésidő növekedésével jár, miközben az állásidő megmarad. Egy adott sebesség fenntartásához a relatív lépéshosszat növelni kell, ami megzavarja a lépéshossz, a frekvencia és a járási sebesség közötti fejlődési szempontból stabil összefüggéseket . Ezt a viselkedést a kontrollszemélyek is átveszik. A CiSCI ezzel szemben a csökkentett munkakezdést mutatja, azonban nem modulálják a lépéshosszat olyan megfelelően, mint a kontrollok, ami szintén a járási sebesség 50%-os BWS-nél regisztrált enyhe csökkenéséhez vezet (2. táblázat).
A lépésszélesség változása nem volt egyértelmű mind a kontrollok, mind a CiSCI esetében; bár a BWS és a csoport közötti kölcsönhatás kimutatható volt, nem volt egyszerű fő hatása a tehermentesítésnek. Ez a robottal való medio-laterális irányú interakciónak tudható be, utalva a BWS, az oldalirányú stabilitás és a robot interakciós erői közötti összetett kölcsönhatásra . Az átláthatósági elemzés arra késztet minket, hogy némileg kizárjuk a felső felfüggesztés ingahatását , azonban a függőleges tehermentesítés és a lépésszélesség, valamint a járás stabilitásával kapcsolatos egyéb paraméterek közötti kölcsönhatás további vizsgálatot érdemel egészséges alanyokon. A CiSCI a lépésszélesség nagyfokú változékonyságát tartotta fenn minden tehermentesítési körülmények között, ami potenciálisan elfedte a tehermentesítésre adott értelmes válaszokat. Az átlagos lépésszélesség tendenciaszerűen csökkent a kórosan magas kiindulási értékről, ami arra utal, hogy a tehermentesítés lehetővé teszi a CiSCI számára, hogy keskenyebb támasztékkal járjon.
A járási testtartás hatásai
Kvantitatív módon mértük a CoM elmozdulását és a törzs kilengését, hogy megértsük, hogyan befolyásolja az átlátható BWS a testtartást járás közben, és hogy ez különbözik-e a CiSCI és a kontrollok között. A BWS egyszerű fő hatása az ML CoM mozgásra és a törzs AP és ML kilengésére azt jelzi, hogy a BWS rendszernek van némi hatása a járási testtartásra és a törzs kontrolljára. A tehermentesítés növekedésével a törzs kilengése mindkét síkban nő, miközben a CoM ML mozgása csökken, az AP pedig a kontrolloknál változatlan marad. A CiSCI mindkét AP paraméter tekintetében eltérő reakciómintázatot alkalmaz, ami talán a rövidebb kezdeti lépéshossznak köszönhető, ami a súlyáthelyezés kiváltásához kevesebb lendület átvitelét igényli a törzsből a medencébe. A CiSCI szintén nagyobb AP törzshajlást mutatott a kezdeti állapotban, talán kompenzálva a törzsizmok csúcserőtermelésében bekövetkező változásokat. Továbbá a járás sebessége a CiSCI-nél valamivel nagyobb mértékben csökkent a tehermentesítés alatt. Összefoglalva, a CiSCI érzékenyebb lehet a robot dinamikájára és a béklyó korlátaira – különösen azokban az irányokban, ahol nagyobb gyorsulásokra van szükség . A fej feletti kialakítás és a hám elhelyezkedése potenciálisan egyenesebb testtartást kényszerített ki, és kevésbé tette lehetővé a súly előre történő átvitelét a vezető lábra.
A medio-laterális paraméterek változásai a fokozott tehermentesítéssel mindkét csoportban tükröződtek. Ez ellentétben állt a lépésszélességgel, amely a kontrolloknál 20%BWS-nél mutatott helyi minimumot, a CiSCI-nél pedig progresszív, de nem szignifikáns csökkenést. Ez azt jelzi, hogy mindkét csoport a BWS növekedésével egyre inkább a támaszpont mediális széléhez közelebb tartja a CoM-ot, ami a tehermentesítés és a frontális sík dinamikája közötti összetett kölcsönhatásra utal. A BWS robot felső-alsó mozgási sebessége is tovább bonyolítja a kölcsönhatást, mivel a feszültség nem tökéletesen egyenlő minden időpontban. Ez a járás különböző fázisaiban a támaszszintek és a lendületátvitel finom változásaihoz vezet, amelyek valószínűleg befolyásolják a járás stabilitásának tér-időbeli szerkezetét, azonban ezeket a kölcsönhatásokat nehéz pontosan számszerűsíteni.
Az ízületi mozgásminták
A tehermentesítés növekedésével a CiSCI és a kontrollok esetében is megfigyeltük a szög-idő nyomvonalak növekvő időbeli eltolódását. Az ízületi mozgásminták megfelelő összehasonlítása érdekében az állás- és lengési fázist normalizáltuk és külön-külön interpoláltuk, hogy eltávolítsuk az időbeli hatásokat, miközben megőriztük az időrendi és amplitúdóinformációkat. Ez lehetővé tette a tehermentesítés által indukált pályaformában mutatkozó különbségek kimutatását. Míg a térdízületek egyszerű fő tehermentesítési hatást mutattak, különösen a lábujjlenyomás körül és az állás során, addig interakciós hatás nem volt. Ez azt jelzi, hogy a vizsgált mintában a CiSCI és a kontrollok között nem tudtunk eltérő térdstratégiákat kimutatni a tehermentesítés hatására. A csípőízületben a tehermentesítés egyszerű főhatást idézett elő, amelynek középpontjában a lábujj leérkezés eseménye állt, és erős interakciós hatás mutatkozott, különösen a lendítés során és a sarokütést követően. Ezt a kölcsönhatást a CiSCI rövidebb lépéshossza és a járási testtartás változása okozhatja. A bokaízületben interakciós hatás volt jelen, különösen a késői állásban, ahol a kontrollok hangsúlyozták a kilökődő mozgást, míg a CiSCI nem mutatott alkalmazkodást. A CiSCI tehermentesítése a BWS rendszerben nem okozott kimutatható változást az ízületi mozgásmintákban, míg a kontrollok finom alkalmazkodást mutattak, különösen a bokaízületben magas tehermentesítési szinteken. A kontrolloknál a bokaízületi mozgás változásai feladatspecifikus adaptációként értelmezhetők, amely egy adott sebesség fenntartásához szükséges, miközben más, kiemelkedő járásmeghatározó tényezők optimalizálódnak. Az, hogy nem észleltük ezeket az adaptációkat az elsősorban szenzorosan érintett CiSCI kohorszunkban, a terhelési információknak az efferens parancsstruktúrába való integrációjában bekövetkezett változásokhoz kapcsolódhat . A gerinchálózat aktivitásának modelljei a járás során azt jelzik, hogy a talp talpán lévő terhelés- és nyírásra érzékeny mechanoreceptorok a Golgi ínszervekkel és az izomorsó afferensekkel együtt jelentősen hozzájárulnak a járás sikeres szabályozásához . Az iSCI-t követően azonban az afferens információfeldolgozás sok szinten megváltozik, és részben helyettesítő, redundáns információval helyettesítődik, amely nem érintett forrásokból származik, mint például a vizuális kontroll .
Intralimbális koordináció
Az intralimbális koordinációs mintákról többször beszámoltak, hogy a mozgásszervi kontroll érzékeny leolvasói az iSCI alanyoknál . Az embereken végzett felső végtagi és alsó végtagi kísérletekből származó ismeretek arra késztetnek bennünket, hogy a többízületi koordinációt a gerincvelő különböző szintjein lévő proprioceptív integráció és a szupraspinalis efferens meghajtás kombinált termékeként értelmezzük . A végtagokon belüli koordinációs mintázatok számszerűsíthetők egy referenciaformától való formakülönbségként (SSD; a prokrusztikus alakelemzés egy formája) . E minták változékonysága a megfelelési együttható szögkomponensével (ACC; a vektorkódolás egy speciális formája ) ragadható meg, amely a ciklusban lévő összes szekvenciális pontpár átlagos szórását írja le. A szegmensek mozgáskapcsolásának fokozott változékonysága az ACC csökkenéseként érzékelhető (tartomány: 0-1). A megnövekedett mozgásvariabilitás, különösen a szomszédos intralimbális szegmensek összekapcsolódását illetően, a szinergikus izomaktivációs minták generálásában megnövekedett neurális zajként értelmezhető. Tehermentesítés alatt a kontrollszemélyek mindkét párosításban (csípő-térd és térd-boka) progresszív változásokat mutattak az intralimbális csatolásban a megnövekedett alakkülönbség és variabilitás révén (2. táblázat és 2. ábra). A CiSCI esetében azonban az SSD változatlan maradt mind a proximális, mind a disztális párokban. Nem mutattunk ki interakciós hatást mindkét couplet ACC-je esetében, azonban a tehermentesítés mindkét csoportban nagyobb couplet-variabilitást eredményezett. A betegeknél az intralimbális csatolás modulációjának hiánya tehermentesítés alatt hozzáférést biztosíthat ennek a szempontnak a vizsgálatához és megkérdőjelezéséhez iSCI után.
Intralimbális koordináció kontrolloknál és betegeknél BWS alatt. a A betegek és kontrollok intralimbális koordinációs mintázatának válasza a tehermentesítésre. Referenciaként a kontrollok átlagos kiindulási adatai folyamatos fekete vonalként szerepelnek. A betegek és a kontrollok átlagos válaszai 10%, 30% és 50% BWS esetén szaggatott vonalként vannak ábrázolva, növekvő szürkeárnyalatokban. A betegek átlagos kiindulási adatai szaggatott vonalként vannak ábrázolva. b Az intralimbális koordináció kvantitatív metrikái. A tehermentesítés az SSD változását eredményezi a kontrolloknál (fekete) mind a csípő-térd, mind a térd-boka ízületi párok esetében. Ez a koordinációs mintázat a betegeknél (szürke) mindkét párosításban változatlan marad. Az alaki konzisztencia (ACC) mindkét csoportban egyre inkább romlik a tehermentesítés növekedésével. A sávok a csoportátlagokat jelzik 1SD-vel. A szignifikancia részletezése *: p < 0,05
A szintézisben a CiSCI és a kontrollok hasonló válaszokat mutattak a tehermentesítésre a tér-időbeli és a járási testtartás paraméterei tekintetében. A CiSCI azonban megtartotta alapszintű intralimbális koordinációját, míg a kontrollok a tehermentesítésre reagálva módosították azt, optimalizálva az ízületi kapcsolási mintázatukat, hogy alkalmazkodjanak a tehermentesítéshez, miközben megtartották az adott sebességet. Úgy tűnik, hogy az egészséges CNS-ben az intralimbális mintázatokat nem csak gerinces szinten közvetítik, hanem integrálják a szupraspinális központok erős befolyását is . Ha azonban a CNS-sérülést követően megváltozik, a szegmensek összekapcsolódása figyelemre méltóan ellenállónak bizonyult a változással szemben. Az iSCI betegek esetében például Awai és Curt arról számolt be, hogy a rehabilitáció során az iSCI betegek intralimbális járásmintázatának alakja nem változott, annak ellenére, hogy a járási sebesség növekedett és az intralimbális variabilitás csökkent. Hasonlóképpen, Tepavac és Field-Fote 14 iSCI-betegnél a peroneális ingerlést és edzést követően javuló konzisztenciáról, de nem szisztematikus alakváltozásokról számoltak be az intralimbális járáskapcsolásban 14 iSCI-betegnél. Analóg megfigyeléseket tettek az alsó végtagi károsodásban szenvedő stroke-túlélőknél .
Ezek a megfigyelések hátterében az efferens meghajtás megváltozása állhat, amelyet a szupraspinális feldolgozás változásai idéznek elő, beleértve az afferens jelek részleges elvesztését és pótlását. Alternatívaként a szegmensek összekapcsolódását elsősorban a ritmikus gerincvelői hálózatok kódolhatják, és ezáltal nehezen modulálhatók az efferens meghajtáson keresztül, különösen, ha ez a meghajtás sérülés miatt károsodott. Mindkét modell azt jelzi, hogy a járás fenotípusának, különösen a végtagokon belüli koordinációnak a környezeti korlátokhoz való optimalizálásakor vagy új feladatokkal való találkozáskor a CiSCI-ben jelenlévő megváltozott feldolgozás nem képes teljes mértékben kompenzálni a károsodott afferens információt. Ebben a perspektívában a CiSCI válaszprofilja a tehermentesítésre; adaptált tér-időbeli paraméterek, változatlan ízületi mozgásminták és a végtagok közötti koordináció, utalhat a mozgás irányításának hierarchiájára . Itt az idegi erőforrások a feladatkritikus paraméterek, például a járás és az egyensúlyszabályozás tér-időbeli szerveződése számára vannak fenntartva, míg a kevésbé kritikus paraméterek, például a végtagokon belüli koordináció nem módosulnak. A funkció bármilyen javulása feltehetően a magasabb szintű folyamatok adaptációjából ered, miközben az újonnan létrehozott motoros egyenértékű primitívek változatlanok maradnak . Tudomásunk szerint azonban nem volt olyan edzési paradigma, amely kifejezetten az intralimbális koordinációt célozta volna meg az iSCI-t követően. A tehermentesítés egy egyedülálló edzési útvonal lehet, amely ezt a meglehetősen specifikus deficitet célozza meg.
Klinikai relevancia
A transzparens fej feletti BWS alkalmazása iSCI alanyoknál föld feletti járás közben elhanyagolható hatással van a CiSCI járás kinematikájára. Ez azt jelzi, hogy azon CiSCI-k esetében, akik megtartják végtagjaik akaratlagos kontrollját, de nem képesek saját testsúlyuk megtartására, az átlátszó BWS lehetőséget jelent a biztonságos, támogatott, korlátozások nélküli föld feletti járás megkezdésére egy korai időpontban. Ahogy a betegek fejlődnek, a támogatás mértéke csökkenthető, és a terapeuta további, zavaró erőket alkalmazhat a kihívást jelentő edzési környezet fenntartása érdekében. Továbbá az eszköz használható támogatásra a mindennapi élet egyéb tevékenységeinek gyakorlása során, mint például a lépcsőmászás, akadályokon való átkelés, egyensúlyozás, kanyargós járás, tárgyak visszaszerzése a padlóról, átmenet az ülésből az állásba stb. A földfelszíni BWS-edzés továbbra is csak egy a sok rehabilitációs eszköz közül, azonban lehetővé teszi az átmenetet a futópados rehabilitációs környezetből egy valósabb környezetbe.
Outlook
Következtetéseink egy viszonylag kis és heterogén, főként érzékszervi károsodással rendelkező iSCI-alanyokból álló mintán alapulnak, mivel a mérés során körülbelül egy órán keresztül 2 km/h sebességgel, járást segítő eszközök nélkül kellett gyalogolniuk. Ezt a gyaloglási sebességet azért választottuk, mert ez a CiSCI számára életképes sebesség, és közel van a CiSCI számára a felügyelet nélküli beltéri járás küszöbértékéhez (0,6 m/s) . Továbbá, ennél a sebességnél a kontrollok még mindig ritmikus, szimmetrikus járást produkálnak, bár ez jóval lassabb (~ 50%-kal), mint az életkoruknak és nemüknek megfelelő tipikus járási sebesség. Minden BWS-szintnél engedélyeztünk egy megszokási időszakot, és a CiSCI és a kontrollok a kísérlet során következetesen a célsebességet járták a tűréshatár átlépése nélkül, ami elegendő akklimatizálódást jelez. Bár érdekes lett volna a preferált járási sebességet vagy akár a különböző járási sebességek hatását is elemezni, ez a CiSCI esetében nagyon hosszú értékelési protokollt eredményezett volna. A kiindulási járásmérések különböztek a csoportok között, és jelentős korkülönbség mutatkozott. Az életkor kovariátorként való bevonása a statisztikai modellbe azonban azt jelzi, hogy a járásminták BWS-hez való alkalmazkodását nem ez a tényező hajtotta. A CiSCI és a kontrollok közötti eltérő válaszok további vizsgálatot igényelnek a CNS-rendellenességben szenvedő egyének szélesebb körénél, akik többféle sebességgel járnak. Három CiSCI esetében a TSI egy évnél rövidebb volt, ezért inkább tekinthetőek szubakutnak, mint krónikusnak. Ezeket a személyeket azért vettük fel a vizsgálatba, mert sérüléseik viszonylag enyhe jellege miatt funkcionális platót értek el. Funkcionálisan a kohorsz jobb egyedei közé tartoztak. A különböző károsodások és TSI-k széles skálájával rendelkező betegek vizsgált csoportja bizonyos mértékben jelzi az általánosítható hatást, azonban azt, hogy ez hogyan nyilvánul meg konkrétan a károsodás szintje, súlyossága és krónikussága tekintetében, csak specifikusabb felvételi kritériumok alkalmazásával lehet meghatározni. Ez korlátozza a lehetséges mechanizmusok leírását a jelenlegi kísérletben. A jövőben érdekel bennünket a pontosabban meghatározott kohorszok értékelése és a mechanikai hatások jobb szétválasztása a tehermentesítésre adott biológiai válaszoktól.