The Effects of Locomotor training on Acute/Chronic Spinal Cord Injury

Patients

By: Laura Stigler and Sarah Demarest

Effetti dell’ allenamento al cammino nei pazienti con lesioni midollari croniche o acute

Presentation Overview

• Introduce Locomotor Training

• Describe Locomotor training effects on: – Spasticity – Cardiopulmonary

Function

• Descrizione degli effetti dell’ allenamento al cammino su: – Spasticita’ – Funzioni cardiache-

polmonari

Spasticity

STUDY #1: Kathleen J. Manella, and Edelle C. Field-Fote

Interventions: 1. Body-weight supported

treadmill training with manual assistance

2. BWSTT with peroneal nerve stimulation

3. Lokomat training 4. Overground training

For the following: 1. Drop Test clonus duration 2. Oscillations 3. Plantar Flexor Reflex Angle at clonus onset PF RTA 4. SCATS clonus 5. extensor spasm duration

STUDIO #1: Kathleen J. Manella, and Edelle C. Field-Fote

Interventi: 1. Treadmill con sistemea di

supporto per il peso corporeo ed assistenza manuale

2. Treadmill con sistema di supporto per il peso corporeo con stimolazioni del nervo peroniero

3. Lokomat 4. Allenamento a terra

Parametri valutati: 1. test della durata del clono 2. Oscillazioni 3. angolo di flessione plantare necessaria ad evocare il clono 4. test per i riflessi spinali nei riflessi spastici 5. durata degli spasmi estensori

Interventions

4

http://www.madonna.org/researcher/movement/research/

previous_research.html

http://www.sms.hest.ethz.ch/research/gait_rehab

http://www.aretechllc.com/featureTrolley.html

Study #1 continued

Participants: • 18 individuals with chronic SCI

(ASIA C or D) • 8 with less than 4 beats of clonus • 10 with at least 4 beats of clonus

Methods: • Drop test:

1. Clonus duration (max of 30 seconds)

2. Number of oscillations during the first 10 seconds of clonus

3. PF RTA • SCATS test: (Gastroc and quadriceps)

• No clonus (<1 sec) • Mild clonus (1 to < 3 sec) • Moderate clonus (3-10 sec) • Severe clonus ( > 10 sec)

Participanti: • 18 soggetti con lesione midollare

cronica(ASIA C o D) • 8 con meno di 4 battiti a clono • 10 con minimo 4 battiti a clono

Metodi: • Test di caduta del clono:

1. Durata del clono (misurata in 30 secondi)

2. Numero di oscillazioni nei primi 10 secondi di clono

3. Angolo per il riflesso di flessione plantare

• SCATS test: (Gastrocnemi e quadricipite) • No cloni (<1 sec) • leggeri cloni (1 to < 3 sec) • Cloni Moderati (3-10 sec) • Cloni gravi ( > 10 sec)

Study #1 continued• 4 Body-weight supported

training groups:

1. Treadmill training with manual assistance (n=4)

2. Treadmill training with peroneal nerve stimulation (n=6)

3. Lokomat robotic assistance (n=3)

4. Overground training with stimulation of common peroneal nerve (n=5)

!• Each completed 1-hour of

locomotor training, 5 days/week for 12 weeks

• 4 gruppi per l’ allenamento con supporto del peso:

1. Allenamento con treadmill ed assistenza manuale (n=4)

2. Allenamento con treadmill e stimolazione del nervo peroniero (n=6)

3. Lokomat (n=3) 4. Allenamento a terra

con stimolazione del nervo peroniero (n=5)

!• Tutti compiuti per 1 ora, 5

giorni a settimana per 12 settimane

Study #1 continued

Results:

• Significant decrease in extensor spasm duration, and decreased PF RTA and Drop Test Clonus Duration

Risultati: • Significante

diminuzione degli spasmi estensori, riduzione dell’ angolo per il riflesso di flessione plantare edel test di caduta del clono

Spasticity

• Study #2:

• Melanie M. Adams, Audrey L. Hicks

• Interventions:

• Compared BWSST and tilt-table standing

• Outcome Measures Used:

• Modified Ashworth Scale

• Spinal Cord Assessment Tool for Spinal Reflexes

• Self-reports Spinal Cord Injury Evaluation Tool

• Self-report Penn Spasm Frequency Scale

• Studio #2:

• Melanie M. Adams, Audrey L. Hicks

• Interventi:

• Confronto tra il sisteme con supporto del peso corporeo e lo standing dinamico

• Outcome misurati: • Modified Ashworth Scale

• Spinal Cord Assessment Tool for Spinal Reflexes

• Self-reports Spinal Cord Injury Evaluation Tool

• Self-report Penn Spasm Frequency Scale

Study #2 continued

Participants

• 7 individuals with chronic SCI

• Methods

• 3x per week performed BWSTT for 4 weeks, followed by a 4 week break, then 4 weeks of TTS 3x per week.

Participanti • 7 soggetti con lesione

midollare cronica • Metodi • 3 giorni a settimana sistema

con supporto del peso per 3 settimane, seguite da 4 settimane di pausa e poi standing dinamico 3 volte a settimana per 4 settimane

Study #2 continued

• BWSTT had greater beneficial effects on muscle tone and spasms after one session than TTS

• BWSTT > TTS for reducing flexor spasms and clonus

• TTS > BWSTT for reducing extensor spasms

• Il sistema con supporto del peso ha avuto maggiori effetti benefici nel ridurre il tono dei muscoli e gli spasmi dopo la prima seduta rispetto allo standing dinamico.

• Sistema a supporto del peso > standing dinamico nella riduzione degli spasmi flessori e dei cloni

• Stading dinamico > sistema a supporto del peso nella riduzione degli spasmi estensori

Spasticity

Study #3: Markus Wirz, PT, David H. Zemon, MSPT, Ruediger Rupp, PhD, Anke

Scheel, PT, Gery Colombo, PhD, Volker Dietz, MD, T. George Hornby, PT, PhD

Interventions: • Lokomat training • 3-5 days per week over 8

weeks • 45 minute duration

Measures: • Modified Ashworth Scale • Spinal Cord Assessment

Tools for Spasticity Results:

• Spastic motor spasticity was not significantly altered except for reduction of multijoint extensor spasms

Studio #3: Markus Wirz, PT, David H. Zemon, MSPT, Ruediger Rupp, PhD, Anke

Scheel, PT, Gery Colombo, PhD, Volker Dietz, MD, T. George Hornby, PT, PhD

Interventi: • Lokomat • 3-5 giorni a settimana per

oltre 8 settimane • 45 minuti

Measurazioni: • Modified Ashworth Scale • Spinal Cord Assessment

Tools for Spasticity Results:

La spasticita’ motoria non ha subito alterazioni significative a parte la riduzione degli spasmi estensori.

Spasticity Conclusion

• Locomotor training has a positive effect on reducing spasticity in individuals with SCI

• More effective then use of a tilt-table or stander though may be beneficial to combine interventions

• L’ allenamento al cammino ha effetti positivi nella riduzione della spasticita’ nei soggetti con lesione midollare.

• Maggior efficacia rispetto all’ utilizzo dello standing dinamico che potrebbe essere comunque integrato nel programma.

Cardiopulmonary Study #1 Purpose: Investigate the effect of active

robot-assisted gait training on cardiopulmonary fitness in subjects with motor Spinal Cord Injury

Methods: 1. Pre-test post-test study with a

lokomat device in combination with physical therapy sessions

2. Arm Crank exercise test: measuring HR and VO2 at rest and during activity to assess cardiorespiratory function – 3 blocks of 3 min of arm

pedaling at 60 rpm to determine peak performance on an arm ergometer

3. Robotic walking test: measuring VO2 and HR at rest and during activity

Studio #1 Proposta: verificare l’ effetto di un gait

training robotico a livello cerdio-polmonare in soggetti con una lesione midollare.

Metodi: 1. Studio Pre-test e post-test con

lokomat abbinato a sedute di fisioterapia

2. Arm Crank exercise test: misurando FC e VO2 a riposo e durante l’ attivita’ per valutare le funzioni cardiorespiratorie – 3 sessioni da 3 minuti di

pedalata con le braccia a 60 rpm per determinare la massima performance in un cicloergometro.

3. Robotic walking test: misurando VO2 ed FC a riposo e durate l’ attivita’.

Arm Crank Test

15

http://www.rehab.research.va.gov/jour/2013/5010/page1411.html

Cardiopulmonary

Study #1 Training program: • 24 sessions within 10-16 weeks • 2-3 times per week. Each session

lasted 60 min and contained 20-40 min walking time.

• Body weight support and guidance force adjusted in accordance to patients tolerance

Outcome Measures: • Resting Values: VO2, HR and O2

pulse • Submaximal Values: VO2, HR

and O2 pulse • Peak Values: VO2 and HR

Studio #1 Programma:: • 24 sedute in 10-16 settimane • 2-3 sedute a settimana. Ogni

seduta da 60 minuti con 20-40 minuti di camminata.

• Supporto del peso e forza di guida aggiustate a seconda della tolleranza del paziente.

Outcome: • Valori a riposo: VO2, FC e

saturazione O2 • Valori sottomassimali: VO2, FC e

saturazione O2 • Valori massimali: VO2 e FC

Cardiopulmonary

Study #1 Results: • Arm crank test: Decreased

submaximal HR but no significant difference of VO2 from pre to post test

• Robotic walking test: Decreased steady-state VO2 and HR at last training session compared to first but results were not clinically significant

Studio #1 Risultati: • Arm crank test: Diminuita la

FC sottomassimale ma non ci sono differenze evidenti nel VO2

• Robotic walking test: diminuito il VO2 di base e la FC se confrontati tra la prima e l’ ultima seduta ma I risultati non son clinicamente rilevanti

Cardiopulmonary

Study #1 Discussion/Conclusion: • Improvement of

cardiorespiratory fitness is suggested based on the changes of the submaximal VO2 and HR values and lower resting HR after a period of robot assisted gait training

• Low exercise intensity (<20%HRR) suggesting greater improvements can be made at higher intensities

• Low exercise intensity is safer and associated with higher motivation levels

• Increased walking economy shown by subjects decreased %HRR and %VO2R

Studio #1 Discussioni/Conclusioni: • I miglioramenti a livello

cardiopolmonare sono dettati dal cambiamento dei valori del VO2 sottomassimale e la FC

• Esercizi a basso carico (<20%FCR) permettono un maggior miglioramento e possono successivamente essere eseguiti con maggior carico

• Gli esercizi a basso carico sono piu’ sicuri e danno piu’ motivazione

• Migliora il risparmio energetico nei soggetti che mostrano una diminuzione della %FCR e della % VO2R

Cardiopulmonary

Study #2 Purpose: To examine the effects of

locomotor training (LT) on chronic SCI patients to evaluate spinal motor output to muscles of respiration

Methods: • BWSTT with manual assist for

knee extension and flexion Training program: • 8 subjects completed 62 +/- 10

sessions of 60 min in duration, 5X/week.

• BWS was reduced over the course of the training program as the subject was able to bear more weight through the lower extremities.

Studio #2 Proposta: verificare gli effetti dell’

allenamento al cammino nei pazienti con lesione midollare cronica per valutare gli effetti sui muscoli respiratori

Metodo: • Sistema con supporto del peso

corporeo ed assistenza per la flesso-estensione di ginocchio

Programma di allenamento: • 8 soggetti hanno effettuato 62

+/- 10 sedute da 60 minuti 5 volte la settimana

• Il supporto del peso e’ stato ridotto progressivamente durante il corso delle sedute.

Cardiopulmonary

Study #2

Results:

• Inspiratory and expiratory function significantly increased (FVC, FEV1, PImax, PEmax)

• Increased muscle activation for Inspiratory and expiratory tasks

Discussion/Conclusion:

• Results showed forced respiratory function significantly improved after LT by increasing the muscle activation rate and amount

Studio #2

Risultati:

• Funzioni inspiratorie ed espiratorie signifiactivamente migliorate (FVC, FEV1, PImax, PEmax)

• Migliorata l’ attivazione muscolare per l’ inspirazione e l’ espirazione

Discussioni/Conclusioni:

• I risultati mostrano un netto miglioramento dell’ inspirazione forzata grazie ad un maggior apporto dell’ attivazione muscolare.

Cardiopulmonary

Study #3

Purpose: Provide information on BWSTT and the effects it has on physical health

Background: • SCI patients have increased

prevalence of CVD than normal population due to: – Increased cholesterol – Hyperglycemia – Decreased function of autonomic

nervous system

Studio #3 Proposta:verificare l’ effetto del

sistema con supporto del peso sulla salute fisica

Background: • Pazienti con lesioni midollari

hanno un maggior rischio di contrarre patologie cardiovascolari: – Maggior colesterolo – Iperglicemia – Ridotta funzionalita’ del sistema

nervoso autonomo

Cardiopulmonary

Findings: • Risk factors for CVD can be

reduced with BWSTT with training 3x/week for 6 months – Decreasing cholesterol – Increased glucose

tolerance – Increase autonomic

regulation of HR and BP • BWSTT> arm exercises and

FES – Larger muscles being used – Upright body position

Risultati: • I fattori di rischio per le

patologie cardiovascolari possono essere ridotti con il sistema di supporto del peso con un allenamento di 3 sedute a settimane per 6 mesi – Riduzione del colesterolo – Maggior tolleranza al

glucosio – Incremento della

funzionalita’ del sistema nervoso autonomo per migliorare FC e PA

• Sistema con suppoto del peso>FES ed esercizi per AASS

Cardiopulmonary Conclusion

• Decrease resting/submaximal Heart Rate

• Increase in walking Economy – Lower VO2 and HR during

walking exercise • Improves function of

respiratory muscles • Improvement of blood lipid

profile • Improvement of autonomic

regulation of HR and blood pressure

• Diminuzione FC sottomassimale ed a riposo

• Migliora risparmio energetico nel cammino – Minor VO2 ed FC durante

il cammino • Migliora la funzionalita’ dei

muscoli respiratori • Diminuzione del colesterolo • Miglioramento dell’

autoregolazione di FC e PA.

References• Adams MM, Hicks AL. Comparison of the effects of body-weight-supported treadmill training and tilt-table standing

on spasticity in individuals with chronic spinal cord injury. J Spinal Cord Med. 2011;34(5):488-94. • Ditor D, MacDonald M, Hicks A, et al. The effects of body-weight supported treadmill training on cardiovascular

regulation in individuals with motor-complete SCI. Spinal Cord [serial online]. November 2005;43(11):664-673. Available from: Academic Search Complete, Ipswich, MA. Accessed November 30, 2014.

• Hicks A, Ginis K. Treadmill training after spinal cord injury: It's not just about the walking. Journal Of Rehabilitation Research & Development [serial online]. March 2008;45(2):241-248. Available from: Academic Search Complete, Ipswich, MA. Accessed November 30, 2014.

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• Manella KJ, Field-fote EC. Modulatory effects of locomotor training on extensor spasticity in individuals with motor-incomplete spinal cord injury. Restor Neurol Neurosci. 2013;31(5):633-46.

• Wirz M, Zemon DH, Rupp R, et al. Effectiveness of automated locomotor training in patients with chronic incomplete spinal cord injury: a multicenter trial. Arch Phys Med Rehabil. 2005;86(4):672-80.