Toepassing van BWS vormt een veelbelovende benadering in de revalidatie van het lopen bij patiënten die lijden aan CNS aandoeningen zoals iSCI of beroerte. Binnen de doelgroep van patiënten die vrijwillige controle hebben over hun onderste ledematen, maar niet vrij kunnen lopen, kan de FLOAT transparante BWS leveren met minimale interactiekrachten. Het toepassen van tot 50% BWS op CiSCI tijdens het bovengronds lopen resulteerde in subtiele veranderingen van de kinematica van het lopen die grotendeels vergelijkbaar zijn met die waargenomen bij gezonde controles. Terwijl deze BWS-geïnduceerde veranderingen duidelijk waren in spatio-temporele parameters zoals staplengte en relatieve standfase duur, werden de gewrichtsbewegingspatronen en intralimb coördinatie in mindere mate gemoduleerd in iSCI dan in controles. Deze resultaten zijn in tegenspraak met onze aanvankelijke verwachting dat BWS een groter effect zou hebben op de kinematica van het lopen bij CiSCI vergeleken met controles. Dit wijst erop dat het gebruik van bovengrondse BWS tot 20% BW ontlasting geen merkbaar effect heeft op het looppatroon en dat zelfs hoge ontlasting van 50% BW de kinematica van het lopen niet fundamenteel verstoort. Bovendien kunnen de verschillen in modulatie van de intra-arm coördinatie een mogelijkheid bieden om dit domein specifiek aan te pakken in de iSCI revalidatie.
Spatio-temporal adaptation
Als een van de meest in het oog springende karakteristieken van het lopen, is de aanpassing van staplengte en staptijd een eerste vereiste om veranderingen in de loopomstandigheden op te vangen. Bij toenemende belasting neemt de staplengte zowel bij de controlegroep als bij iSCI progressief toe. Vergelijkbare waarnemingen uit de literatuur hebben geen sluitende verklaring opgeleverd voor het lopen op de grond of op de loopband. Een mogelijke verklaring berust op het dynamisch similariteitsraamwerk, waarbij ervan wordt uitgegaan dat het getal van Froude, een anatomie-onafhankelijke maat voor de snelheid die afhankelijk is van de beenlengte en de zwaartekracht, een optimale waarde van ongeveer 0,25 heeft voor lopen.25 voor lopen.
Fr: Froudegetal, m: massa, v: snelheid, h: beenlengte, g: gravitatieconstante, sl: staplengte, sf: stapfrequentie.
Vermindering van de “zwaartekracht” door ontlasting bij gelijkblijvende loopsnelheid zou de relatie tussen staplengte en stapfrequentie niet mogen verstoren. Het toepassen van ontlasting op de romp resulteert echter in een interessante interactie: de zwaartekracht die op het zwaaibeen werkt blijft op een normaal niveau (9,81 ms-2), terwijl de dynamiek van de standfase wordt onderworpen aan verminderde zwaartekracht plus potentiële robotinteractiekrachten. Dit resulteert typisch in een kleine maar robuuste vermindering van de werkingsfactor, voornamelijk gedreven door een verhoging van de staptijd met behoud van de standtijd. Om een bepaalde snelheid te handhaven, moet de relatieve staplengte worden verhoogd, waardoor de ontwikkelingsstabiele relaties tussen staplengte, frequentie en loopsnelheid worden verstoord. Dit gedrag wordt door controlepersonen overgenomen. CiSCI daarentegen vertonen de verminderde duty cycle, maar zij moduleren de staplengte niet zo adequaat als controles, hetgeen ook leidt tot de lichte vermindering van de loopsnelheid bij 50% BWS (tabel 2).
Veranderingen in stapbreedte waren niet overtuigend bij zowel controles als CiSCI; hoewel een interactie tussen BWS en groep werd gevonden, was er geen eenvoudig hoofdeffect van ontlasting. Dit zou het gevolg kunnen zijn van interactie met de robot in medio-laterale richting, wat zinspeelt op de complexe interactie tussen BWS, laterale stabiliteit, en robot interactiekrachten . Transparantie analyse leidt ons om het pendule effect van overhead ophanging enigszins te verdisconteren, maar de wisselwerking tussen verticale ontlasting en stapbreedte en andere parameters geassocieerd met loopstabiliteit verdient verder onderzoek bij gezonde proefpersonen. CiSCI behield een grote variabiliteit in stapbreedte gedurende alle onbelastingscondities, wat mogelijk zinvolle reacties op onbelast lopen maskeert. De gemiddelde stapbreedte neigt naar een afname van de pathologisch hoge uitgangswaarde, wat erop wijst dat CiSCI door onbelast lopen met een smallere steunbasis kunnen lopen.
Loophoudingseffecten
We hebben de verplaatsing van de CoM en de slingering van de romp gekwantificeerd om te begrijpen hoe transparant BWS de houding tijdens het lopen beïnvloedt en of dit verschilt tussen CiSCI en controles. Het eenvoudige hoofdeffect van BWS op de ML CoM beweging en AP en ML romp slingering geeft aan dat het BWS systeem enig effect heeft op loophouding en romp controle. Naarmate de belasting toeneemt, neemt de slingering van de romp in beide vlakken toe, terwijl de ML beweging van de CoM vermindert en de AP bij de controlegroep onveranderd blijft. CiSCI vertoont een ander reactiepatroon in beide AP-parameters, wellicht als gevolg van de kortere initiële staplengte, waardoor er minder momentumoverdracht van de romp naar het bekken nodig is om de gewichtsverplaatsing te induceren. CiSCI vertoonden ook een grotere AP rompzwaai in de beginconditie, wellicht ter compensatie van veranderingen in de piekkrachtopwekking van de rompspieren. Verder was de loopsnelheid bij CiSCI iets meer verminderd bij onbelast lopen. Samenvattend kan men stellen dat CiSCI gevoeliger is voor de dynamiek van de robot en de beperkingen van het harnas – vooral in richtingen waar hogere versnellingen nodig zijn. Het ontwerp van het hoofd en de plaats van het harnas dwong mogelijk een meer rechtopstaande houding af en maakte minder voorwaartse verplaatsing van gewicht naar de voorste voet mogelijk.
De veranderingen in medio-laterale parameters bij toenemende onbelastheid waren in beide groepen terug te vinden. Dit in tegenstelling tot de stapbreedte, die een lokaal minimum vertoonde bij 20% BWS voor de controles en een progressieve, maar niet-significante vermindering bij CiSCI. Dit wijst erop dat beide groepen er in toenemende mate voor kiezen om hun CoM dichter bij de mediale rand van hun base of support te houden bij toenemende BWS, wat duidt op een complexe interactie tussen unloading en frontale dynamica. Ook de superieure-inferieure bewegingssnelheid van de BWS-robot maakt de interactie nog complexer, aangezien de spanning niet perfect gelijk is op alle tijdstippen. Dit leidt tot subtiele veranderingen in steunniveaus en momentum transfers in verschillende fasen van het lopen, die waarschijnlijk invloed hebben op de spatio-temporal structuur van de loopstabiliteit, maar deze interacties zijn moeilijk nauwkeurig te kwantificeren.
Gewrichtsbewegingspatronen
Met toenemende ontlasting, zagen we toenemende temporele verschuivingen van de hoek-tijd sporen in zowel CiSCI en controles. Om de gewrichtsbewegingspatronen goed te kunnen vergelijken, werden de stand- en zwaaifase genormaliseerd en afzonderlijk geïnterpoleerd om temporele effecten te verwijderen met behoud van tijd-rang en amplitude-informatie. Dit maakte de detectie mogelijk van verschillen in trajectvorm geïnduceerd door ontlasting. De kniegewrichten vertoonden een eenvoudig hoofd-ontlastingseffect, vooral rond de afzet van de tenen en tijdens de stand, maar er was geen interactie-effect. Dit wijst erop dat we in de onderzochte steekproef geen verschillende kniestrategieën tussen CiSCI en controles als reactie op de ontlasting konden detecteren. In het heupgewricht veroorzaakte ontlasting een eenvoudig hoofdeffect rond de afzet van de tenen en er was een sterk interactie-effect, vooral tijdens de zwaai en na het neerzetten van de hiel. Dit interactie-effect kan veroorzaakt worden door de kortere staplengte van de CiSCI in combinatie met de veranderingen in de loophouding. Bij het enkelgewricht was een interactie-effect aanwezig, vooral in de late stand, waar de controles hun afzetbeweging benadrukten, terwijl de CiSCI geen aanpassing vertoonde. Het ontlasten van de CiSCI in het BWS systeem leidde niet tot waarneembare veranderingen in de bewegingspatronen van de gewrichten, terwijl de controles subtiele aanpassingen vertoonden, vooral in het enkelgewricht bij hoge ontlastingsniveaus. Bij de controles kunnen de veranderingen in de enkelgewrichtsbeweging geïnterpreteerd worden als een taakspecifieke aanpassing, noodzakelijk om een bepaalde snelheid te handhaven terwijl andere, saillante loopdeterminanten geoptimaliseerd worden. Dat we deze aanpassingen niet ontdekten in ons cohort van primair sensorisch-getroffen CiSCI zou in verband kunnen worden gebracht met veranderingen in de integratie van informatie over belasting in de efferente commandostructuur. Modellen van spinale netwerk activiteit tijdens het lopen geven aan dat belasting- en afschuifgevoelige mechanoreceptoren op de voetzool samen met Golgi peesorganen en spierspoel afferenten significant bijdragen aan de succesvolle regulatie van het lopen . Echter, na iSCI, is afferente informatieverwerking veranderd op vele niveaus en wordt gedeeltelijk vervangen door surrogaat, overbodige informatie afkomstig van niet-beïnvloede bronnen zoals visuele controle.
Intralimb coördinatie
Intralimb coördinatiepatronen zijn herhaaldelijk gemeld als gevoelige readouts van locomotorische controle in iSCI proefpersonen . Kennis van experimenten in de bovenste ledematen en onderste ledematen bij de mens leidt ons te interpreteren multi-gewricht coördinatie als een product van proprioceptieve integratie in het ruggenmerg op verschillende niveaus in combinatie met supraspinale efferente aandrijving . Intralimb coördinatiepatronen kunnen worden gekwantificeerd als het vormverschil met een referentievorm (SSD; een vorm van procrusteaanse vormanalyse) . Variabiliteit van deze patronen kan worden gevangen door de hoekcomponent van de correspondentiecoëfficiënt (ACC; een gespecialiseerde vorm van vector codering ), die de gemiddelde spreiding van alle sequentiële punt paren in de cyclus beschrijft. Verhoogde variabiliteit in de bewegingskoppeling van segmenten wordt gedetecteerd als een afname van de ACC (bereik: 0-1). Verhoogde bewegingsvariabiliteit, vooral wat betreft de koppeling van aangrenzende intralimb-segmenten, kan worden geïnterpreteerd als verhoogde neurale ruis bij het genereren van synergetische spieractiveringspatronen. Onder belasting vertoonden controlepersonen progressieve veranderingen in de koppeling tussen de armen door toegenomen vormverschil en variabiliteit (Tabel 2 en Fig. 2) in beide koppels (heup-knie en knie-enkel). Bij CiSCI echter bleef SSD onveranderd in zowel proximale als distale koppelingen. Er werd geen interactie-effect gevonden voor ACC van beide koppels, maar unloading resulteerde in een hogere variabiliteit van de koppeling in beide groepen. Het gebrek aan modulatie van de intralimbale koppeling bij patiënten onder onbelast kan toegang bieden tot het onderzoeken en uitdagen van dit aspect na iSCI.
Intralimbale coördinatie bij controles en patiënten onder BWS. a Reactie van intralimbale coördinatiepatronen op onbelast bij patiënten en controles. Als referentie worden de gemiddelde basislijngegevens van de controles weergegeven als een ononderbroken zwarte lijn. De gemiddelde responsen van patiënten en controles worden weergegeven als stippellijnen bij 10%, 30% en 50% BWS in toenemende grijstinten. De gemiddelde basislijngegevens van de patiënt worden weergegeven als een stippellijn. b Kwantificeringsmetriek van de coördinatie tussen de ledematen. Onbelasten resulteert in een verandering in SSD in controles (zwart) voor zowel heup-knie en knie-enkel gewricht koppelingen. Dit coördinatiepatroon blijft onaangetast bij patiënten (grijs) in beide koppels. Vormconsistentie (ACC) gaat in beide groepen steeds meer achteruit bij toenemende ontlasting. Balken geven groepsgemiddelden aan met 1SD. Significantie is weergegeven als *: p < 0.05
In synthese vertoonden CiSCI en controles vergelijkbare reacties op ontlasting in termen van spatio-temporele en loophouding parameters. CiSCI behielden echter hun basiscoördinatie binnen de gewrichten, terwijl de controlegroep deze coördinatie veranderde als reactie op de belasting, waarbij de gewrichtskoppelingspatronen werden geoptimaliseerd om zich aan te passen aan de belasting en toch een bepaalde snelheid te behouden. Het lijkt erop dat in een gezond CZS, intralimb patronen niet alleen gemedieerd worden op spinaal niveau, maar ook een sterke invloed integreren van supraspinale centra. Eenmaal veranderd als gevolg van letsel aan het CZS, blijkt de koppeling van segmenten echter opmerkelijk veerkrachtig tegen verandering. Zo rapporteerden Awai en Curt bij iSCI patiënten een onveranderd intra-gewricht looppatroon gedurende de revalidatie, ondanks toename van de loopsnelheid en afname van de intra-gewricht variabiliteit. Evenzo rapporteerden Tepavac en Field-Fote verbeterde consistentie, maar geen systematische verandering van vorm in de koppeling tussen de armen na stimulatie van de peroneus in combinatie met training bij 14 patiënten met iSCI. Analoge waarnemingen zijn gedaan bij overlevenden van een beroerte met beperkingen in de onderste ledematen.
Deze waarnemingen zouden kunnen worden gedreven door verandering van efferente aandrijving geïnduceerd door veranderingen in supraspinale verwerking, inclusief het gedeeltelijke verlies en vervanging van afferente signalen. Een andere mogelijkheid is dat de koppeling van segmenten voornamelijk wordt gecodeerd door ritmische spinale netwerken en daardoor moeilijk te moduleren is via efferente aandrijving, vooral wanneer deze aandrijving is aangetast door een laesie. Beide modellen geven aan dat bij het optimaliseren van het gang fenotype, in het bijzonder de coördinatie tussen de ledematen, aan beperkingen van de omgeving of bij het uitvoeren van nieuwe taken, de veranderde verwerking aanwezig in CiSCI niet volledig kan compenseren voor de aangetaste afferente informatie. In dit perspectief kan het respons profiel van CiSCI op het ontlasten; aangepaste spatio-temporele parameters, onveranderde bewegingspatronen en coördinatie tussen de ledematen, wijzen op de hiërarchie van controle in locomotie. Hier worden neurale middelen gereserveerd voor taak-kritische parameters zoals spatio-temporal organisatie van de gang en de controle van het evenwicht, terwijl minder kritische parameters zoals intralimb coördinatie worden verhinderd om te worden gemoduleerd. Elke verbetering van de functie wordt verondersteld voort te komen uit de aanpassing van processen op een hoger niveau, terwijl de nieuw gevestigde motorische equivalente primitieven onveranderlijk blijven. Voor zover wij weten is er echter geen trainingsparadigma dat specifiek gericht is op intralimb coördinatie na iSCI. Onbelasten zou een uniek trainingstraject kunnen zijn om dit nogal specifieke tekort aan te pakken.
Clinische relevantie
Het toepassen van transparante bovenhoofdse BWS op iSCI proefpersonen tijdens bovengronds lopen heeft een verwaarloosbaar effect op CiSCI loopkinematica. Dit geeft aan dat voor CiSCI die volitionele controle over hun ledematen behouden, maar niet in staat zijn hun eigen lichaamsgewicht te ondersteunen, transparant BWS een mogelijkheid biedt om op een vroeg tijdstip te beginnen met veilig, ondersteund, onbelast bovengronds lopen. Naarmate patiënten beter worden, kan de hoeveelheid ondersteuning worden verminderd en kunnen extra, verstorende krachten door de therapeut worden uitgeoefend om een uitdagende trainingsomgeving te behouden. Bovendien kan het toestel worden gebruikt voor ondersteuning bij het trainen van andere activiteiten in het dagelijkse leven, zoals traplopen, obstakels overwinnen, balanceren, lopen in bochten, voorwerpen van de vloer oprapen, van zit- naar sta-houding overgaan, enz. Bovengrondse BWS training blijft slechts een van de vele revalidatie instrumenten, maar het maakt een overgang mogelijk van een loopband revalidatie omgeving naar een meer real-world setting.
Outlook
Onze conclusies zijn gebaseerd op een relatief kleine en heterogene steekproef van iSCI proefpersonen met voornamelijk zintuiglijke beperkingen als gevolg van de beperking van het in staat zijn om 2 km/u te lopen zonder loophulpmiddelen voor ongeveer een uur van de meting. Deze loopsnelheid werd gekozen omdat het een haalbare snelheid is voor CiSCI en dicht bij de drempel ligt voor ongecontroleerd binnenshuis lopen voor CiSCI (0,6 m/s) . Bovendien lopen controles bij deze snelheid nog steeds ritmisch en symmetrisch, hoewel het veel langzamer is (~ 50%) dan hun typische leeftijd- en geslachtsspecifieke loopsnelheid. Een gewenningsperiode werd toegestaan op elk BWS niveau en CiSCI en controles liepen consistent de doelsnelheid tijdens het experiment zonder de tolerantiegrens te overschrijden, wat wijst op voldoende gewenning. Hoewel het interessant zou zijn geweest om ook de voorkeursloopsnelheid of zelfs de effecten van verschillende loopsnelheden te analyseren, zou dit hebben geleid tot een zeer lang beoordelingsprotocol voor de CiSCI. De baseline loopmaten verschilden tussen de groepen, en er was een significant leeftijdsverschil. Opname van leeftijd als covariaat in het statistisch model geeft echter aan dat de aanpassing van looppatronen aan BWS niet door deze factor werd aangedreven. De verschillende responsen tussen CiSCI en controles rechtvaardigen verder onderzoek bij een breder scala van personen met CNS stoornissen die met meerdere snelheden lopen. Drie CiSCI hadden TSI’s van minder dan een jaar en zouden dus eerder als subacuut dan als chronisch beschouwd worden. Deze personen werden opgenomen omdat zij een functioneel plateau hadden bereikt als gevolg van de relatief milde aard van hun letsels. Functioneel behoorden zij tot de betere individuen in het cohort. Het onderzochte cohort van patiënten met een breed scala van verschillende beperkingen en TSI’s geeft enige indicatie van een generaliseerbaar effect, maar hoe dit zich specifiek manifesteert naar niveau, ernst en chroniciteit van de beperking kan alleen worden bepaald door meer specifieke inclusiecriteria te gebruiken. Dit beperkt de beschrijving van potentiële mechanismen in het huidige experiment. In de toekomst zijn we geïnteresseerd in het evalueren van nauwkeuriger gedefinieerde cohorten en het beter ontwarren van de mechanische effecten van de biologische reacties op belasting.