Spinal cord injury and aerobic capacity: chronic and acute effects from arm-crank exercise, lower extremity functional electrical stimulation and leg vascular occlusion

Abstract

Denne avhandlingen rapporterer effekt fra ulike treningsmodaliteter og en treningsintervensjon på aerob kapasitet hos personer med ryggmargsskade. En skade i ryggmargen fører til varierende grad av bortfall av sensorisk og motorisk funksjon under skadenivået. Generelt er ryggmargsskadde beskrevet som en inaktiv gruppe, men deres inaktivitet er ikke alltid selvvalgt. Ryggmargsskaden i seg selv forårsaker inaktivitet og redusert utholdenhet. Kort oppsummert er redusert utholdenhet (målt som maksimalt oksygenopptak) for denne gruppen relatert til mindre aktiv muskelmasse under trening, redusert autonom regulering for de med skader over thorakal virvel 6, og et ofte manglende tilrettelagt treningstilbud.

Per dato er det kombinasjonen av funksjonell elektrisk stimulering og arm sykling (FES hybrid sykling) som har vist størst effekt på økt utholdenhet for ryggmargsskadde. Effekt fra denne treningsformen er i hovedsak relatert til økt rekruttering av muskulatur under trening og økt retur av blod til hjertet via aktivisering av muskel vene pumpen. Det er for øvrig ikke kjent hvorvidt denne type trening har effekt på hjertefunksjon, målt som hjertets slagvolum. Trening i intervaller på høy intensitet (85 % -95 % av maksimal hjerte frekvens) har hos funksjons-friske vist å være mest effektivt for økt utholdenhet og hjertefunksjon.

Vi trente en gruppe med ryggmargsskadde i 8 uker, 3 dager i uka, i FES hybrid sykling høy intensitets intervaller på 85-95 % av maksimal arm-ergometer belasting. Dette resulterte i en betydelig økt hjertefunksjon og utholdenhet for denne gruppen.

En utfordring med FES hybrid sykling er ressurskrav i forhold til assistanse, tidsbruk og tilgjengelighet. Derfor har vi testet flere antatt mindre ressurskrevende modaliteter med fokus på spesifikke strategier for å øke tilbake-strøm av blod til hjertet; 1)avklemming av blodtilførsel til beina med hjelp av trykk mansjetter rundt begge lår kombinert med armergometer sykling og 2) funksjonelle elektro-stimulerte isometriske muskel kontraksjoner i beina med hjelp av et håndholdt FES apparat kombinert med arm-ergometer sykling, og sammenlignet disse med arm- ergometer sykling alene, som er den mest anvendte og tilgjengelige treningsmåten, og FES hybrid sykling som har vist størst effekt på utholdenhet for ryggmargsskadde. For de med skader over thorakal virvel 6 (brystnivå), viste det seg at både FES isometriske muskel kontraksjoner og stopp av blodtilførsel til beina økte utholdenheten betydelig sammenlignet med arm-ergometer sykling alene. Hos de med skader under thorakal virvel 6, ble det ikke funnet forskjeller mellom noen av treningsformene.

The present thesis reports on effects on aerobic capacity from different exercise modalities and one exercise training intervention for individuals with spinal cord injury (SCI). A SCI results in varying degrees of loss of sensory and motor function below the level of injury. Individuals with SCI are described as sedentary, however their inactivity is not always chosen. The injury in itself causes inactivity and a reduced aerobic capacity. In summary, a low aerobic capacity (measured as maximal oxygen uptake) in this population is related to a reduced amount of muscle mass during exercise, impaired autonomic nervous system regulation (in individuals with level of injury at or above the 6th thoracic level) and lack of adapted training opportunities.

At present, the most effective exercise modality in terms of increasing aerobic capacity for individuals with SCI is the combination of functional electrical stimulation leg cycling and arm-crank exercise (FES hybrid cycling). The mechanism behind the effect from this modality is mainly associated with recruitment of muscle mass during training and an increased venous return of blood to the heart through activation of the muscle-venous pump. It is not known whether this type of training have an effect on myocardial function (measured as stroke volume). Aerobic high intensity intervals at 85 -95 % of maximal heart rate have in the able-bodied population shown to be the most effective in terms of improving aerobic capacity and myocardial function.

A group if SCI individuals exercised for 8 weeks, 3 days a week in FES hybrid cycling aerobic high intensity intervals at 85-95% of maximal arm- crank exercise workload. This resulted in a significant increase in myocardial function and aerobic capacity for this group. A challenge with FES hybrid cycling is the high resource demands in terms of need for assistance, time used for preparation and availability. Therefore, in the present thesis we have tested other presumably less resource demanding modalities with focus on specific strategies to increase venous return to the heart; 1)occlusion of blood to the lower extremities with manual cuffs around each thigh combined with arm-crank exercise and 2) FES isometric muscle contractions (no leg movement) by using a portable FES apparatus in combination with arm- crank exercise, and compared the effect from these modalities with arm-crank exercise alone, which is the most common mode of training for wheelchair users, and FES hybrid cycling which has been found the most superior mode in terms of improving aerobic capacity for individuals with SCI. For individuals with injury level at or above the 6th thoracic vertebra (chest), the portable FES apparatus and occlusion of blood flow to the lower extremities both resulted in significantly higher aerobic capacity compared to arm–crank exercise alone. However, no difference between the exercise modalities for the individuals with level of injury below the 6th thoracic vertebra was seen.