3/23/2010
Elektrostimulatie en Exoskeletten Reactivatie door
Elektrostimulatie en Exoskeletten Thomas W.J. Janssen
Duyvensz-Nagel Research Laboratory, Rehabilitation Center Amsterdam, Research Institute MOVE, Faculty of Human Movement Sciences, VU University Amsterdam,
[email protected]
• ES van verlamde spieren van mensen met een dwarslaesie • Robotgestuurde exoskeletten voor looptraining van mensen met beperkte loopfunctie
dwarslaesie
Foto
Verlamde spieren
• Alle problemen urineweginfecties doorzitplekken darmproblemen fantoompijn
spasticiteit
voortplanting verwerkingsproblemen
nierfalen
innervatie hart geen gevoel in ledematen temperatuurregulatie incontinentie osteoporose
luchtweginfecties arbeidsproblemen
verkeerde botvorming
ademhalingsproblemen
hoge/lage bloeddruk
rolstoeltechnische problemen
seksualiteit slechte wondgenezing dagelijkse activiteiten
• Graad 4 decubitus tuber (tot op het bot)
Enkele Risiciofactoren na een dwarslaesie • Atrofie bilspieren – Hoge zitdruk onder zitbeenknobbels
• Slechte spierconditie • Slechte circulatie – Verminderde toevoer O2 en voedingsstoffen – Verminderde afvoer van afvalstoffen
NB: dit zijn normale fysiologische aanpassingen aan inactiviteit! Opnieuw ondermijnde wond na plastisch chirurgische operatie ivm graad 4 decubitus linker tuber
1
3/23/2010
Preventie • Houdingsveranderingen – Lift – Leunen naar voren en zijkant
• Drukverdeling
Beperkingen/problemen • • • • •
Compliantie (actieve repositionering) Niet altijd makkelijk (actieve repositionering) Belastend voor schouders (lift) Effectiviteit in adequate vermindering van interne druk? Effectiviteit in herstellen van zuurstofniveaus in weefsel?
•
Niet altijd zonder rolstoel te gebruiken
–
– Kussens en matrassen – Gemotoriseerd: • Alternerende druk lucht/water systemen; • Achteroverkantelende rolstoel • Dynamisch zitten (Dynasit; UT; o.a. Reenalda, Van Geffen)
(gemiddelde duur for herstel is circa 2 min );
• Maar, het belangrijkste is …. • GEEN ACTIVATIE van SPIERWEEFSEL!!!
Elektrostimulatie • Veel risicofactoren na een dwarslaesie gevolg van inactivititeit • Wat zou de oplossing kunnen zijn?
ACTIVEER DIE SPIEREN!!! Hoe kan je verlamde spieren activeren? Elektrostimulatie. Weinig aandacht hiervoor (EPUAP 2009)
Effecten op: • Circulatie • Spiergrootte en –functie • Zitdruk
Voluntary vs Electrical Activation
Stimulus Delivery System • Electrical stimulation of nerves to elicit a muscle contraction – three methods exist for this Percutaneous electrodes Surface electrodes
Implanted electrodes
Electrical stimulation • ES evokes action potential in nerves. No direct muscle stimulation. • ES of denervated muscle is very difficult (e.g. cauda equina lesion) Doelen: 1) blaascontrole; 2) visuele, auditieve prothese; 3) pijnverlaging; 4) pacemaker; 5) functionele bewegingen, 2) inspanning/gezondheid
2
3/23/2010
Effect op Circulatie
ES exercise modalities • • • • •
Isometric contractions Resistance training Walking Cycling “Hybrid”: – ES-cycling and arm cranking – ES-rowing
Janssen & Hopman 2003
• Snelle toename circulatie; veel sneller dan passief! • NB: alleen toename in geactiveerde spieren !
Blood flow at rest
*
Femoral artery diameter before and after 6 wks training
pre-training post-training
2000
10
1500
8
Pre training Post training
• Also: increase in capillary density! 1000
500
Diameter (mm)
PSIV (ml/min)
2500
*
6 4 2
0
Femoral Artery Carotid Artery
0 Gerrits et al. 2001
Gerrits et al. 2001
Effects on Muscle Size and Function Effects of FES Exercise on Muscle/Fat Area 60 Area (cm^2)
50 40 30
*
* 43.8
Thigh
46.8
*
34.4 28.3
26.5
20
25.9
10
Muscle Area Fat Area
• All studies: improved muscle size/performance (strength & fatigability) • Even years after the SCI !! • Normal physiological response • Cross-section gluteal muscle area +27% (!) after 8 wks ES-LCE in chronic SCI (Hjeltnes et al. 1997)
0 Base
FES-KE
FES-LCE
Pacy et al. 1988
3
3/23/2010
Muscle mass changes after 6 months of ES training in individuals with a recent SCI
Control ES-ISO ES-LCE
Total Body
Leg
20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35
Muscle mass changes after 6 months of ES training in individuals with a recent SCI
Change (% from Baseline)
Change (% from Baseline)
20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35
Control ES-ISO ES-LCE
Total Body
Gluteal
Gluteal
Baldi et al. 1998
Baldi et al. 1998
Effect op Zitdrukverdeling
Muscle mass changes after 6 months of ES training in individuals with a recent SCI
Change (% from Baseline)
20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35
Leg
Body Region
Body Region
Theorie:
Control ES-ISO ES-LCE
Total Body
Leg
• ES-geinduceerde contracties veranderen vorm billen en zitdrukverdeling en doorbloeding • Chronische activatie verandert spiermassa, doorbloeding en zitdrukverdeling
Gluteal
Body Region
Liu et al., JRRD 2006
Baldi et al. 1998
Baseline
Initial daily use
• Geimplanteerd electrodesysteem kan goed werken; – Niet altijd mogelijk
• Systeem met oppervlakte-elektroden kan een alternatief zijn • Recente studie: FES of bilspieren met oppervlakteelektroden 6 months of daily use
40 months of regular use
Geimplanteerd stimulatiesysteem Bogie et al. APMR 2006
4
3/23/2010
OFF
• N=10 pp met een DL; eigen rolstoel • 3-hr protocol, 3 min ES, 17 min rest • Elk uur drukmetingen
• acute reductie piekdruk, maar.. – Electroden onder billen niet wenselijk; – Geen effecten bestudeerd buiten lab tijdens langere periodes
ON
NeuroPro 8-channel stimulator BioShorts with built-in electrodes Electrodes used. One on top of gluteals, the other halfway hamstrings
0 9 4 5 1 0 1 4 1 1 0 1 2 2 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 7 4 2 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 0 3 0 5 1 1 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 12 4 3 10 17 23 12 8 17 18 8 0 3 20 12 4 6 0 0 0 0 0 0 1 7 0 2 6 11 23 24 13 51 42 22 22 21 16 28 21 15 24 15 35 15 1 0 0 0 0 0 2 4 9 21 18 22 21 15 18 41 93 31 41 37 29 33 16 18 30 40 25 12 5 9 9 2 0 0 4 8 12 19 10 34 16 6 2111120067 55 21 13 22 26 4020027 24 10 10 2 2 1 0 0 9 12 16 13 6 18 20 20 13 971782914818 21 24 4420020020036 9 14 11 19 7 5 0 3 2 18 31 29 51 35 23 30 51 30 42 52 33 3710149 45 51 42 26 20 14 36 32 12 4 0 19 19 16 49 52 27 31 39 36 27 23 32 22 28 26 2712268 65 28 50 35 4912324 21 13 2 14 19 44 28 36 49 81 49 35 33 26 38 9 12 40 35 25 34 23 55 61 34 20 26 19 16 13 2 11 31 26 19 19 33 46 54 4611659 64 58 76 40 31 95 38 69 40 36 17 52 62 47 26 17 0 19 21 32 27 20 25 27 19 47 21 66 44 8 34 35 2611046 41 35 31 35 46 23 65 24 17 8 17 12 57 58 39 24 22 34 27 46 38 31 60 34 69 20 36 40 24 56 48 59 36 48 48 35 46 12 17 27 32 26 43 23 20 54 28 27 21 27 61 27 45 28 6312167 38 32 37 45 59 63 38 24 24 19 13 26 28 22 37 36 13 27 31 53 64 60 43 47 45 61 36 28 46 36 59 38 28 49 27 7 4 5 13 14 15 17 21 25 15 15 14 6 1 5 1 0 2 14 18 24 10 45 39 31 29 35 24 12 7 8 20 20 35 23 19 20 8 20 25 30 42 14 29 11 8 39 32 15 38 31 66 18 27 22 0 10 9 22 18 41 18 33 24 27 23 7 26 19 0 8 0 0 11 25 31 28 30 35 42 32 65 37 31 10 0 0 0 12 14 23 14 15 14 9 17 0 0 0 0 2 2 9 15 13 32 22 36 21 35 24 24 17 6 4 2 1 9 5 14 9 30 0 37 0 0 0 1 0 0 24 28 13 64 25 40 21 55 39 5 16 7 14 27 15 26 28 30 54 67 3 23 1 0 1 0 0 1 9 19 14 24 36 45 29 33 75 6 6 0 3 2 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 4 54 17 45 33 36 10 16 33 10 12 0 0 16 19 35 4 36 25 18 0 0 0 0 0 0 0 0 0 23 14 13 13 15 30 19 14 0 32 1 0 5 24 19 2 21 13 5 0 1 0 0 0 0 0 0 2 10 5 26 19 19 27 29 24 0 0 0 0 2 3 5 0 0 8 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 31 1 26 10 14 20 7 16 1 6 0 0 14 22 8 18 9 12 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 0 12 27 17 30 27 36 0 15 0 0 23 20 0 13 13 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 17 19 19 18 15 33 12 7 3 1 0 0 21 26 0 2 16 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 9 7 0 17 14 12 0 10 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 15 13 14 27 15 9 12 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 8 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 2 0 0 0 0 1 1 5 0 0 1 0 0 1 2 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 2 0 4 0 0 0 0 0 0 0 8 3 6 7 6 3 0 2 0 0 6 0 4 3 0 0 5 0 0
0 8 4 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 3 0 0 1 0 1 7 5 1 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 5 2 2 4 6 13 7 3 7 15 5 0 1 5 2 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 2 4 7 14 8 24 18 11 15 8 15 24 9 6 9 5 10 7 0 0 0 0 0 0 0 0 4 14 12 14 10 7 7 11 32 17 35 30 21 21 9 10 12 23 10 8 2 3 2 0 0 0 0 1 3 7 1 9 4 0 2 11 43 27 28 11 3 14 8 13 18 5 5 2 3 0 0 0 0 0 3 7 7 5 0 4 6 4 3 62 12 16 69 15 11 11 20 28 10 16 14 0 7 2 5 0 0 0 1 0 5 11 10 22 17 8 14 37 22 23 21 10 13 25 19 23 32 9 10 6 3 13 16 7 0 0 6 8 3 14 12 11 14 24 25 22 13 12 9 6 4 20 40 53 58 16 26 17 26 38 11 8 4 0 4 7 19 11 21 19 40 29 32 32 20 24 1 1 23 6 19 33 23 40 34 26 4 14 10 6 1 0 6 11 11 7 8 17 25 32 35 69 40 35 29 29 22 12 56 30 58 33 22 9 29 33 21 11 2 0 8 8 13 13 10 14 18 14 36 14 46 25 0 6 7 16 84 44 32 30 18 12 15 5 33 11 4 1 2 1 33 39 26 13 12 30 26 39 28 15 29 10 27 8 25 32 17 37 20 28 18 26 22 12 13 6 7 9 21 17 30 14 12 50 23 20 12 11 32 14 24 16 4210070 28 19 18 23 30 29 14 10 12 7 5 14 15 16 32 24 5 23 16 35 40 41 22 28 23 41 38 25 38 34 53 23 17 31 19 2 0 1 4 6 10 11 12 19 10 12 11 5 0 1 0 0 0 13 17 27 5 22 22 27 20 23 16 4 1 1 9 11 35 14 8 21 6 18 20 20 23 9 23 6 1 31 31 15 38 29 46 16 18 7 0 0 0 14 13 32 16 37 34 38 25 4 12 11 0 2 0 0 5 22 30 39 35 64 31 32 63 26 13 1 0 0 0 15 24 37 18 21 22 7 21 0 0 1 0 3 1 12 25 26 44 30 36 26 33 20 9 4 1 2 1 1 9 16 22 12 29 0 36 0 0 0 0 0 0 27 29 5218355 68 30 79 42 1 6 1 12 26 12 2215432 93 75 8 23 2 0 0 0 0 0 8 20 37 24 37 42 52 36 78 3 0 0 2 2 4 8 5 22 30 15 0 0 0 0 0 0 0 0 17 65 79 40 38 39 32 20 34 7 2 0 0 19 19 34 19 25 26 32 0 0 0 0 0 0 0 0 6 66 27 39 80 32 65 22 17 0 16 0 0 9 23 22 26 30 20 16 0 3 0 0 0 0 0 0 6 14 10 30 19 28 54 43 36 0 0 0 0 2 7 17 2 12 18 8 0 0 0 0 0 0 0 0 1 41 10 24 13 23 26 13 19 0 2 0 0 18 28 19 30 13 20 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 19 4 36 37 26 43 25 49 0 4 0 0 24 23 6 31 26 6 0 2 0 0 0 0 0 0 0 9 29 47 24 24 26 34 24 7 1 0 0 0 23 32 6 16 21 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 20 29 20 10 28 16 13 1 10 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 8 24 27 16 13 28 14 8 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 2 0 2 0 0 0 0 0 0 0 3 0 3 5 3 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 2 0 0
200
Reactivatie door Elektrostimulatie
180
160
140
120
100
80
60
40
20
NO STIM
0 mmHg 200
180
160
140
• • • •
Vergroot spiermassa en –conditie Vergroot circulatie Vermindert zitdruk Kortom: verbetert conditie en gezondheid (niet alleen van onderlichaam!) • Dus: doen!
120
100
80
60
40
20
STIM
0 mmHg
Exoskeletten
HAL
5
3/23/2010
Loopbandtraining met ondersteuning van lichaamsgewicht?
Lokomat kennismaking
Lichaamsgewichtondersteuning • Minder kracht nodig voor standfase • Experimenteren in veilige omgeving Hulp bij het maken van de loopbeweging • Fysiek belastend voor therapeut • Automatisering: robots en exoskeletten: Lokomat & Lopes
Verminderen „Guidance Force‟
Mogelijkheden voor therapie • Voor welke patiëntengroepen? – CVA, SCI, MS, TBI, CP
Veiligheidsmaatregelen
Resultaten effectstudies bij CVA patienten RCT met chronische (> 6 mnd) al lopende patiënten (Hornby et al. 2008) Grotere verbetering door controletherapie (lopende band) Geen vermindering GF
• Mechanisme? – – – –
Afferente input voor Central Pattern Generators (CPG‟s) Coordinatieverbetering door snel lopen Hogere intensiteit Langere sessies mogelijk
• Belangrijkste vraag: Wat zijn de functionele effecten? Beter dan conventioneel? • In de toekomst optimalisering: – Hoe vaak/lang? – Welke instellingen?
RCT met acute (< 6 mnd) al lopende patiënten (Hidler et al. 2009) Grotere verbetering door controletherapie (overground) Lokomat groep had alleen Lokomat
RCT met acute (<3 mnd) nog niet lopende patiënten (Schwartz 2009) Patiënten in Lokomat groep haalden eerder zelfstandig lopen
Andere studies (geen RCTs) met acute patiënten zijn ook positief Meeste effect: vroeg beginnen bij mensen die slecht lopen en “assist as needed” toepassen?
6
3/23/2010
Onderzoeksdesign: CVA
Recovery of Walking Ability using a Robotic Device
Patiënten:
„REWARD’ Michiel van Nunen, MSc. 1, 2 Dr. Karin Gerrits 1, 2 Prof. dr. Thomas Janssen 1, 2 Prof. dr. Arnold de Haan1 Prof. dr. Gert Kwakkel 1 1 Faculteit
Drs. Manin Konijnenbelt 2 Drs. Kirsten Nienhuys 2 Dr. Janneke Stolwijk 2 Drs. Christof Smit 2 Prof. dr. Luc van de Woude
der Bewegingswetenschappen VU/Move
2 Revalidatie
• Eerste CVA • FAC≤3 (Patiënten kunnen nog niet zelfstandig lopen) 1
Centrum Amsterdam
Fysiotherapeutische interventie: • 8 weken, 2 x 1 uur/p week – Conventionele fysiotherapie (groepstherapie) – Lokomat therapie
• Hiernaast gebruikelijke therapieën
Metingen: vaardigheden, participatie, spierfunctie, fitness
Loopsnelheid (m/s)
Voorlopige resultaten: loopsnelheid, balans 1,200
1,200
1,000
1,000
0,800
0,800
0,600
0,600
0,400
0,400
0,200
0,200
0,000
0,000
Pretest
60
50
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0
0
0.55 m/s 66% gewicht
900
VO2
Pretest
Posttest
60
Zuurstofopname en hartfrequentie
Posttest
0.17 m/s 100% gewicht
160
700
140
600
120
500
100
400
80
300
60
200
Posttest
Berg Balance Scale
Hartfrequentie (slagen/min)
HF
20 0
0
5
10
15
20 25 tijd (min)
30
35 Lopen Lokomat Vertikaal Zitten
Pretest
Conventioneel
VO2 (ml/min)
40 Geen oxycon
100 0
Pretest
180
800
Posttest
0.17 m/s = 0.6 km/uur = 60 sec over 10 m 0.55 m/s = 2.0 km/uur
Lopen overground
Lokomat
Lopes: light weight impedance controlled device with 8 degrees of freedom. Veneman et al [2007]
LOPES Robot aided gait training – Challenges • Incorporate knowledge about motor learning/recovery in design and control of robots – Improve active participation – Allow subject to make errors – Support different recovery mechanisms • Recovery • Compensation
• Design controllers that only “assist as needed”
Van Asseldonk 2010
7
3/23/2010
Conclusie • (re-)activatie belangrijk in revalidatie • Elektrostimulatie kan goed gebruikt worden om verlamde spieren te activeren en problemen te verminderen • Nut van robots en exoskeletten nog niet onomstotelijk bewezen • Nog veel onbekend hierover • Maar techniek nog lang niet geoptimaliseerd, dus …
8
