Effects of exercise intervention on gait kinematics and lower limb function of adolescents and young adults with cerebral palsy

Abstract

CP-vamma kulkee ihmisen mukana koko elämän ajan varhaislapsuudesta aikuisuuteen, sillä täysin parantavaa keinoa aivovaurion korjaamiseen ei ole löydetty. Ongelmat näyttäytyvät erityisesti liikkumisessa ja muussa motorisessa toiminnassa. Kasvun myötä cp-vamman oirekuva muuttuu, jonka myötä moniammatillisia kuntoutuskeinoja on kehitetty cp-vammaisten toimintakyvyn ja yleisen terveyden tukemiseksi. Liikunnallisen kuntoutuksen on todettu tutkimuksissa parantavan cp-vammaisten lihasvoimaa, kävelykykyä ja kestävyyskuntoa. Uusien cp-vammaisten liikuntasuositusten mukaisesti tehtävää kävelyharjoittelua ja voimaharjoittelua yhdistämällä ajatellaan saatavan hyötyjä kävelynopeudessa, kävelyn kinematiikassa ja kävelykyvyssä laajemmin kuin pelkästään yhden tyyppisellä harjoittelulla. Lisäksi 3D-kävelyanalyysin avulla voidaan suunnitella voima- ja kävelyharjoittelu yksilöidysti. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on tarkastella kahdesta kolmeen viikkoharjoitusta sisältävän yksilöidyn kolmen kuukauden liikuntaintervention vaikutuksia alaraajojen kävelyn kinematiikkaan, voimatasoihin ja kävelysuorituskykyyn kolmella cp-vammaisella.

Kolme spastisen (hemiplegia tai diplegia, GMFCS-tasot I-III) cp-vamman (16-21 vuotta) omaavaa miestä osallistui tutkimukseen osana EXECP-tutkimusta. Kolmen kuukauden liikuntainterventio koostui kahdesta kolmeen valvotusta harjoituskerrasta viikossa. Kukin harjoituskerta sisälsi kävelyharjoittelua moottoroimattomalla kävelymatolla, voimaharjoittelua ja liikkuvuusharjoittelua tärkeimmille alaraajojen lihaksille. Mittausten 3D-liikeanalyysissä tutkittavat kävelivät kuudesti yhden minuutin mittauskävelyn minuutin palautusajalla. Alaraajojen 3D-kinematiikka mitattiin kahdeksan kameran liikkeenkaappausjärjestelmällä 200 Hz mittaustaajuudella, lisäksi samalla mitattiin säären lihasten lihasaktiivisuuksia langattomalla EMG:llä sekä kävelyn reaktiovoimia kahdella upotetulla voimalevyllä 1 kHz mittaustaajuudella. Kinematiikka analysoitiin Visual3D-ohjelmalla. Kuuden minuutin kävelytesti (6MWT) suoritettiin liikeanalyysimittausten jälkeen. Nilkan koukistaja- ja ojentajalihaksien voimantuottoa mitattiin nilkkadynamometrissa erillisenä testikertana. Kaikki mittaukset toistettiin ennen ja jälkeen intervention.

Tutkimuksen perusteella liikuntainterventio voi todennäköisesti kehittää kävelysuorituskykyä ja alaraajojen voimatasoja nuorilla CP-vammaisilla. Kuitenkaan kävelysuorituskyvyn positiiviset muutokset eivät kulje käsi kädessä kinematiikalla arvioidun kävelytekniikan muutoksien kanssa. Suurin osa vahingollisista nivelten kompensaatioista ja epäedullisista kävelymalleista toistuivat myös intervention jälkeen kävelyanalyysimittauksissa. Hemiplegia-tutkittavalla epäsymmetriaa vasemman ja oikean jalan välillä saatiin vähennettyä spatiotemporaalisten kävelymuuttujien ja isometristen voimamuuttujien osalta. Vain yksi tutkittava, diplegikko, pystyi parantamaan heikomman puolen varpaiden nostoa kävelysyklin pääteheilahdusvaiheessa. Säären lihasten aktivoitumisjärjestyksestä havaittiin kolmipäisen pohjelihaksen aktivoituvan kahdella tutkittavalla ennenaikaisesti jo heilahdusvaiheessa, jolloin aktiivisuus meni päällekkäin etummaisen säärilihaksen kanssa. Kävelysuorituskyky kehittyi kahdella tutkittavalla (5,8 ja 8,1 %). Intervention pituus ei mahdollisesti ollut riittävän pitkä aiheuttamaan muutoksia epäedullisissa kävelymalleissa, mutta toi silti muutoksia kävelysuorituskykyyn. Kävely on CP-vammaisilla hyvin yksilöllistä ja tämä tutkimus tarjoaa huomioon otettavia seikkoja CP-vammaisten nuorten harjoittelua ja kuntoutusta yksilöitäessä.

Cerebral palsy (CP) affects individuals throughout their lifetime, usually introducing detrimental changes in ambulatory abilities. Various management strategies to support functional abilities and overall health in order to minimize the effects of the CP have been published. Several studies have shown positive results using different kinds of exercise therapy interventions to increase strength, motor activity or cardiovascular fitness. It is hypothesized that the intervention including both treadmill training and muscle strengthening will enhance walking speed, improve gait kinematics and ankle dorsiflexion. Also, evaluating lower limb functionality with gait analysis could improve the prescription of resistance training exercises for people with CP. The purpose of this study is to show does the three-month tailored exercise therapy intervention, consisting of two to three supervised sessions per week, provide benefits to lower-body gait kinematics, gait performance and lower limb function for three different CP case subjects.

A convenience sample of three male (16-21 years old) with spastic CP (hemiplegic or diplegic, GMFCS I-III) participated in the study. The twelve-week exercise therapy intervention consisted of two to three supervised sessions per week. Each training session started with gait training on a non-motorized incline treadmill with hands supported, was followed by strength and flexibility training for main lower limb muscles. In the gait analysis session, participants performed six times one-minute walking trials with one-minute rest between trials. Lower limb 3D kinematics were acquired with an eight-camera motion capture system at 200 Hz, and in addition to calf muscle wireless EMG, forces were simultaneously measured with two mounted force plates at 1 kHz sampling frequency. Kinematics were analyzed in Visual3D software. Six-minute walk test (6MWT) was performed after the gait analysis. Plantar and dorsiflexor force production was measured in custom-built ankle dynamometer. Measurement results PRE and POST intervention were compared.

Intervention may likely improve the gait performance and strength in adolescents and young adults with CP. However, improvements do not happen hand in hand with gait quality as mostly the same compensations and pathological gait patterns were present also after the intervention. The differences in spatiotemporal gait and isometric torque parameters between affected and non-affected limbs reduced after intervention in the hemiplegic participant. Toe lift of the more affected leg in the terminal swing was slightly improved in one diplegic case. While one diplegic participant had typical EMG onset pattern, triceps surae muscle activity started prematurely in terminal swing in the other two participants overlapping with TA activity. The distance walked in 6MWT improved in two participants (5.8 and 8.1%). This study provides more means and considerations to individualize the training or treatment for children with CP. The intervention period may not be long enough to induce changes on motor patterns and major gait deviations such as crouch gait but may improve gait performance. The underlying neuromechanical and cortical mechanisms should be studied to understand better the changes that are induced because of a training intervention.