背景：经皮脊髓刺激已被应用于神经疾病患者的步态康复。作者开发了一种名为FAST walk的肌电图触发式经皮脊髓和髋关节刺激系统，用于步态康复。本研究旨在通过随机对照试验评估FAST walk的效果。
方法：所有参与者被随机分配到三组：FAST walk与跑步机步态训练结合组（FAST walk组）；脊髓刺激与跑步机步态训练结合组（脊髓刺激组）；以及仅进行跑步机步态训练组（跑步机组）。参与者在FAST walk组、脊髓刺激组和跑步机组中进行了两次15分钟的跑步机步态训练，中间间隔5分钟。步态训练每周进行两次，共10次。主要结果是10米步行时间。次要结果包括步态分析的时间对称性指数（TSI）和条件-测试H反射研究中的脊髓交互抑制。
结果：本研究共有20名慢性中风患者参与，其中17人完成了研究。对于主要结果，在双向协方差分析（ANCOVA）中，时间与干预之间在10米步行时间上没有显著交互作用（P = 0.382，η2 = 0.064）。在FAST walk组中，10米步行时间在干预后和干预后4周显著改善（分别为P = 0.024和0.022）。在其他组别中，与干预前相比，干预后和干预后4周未见显著改善。此外，10米步行时间的组间差异也不显著。
结论：新开发的肌电图触发式经皮脊髓和髋关节刺激系统FAST walk安全且可能改善慢性中风患者的步态速度。然而，我们并未在FAST walk组、脊髓刺激组和跑步机组之间发现显著的组间差异。
引言：大多数中风患者都会出现步态障碍。康复医学的目标是帮助患者获得运动独立性，而改善步态功能是中风康复的主要目标之一。超过80%的中风患者表现出步态损伤。一项队列研究报告称，22%的中风患者未能恢复任何步行功能。80%的中风患者恢复了步态独立性，但步态速度有限。先前的研究表明，步态速度决定了完全社区行走、有限社区行走和家庭行走的分类，而步态损伤则决定了中风患者的参与度。
传统治疗师辅助的步态训练、肌肉强化、部分负重跑步机步态训练、机器人辅助步态训练和功能性电刺激已应用于步态康复。
最近，脊髓刺激已被应用于脊髓损伤、帕金森病和中风的步态康复中。超阈值腰骶部脊髓刺激产生了髋关节、膝关节和踝关节的平滑协调屈伸运动。这一发现表明，脊髓中存在一个脊髓运动回路。Minassian等人显示，胸椎11-12处的亚阈值经皮脊髓电刺激诱发了双侧股四头肌、腘绳肌、胫骨前肌和腓肠肌的后根肌反射。这表明亚阈值脊髓电刺激可能激活大直径的背根传入神经。腰骶部脊髓的脊髓电刺激通过激活大直径的背根传入神经调节运动神经元的活动。连续脊髓刺激诱导下肢的节律性肌电活动，亚阈值脊髓刺激增加了脊髓损伤大鼠下肢肌肉活动。
在站立后期的髋关节伸展可能会产生瘫痪下肢的初始摆动。交叉伸肌反射诱导髋关节的交替运动。髋关节伸展是交叉伸肌反射的一个强触发因素。由髋关节运动引起的髋感觉传入调节步态。在中风患者中，站立后期辅助髋关节伸展降低了初级感觉运动皮层的活动并促进了节奏协调的步态模式。假设辅助髋关节伸展会增强中风患者脊髓运动回路的活动和脊髓刺激的效果。
假设亚阈值脊髓刺激结合髋伸肌刺激可激活脊髓中的脊髓运动回路，从而促进步态。因此，我们开发了一种新的肌电图（EMG）触发经皮脊髓和髋关节刺激系统，称为FAST walk。
本研究旨在通过随机对照试验（RCT）评估FAST walk结合跑步机训练在慢性中风患者中的效果。我们假设FAST walk结合跑步机训练比单独使用脊髓刺激结合跑步机训练或仅跑步机训练更能改善步态功能。
方法：参与者来自顺天堂大学医院康复医学科门诊部，时间为2017年7月至2023年7月。
纳入标准如下：参与者通过脑计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）诊断为脑梗死或脑出血。从中风发作至今的时间大于5个月。参与者表现为偏瘫，年龄范围为20至80岁。他们的中风损害评估集（SIAS）髋屈曲测试、膝伸展测试和下肢位置评分≥1。参与者能够无辅助地半坐于椅子上并在跑步机上行走。
排除标准如下：(a)严重的心脏病；(b)不受控制的高血压；(c)急性疾病和发热；(d)近期有肺栓塞、急性肺心病或严重肺动脉高压病史；(e)严重的肝衰竭或肾衰竭；(f)妨碍运动的骨科并发症；(g)严重的认知障碍或精神疾病；(h)另一种代谢性疾病；(i)装有起搏器、脑夹或分流手术；(j)电刺激禁忌症。
所有参与者被随机分配到三个组：结合跑步机步态训练的脊髓刺激和髋伸肌电刺激（FAST walk）；结合跑步机步态训练的脊髓刺激（spinal stim）；以及仅跑步机步态训练（treadmill）。通过随机数表进行随机分组。
我们假设10米步行测试的变化差异为3.0秒，标准差为2秒，显著性水平为0.05，功效为0.8。每组估计样本量为7。因此，我们确定总样本量为30。
本研究得到了顺天堂大学医院伦理委员会的批准（CRB3180012），并在日本临床试验注册中心注册（JRCT注册ID：jRCTs032180289）。
所有参与者根据当地机构审查委员会批准的方案提供了书面知情同意书。本研究按照《赫尔辛基宣言》进行。
肌电图触发的经皮脊髓刺激和髋关节刺激（图1）。
图1
肌电图触发的经皮脊髓刺激和髋关节刺激。脊髓电刺激电极放置在第11-12胸椎棘突和胸骨下缘。阳极电极（10厘米×10厘米）放置在胸骨下缘，阴极电极（5厘米×7厘米）放置在第11-12胸椎棘突。无线表面肌电图（EMG）电极放置在未受影响的腓肠肌上。髋关节刺激通过表面刺激电极（5厘米×7厘米）应用于患侧臀大肌。髋关节刺激由未受影响的胫骨前肌（TA）肌肉的无线表面EMGs触发。
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脊髓电刺激电极放置在第11-12胸椎棘突和胸骨下缘。脊髓电刺激被认为可以刺激背根传入神经并激活脊髓运动回路。电流从阳极电极流向阴极电极。阴极电极下容易发生去极化。阳极电极（10厘米×10厘米）放置在胸骨下缘，阴极电极（5厘米×7厘米）放置在第11-12胸椎棘突。
无线表面肌电图（EMG）电极（带通滤波在20–250 Hz）放置在未受影响的腓肠肌上。脊髓电刺激由未受影响的腓肠肌EMG活动触发。触发线设置为未受影响的腓肠肌EMG振幅的0.2 mV。当未受影响的腓肠肌EMG振幅超过触发线时施加脊髓刺激。这意味着在受影响下肢的初始摆动和中期站立阶段施加脊髓电刺激。
刺激频率设置为100 Hz，单相脉冲宽度为1 ms。脊髓电刺激强度设置为感觉阈值的两倍。感觉阈值定义为参与者能感受到刺激的最小脊髓电刺激强度。
在FAST walk组中，除了脊髓刺激外，还通过表面刺激电极（5厘米×7厘米）将髋关节刺激施加到患侧的臀大肌。髋关节刺激强度设置为患侧臀大肌的运动阈值。运动阈值定义为引起患侧臀大肌可触及肌肉抽搐的最小强度。髋关节刺激频率设置为20 Hz以辅助瘫痪的髋关节伸展，单相脉冲宽度为1 ms。先前的研究表明，在低频电刺激下扭矩保留得更好，相较于高频电刺激。研究表明，20 Hz的低频电刺激可以有效地辅助髋关节运动，避免疼痛的同时保持低强度。髋关节刺激由未受影响的胫骨前肌（TA）肌肉的峰值表面EMG触发。无线表面EM电极（带通滤波在20–250 Hz）放置在未受影响的TA肌肉上。触发线设置为未受影响的TA肌肉EMG振幅的0.2 mV。当未受影响的TA肌肉EMG振幅超过触发线时施加髋关节刺激。
FAST walk系统由Pacific Supply Co.制造，尚未商业化。它已获得专利（日本6751881，美国10,668,281，中国ZL201680015103）。
肌电图信号收集在PC控制器中。肌电图在线监控在PC屏幕上，每次试验的触发线手动设置。PC无线连接到无线表面EMG设备和刺激器。刺激器有两个刺激通道，一个用于脊髓刺激，另一个用于髋关节刺激。
参与者在FAST walk、脊髓刺激和跑步机组中进行了两组15分钟的跑步机步态训练，中间间隔5分钟。在5分钟的间隔期间，参与者被要求坐下休息5分钟。步态训练每周进行两次，总共10次。
跑步机步态速度设定为舒适的速度，每个参与者在跑步机上以改良的Borg量表中等3级走15分钟。允许参与者使用他们在日常步态中使用的矫形器。
临床评估
在干预前、干预后和干预结束后的4周进行了10米步行测试、步态分析和脊髓交互抑制评估。
参与者在干预后和干预结束后4周之间未接受任何额外的物理治疗。
10米步行测试
主要结果是以舒适速度进行10米步行的时间。测试进行两次，记录更快的时间，精确到1/100秒。
步态分析
参与者被要求在压力感应跑步机（Noraxon Co.，Scottsdale，Arizona，USA）上以舒适速度行走5分钟。测量受影响和未受影响脚的站立和摆动阶段的时间。时间对称性指数（TSI）计算为（未受影响站立阶段（%）—受影响站立阶段（%））/0.5（未受影响站立阶段（%）+受影响站立阶段（%））。当TSI为0时，步态完全对称。
脊髓交互抑制（RI）
RI通过比目鱼肌H反射条件-测试范式进行评估。平均十个条件反射和十个测试H反射。H反射通过刺激腘窝处的胫神经（1毫秒矩形脉冲）诱发。测试比目鱼肌H反射幅度维持在最大复合肌肉动作电位（M max）的15-20%。对腓总神经的条件刺激在腓骨头下方施加。条件刺激的刺激强度设置为运动阈值（MT），定义为胫骨前肌（TA）的100 μV反应。条件-测试间隔设置为0、1、2、3和20毫秒。在每次会话开始时确定从0到3毫秒的最佳间隔，以产生交互抑制，并在整个过程中使用，定义为二突触交互抑制（RI0ms）。具有20毫秒刺激间隔的交互抑制定义为突触前交互抑制（RI20ms）。测定测试和条件测试H反射的平均值。RI的数量定义为：（平均测试H反射幅度 - 平均条件测试H反射幅度）/ 平均测试H反射幅度。
数据分析
结果表示为平均值和标准差。统计分析主要用于确定经皮脊髓和髋关节刺激系统在慢性中风患者中的疗效，并基于意向治疗原则进行数据分析。通过Shapiro-Wilk检验评估正态性。基线参数已知与结果相关。在本试验设计阶段的统计分析中考虑了基线协变量。因此，我们使用了协方差分析（ANCOVA）。使用基线测量作为协变量的双因素协方差分析（ANCOVA），因素为组（FAST walk、脊髓刺激和跑步机）和时间（干预前、干预后和干预后4周评估），以调查新开发的经皮脊髓刺激系统是否改善10米步行时间、TSI、RI0ms和RI20ms。我们将10米步行时间设为主要结果，进行事后分析以检测干预前后配对t检验的Bonferroni校正效应。对于其他次要结果，当ANCOVA显示出显著的主效应和交互作用时，使用带有Bonferroni调整的多重比较t检验进一步调查。显著性水平设定为P < 0.05。统计分析使用IBM SPSS版本29.0 for Windows（IBM Corp.，Armonk，NY，USA）进行。
结果
研究流程图如图2所示。共有20名参与者被招募并随机分配到FAST walk组（n = 7）、脊髓刺激组（n = 7）和跑步机组（n = 6）。两名参与者在预评估后因感染COVID-19退出研究，一名在后评估前因感染COVID-19退出研究。在所有三组中均未观察到与干预相关的不良事件。三组参与者的基线人口统计数据如表1所示。11名参与者使用动态踝足矫形器（FAST组4名，脊髓刺激组3名，跑步机组4名）。脊髓刺激的平均刺激强度为10.38 ± 2.02 mA。髋关节刺激的平均强度为17.42 ± 2.69 mA。
图2
CONSORT流程图
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表1 参与者的人口统计数据
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三组的主要和次要结果如表2所示。
表2 10米步行测试、时间对称性指数（TSI）和交互抑制比的变化
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对于主要结果，在双向ANCOVA中，10米步行时间没有显著的交互作用（F(4,26) = 0.480，P = 0.382，η2 = 0.064）。时间点的主效应接近显著（F(2,26) = 2.716，P = 0.085，η2 = 0.251）。我们未发现组间差异显著（F(2,13) = 0.571，P = 0.578，η2 = 0.081）。在FAST walk组中，10米步行时间在干预后和干预后4周显著改善（分别为P = 0.024和0.022）（图3）。在其他组中，未发现干预前与干预后和干预前与干预后4周之间的10米步行时间有显著改善（图3）。
图3
10米步行时间的变化。在FAST walk组中，10米步行时间（10MWT）在干预后和干预后4周显著改善（分别为P = 0.024和0.022）。我们在脊髓刺激组和跑步机组中未发现10MWT有任何显著变化。* 表示p < 0.05
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对于次要结果，双因素ANCOVA未显示组别和时间在TSI、RI0ms和RI20ms上的显著交互作用（TSI：F(4,18) = 1.111，P = 0.382，η2 = 0.064；RI0ms：F(4,24) = 0.966，P = 0.444，η2 = 0.139；RI20ms：F(4,24) = 0.202，P = 0.935，η2 = 0.033）。
讨论
我们开发了FAST walk EMG触发的经皮脊髓和髋关节刺激系统。FAST walk每周进行两次，持续5周，尽管在FAST walk、脊髓刺激和跑步机组之间未发现显著的组间差异，但其改善了慢性中风患者的步速。
与其他关于机器人技术和神经肌肉电刺激（NMES）的研究相比，本研究的训练量非常有限。在日本的健康保险制度下，慢性中风患者——即中风后超过6个月的患者——每月允许接受的康复时间少于260分钟。因此，本研究的训练时长设定为每周两次，共10次。
FAST walk结合了脊髓刺激和髋关节刺激。FAST walk系统在瘫痪中期站立阶段刺激髋伸肌。髋关节伸展是交叉伸肌反射的强诱导剂之一。假设额外刺激髋伸肌会增强瘫痪中期站立阶段的髋关节伸展。髋关节伸肌刺激结合脊髓刺激可能会通过交叉伸肌反射引起对侧髋关节屈曲。还假设增强瘫痪髋关节伸展和未受影响髋关节屈曲会改善步速。
经皮电脊髓刺激刺激背根传入神经并提升脊髓网络的兴奋性以促进运动。根据Hebbian规则，自愿激活运动神经元与亚阈值脊髓刺激的结合可以加强大脑和脊髓之间的突触连接。
经皮脊髓刺激改善了脊髓损伤患者的运动功能，但有一项研究表明它可以提高步速。
在本研究中，FAST组的平均步速从0.55提高到0.70 m/s，脊髓刺激组从0.90提高到1.16 m/s，跑步机组从0.90提高到1.09 m/s。三组的平均步速改善超过了慢性中风患者的最低临床重要差异（MCID）0.15 m/s。然而，FAST组的步行速度显著改善，而脊髓刺激组和跑步机组则没有。先前的一项病例系列研究表明，脊髓刺激结合45分钟步态训练，每周3次，持续8周，改善的步速超过了MCID。与先前的病例系列研究相比，本研究的训练量非常小，仅为5周内每周2次，每次30分钟的步态训练。本随机对照试验未显示三组在步速改善方面的显著差异，但FAST组内的10米步行时间差异显著。因此，推测FAST walk系统可能有助于改善慢性中风患者的步速。
我们假设脊髓刺激通过背根传入神经刺激脊髓中间神经元。预计FAST walk组和脊髓刺激组都会改变脊髓交互抑制。在本研究中，三组之间未发现脊髓交互抑制的显著变化。参与者被允许使用他们在日常步态中使用的矫形器。使用矫形器，一些参与者可能不会自愿激活踝关节背屈肌。踝关节运动受到限制，因此可能难以改变控制踝关节背屈和跖屈的脊髓交互抑制。使用踝足矫形器的案例为11名参与者，FAST组4名，脊髓刺激组3名，跑步机组4名。在FAST walk组中，4名参与者使用了踝足矫形器，3名参与者未使用矫形器。由于案例数量较少，我们无法统计比较使用矫形器结合FAST walk的效果。
脊髓交互抑制根据步态阶段的不同而相依调制。在本研究中，由于无法在步态期间评估RI，因此在静息状态下评估RI。经皮脊髓刺激结合踩踏显示脊髓交互抑制的相依调制，表明脊髓刺激的效果是相依的。在本研究中，脊髓刺激由未受影响的比目鱼肌EMG活动触发。这意味着脊髓刺激应用于受影响下肢的早期摆动阶段和中期站立阶段。这可能是静息状态下未受影响比目鱼肌中未发现显著变化的原因之一。
在本研究中，我们未评估痉挛的变化，而是评估了脊髓交互抑制。脊髓交互抑制值显示超过1.0或大约1.0。这意味着参与者在瘫痪下肢中表现出轻度或中度痉挛。
参与者表现出一些痉挛，但他们可以在跑步机上使用或不使用矫形器行走。在本研究中，我们未发现脊髓交互抑制的任何显著变化。
在未来的研
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