elbow extension using anterior deltoids and upper pectorals in spinal cord-injured subjects

8/4/2019 Elbow Extension Using Anterior Deltoids and Upper Pectorals in Spinal Cord-Injured Subjects

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E l b o w E x t e n s i o n U s i n g A n t e r i o r D e l t o i d s a n d U p p e r P e c t o r a l si n S p i n a l C o r d - I n j u r e d S u b j e c t sMich ael A . M arciel lo , MD , G erald J . Herb i son , MD, M ichel le E . Cohen , P hD, Richa rd Schmidt , PhD

A B S T R A C T . M a r c i e l lo M A , H e r b i s o n G J , C o h e n M E , S c h m i d t R . E l b o w e x t e n s io n u s i n g a n t e r io r d e l to i d s a n du p p e r p e c t o r a l s in s p i n a l c o r d - i n j u r e d s u b j e c t s . A r c h P h y s M e d R e h a b i l 1 9 9 5 ; 7 6 : 4 2 6 - 3 2 . Objective: S u r f a c e e l e c t r o m y o g r a p h y w a s u s e d t o i d e n t if y m u s c l e s a c t i v e i n is o m e t r i c e l b o w e x t e n s i o n i n s p in a lc o r d - i n j u r e d ( S C I ) p at ie n t s. Design: T e t r a p l e g i c s u b j e c t s p a r t i c i p a t e d i n th i s c o h o r t s t u d y a i m e d a t i d e n t if y i n gs o m e o f t h e m u s c l e s t h a t a r e a c t iv e d u r i n g i s o m e t r i c e lb o w e x t e n s i o n . Setting: R e g i o n a l S p i n a l C o r d I n j u r y ( S C I )C e n t e r . Patients: T h e p a t i e n t s h a d t o h a v e a C 6 m o t o r l e v e l o n t h e r ig h t s i d e ( w r i s t e x t e n s o r > - 3 /5 ) w i t h 0 /5 o r1 /5 e l b o w e x t e n s o r m u s c l e p o w e r . O f 3 2 p a t ie n t s w h o c o u l d b e c o n t a c t e d b y t e l e p h o n e , 6 e v e n t u a l l y w e r e a b l e t om a k e i t t o t h e S C I c e n t e r f o r t e st i n g . M ea su remen t s : T h e p a t i e n t s p e r f o r m e d a s e r i e s o f i s o m e t r i c e l b o w e x t e n s i o nc o n t r a c ti o n s o f 2 5 % , 5 0 % , an d 7 5 % o f m a x i m u m v o l u n t a ry c o n t r a ct i o n ( M V C ) a s m e a s u r e d b y a f o r c e t r a n sd u c e r .S u r f a c e e l e c t r o m y o g r a p h y ( E M G ) o f t h e ri g h t e l b o w e x t e n s o r , a n t e r i o r d e lt o i d , a n d u p p e r p e c t o r a l m u s c l e s w a sm e a s u r e d u s i n g t h e r o o t m e a n s q u a r e ( r m s ) o f t h e a m p l i t u d e o f t h e m o t o r u n i t a c t i v it y a s t h e p a r a m e t e r o fm u s c l e a c t iv i t y . S t a t is t ic a l a n a l y s e s w e r e p e r f o r m e d u s i n g a r e p e a t e d a n a l y s i s o f v a r i a n c e ( A N O V A ) w i t h T u k e yp o s t - h o c H S D f o r ea c h p e r c e n ta g e o f M V C . Resul ts: F o r e a c h m u s c l e t e s t e d , t h e r e w a s s i g n i f i c a n t l y (17 < 0 . 0 5 )g r e a t er r m s a c t iv i ty f o r ea c h p e r c e n ta g e o f M V C e x c e p t b e tw e e n 5 0 % a n d 7 5 % M V C o f th e e lb o w e x t e n s o rm u s c l e . H o w e v e r , t h e e l b o w e x t e n s o r m u s c l e ha d m i n i m a l E M G a c t iv i ty w h e n c o m p a r e d w i t h t he a m p l i tu d e o ft h e r m s a c t i v it y o f th e a n t e r i o r d e l t o id a n d u p p e r p e c t o r a l m u s c l e s f o r e a c h p e r c e n t a g e o f M V C . Conclusion:T h e r e s u l t s o f th e s t u d y s u g g e s t t h a t t h e a n t e r i o r d e l to i d a n d t h e u p p e r p e c t o r a l m u s c l e s e x e r t a n i s o m e t r i c e l b o we x t e n s i o n f o r c e f o r C 6 q u a d r i p l e g i c p a t i e n t s . 1995 by the American Congress o f Rehabi li ta t ion Medicine and the Am erican Academ y o f Physica l Medicine andRehabilitation

C e r v i c a l s p i n a l c o r d i n j u r y ( S C I ) r e s u l t s i n p a r ti a l o r c o m -p l e t e p a r a ly s i s o f m u s c l e s o f t h e u p p e r e x t r e m i t y m a k i n gm a n y d a i l y a c t i v i t i e s d i f f i c u l t i f n o t i m p o s s i b l e t o p e r f o r m .S o m e i n v e s t i g a t o r s s u g g e s t e d t h a t th e a b i l i t y t o p e r f o r m c e r -t a i n ac t i v i t i e s i s b ased o n c r i t i ca l l ev e l s o f n eu ro lo g i c i n ju ry .Y a r k o n y e t a l ~ r e p o r t e d t h a t C 6 m o t o r l e v e l q u a d r i p l e g i cp a t i e n t s h a d a g r e a t e r l e v e l o f i n d e p e n d e n c e o f s e l f - c a r et a s k s t h a n C 5 m o t o r l e v e l p a t i e n ts . W e l c h e t a l 2 r e p o r t e dt h a t p a t i e n t s w i t h a C 7 n e u r o l o g i c a l l e v e l h a d t h e g r e a t e s ti n d e p e n d e n c e o f s e l f - c a r e a n d c o n c l u d e d t h a t a f u n c t i o n a lt r i c e p s m u s c l e i s c r i t ic a l i n p e r f o r m i n g a c t i v i t ie s o f d a i l yl i v in g .

T h e t r i c e p s , a C 7 l e v e l m u s c l e , i s c o n s i d e r e d t h e p r i m a r ye l b o w e x t e n s o r . 3 6 P a r a l y s i s o f t h e t r i c e p s m u s c l e w o u l d r e -s u l t i n t h e l a c k o f a c t i v e e l b o w e x t e n s i o n a n d t h u s l i m i t t h ew o r k c a p a c i t y o f t h e u p p e r e x t r e m i ty . 6 S o m e r e s e a r c he r sh a v e p a i n s t a k i n g l y t r i e d t o r e s t o r e t h i s e l b o w e x t e n s i o n b ys u r g i c a l l y a t t a c h i n g t h e p o s t e r i o r d e l t o i d m u s c l e t o t h e t r i -c e p s t e n d o n v i a a t e n d o n g r a f t. 7'8 O t h e r s h a v e u s e d f u n c t i o n a ln e u r o m u s c u l a r s t i m u l a t i o n t o a c h i e v e e l b o w e x t e n s i o n . 6

F r o m t h e D e p a r t m e n t s o f R e h a b i l i t a t i o n M e d i c i n e ( D r s . M a r c i e l l o , H e r b i s o n , C o -h e n ) , a n d A n a t o m y a n d D e v e l o p m e n t a l B i o l o g y ( D r . S e h m i d t ) , J e ff e r so n M e d i c a lC o l l e g e , T h o m a s J e f f e r s o n U n i v e r s i t y , P h i l a d e l p h i a , P A .S u p p o r t e d i n p a r t b y a n a w a r d f r o m t h e N a t i o n a l I n s t i t u t e o n D i s a b i l i t y a n d R e h a b i l i -t a t i o n R e s e a r c h t o t h e R e g i o n a l S p i n a l C o r d I n j u r y C e n t e r o f t h e D e l a w a r e V a l l e y( G 0 0 8 5 3 5 1 3 5 ) .S u b m i t t e d f o r p u b l i c a t i o n J u l y 7 , 1 9 9 4 . A c c e p t e d i n r e v i s e d f o r m N o v e m b e r 1 6 ,1 9 9 4 .N o c o m m e r c i a l p a r t y h a v i n g a d i r e c t f i n a n c i a l i n t er e s t i n t h e r e s u l t s o f t h e r e s e a r c hs u p p o r t i n g t h is a r t i c l e h a s o r w i l l c o n f e r a b e n e f i t u p o n t h e a u t h o r s o r u p o n a n yo r g a n i z a ti o n w i t h w h i c h the authors a r e a s s o c i a t e d .R e p r i n t r e q u e s t s to G e r a l d J . H e r b i s o n , M D , D e p a r t m e n t o f R e h a b i l i t a t i o n M e d i c i n e ,T h o m a s J e f f e r s o n U n i v e r s i t y H o s p i t a l , 1 0 1 5 W a l n u t S t r e e t , S u i t e 6 1 7 , P h i l a d e l p h i a ,P A 1 9 1 0 7 . 1 9 9 5 b y t h e A m e r i c a n C o n g r e s s o f R e h a b il i t at i o n M e d i c i n e a n d t h e A m e r i c a nA c a d e m y o f P h y s i c a l M e d i c i n e a n d R e h a b i li t a ti o n0 0 0 3 - 9 9 9 3 / 9 5 / 7 6 0 5 - 3 1 4 5 5 3 . 0 0 / 0

I t h a s b e e n o b s e r v e d i n a S C I c e n t e r t h a t s o m e C 5 a n d C 6m o t o r l e v e l q u a d r i p l e g i c p a t i e n t s w i t h t h e l o s s o f v o l u n t a r ym u s c l e a c t i v i t y o f t h e t r i c e p s h a v e r e t a i n e d t h e a b i l i ty t oe x t e n d t h e e l b o w i n a c l o s e d k i n e t i c c h a i n s y s t e m . S t e i n d l e r 9d e f i n e d a c l o s e d k i n e t i c c h a i n a s o n e i n w h i c h t h e t e r m i n a lp a r t o f th e e x t r e m i t y m e e t s w i t h r e s i s t a n c e a n o b j e c t th a tr e s t r a in s i t s fr e e m o t i o n , a s i n p u s h i n g a c a r t f o r w a r d . Z e r b ye t a l l 0 d e t e rmin ed t h a t t h e t r i cep s , an t e r i o r d e l t o id , an d u p p erp e c t o r a l m u s c l e s w e r e a c t i v e i n a c l o s e d c h a i n e l b o w e x t e n -s i o n d u r i n g a b e n c h p r e s s w h e n u s i n g s u r f a c e e l e c t r o m y o g r a -p h y ( E M G ) a s a m e a s u r e o f m u s c l e a c t iv i ty . Z e r b y ' s 1 s t u dyr e i n f o r c e d t h e i m p r e s s i o n t h a t m u s c l e s a c t n o t o n l y a s i s o -l a t e d e l e m e n t s b u t a l s o a s a p a r t o f a n i n te r g r a t e d f u n c t i o n i n gs y s t e m w i t h n e r v o u s s y s t e m c o n t r o l o f s y n e r g i s t i c m u s c l egroups.5'11-14

T h e g o a l o f t h is s t u d y w a s t o e v a l u a t e t h e E M G a c t i v i t yi n a v o l u n t a r y k i n e t i c c l o s e d c h a i n e l b o w e x t e n s i o n o f C 6m o t o r l e v e l s p i n a l c o r d i n j u r e d p a t i e n t s . S u r f a c e E M G o ft h e t r ic e p s , a n t e r i o r d e l to i d , a n d u p p e r p e c t o r a l m u s c l e s w e r et e st e d. T h e r o o t m e a n s q u a r e ( r m s ) o f th e E M G r e c o r d in gwa s t h e n u s ed t o d e t e rm in e t h e ex t e n t o f mu sc l e ac t i v i t y 1'15"16a n d p o s s i b l e c o m p e n s a t i o n f o r t h e l a c k o f t r i c e p s m u s c l ed u r i n g a c t i v e e l b o w e x t e n s i o n .

M E T H O D SS u b j e c t s f o r t h is s t u d y w e r e i d e n t i fi e d f r o m a l l C 4 t o C 6

( A S I A A - B ) 17 s p i n a l c o r d - i n j u r e d p a t i e n t s a d m i t t e d t o ar e g i o n a l s p i n a l c o r d i n j u r y c e n t e r . T o b e i n c l u d e d , p a t i e n t sh ad t o h av e a r i g h t C 6 m o to r l ev e l (w r i s t ex t e n so r > - -3 /5 ) Ivw i t h t h e e l b o w e x t e n s o r m u s c l e s t r e n g t h r e c o r d e d a s 0 ( 0 /5 ) o r t ra c e ( 1 / 5 ) a t t h e t i m e o f e v a l u a t i o n , a n d a l l C 8 a n dT 1 m u s c l e g r o u p s h a d t o h a v e b e e n 0 / 5 . E x c l u s i o n c r i t e r ia

A r c h P h y s M e d R e h a b i l V o l 7 6 , M a y 1995


2/7

E L B O W E X T E N S I O N I N S P I N A L C O R D I N J U R Y , M a rc ie ll oT a b l e 1 : P a t i e n t D e m o g r a p h i c s

4 2 7

P a t i e n t P r e s e n t A g e D a t e o f I n j u r yT e s t i n g P e r i o d

Y e a r s P o s t i n j u r y R i g h t M o t o r L e v e lR i g h t M I S

B I A D U P T R I1 2 3 9 / 9 1 2 . 5 C 6 5 . 02 3 2 8 / 8 2 1 1 . 5 C 6 5 . 03 5 1 9 / 7 4 1 9 . 5 C 6 5 . 04 3 8 8 / 9 1 2 . 5 C 6 5 . 05 3 7 1 / 8 9 5 . 0 C 6 5 . 06 4 0 2 / 8 1 1 3 . 0 C 6 5 . 0

4 . 5 4 . 5 1 . 04 . 5 4 . 0 0 . 05 . 0 5 . 0 0 . 05 . 0 4 . 5 0 . 05 . 0 4 . 0 0 . 05 . 0 4 .5 0 . 0

A b b r e v i a t i o n s : M I S , m o t o r i n d e x s c o r e ; B I , b i c e p s ; A D , a n t e r i o r d e l t o i d ; U P , u p p e r p e c t o r a l ; T R I , t r i c e p s .

i n c l u d e d a n y a c u t e m e d i c a l c o n d i t i o n , A S I A A a n d B p a -t i e n ts w h o h a d g r e a t e r t h a n 1 /5 e l b o w e x t e n s o r s , 17 c o n -t r a ct u r e s o f t h e r i g h t u p p e r e x t r e m i t y , a n d a n y p r e e x i s t i n gp h y s i c a l o r p s y c h o l o g i c a l i m p a i r m e n t t h a t w o u l d i n t e r f e r ew i t h t h e e v a l u a t i o n .B a s e d o n t h e s e l e c t i o n c r i t e r i a , 3 2 p a t i e n t s w e r e c o n t a c t e db y t e l e p h o n e a n d w e r e a s k e d t o p a r t i c i p a t e i n a r e s e a r c hs t u d y f o r c e rv i c a l s p in a l c o r d - i n j u r e d p a t ie n t s. T h e e x p e r i -m e n t w a s e x p l a i n e d t o e a c h s u b j e c t a n d d e s c r i b e d a s a ni s o m e t r i c c o n t ra c t i o n e x e r c i s e d u r i n g w h i c h m u s c l e a c t iv i t yf r o m t h e r i g h t s h o u l d e r g i r d l e m u s c l e s w o u l d b e m e a s u r e dw i t h a n E M G m a c h i n e u s i n g s m a l l s u r f a c e e l e c t r o d e s . S u r -f a c e e l e c t r o d e s w e r e c h o s e n b e c a u s e t h e y w e r e n o t i n v a s i v ea n d w e r e b e l i e v e d t o i n c r e a s e t h e l i k e l i h o o d o f p a t i e n t s 'w i l l i n g n e s s t o b e s t u d i e d . I n a d d i t i o n , e a c h s u b j e c t w a s o f -f e r e d $ 2 5 a s c o m p e n s a t i o n f o r p a r t i c i p a t i o n a s w e l l a s ap a r k i n g v o u c h e r t o t h e h o s p i ta l f a c i li t y i f n e e d e d . O f t h e 3 2p a t i e n t s c o n t a c t e d b y t e l e p h o n e , 1 4 a g r e e d t o p a r t i c i p a t e ,h o w e v e r , o n l y 6 k e p t t h e a p p o i n t m e n t , e v e n w i t h r e p e a t e dr e a p p o i n t m e n t s , a n d o n c e i t w a s b e l i e v e d t h a t t h e p a t i e n th a d n o p h y s i c a l l i m i t a t i o n o f t h e f i g h t a r m y e t w a s a b l e t oe x t e n d t h e e l b o w , E M G t e s t i n g w a s s c h e d u l e d .

T h e a g e o f t he s u b j e c t s r a n g e d f r o m 2 3 t o 5 1 y e a r s w i t ha m e d i a n a g e o f 3 7 . 5 y e a r s . T h e i n i t i a l n e u r o l o g i c a l l e v e l so f i n j u r y i n c l u d e d C 4 F r a n k e l B ( n = 1 ), C 5 F r a n k e l A ( n- - 2) , a n d C 6 F r a n k e l A ( n = 3 ) . H o w e v e r , a t th e t i m e o fe v a l u a t i o n , a l l s u b j e c t s h a d f i g h t C 6 m o t o r l e v e l s . 17 T h ec a u s e s o f i n j u r y i n c l u d e d a u t o a c c i d e n t ( n = 3 ) , m o t o r c y c l eacc i d en t ( n = 1 ), d i v i n g ( n = 1 ), and t r a i n acc i d en t ( n = 1 )( t a b l e 1 ) . O f t h e s e s u b j e c t s , 1 h a d r e c e i v e d h i g h - d o s e s t e -r o i d s , a n d 3 h a d s u r g i c a l d e c o m p r e s s i o n p r o c e d u r e s a f t e ri n j u r y .B e f o r e t h e E M G e v a l u a t io n , e x a m i n a t i o n o f th e r ig h ts h o u l d e r , e l b o w , a n d w r i s t w a s p e r f o r m e d t o e n s u r e t h a ts u b j e ct s h a d n o c l i n i c al e v i d e n c e o f j o i n t p a t h o l o g y . A m a n -u a l m u s c l e t e s t ( M M T ) w a s t h e n p e r f o r m e d f o r t h e r i g h tu p p e r e x t r e m i t y , a n d s c o r e s w e r e r e c o r d e d f o r th e s h o u l d e r sf l e x o r s , h o r i z o n t a l a d d u c t o r s , e l b o w f l e x o r s , w r i s t e x t e n s o r s ,e l b o w e x t e n s o r s , f i n g e r f l e x o r s , a n d s m a l l f i n g e r a b d u c -t o r s. 4 '17 A s l o n g a s t h e t r i c e p s w a s d e t e r m i n e d t o h a v e a nM M T s c o r e o f l e ss th a n 1 /5 , t h e E M G p r o c e d u r e w a s p e r -f o r m e d a n d t h e s u b j e c t w a s i n c l u d e d i n th e s t u d y . O f t h es i x s u b je c t s , fi v e h a d a t r i c e p s M M T o f 0 /5 a n d o n e h a d at r i c e p s M M T o f 1 / 5 ( t a b l e 1 ). A l l o t h e r m u s c l e g r o u p s t e s t e dw i t h M M T w e r e 0 / 5 .I n s t r umen t a t i o n

A b i p o l a r b a r e le c t r o d e w i t h 1 0 r a m d i s c s a n d 2 0 m m i n te r -e l e c t ro d e d i s t an c e , 7 5 0 r a m l e ad , a n d 2 m m p l u g w a s u s e d f o r

E M G m u s c l e a c t i v i t y s i g n a l d e t e c t i o n ( T E C A a ) . A g r o u n de l e c t r o d e w i t h 3 0 m m d i a m e t e r d i s c , 7 5 0 r a m l e a d , a n d 2 m mp l u g w a s e m p l o y e d ( T E C A ) . C o n d u c t i v i t y g e l w a s u s e d o nt h e e l e c t r o d e l e a d s ( G r a p h i c C o n t r o l s b ) . E M G s i g n a l s w e r ea m p l i f ie d a n d m o n i t o r e d o n a N i c o l e t V i k i n g d e v i c e ce q u i p p e d t o c o n v e r t r a w E M G a c t iv i t y t o r m s o f th e a m p l i -t u d e o f t h e m o t o r u n i t a c t i v i t y .

A P e n n y a n d G i l es m y o m e t e r d w i t h a c a p a c i t y t o r e g i s t e rm u s c l e s t re n g t h u p t o 3 0 k g w a s u s e d f o r t h e f o rc e o f c o n t r a c -t io n o f th e r i g h t u p p e r e x t r e m i t y . T h e t r a n s d u c e r w a sm o u n t e d t o a s m a l l b o a r d a n d f i x e d i n a s t a t i o n a r y p o s i t i o nb e h i n d a c o n s t r u c t e d l e v e r a r m . T h e l e v e r a r m w a s d e s i g n e dw i t h a w o o d e n b a c k t h a t c o n t a c t e d t h e t r a n s d u c e r ' s p i s t o n .T h e f r o n t o f t h e l e v e r a r m w a s d e s i g n e d w i t h a r e i n f o rc e dp a d d i n g t o w h i c h a p a t i e n t w o u l d t r a n s m i t t h e f o r c e o f m u s -c l e c o n t r a c t i o n . T h i s c o n s t r u c t e d d e v i c e t h e n w a s s e c u r e d t ot h e h e a d o f a n e l e v a t in g e x a m i n i n g t a b le a n d p o s i t i o n e d w i t ht h e p a d d i n g o f t h e l e v e r a r m a t 9 0 to t h e s u b j e c t .P r o t o c o l

S u b j e c t s w e r e s e a t e d i n t h e i r o w n w h e e l c h a i r s a n ds t r a p p e d i n t o t h e m o s t e r e c t p o s t u r e a s p o s s i b l e . T h e p a t i e n ta n d w h e e l c h a i r w e r e t h e n p o s i ti o n e d a t t h e h e a d o f th e e x a m -i n i n g t a b l e , w h i c h w a s r a i s e d t o a h e i g h t t h a t p l a c e d t h es u b j e c t ' s s h o u l d e r s a t 9 0 o f f le x i o n . T h e r i g h t a r m w a sp o s i t i o n e d w i t h t h e w r i s t p r o n a t e d a n d t h e d o r s a l a s p e c t o ft h e p r o x i m a l p h a l a n g e s i n c o n t a c t w i t h t h e l e v e r a r m p a d d i n g(fig 1).

M u s c l e s o n t h e ri g h t s id e o f t h e b o d y w e r e c h o s e n t od e c r e a s e t h e d e t e c t i o n o f c a r d i a c e l e c t r i c a l a c t iv i t y . E l e c t r ic a la c t i v it y w a s r e c o r d e d f r o m e l e c t r o d e s p l a c e d o v e r t h e h o r i-z o n t a l a d d u c t o r s ( a n t e r i o r d e l t o i d a n d u p p e r p e c t o r a l ) a n do v e r t h e p r i m a r y e l b o w e x t e n s o r ( tr i ce p s ). 4 A r e a s o v e r t h er i g h t a n t e r i o r d e l t o i d , u p p e r p e c t o r a l , a n d t r i c e p s m u s c l e sw e r e t h e n c l e a n s e d w i t h a l c o h o l . E l e c t r o d e c o n t a c t s w e r ea l s o c l e a n s e d w i t h a l c o h o l , t h e n c o v e r e d w i t h c o n d u c t i n gg e l a n d s e c u r e d t o t h e s k i n w i t h p l a s t i c t a p e ( T r a n s p o r e 3 MH e a l t h C a r e e ) . F o r t h e a n t e r i o r d e l t o i d , t h e a c t i v e r e c o r d i n ge l e c t ro d e w a s p l a c e d o v e r t h e a c r o m i o c l a v i c u l a r j o in t , a n dr e f e r e n c e e l e c t r o d e w a s p l a c e d 2 0 m m d i s t a l l y i n a l i n e w i t ht h e i n s e r t i o n o f t h e d e l t o i d t e n d o n . F o r t h e u p p e r p e c t o r a lm u s c l e , t h e a c t i v e r e c o r d i n g e l e c t r o d e w a s p l a c e d i n th em i d c l a v i c u l a r l i n e i m m e d i a t e l y i n f e r i o r t o t h e c l a v i c l e , a n dt h e r e f e r e n c e e l e c t r o d e w a s p l a c e d 2 0 m m m e d i a l l y o v e r t h ep e c t o r a l t e n d o n . F o r t h e t r i c e p s , t h e a c t i v e r e c o r d i n g e l e c -t r o d e w a s p l a c e d o v e r t h e tr i c ep s m i d w a y b e t w e e n t h e a c r o -m i o n a n d t h e o l e c r a n o n , a n d t h e r e f e r e n c e e l e c t r o d e w a s

Arch Phys Med R ehab i l Vo l 76 , M a y 1 9 95


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4 2 8 E L B O W E X T E N S I O N I N S P I N A L C O R D I N J U R Y , M a r c i e ll o

D\

5.30 kgE \ A

F i g 1 m D i a g r a m o f e x p e r i m e n t a l s e t - u p . N o t e t h a t t h e s u b j e c t ' sr i g h t w r i s t i s p r o n a t e d a n d c e n t e r e d w i t h t h e p r o x i m a l p h a l a n -g e s in c o n t a c t w i t h A , t h e p a d d e d l e v e r a r m . T h e f o r c e o fi s o m e t r i c e l b o w e x t e n s i o n i s t r a n s m i t t e d a l o n g a l i n e a r t o r q u et h r o u g h t h e e l b o w , t h e w r i s t , a n d B , t h e p i s to n o f C , t h e f o r c et r a n s d u c e r , w h i c h i s d i s p l a y e d o n D , t h e d ig i t a l r e c o r d i n g d e -v i c e . E d e n o t e s t h e h i n g e o n t h e m o u n t e d a p p a r a t u s g i v i n g fr e e

m o v e m e n t t o t h e le v e r a rm .p l a c e d 2 0 m m d i s t a l l y . T h e g r o u n d e l e c t r o d e w a s p l a c e d o nt h e m i d d l e o f th e i p s i l a te r a l b i c e p s a n d s e c u r e d w i t h t a p e .T e s t i n g o n e m u s c l e a t a ti m e , t h e s u b j e c t w a s i n s t ru c t e d t og r a d u a ll y g e n e r a t e a n i s o m e t r ic f o r c e o f m a x i m u m v o l u n t a ryc o n t r a c t i o n ( M V C ) b y t r y i n g t o e x t e n d t h e e l b o w . T h ea m o u n t o f f o r c e g e n e r a t e d w a s d i s p l a y e d o n t h e d i g i t a l r e -c o r d i n g d e v i c e o f t h e f o r c e t r a n s d u c e r , w h i c h w a s p o s i t i o n e di n f r o n t o f t h e s u b j e c t t o g i v e v i s u a l f e e d b a c k o f t h e i n t e n d e df o r c e . T h e s u b j e c t w a s t h e n i n s t r u c t e d t o m a i n t a i n t h i s M V Cf o r a t l e a s t 5 s e c o n d s i n o r d e r t o b e c o n s i d e r e d a v a l i dc o n t r a c t i o n . A 1 - m i n u t e r e s t p e r i o d w a s g i v e n , t h e n a s e c o n da t t e m p t a t g e n e r a t i n g t h e M V C w a s p e r f o r m e d . T h e l a r g e ro f th e t w o v a l u e s w a s i d e n ti f i e d a s t h e M V C a n d s e r v e da s t h e r e f e r e n c e v a l u e f o r c a l c u l a t i n g t h e f o r c e l e v e l s o fs u b s e q u e n t i s o m e t r i c c o n t ra c t i o n s . T r i a l s o f 2 5 % , 5 0 % , a n d7 5 % o f th e d e t e rm i n e d M V C w e r e p e r f o r m e d w i t h 1 - m i n u t er e s t p e r i o d s b e t w e e n i n c r e m e n t s o f i n c r e a s i n g f o r c e i n o r d e rto m in im ize f a t i g u e . 18-20 Th i s wa s t h e n r e p ea t e d fo r t h e a n t e -r i o r d e l t o i d , u p p e r p e c t o r a l , a n d t r i c e p s m u s c l e g r o u p s .A u d i o a n d v i s u a l m o n i t o r i n g o n t h e N i c o l e t V i k i n g w e r eu s e d t o e x c l u d e a n y t r i a l w i t h a r t i f a c t u a l E M G a c t i v i t y s u c ha s w i t h i n a d v e r t e n t l y b u m p i n g t h e e l e c t r o d e s . B a n d p a s sf i l t e r in g f ro m 3 0 H z (h ig h p ass ) 2~ t o 2 0 0 H z ( l o w p ass ) 22 wa su s e d a n d s e n s i t i v it y s e t ti n g s a p p r o p r i a t e l y a d j u st e d . A 5 0 0 -m sec p e r i o d o f ea ch t r i a l was i so l a t ed , 18'19 an d t h e rm s o f t h eE M G a c t iv i ty f r o m t h e m u s c l e c o n t r a c t io n w a s d e t e r m i n ed .D a t a A n a l y s i s

T h e m e a n r m s o f e a c h 5 0 0 - m s e c p e r i o d w a s c o m p u t e db y t h e N i c o l e t V i k i n g . F i v e t r i a ls o f 5 s e c o n d s e a c h w e r ep e r f o r m e d f o r e a c h p e rc e n t a g e o f M V C : 2 5 % , 5 0 % , a n d7 5 % , r e s p e c t i v e l y , t o t a l in g 1 5 t r ia l s p e r s u b j e c t. B e c a u s e t h er e l at i on b e t w e e n t h e r m s v a l u e s a n d p e r c e n t a g e o f M V C w a se x p o n e n t i a l , t h e r m s d a t a w a s c o n v e r t e d t o l o g a r i t h m s . F o re a c h s e t o f f i v e t r ia l s , t he m e a n l o g a r i t h m i c v a l u e w a s c a l c u -l a t e d a n d o n e s t a n d a r d d e v i a t i o n o f t h e s e m e a n l o g a r i t h m i c

v a l u e s w a s o b t a i n e d . A n t i l o g a r i t h m s o f t h e m e a n a n d s t a n -d a r d d e v i a t i o n v a l u e s f o r u p p e r a n d l o w e r l i m i t s w e r e t h e np l o t t e d i n f i g ur e 2 . S t a t is t i c a l a n a l y s e s o f t h e l o g a r i t h m i c r m sv a l u e s w e r e p e r f o r m e d u s i n g a r e p e a t e d a n a l y s is o f v a r i a n c e( A N O V A ) a n d i f s i g n i fi c a n t a t p < 0 . 0 5 , a T u k e y p o s t - h o cH S D w a s p e r f o r m e d t o c o m p a r e p e rc e n ta g e s o f M V C .

R E S U L T ST h e r e s u l ts o f t h is s t u d y w e r e b a s e d o n c o m p a r i s o n s m a d eb e t w e e n p e r c e n t a g e s o f t h e m a x i m u m v o l u n t a ry c o n t r a c ti o na t t a i n e d b y s u b j e c t s d u r in g a c t i v e i s o m e t r i c e l b o w e x t e n s i o n .F i g u r e 2 i l l u s t r a t e s t h e m e a n r m s a m p l i t u d e p l o t t e d a g a i n s tt h e p e r c e n t a g e s o f M V C . I n a l l c a s e s , t h e a n t e r i o r d e l to i d ,u p p e r p e c t o r a l , a n d t r i c e p s m u s c l e g r o u p s s h o w e d i n c r e a s e dm e a n r m s w i t h e a c h i n c r e a s i n g f o r c e . S t a t i st i c a ll y s i g n i f ic a n td i f fe r e n c e s in r m s ( p < 0 . 05 ) u s in g o n e - w a y A N O V A w i t hT u k e y t e s t s w e r e f o u n d f o r e a c h p e r c e n t a g e o f M V C i n c r e a s ef o r t h e a n t e r io r d e l t o i d a s w e l l a s t h e u p p e r p e c t o r a l m u s c l e s .A n a l y s e s w i t h i n t h e t r i c e p s g r o u p s h o w e d s i g n i f i c a n t d i f f e r -e n c e s in r m s ( p < 0 . 05 ) w h e n c o m p a r i n g 2 5 % M V C w i t h5 0 % M V C a n d 5 0 % M V C w i th 7 5 % M V C o n ly , b u t n o tb e t w e e n 5 0 % M V C a n d 7 5 % M V C .

Th e r esu l t s d emo n s t r a t ed i n f i g u re 2 wi th s i g n i f i can t i n -c r e a s e s i n m e a n r r n s w e r e u n e x p e c t e d f o r t h e t r i c e p s m u s c l eg r o u p b e c a u s e w h e n t e s te d , f i v e o f th e s i x s u b j e c ts h a d aM M T o f 0/ 5 a n d o n e h a d a M M T o f 1 / 5. O n f u r t h e r a n a ly s i so f t h e d a t a r e c o r d e d o v e r t h e t r i c e p s , t h e m e a n r m s f o r a l ls u b j e c t s w e r e o b s e r v e d t o b e m u c h l e s s w h e n c o m p a r e d w i t ht h e v a l u e s o f th e r m s a m p l i t u d e r e c o r d e d f o r th e a n t e r i o rd e l t o i d a n d u p p e r p e c t o r a l m u s c l e s ( t a b l e 2 ) . A s a n e x a m p l eo f th e E M G a c t i v i ty a t s m a l l m e a n r m s v a l u e s , t h r e e s e p a r a t et r i a l s p e r fo rmed b y su b j ec t s 1 an d 3 ( t ab l e 1 ) d emo n s t r a t edm i n i m a l E M G a c t i v it y r e c o r d e d a t e a c h f o r c e o f c o n t ra c t i on s .S u b j e c t 1 w a s t h e o n l y s u b j e c t w i th t r a c e ( 1 /5 ) M M T o f t h et r ic e p s , a n d i t a p p e a r e d t h a t o n e m o t o r u n i t w a s c a p t u r e d w i t ht h e s u r f a c e e l e c t r o d e . T h e r m s a m p l i t u d e s w e r e t h u s g r e a t e ri n su b j ec t 1 co m p are d wi th su b j ec t 3 ; y e t c l i n i ca l l y t h e t r i cep sc o n t r a c t i o n r e m a i n e d b a r e l y d e t e c t a b l e i n s u b j e c t 1 .

1 O0

~ 10"

I I I I I 1 I I I2 5 % 5 0 % 7 5 % 2 5 % 5 O % 7 5 % 2 5 % 5 0 % 7 5 %Anterior Deltoid Upper Pectoral Triceps

F i g 2 - - M e a n r m s a m p l i t u d e (_+ 1 S D ) v e r su s p e r c e n t o f m a x i -m u m v o l u n t a ry c o n t r a c ti o n ( M V C ) . T h e g e o m e t r i c m e a n r m sa m p l i t u d e s r ec o r d e d a t 2 5 % , 5 0 % , a n d 7 5 % M V C f o r e a c hm u s c l e t e s t e d w e r e a l l s ig n i f ic a n t l y d i f f e re n t f r o m e a c h o t h e r( p < . 0 5 ) e x c e p t b e t w e e n 5 0 % a n d 7 5 % M V C o f t h e t r i ce p s .D a t a i s r e p r e s e n t e d o n a l o g a r i t h m i c s c a l e .

Arch Phys Med Rehabi l Vol 76 , May 1995


4/7

E L B O W E X T E N S I O N I N S P I N A L C O R D I N J U R Y , M a r c ie l lo 4 2 9

25N U C

5 0 0 u U 5 0 m s

R M S F M L I TU D E : 211 u U

50;c .I'IUC

5 0 0 u V 50 m s

RMSAMPLITUDE: 314 uV

7'57.MUC

500 aU 50 ms

RMSAMPLITUDE: q52 aUF i g 3 - - E x a m p l e s o f th e a n te r io r d e lt o id s u r fa c e E M G r e -c o r d i n g s . A s t h e p e r c e n t a g e o f M V C i n c r e a s e s , b o t h t h e f ir i n gr a t e a n d t h e a m p l i t u d e s n o t i b l y in c r e a s e . T i m e b a s e d o n 5 0 m s /

d i v i s io n ; a m p l i t u d e b a s e d o n 5 0 0 p V / d i v i s i o n .I n c o m p a r i s o n , f i g u r e 3 r e p r e s e n t s t h e E M G a c t i v i t y r e -c o r d e d f o r t h e a n t e r i o r d e l t o i d , w h i c h w a s s i m i l a r t o t h eu p p e r p e c t o r a l m u s c l e s . O f n o t e i n f i g u r e 3 w a s t h e i n c r e a s e

i n r m s a m p l i t u d e f r o m 2 5 % M V C t o 5 0 % M V C t o 7 5 %M V C . I n a d d i t i o n , t h e E M G t r a c i n g s d e m o n s t r a t e d t h e i n -c r e a s e d f i r i n g r a t e w h e n i n c r e a s i n g t h e f o r c e o f m u s c l e c o n -t r a c ti o n . V a r i a b i l i ty o f th e E M G a c t i v i t y o c c u r e d a m o n g t h es i x s u b j e c t s w h e n c o m p a r i n g m u s c l e g r o u p s . A l t h o u g h t h e r ew a s v a r i a b i l i t y b e t w e e n s u b j e c t s i n t h e E M G a c t i v i t y ( t a b l e2 ) , th e r e w a s a c o n s i s t e n t p a t te r n o f i n c r e a s e d r m s a m p l i t u d ew i t h i n c r e a s i n g f o r c e i n a l l t r i a l s o f e l b o w e x t e n s i o n p e r -f o r m e d ( f i g 2 ) . E l e c t r o m y o g r a p h i c r e c o r d i n g s f o r a c t i v i t i e so f d a i l y l i v i n g f o r e a c h o f t h e s i x s u b j e c ts w e r e n o t d e t e r -m i n e d ; h o w e v e r , a n i n t e r e s t i n g v a r i e t y o f f u n c t i o n a l a c t i v i -t i e s p e r f o r m e d b y t h e s u b j e c t s w a s n o t e d . F o r e x a m p l e , p a -t i e n t 3 ( t a b l e 1 ) s t a t e d t h a t h e r e g u l a r l y b e n c h p r e s s e d u p

t o a b o u t 2 0 p o u n d s d e s p i t e h a v i n g n o t r i c e p s . O n c l i n i c a le x a m i n a t i o n , i t w a s a l s o n o t e d t h a t p a t i e n t 3 h a d e x t r e m e l yh y p e r t r o p h i e d a n t e r i o r d e l t o i d m u s c l e s , w h i c h m i g h t a c c o u n tf o r t h e r e l a t i v e l y l o w r m s a m p l i t u d e s c o m p a r e d w i t h t h eo the r s ub jec t s . 23 Pa t i en t 2 s t a t ed tha t s ince h i s in ju ry in 1982 ,h e h a s b e e n s w i m m i n g o n a f a ir l y r e g u l a r b a s is . O n c l i n ic a le x a m i n a t i o n f o r t h i s p a t i e n t , i t w a s n o t e d t h a t h i s e n t i r ed e l t o i d m u s c l e w a s h y p e r t r o p h i e d . P a t i e n t 5 d i d n o t h a v e a sv i g o r o u s d a i l y a c t i v i t i e s ; y e t h e m a n u a l l y p u s h e d h i s o w nw h e e l c h a i r . P a t i e n t 6 d i d v e r y l i t t l e f r o m d a y t o d a y a n dp r e f e r r e d t o u s e a n e l e c t r i c w h e e l c h a i r .

D I S C U S S I O NT h e r e s u l ts o f t h is s t u d y s u g g e s t t h a t t h e f o r c e o f c o n t r a c -t i o n p r o v i d e d b y t h e a n t e r i o r d e l t o i d a n d u p p e r p e c t o r a l m u s -c l e s c o n t r i b u t e s t o e l b o w e x t e n s i o n d u r i n g a c l o s e d c h a i ne l b o w e x t e n s i o n s y s t e m . T h e s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s i n g r m sa m p l i t u d es a t 2 5 % M V C , 5 0 % M V C , a n d 7 5 % M V C p r o -v i d e d e v i d e n c e t h a t t h e a n t e r i o r d e l t o i d a n d u p p e r p e c t o r a lm u s c l e s w e r e n o t o n l y a c t i v e d u r i n g e l b o w e x t e n s i o n b u ta l s o t h e d a t a s h o w e d t h e i r a b i l i ty t o e x e r t i n c r e a s i n g f o r c e s .

I t w a s a l s o f o u n d t h a t t h e t r i c e p s m u s c l e h a d s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s i n g E M G a c t i v i t y w i t h e l b o w e x t e n s i o n . T h e s e f i n d -i n g s w e r e c o n s i s t e n t w i t h w o r k b y Z e r b y e t a l , ~ w h i c hs h o w e d t h a t t h e a n t e r i o r d e l t o i d a n d u p p e r p e c t o r a l m u s c l e sa s w e l l a s t h e t r ic e p s m u s c l e w e r e a c t i v e d u r i n g e l b o w e x t e n -s i o n i n n o r m a l s u b j e c t s p e r f o r m i n g a b e n c h p r e s s .H o w e v e r , i n th i s s t u d y , d a t a h a d b e e n c o l l e c t e d f r o m s p i -n a l c o r d - i n j u r e d s u b j e c t s w i t h a f u n c t i o n a l m o t o r l e v e l a tC 6 , w h i c h d o e s n o t i n c l u d e a f u n c t i o n a l t r i c e p s m u s c l e . I nadd i t ion , on c l in i ca l eva lua t ion , f ive o f the s ix s ub jec t s had0 / 5 t r i c e p s M M T s t r e n g t h a n d o n e h a d 1 / 5 M M T s t r e n g t h .I t w a s t h u s u n e x p e c t e d t o f i n d s i g n i f ic a n t l y in c r e a s i n g E M Ga c t i v i t y in t h e t r i c e p s m u s c l e o f t h e s u b j e ct s . O n e e x p l a n a t i o nf o r t h i s r e s u l t w a s t h a t t h e s u r f a c e E M G s t u d y w a s a b l e t od e t e c t t r a c e m u s c u l a r a c t i v i t y , w h i c h M M T c o u l d n o t d o .T h e t r i c e p s r m s a m p l i t u d e s i n t a b l e 2 w o u l d t h u s r e p r e s e n ta c c u r a t e r e c o r d i n g s d u r i n g e l b o w e x t e n s i o n . T h u s , o w i n g t os uch s ma l l va lue s de tec ted , s t a t i s t i c a l s ign i f i c ance wasf o u n d . F o r e x am p l e , a r m s a m p l i t u d e o f 5 u V a t 2 5 % M V Ci n c r e a s i n g t o 1 0 u V a t 7 5 % M V C s t a t i s t i c a l l y i s a t w o f o l di n c r e a s e i n r m s v a l u e s .H o w e v e r , o n f u r t h e r a n a l y s i s o f t h e d a t a , i t w a s b e l i e v e dt h a t a r g u m e n t s f o r a c t u a l r e c o r d i n g s o f t r i c e p s m u s c u l a r a c -t i v i t y c o u l d p o s s i b l y b e m a d e i n o n l y t w o c a s e s . S u b j e c t 1a n d s u b j e c t 2 ( t a b l e 2 ) h a d m a r k e d l y d i f f e r e n t r m s v a l u e sf o r t h e t r i c e p s m u s c l e w h e n c o m p a r e d w i t h th e o t h e r s u b j e c t s(3 to 6 ) . In add i t ion , s ub jec t 1 was the on ly s ub jec t w i th ac l i n ic a l M M T e v a l u a t i o n o f 1 /5 m o t o r s t r e n g t h f o r t h e t ri -c e p s , a n d i t w a s n o t u n e x p e c t e d t o s e e s o m e E M G a c t i v i t y .S u b j e c t 2 , w i t h s i m i l a r r m s v a l u e s t o s u b j e c t 1 , m i g h t h a v ep o s s i b l y h a d t r a c e M M T s t r e n g t h t h a t w a s n o t d e t e c t e d o nc l i n i c a l e x a m i n a t i o n . I n c o m p a r i s o n , s u b j e c t s 3 t o 6 h a d s u c hs m a l l r m s a m p l i t u d e s t h a t t h e e l e c tr i c a l a c ti v i t y w a s p r o b a b l yd u e t o c r o s s - t a l k2~ f r o m m u s c l e s o t h e r t h a n t h e t r i c e p s. T h es u r f a c e E M G s i g n a l , d e s p i t e p r e c a u t i o n s , m i g h t s t i l l h a v ec o n t a i n e d e l e c t r i c a l n o i s e t h a t c o u l d n o t h a v e b e e n e l i m i -n a t e d . 24 H o w e v e r , e l e c t r i c a l n o i s e , w o u l d n o t h a v e e x p l a i n e dt h e i n c r e a s e o f r m s a m p l i t u d e w i t h i n c r e a s i n g f o r c e s o f c o n -t r a c ti o n . I n s u m m a r y , t h e m o s t l i k e l y e x p l a n a t i o n f o r r e -c o r d i n g s m a l l r m s v a l u e s w i t h i n c r e a s i n g f o r c e o f i s o m e t r i c

A r c h P h y s M e d R e h a b i l V o l 7 6 , M a y 1995


5/7

4 3 0 E L B O W E X T E N S I O N I N S P I N A L C O R D I N J U R Y , M a r c i e l l oT a b l e 2 : M e a n r m s A m p l i t u d e s f o r P e r c e n t a g e s o f I s o m e t r i c M a x i m u m V o l u n t a r y C o n t r a c t i o n ( M V C )

2 5% M V C 5 0% M V C 7 5 % M V CP a t ie n t A D U P T R I A D U P T R I A D U P T R I

1 9 3 1 3 3 4 2 1 9 0 1 7 5 6 2 3 8 2 2 2 8 8 02 1 7 3 1 0 4 4 2 2 1 8 1 2 0 4 4 2 7 4 1 3 4 4 03 99 64 7 141 67 11 156 96 134 7 4 3 1 2 1 0 1 3 4 3 4 7 1 1 2 7 2 5 7 8 1 35 1 5 4 9 3 3 3 3 4 1 1 2 5 4 4 5 1 4 0 76 2 4 2 3 7 1 6 4 2 9 4 7 8 9 4 4 9 5 2 8 1 1

N o t e : V a l u e s a r e t h e m e a n s o f f i v e t ri a l s c a lc u l a t e d b y t h e N i c o l e t V i k i n g a n d a r e i n m i c r o v o l t s .

c o n t r a ct i o n m a y b e e x p l a i n e d b y t h e p h e n o m e n o n o f c r o ss -t a l k 21 f r o m v o l u m e - c o n d u c t e d e l e c t r ic a l a c t i v i ty o f n e a r b yi n n e r v a t e d m u s c l e s .E v e n i f t h e e l e c t r i c a l a c t i v i t y p r e v i o u s l y d e s c r i b e d w a sr e c o r d e d f r o m t h e t r ic e p s , c l i n i c a ll y a l l s u b je c t s h a d n o n f u n c -t i o n a l t r i c e p s m u s c l e s a s d e f i n e d b y a M M T g r a d e o f l e sst h a n 3 / 5 . 2 '2 5 -2 7 B e c a u s e t h e t r i c e p s i s c o n s i d e r e d t h e c h i e fe l b o w e x t e n s o r , 3'5'6 t h e f o l l o w i n g q u e s t i o n m u s t b e a d -d r e s s e d : H o w w e r e C 6 S C I p a t i e n t s a b l e t o i s o m e t r i c a l l ye x t e n d t h e i r e l b o w s ?T h e p r e s u m p t i v e a n s w e r t o t h i s q u e s t i o n w a s t h a t th e m u s -c l e s o r p a r t s o f m u s c l e s t h a t w e r e u n a f f e c t e d b y t h e s p i n a lc o r d i n j u r y p r o v i d e d t h e f o r c e o f c o n t r a c t i o n t o a c h i e v e e l -b o w e x t e n s i o n . T h i s r a t h e r s i m p l e e x p l a n a t i o n o f h a v i n gs u b s t it u t in g m u s c l e s o r h a v i n g m o r e t h a t o n e m u s c l e c o n t r i b -u t i n g t o v a r i o u s m o v e m e n t s i s n o t a n e w c o n c e p t . M a n yr e s e a r c h e r s h a v e s u g g e s t e d t h a t t h e h u m a n b o d y i s a s y s t e mo f m u s c u l o s k e l e ta l r e d u n d e n c i e s f o r w h i c h t h e n e r v o u s s y s -t e m s e le c ts f r o m o n e o f m a n y m u s c l e c o m b i n a t i o n s t o p e r -fo rm a p art icu lar m ot or task . 5'11.28.29T h e s e o b s e r v e d p a t t er n so f m u s c l e a c t i v a t i o n i n n o r m a l i n d i v i d u a l s, o r s o - c a l l e d m u s -c l e s y n e r g i s ts , h a v e b e e n b a s e d o n t r a d i t i o n a l k i n e m a t i c a n db a s i c a n a t o m i c a l p r i n c i p le s . B u c h a n a n e t a l 5 s u g g e s t e d t h a tE M G a c t i v i t y i n s y n e r g i s t i c m u s c l e s c o r r e s p o n d e d t o t h ed i r e c t i o n o f g r e a t e s t m e c h a n i c a l a d v a n t a g e a s p r e d i c t e d b ya s i m p l e m e c h a n i c a l m o d e l o f t h e e l b o w . I n n e u r o l o g i c a l l yi n t a c t s u b j e c t s , t h o s e m u s c l e s w i t h g r e a t e s t m e c h a n i c a l a d -v a n t a g e a b o u t t h e e l b o w w e r e f o u n d t o i n c l u d e t h e b i c e p s ,t h e b r a c h i a li s , a n d t h e b r a c h i o r a d i a l i s f o r f l e x i o n m o v e m e n t s ,a n d t h e t h r e e h e a d s o f t h e t r i c e p s a n d t h e a n c o n e u s f o r e x t e n -s io n m o v e m e n t s Y B u c h a n a n e t a l 5 f u r t h e r s u g g e st e d t h a tr e g a r d l e s s o f t h e t o r q u e d i r e c t i o n o f t h e m o t o r t a sk , n o s i n g l em u s c l e w a s f o u n d t o b e a c t i v e a lo n e . I t w a s a l s o s h o w n t h a ta s i d e f r o m t h e b r a c h i a l i s a n d b r a c h i o r a d i a l i s o r t h e m e d i a lh e a d o f t h e t r i c e p s a n d t h e a n c o n e u s , n o c o m p l e t e m u s c l es y n e r g i s t s e x i s t e d 5 f o r w h i c h h e d e f i n e d a s m u s c l e s t h a t w e r ec o a c t i v a t e d i n a v e r y s i m i l a r m a n n e r f o r a l l t o r q u e d i r e c t i o n s .F o r e v e r y o t h e r m u s c l e p a i r , t h e d e g r e e o f n e r v o u s s y s t e mc o a c t i v a t i o n d e p e n d e d o n t h e p a r t i c u l a r t a s k i n r e g a r d s t oo r i g i n a l t o r q u e a n g l e s, a n d t h e i n t e n d e d d i r e c t i o n o f m o v e -ments.~1'28

H o w e v e r , a f t e r a s p in a l c o r d i n j u r y , t h e r e s u l t i n g t r a u m a t i cn e u r o m u s c u l a r i m p a i r m e n t r e d e f i n e s t h e b o d y ' s f u n c t i o n a la n a t o m y . T h e u s e o f th e g e n e r a l t e r m , m u s c l e s y n e r g i s ts ,m a y t h u s b e i n a p p r o p r i a t e i n t h e S C I c a s e . I n t h i s s t u d y , i tw a s d e m o n s t r a t e d t h a t t h e a n t e r i o r d e l t o i d a n d u p p e r p e c t o r a lm u s c l e s m a y c o n t r i b u t e t o t h e m e c h a n i c a l f o r c e o f e l b o we x t e n s i o n i n C - 6 A S I A c l a s s if i c a t io n A a n d B S C I s u b j e c t s .

B e c a u s e t h e t r i c e p s m u s c l e w a s f u n c t i o n a l l y a b s e n t i n t h eC 6 q u a d i p l e g i c p a t i e n t s , t h e s e t w o m u s c l e s m i g h t h a v e h a dt h e g r e a t e s t m e c h a n i c a l a d v a n t a g e t o p e r f o r m e x t e n s i o n .H e n c e , t h e y c o u l d b e c a l l e d t h e n e w p r i m a r y m u s c l e s y n e r -g i s t s . H o w e v e r , f o r a C 6 n e u r o l o g i c a l l e v e l , o t h e r m u s c l e sn o t t e s t e d i n t h is s t u d y m i g h t h a v e a l s o c o n t r i b u t e d t o e l b o we x t e n s i o n . T h e s e m u s c l e s p o t e n t i a l l y i n c l u d e t h e s e r r a t u sa n t e r i o r ( C 5 , C 6 , C 7 ) , s u b s c a p u l a r i s ( C 5 , C 6 , C 7 ) , c a r a c o -b rach ia l i s (C5 , C6 , C7) , t e re s ma jo r (C6 , C7) , and the l a t i s s i -m u s d o r s i ( C 6 , C 7 , C 8 ) f o r w h i c h f u r t h e r s t u d ie s a r e n e e d e dt o e v a l u a t e t h e i r p o s s i b l e ' r o l e in e l b o w e x t e n s i o n . B e c a u s et h e b i o m e c h a n i c a l a d v a n t a g e w a s l o s t o w i n g t o t r ic e p s w e a k -n e s s , i t i s s u s p e c t e d t h a t t h e n e r v o u s s y s t e m w o u l d u s e an u m b e r o f t h e se m u s c l es o r c o m b i n a t i o n s o f t h e se m u s c l e st o p a r t i c ip a t e i n e x t e n s i o n w i t h s e l e c t i o n b a s e d o n t h e m o t o rt a sk a n d d i r e c t io n o f m o v e m e n t s .In the rehab i l i t a t ion s e t t ing , pa t i en t s a re regu la r ly ob -s e r v e d t r y i n g t o c o m p e n s a t e f o r t h e i r i m p a i r m e n t s . T h e s ep a t i e n t s r e q u i r e m o t o r t r a in i n g a n d p e r s i s t e n t r e p e t i t i o n o f t e nw i t h t r i a l a n d e r r o r t o b e a b l e t o p e r f o r m v a r i o u s m o t o rt a s ks . 3 Bas ed on th e s e ind iv idua l t a s ks , t he cen t ra l ne rv ouss y s t e m ( C N S ) t h u s i s c h a l l e n g e d t o u s e a m o t o r s t r a t e g y t oa c c o m o d a t e t h e n e w l y d e f i n e d a n a t o m y a n d b i o m e c h a n i c sa f t e r a s p i n a l c o r d i n j u r y . T h i s r a i s e s q u e s t i o n s o f w h e t h e rm o t o r c o n t r o l m e c h a n i s m s a r e r e d e s i g n e d b y t h e C N S t oc o m p e n s a t e f o r t h e f u n c t i o n a l l o s s o f c e r t a i n m u s c l e s o rw h e t h e r t h e n e u r al p a t h w a y s h a v e b e e n p r e s e t i n a c o m p l e x ,r e d u n d a n t s y s t e m f o r w h i c h t h e r e m a i n i n g m u s c l e s a r e c a l l e dt o e x e r t f o r c e s m o r e f r e q u e n t l y d u r i n g t a s k s t h at w o u l d h a v en o r m a l l y b e e n s t im u l a t ed b y m u s c l e s o f g r e a t e s t b io m e c h a n -i c a l a d v a n t a g e .T h e f i n d i n g s i n t h i s s t u d y a s w e l l a s t h e s t u d y b y Z e r b y 1w o u l d a p p e a r t o s u p p o r t b o t h c o n c e p t s . Z e r b y 1 f o u n d t h a tt h e a n t e r i o r d e l t o i d a n d u p p e r p e c t o r a l m u s c l e s w e r e a c t i v ei n a c l o s e d c h a i n e l b o w e x t e n s i o n i n n o r m a l s u b j e c t s. T h e s er e s u l t s s u g g e s t e d t h a t t h e C N S h a d a l r e a d y h a d n e u r a l c o n -n e c t i o n s t o t h e s e m u s c l e s d e s p i t e h a v i n g i n t a c t t r i c e p s t h a tp r o b a b l y p r o v i d e d t h e m a j o r i t y o f f o r c e d u r i n g t h e e x t e n s i o nm o v e m e n t . I n t h i s s t u d y , t h e f i n d i n g s w e r e c o n s i s t e n t w i t hb o t h c o n c e p t s b e c a u s e a c t i v i t y i n t h e a n t e r i o r d e l t o i d a n du p p e r p e c t o r a l m u s c l e s d u r i n g e l b o w e x t e n s i o n l a c k i n g f u n c -t i o n a l t r i c e p s m u s c l e a l s o w a s f o u n d . H o w e v e r , t h i s s t u d yw a s u n a b l e t o d e t e r m i n e w h e t h e r n e w n e u r a l c i rc u i t ry w a sc r e a t e d o r i f t h e s a m e n e u r a l c o n n e c t i o n s b e f o r e i n j u r y w e r eb e i n g u s e d .O n a n e u r o p h y s i o l o g i c a l l e v e l , i t h a d b e e n s u g g e s t e d t h a te a r l y i n c r e a s e s i n m o t o r s t r e n g t h m i g h t h a v e b e e n l a r g e l yd u e t o n e u r a l f a c to r s a n d t h a t m u s c l e h y p e r t r o p h y b e c a m e



6/7

E L B O W E X T E N S I O N I N S P I N A L C O R D I N J U R Y , M a r c i e ll o 4 3 1

m o r e i m p o r t a n t a s m o t o r t r a i n i n g p r o c e e d e d . 23 T h e s e a u t h o r sf o u n d t h a t w i t h a m o t o r t r a i n i n g p r o g r a m , E M G a c t i v i t yi n c r e a s e d e a r l y w i t h s t r e n g t h c h a n g e s s u g g e s t i n g t h a t n e u r a lf a c t o r s w e r e t h e r e a s o n . A s l a t e r c h a n g e s i n s t r e n g t h o c -c u r r e d , t h e y f o u n d d e c r e a s e s i n t h e E M G a c t i v i t y su g g e s t i n gt h a t t h e m u s c l e f i b e r s w e r e u n d e r g o i n g h y p e r t r o p h y w i t hr e p e t i t i v e t r a in i n g . I t w a s t h u s s u s p e c t e d t h a t d i f f e r e n c e s i nt h e a m o u n t o f th e s e n e u r a l a n d m u s c u l a r c h a n g e s w o u l dd e p e n d o n t h e t r a i n i n g m e t h o d s a n d t h e i n d i v i d u a l m u s c l e so r g r o u p s o f m u s c l e s i n v o l v e d i n p e r f o r m i n g v a r i o u s m o v e -m e n t s .T h e a u t h o r s w e r e u n a b l e t o p r o v i d e g o o d e x p l a n a t i o n f o rt h e s e d i f f e r e n c e s i n m o t o r c a p a b i l i t i e s b e c a u s e t h e y t e s t e do n l y t w o m u s c l e g r o u p s a n d t h e i r i n v o l v e m e n t in a u n i d i r e c -t i o n a l m o t o r t a s k . I n a d d i t i o n , t h e y c o u l d o n l y s p e c u l a t ea b o u t t h e v a r i a b i l i ty o f r m s a m p l i t u d e s a m o n g t h e s u b j e c ts( t a b l e 2 ) . O n e e x p l a n a t i o n f o r t h e v a r i a b i l i t y w a s p r o b a b l yb e c a u s e o f t h e d i f f e r e n c e s o f m o t o r t r a i n in g a n d p e r h a p s t h el e n g t h o f t i m e p e r f o r m i n g v a r i o u s t a s k s. A n o t h e r p o s s i b i l it yc o u l d h a v e b e e n t h e r e l a t i o n s h i p o f t h e j o i n t a n g l e s t o t h ee x e r t e d f o r c e3"11'28 fo r wh ich they t r i ed to exp e r im en ta l lyc o n t r o l y e t m a y h a v e m i s s e d s u b t l e p o s i t i o n d i f f e r e n c e s . O n ew a y t o a c c o u n t f o r a l l o f t h e s e d i f f e r e n c e s w a s t o s u g g e s tt h a t th e C N S u s e s m a n y d i f f e r en t ty p e s o f m o t o r c o n t r o lp r i n c i p l e s a n d m o t o r n e u r o n r e c r u i t m e n t p a t t e r n s t h a t w a sp r o b a b l y f u r t h e r o b s c u r e d a f t e r s p i n a l c o r d i n j u r y .P r e v i o u s r e s e a r c h e r s h a v e s u g g e s t e d t h a t t h e m o t o r u n i t swe re l ike ly to b e lon g to t a s k -s pec i f i c g rou ps 14'2s'31 in a red un-d a n t n e u r o m u s c u l a r s e t t i n g s i m i l a r t o m u s c l e s y n e r g i s t s o ft h e m u s c u l o s k e l e t al s y s te m . T h e " t a s k g r o u p " c o n c e p t 14s u g g e s t e d t h a t t h e s e m o t o r u n i ts b e l o n g t o f u n c t i o n a l g r o u p st h a t w e r e a c t i v e d e p e n d e n t o n t h e i n t e n d e d m o t o r t a s k . I na d d i t i o n , i n a n y o n e m u s c l e , t h e r e m i g h t b e m o t o r n e u r o n sa c t i v a t i n g o n l y a p o r t i o n o f th a t m u s c l e a s w a s r e p o r t e d b ym e a s u r i n g c r i t i c a l f ir i n g l e v e ls u s i n g a w i r e e l e c t r o d e p l a c e di n p a r ts o f t h e b i c e p s m u s c l e d u r i n g f l e x i o n a n d s u p i n a t i o n /p ro na t io n fo rces . 31

T h e a u t h o r s r e c o g n i z e t h a t th e s t u d y w a s l i m i t e d b e c a u s eo f t h e u s e o f s u r f a c e E M G r e c o rd i n g s . T h e y s e l ec t e d th ea n t e r io r d e l t o id a n d u p p e r p e c t o r a l m u s c l e s f o r t h e p l a c e m e n to f t h e s u r f a c e e l e c t r o d e b e c a u s e i t w a s t h e s e a r e a s o f th em u s c l e t h a t w e r e c l i n i c a l l y p a l p a t e d a s t h e m o s t a c t i v e d u r i n ge l b o w e x t e n s i o n i n t h e S C I p a t i e n t s . H o w e v e r , b e c a u s e m o -t o r u n i ts a p p e a r t o b e i n f u n c t i o n a l g r o u p s , t h e s u r f a c e e l e c -t r o d e m i g h t n o t h a v e b e e n a b l e t o p r e v e n t a l l c r o s s - t a l krecord ings . 2~ In ad d i t ion , i t i s r ec ogn ized th a t the pa t i en t s 'b o d y f a t a n d b o d y c o m p o s i t i o n m i g h t h a v e a l s o c a u s e d i n -c r e a s e d v a r i a b i l i ty o f th e r m s a m p l i t u d e s w h e n u s i n g s u r f a c ee l e c t r o d e s . T h e s u r f a c e E M G t e c h n i q u e w a s a l s o u s e d f o ri ts l e s s n o n i n v a s i v e p r o p e r t i e s , b u t f u r t h e r s t u d i e s a r e n e e d e dw i t h w i r e e l e c t r o d e s a n d p e r h a p s t e s t i n g m o r e m u s c l e s o rp o r t i o n s o f m u s c l e s .I n c o n c l u s i o n , t h e r e s u l t s o f t h i s s t u d y s u g g e s t t h a t t h ea n t e r i o r d e l t o i d a n d u p p e r p e c t o r a l m u s c l e s a t le a s t c o n t r i b -u t e d t o c l o s e d c h a i n i s o m e t r i c e l b o w e x t e n s i o n a f t e r s p i n a lc o r d i n j u r y r e s u l t i n g i n l o s s o f a f u c t i o n a l t r i c e p s m u s c l e .H o w e v e r , i t w a s c l e a r t h a t t h i s s t u d y w a s l i m i t e d b e c a u s en o t h i n g c o u l d b e s a i d a b o u t t h e p o s s i b l e c o n t r i b u t i o n o f o t h e rmu s c le g rou ps o r t a s k -s p ec i f i c g ro ups 14'31 in e lb ow ex ten s iono f v a r i o u s a n g l e s . T h i s a b i l i ty t o e x t e n d t h e e l b o w p l a y s a

v e r y i m p o r t a n t r o l e i n t h e w o r k c a p a c i t y 6 o f S C I p a t i e n t st h a t m i g h t i n c l u d e d a i l y a c t i v i ti e s o f p u s h i n g a w h e e l c h a i ro r t r a n s f e r r i n g . F u r t h e r m o r e , f u t u r e s t u d i e s a r e n e e d e d t oi n v e s t i g a t e t h e n e u r a l c h a n g e s a n d a d a p t a t i o n r e s p o n s e s o ft h e C N S i n r e g a r d s to m o t o r c o n t r o l m e c h a n i s m s a f t e r s p i n alc o r d i n j u r y .Acknowledgment: The authors wish to thank Patt Williams and P.A.Herbison for their help in preparing this manuscript, and Stephen Zerby,MD, for his technical help.

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A r c h P h y s M e d R e h a b i l V o l 7 6 , M a y 1 9 9 5


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elbow extension using anterior deltoids and upper pectorals in spinal cord-injured subjects

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