健常者および麻痺者におけるNMESのパルス幅および強度が筋力出力および酸素抽出に及ぼす影響

Effects of NMES pulse width and intensity on muscle mechanical output and oxygen extraction in able-bodied and paraplegic individuals.

• Federica Gonnelli
• Enrico Rejc
• Nicola Giovanelli
• Mirco Floreani
• Simone Porcelli
• Susan Harkema
• Andrea Willhite
• Sean Stills
• Tine Richardson
• Stefano Lazzer

抄録

目的:

神経筋電気刺激（NMES）は神経筋リハビリテーションプロトコルで一般的に使用されており、そのパラメータの選択は筋の活性化の特性に大きく影響します。ここでは、短パルス幅（200μs）で高強度（短高）のNMES、または長パルス幅（1000μs）で低強度（長低）のNMESが筋の機械的出力および分画酸素抽出に及ぼす影響を検討した。筋収縮は100Hzの刺激周波数で誘発し、刺激強度を調整することで初期トルク出力を一致させた。

PURPOSE: Neuromuscular Electrical Stimulation (NMES) is commonly used in neuromuscular rehabilitation protocols, and its parameters selection substantially affects the characteristics of muscle activation. Here, we investigated the effects of short pulse width (200 µs) and higher intensity (short-high) NMES or long pulse width (1000 µs) and lower intensity (long-low) NMES on muscle mechanical output and fractional oxygen extraction. Muscle contractions were elicited with 100 Hz stimulation frequency, and the initial torque output was matched by adjusting stimulation intensity.

方法:

本研究には、健常者14名と脊髄損傷者6名が参加した。膝伸筋を標的としたNMESプロトコール（75回の等尺性収縮、1-s on-3-s off）を、長低または短高NMESを前腸骨棘と膝蓋骨突出部の間の正中線上で2日に分けて実施した。筋仕事はトルク時間積分により、収縮特性はトルク発達率と半弛緩時間により、広背筋の酸素抽出量は近赤外分光法（NIRS）により評価した。

METHODS: Fourteen able-bodied and six spinal cord-injured (SCI) individuals participated in the study. The NMES protocol (75 isometric contractions, 1-s on-3-s off) targeting the knee extensors was performed with long-low or short-high NMES applied over the midline between anterior superior iliac spine and patella protrusion in two different days. Muscle work was estimated by torque-time integral, contractile properties by rate of torque development and half-relaxation time, and vastus lateralis fractional oxygen extraction was assessed by Near-Infrared Spectroscopy (NIRS).

結果:

2つのNMESパラダイムで誘発されたトルク時間積分は、刺激プロトコル全体を通して類似しており、その差は1.4%(p=0.877;健常者、プロトコルの中間部分)から9.9%(p=0.147;SCI、プロトコルの中間部分)であった。収縮特性も2つのNMESパラダイムで同等であった。しかし、長時間の低NMESでは健常者の方が酸素抽出率が高かった(+36%; p=0.006)。

RESULTS: Torque-time integral elicited by the two NMES paradigms was similar throughout the stimulation protocol, with differences ranging between 1.4% (p = 0.877; able-bodied, mid-part of the protocol) and 9.9% (p = 0.147; SCI, mid-part of the protocol). Contractile properties were also comparable in the two NMES paradigms. However, long-low NMES resulted in higher fractional oxygen extraction in able-bodied (+ 36%; p = 0.006).

結論:

長低NMESと短高NMESでは大腿四頭筋の運動ユニットがリクルートされ、同様の収縮特性と疲労特性を示した。しかし、長低NMESではNIRSで検出されたように大腿四頭筋の筋線維が優先的にリクルートされたと考えられる。

CONCLUSION: Long-low and short-high NMES recruited quadriceps femoris motor units that demonstrated similar contractile and fatigability properties. However, long-low NMES conceivably resulted in the preferential recruitment of vastus lateralis muscle fibers as detected by NIRS.