TY - THES A1 - Engel, Tilman T1 - Motor control strategies in response to unexpected disturbances of dynamic postural control in people with and without low back pain T1 - Strategien der Bewegungskontrolle nach unerwarteten Störungen der dynamischen posturalen Kontrolle in Personen mit und ohne Rückenschmerzen N2 - Background: Low back pain (LBP) is one of the world wide leading causes of limited activity and disability. Impaired motor control has been found to be one of the possible factors related to the development or persistence of LBP. In particularly, motor control strategies seemed to be altered in situations requiring reactive responses of the trunk counteracting sudden external forces. However, muscular responses were mostly assessed in (quasi) static testing situations under simplified laboratory conditions. Comprehensive investigations in motor control strategies during dynamic everyday situations are lacking. The present research project aimed to investigate muscular compensation strategies following unexpected gait perturbations in people with and without LBP. A novel treadmill stumbling protocol was tested for its validity and reliability to provoke muscular reflex responses at the trunk and the lower extremities (study 1). Thereafter, motor control strategies in response to sudden perturbations were compared between people with LBP and asymptomatic controls (CTRL) (study 2). In accordance with more recent concepts of motor adaptation to pain, it was hypothesized that pain may have profound consequences on motor control strategies in LBP. Therefore, it was investigated whether differences in compensation strategies were either consisting of changes local to the painful area at the trunk, or also being present in remote areas such as at the lower extremities. Methods: All investigations were performed on a custom build split-belt treadmill simulating trip-like events by unexpected rapid deceleration impulses (amplitude: 2 m/s; duration: 100 ms; 200 ms after heel contact) at 1m/s baseline velocity. A total number of 5 (study 1) and 15 (study 2) right sided perturbations were applied during walking trials. Muscular activities were assessed by surface electromyography (EMG), recorded at 12 trunk muscles and 10 (study 1) respectively 5 (study 2) leg muscles. EMG latencies of muscle onset [ms] were retrieved by a semi-automatic detection method. EMG amplitudes (root mean square (RMS)) were assessed within 200 ms post perturbation, normalized to full strides prior to any perturbation [RMS%]. Latency and amplitude investigations were performed for each muscle individually, as well as for pooled data of muscles grouped by location. Characteristic pain intensity scores (CPIS; 0-100 points, von Korff) based on mean intensity ratings reported for current, worst and average pain over the last three months were used to allocate participants into LBP (≥30 points) or CTRL (≤10 points). Test-retest reproducibility between measurements was determined by a compilation of measures of reliability. Differences in muscular activities between LBP and CTRL were analysed descriptively for individual muscles; differences based on grouped muscles were statistically tested by using a multivariate analysis of variance (MANOVA, α =0.05). Results: Thirteen individuals were included into the analysis of study 1. EMG latencies revealed reflex muscle activities following the perturbation (mean: 89 ms). Respective EMG amplitudes were on average 5-fold of those assessed in unperturbed strides, though being characterized by a high inter-subject variability. Test-retest reliability of muscle latencies showed a high reproducibility, both for muscles at the trunk and legs. In contrast, reproducibility of amplitudes was only weak to moderate for individual muscles, but increased when being assessed as a location specific outcome summary of grouped muscles. Seventy-six individuals were eligible for data analysis in study 2. Group allocation according to CPIS resulted in n=25 for LBP and n=29 for CTRL. Descriptive analysis of activity onsets revealed longer delays for all muscles within LBP compared to CTRL (trunk muscles: mean 10 ms; leg muscles: mean 3 ms). Onset latencies of grouped muscles revealed statistically significant differences between LBP and CTRL for right (p=0.009) and left (p=0.007) abdominal muscle groups. EMG amplitude analysis showed a high variability in activation levels between individuals, independent of group assignment or location. Statistical testing of grouped muscles indicated no significant difference in amplitudes between LBP and CTRL. Discussion: The present research project could show that perturbed treadmill walking is suitable to provoke comprehensive reflex responses at the trunk and lower extremities, both in terms of sudden onsets and amplitudes of reflex activity. Moreover, it could demonstrate that sudden loadings under dynamic conditions provoke an altered reflex timing of muscles surrounding the trunk in people with LBP compared to CTRL. In line with previous investigations, compensation strategies seemed to be deployed in a task specific manner, with differences between LBP and CTRL being evident predominately at ventral sides. No muscular alterations exceeding the trunk could be found when being assessed under the automated task of locomotion. While rehabilitation programs tailored towards LBP are still under debate, it is tempting to urge the implementation of dynamic sudden loading incidents of the trunk to enhance motor control and thereby to improve spinal protection. Moreover, in respect to the consistently observed task specificity of muscular compensation strategies, such a rehabilitation program should be rich in variety. N2 - Hintergrund: Unterer Rückenschmerz (LBP) stellt eine der weltweit führenden Ursachen für eine eingeschränkte körperliche Funktion und Belastbarkeit dar. Defizite in der neuromuskulären Ansteuerung gelten als einer der möglichen Faktoren im Zusammenhang mit der Entstehung und Persistenz von LBP. Insbesondere in Situationen, die eine aktive Kompensation von plötzlich auftretenden Lasten am Rumpf beinhalten, konnten veränderte Strategien in der muskulären Antwort bei LBP aufgezeigt werden. Allerdings basierten solche Untersuchungen meistens auf (quasi) statischen Testsituationen unter vereinfachten Laborbedingungen. Ob die beobachteten muskulären Reaktionen isolierter Rumpfbelastungen repräsentativ sind für eine neuromuskuläre Ansteuerung unter dynamischen Alltagsbedingungen ist bisher nicht geklärt. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, muskuläre Kompensationsstrategien in Folge unerwarteter Gangperturbationen bei Personen mit und ohne LBP zu untersuchen. Um muskuläre Reflexantworten am Rumpf und an den unteren Extremitäten zu provozieren wurde ein neu entwickeltes Laufband-Stolperprotokoll auf Validität und Reliabilität getestet (Studie 1). Aufbauend erfolgte der Vergleich neuromuskulärer Antworten in Reaktion auf plötzlich applizierte Gangperturbationen zwischen Personen mit LBP und asymptomatischen Kontrollpersonen (CTRL) (Studie 2). In Übereinstimmung mit aktuellen Modellen zur motorischen Anpassung bei Schmerzen wurde untersucht, ob Unterschiede in den beobachteten Kompensationsstrategien auf lokale Veränderungen am Rumpf reduziert sind, oder ebenfalls in rumpffernen Körperregionen auftreten. Methoden: Alle Untersuchungen wurden mit einem Spezial-Laufband durchgeführt, welches mittels unerwarteter schneller Abbremsimpulse (Amplitude: 2 m/s, Dauer: 100 ms, 200 ms nach Fersenkontakt) die Simulation von Stolperereignissen während der Gangbewegung (1 m/s) erlaubt. Eine Anzahl von 5 (Studie 1) bzw. 15 (Studie 2) rechtsseitigen Perturbationen wurde im Verlaufs des Stolperprotokolls appliziert. Muskuläre Aktivitäten wurden mittels Elektromyographie (EMG) von 12 Rumpf- sowie 10 (Studie 1) bzw. 5 (Studie 2) Beinmuskeln aufgezeichnet. EMG-Latenzen wurden mittels eines halb-automatischen Detektions-Verfahrens ermittelt. Die Berechnung der EMG Amplituden (RMS) erfolgte für den Zeitraum von 200 ms nach Perturbation, normiert auf den gesamten Schrittzyklus des unperturbierten Ganges [%]. Latenz- und Amplituden-Messgrößen wurden für jeden Muskel individuell und für gepoolte Daten (gruppiert nach Lokalisation) berechnet. Charakteristische Schmerzintensitätswerte (CPIS, 0-100 Punkte, von Korff), basierend auf gemittelten Angaben zu akuten, sowie höchsten und durchschnittlichen Schmerzen der letzten drei Monate wurden zur Einteilung in LBP (≥30 Punkte) und CTRL (≤ 10 Punkte) verwendet. Zur Beurteilung der Test-retest Reliabilität wurden verschiedene Reliabilitätsparameter herangezogen. Unterschiede in den Muskelaktivitäten zwischen LBP und CTRL wurden für individuelle Muskeln deskriptiv analysiert. Gepoolte Daten gruppierter Muskeln wurden mittels multivariater Varianzanalyse (MANOVA; α = 0,05) statistisch getestet. Ergebnisse: Ergebnisse von 13 Probanden wurden für die Analyse von Studie 1 herangezogen. EMG-Latenzen zeigten Muskelaktivitäten repräsentativ für Reflexantworten im Nachgang applizierter Gangperturbationen, sowohl an Rumpf- als auch an Beinmuskulatur (Mittelwert: 89 ms, Range: 75 bis 117 ms). EMG-Amplituden erreichten im Durchschnitt ein 5-fach erhöhtes Aktivitätsniveau innerhalb des 200 ms Zeitfensters nach Perturbation (Range: 106 bis 909 RMS%), jedoch gezeichnet von einer hohen interindividuellen Variabilität zwischen den Probanden. Eine hohe Reproduzierbarkeit für EMG-Latenzen konnte anhand der Reliabilitätsparameter aufgezeigt werden. EMG-Amplituden dagegen erwiesen sich als nur geringfügig reliabel bei der Betrachtung individueller Muskeln. Für die Datenanalyse in Studie 2 waren 76 Probanden geeignet. Die Gruppenzuteilung nach CPIS ergab n = 25 für LBP und n = 29 für CTRL. EMG-Latenzen zeigten eine erhöhte Aktivitätsverzögerung aller Muskeln für LBP im Vergleich zu CTRL (Rumpf: Mittelwert 10 ms; Bein: Mittelwert 3 ms). EMG-Latenzen gruppierter Muskeln zeigten statistisch signifikante Unterschiede zwischen LBP und CTRL für rechtsseitige (p=0,009) und linksseitige (p=0,007) abdominale Muskelgruppen. EMG-Amplituden waren geprägt von einer hohen interindividuellen Variabilität, unabhängig von Gruppenzuordnung oder Lokalisation. Diskussion: Das vorliegende Forschungsprojekt konnte belegen, dass Gangperturbationen dafür geeignet sind, umfassende Reflexantworten am Rumpf und den unteren Extremitäten zu provozieren. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass unerwartete Gangperturbationen zu einer zeitlich verzögerten Reflexantwort der rumpfumgreifenden Muskulatur bei Personen mit LBP im Vergleich zur Kontrollgruppe führen. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen vorheriger Untersuchungen erscheinen dabei die gewählten Kompensationsstrategien aufgabenspezifisch angepasst zu sein. Veränderte muskuläre Reaktionsmuster abseits des Rumpfes konnten trotz Einbezug weiterer Lokalisationen nicht gefunden werden. Gegenüber isolierten Rumpfbelastungen erlaubt der Einsatz indirekter Perturbationsbelastungen während des Ganges alltagsrelevante situationsspezifische Defizite neuromuskulärer Kontrolle gezielt zu untersuchen. Bei der Erstellung neuer Theapiekonzepte zur Steigerung der neuromuskulären Kontrolle sollte in diesem Zusammenhang die Einbindung alltagsähnlicher indirekter Belastungsformen des Rumpfes diskutiert werden. KW - low back pain KW - trunk KW - perturbation KW - EMG KW - reflex KW - stumbling KW - Rückenschmerz KW - Rumpf KW - Perturbationen KW - Gang KW - Stolpern KW - Reflexaktivität Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-400742 ER - TY - THES A1 - Schultheiss, Corinna T1 - Die Bewertung der pharyngalen Schluckphase mittels Bioimpedanz T1 - The valuation of the pharyngeal phase of swallowing by means of bioimpedance BT - Evaluation eines Mess- und Diagnostikverfahrens BT - evaluation of a measuring procedure and diagnostics procedure N2 - Schlucken ist ein lebensnotwendiger Prozess, dessen Diagnose und Therapie eine enorme Herausforderung bedeutet. Die Erkennung und Beurteilung von Schlucken und Schluckstörungen erfordert den Einsatz von technisch aufwendigen Verfahren, wie Videofluoroskopie (VFSS) und fiberoptisch-endoskopische Schluckuntersuchung (FEES), die eine hohe Belastung für die Patienten darstellen. Beide Verfahren werden als Goldstandard in der Diagnostik von Schluckstörungen eingesetzt. Die Durchführung obliegt in der Regel ärztlichem Personal. Darüber hinaus erfordert die Auswertung des Bildmaterials der Diagnostik eine ausreichend hohe Erfahrung. In der Therapie findet neben den klassischen Therapiemethoden, wie z.B. diätetische Modifikationen und Schluckmanöver, auch zunehmend die funktionelle Elektrostimulation Anwendung. Ziel der vorliegenden Dissertationsschrift ist die Evaluation eines im Verbundprojekt BigDysPro entwickelten Bioimpedanz (BI)- und Elektromyographie (EMG)-Messsystems. Es wurde geprüft, ob sich das BI- und EMG-Messsystem eignet, sowohl in der Diagnostik als auch in der Therapie als eigenständiges Messsystem und im Rahmen einer Schluckneuroprothese eingesetzt zu werden. In verschiedenen Studien wurden gesunde Probanden für die Überprüfung der Reproduzierbarkeit (Intra-und Interrater-Reliabilität), der Unterscheidbarkeit von Schluck- und Kopfbewegungen und der Beeinflussung der Biosignale (BI, EMG) durch verschiedene Faktoren (Geschlecht der Probanden, Leitfähigkeit, Konsistenz und Menge der Nahrung) untersucht. Durch zusätzliche Untersuchungen mit Patienten wurde einerseits der Einfluss der Elektrodenart geprüft. Andererseits wurden parallel zur BI- und EMG-Messung auch endoskopische (FEES) und radiologische Schluckuntersuchungen (VFSS) durchgeführt, um die Korrelation der Biosignale mit der Bewegung anatomischer Strukturen (VFSS) und mit der Schluckqualität (FEES) zu prüfen. Es wurden 31 gesunde Probanden mit 1819 Schlucken und 60 Patienten mit 715 Schlucken untersucht. Die Messkurven zeigten einen typischen, reproduzierbaren Signalverlauf, der mit anatomischen und funktionellen Änderungen während der pharyngalen Schluckphase in der VFSS korrelierte (r > 0,7). Aus dem Bioimpedanzsignal konnten Merkmale extrahiert werden, die mit physiologischen Merkmalen eines Schluckes, wie verzögerter laryngealer Verschluss und Kehlkopfhebung, korrelierten und eine Einschätzung der Schluckqualität in Übereinstimmung mit der FEES ermöglichten. In den Signalverläufen der Biosignale konnten signifikante Unterschiede zwischen Schluck- und Kopfbewegungen und den Nahrungsmengen und -konsistenzen nachgewiesen werden. Im Gegensatz zur Nahrungsmenge und -konsistenz zeigte die Leitfähigkeit der zu schluckenden Nahrung, das Geschlecht der Probanden und die Art der Elektroden keinen signifikanten Einfluss auf die Messsignale. Mit den Ergebnissen der Evaluation konnte gezeigt werden, dass mit dem BI- und EMG-Messsystem ein neuartiges und nicht-invasives Verfahren zur Verfügung steht, das eine reproduzierbare Darstellung der pharyngalen Schluckphase und ihrer Veränderungen ermöglicht. Daraus ergeben sich vielseitige Einsatzmöglichkeiten in der Diagnostik, z.B. Langzeitmessung zur Schluckfrequenz und Einschätzung der Schluckqualität, und in der Therapie, z.B. der Einsatz in einer Schluckneuroprothese oder als Biofeedback zur Darstellung des Schluckes, von Schluckstörungen. N2 - Swallowing is a vital process. Its diagnosis and therapy represent enourmous medical challenges. The detection and assessment of swallows and swallowing disorders require elaborate techniques such as videofluoroscopy (VFSS) and fiberoptic endoscopic evaluation of swallowing (FEES), which entail a high burden for the patient. Both methods are currently used as a goldstandard in the diagnosis and therapy of swallowing disorders. The measurements must, in general, be performed and evaluated by experienced medical personnel. In therapy, dietary modifications and swallowing maneuvers are common methods. But also functional electrical stimulation (FES) is increasingly used. The goal of this doctoral thesis was the evaluation of the combined bioimpedance (BI) and electromyography (EMG) measurement system that was developed within the research project BigDysPro. In particular, it should be examined whether the system can be used in the diagnosis and therapy of swallowing disorders as an independent measurement system and in the context of a swallowing neuroprosthesis. Several studies were conducted with healthy subjects to assess the reproducibility of the measurements, the distinction of swallowing from head movements, and the influence of different factors (i.e. the subject's gender as well as amount, consistency, and conductivity of the food) on the bioimpedance and electromyography. In additional experiments with patients, the influence of the electrode type, i.e. surface vs. needle electrodes, was examined. Furthermore, patients were examined with FEES and VFSS in parallel measurements with the new system. Thereby, the correlation of the BI and EMG signals with movements of anatomical structures (VFSS) and with the swallowing quality (FEES) was assessed. In these studies, 31 healthy subjects with 1819 swallows and 60 patients with 715 swallows were examined. The measured signals show a typical, reproducable run of the curve, that correlates with the anatomical and functional alterations observed by videofluoroscopy during the pharyngeal phase of swallowing (r > 0, 7). From the curve of the bioimpedance, features were extracted to assess the quality of swallowing. These features were demonstrated to correlate with physiological phenomena, such as delayed laryngeal closure and larynx elevation. Therefore, they were used to assess the swallow quality in accordance with fiberoptic endoscopic examination of swallowing. Significant differences were found in the measurement signals of swallows and head movements, as well as in the signals from different food amounts and consistencies. In contrast, the conductivity of the food, the gender of the subjects, and the type of electrodes had no significant effect on the curve of the bioimpedance and the electromyography. From the results of the evaluation, it is concluded that the combined bioimpedance and electromyography measurement system represents a novel, non-invasive tool. It enables the reproducible assessment of the pharyngeal phase of swallowing. In diagnosis, the system might be used, e.g., in long-time measurements for the assessment of swallowing frequency and quality. In therapy, the method can be implemented in a swallowing neuroprosthesis or might be used in a biofeedback system. T3 - Spektrum Patholinguistik - Schriften - 7 KW - pharyngale Schluckphase KW - Schluckstörungen KW - Bioimpdanz KW - EMG KW - pharyngeal phase of swallowing KW - dysphagia KW - bioimpedance KW - emg Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69589 SN - 978-3-86956-284-1 SN - 1869-3822 SN - 1869-3830 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER -