Effects of intense and unpredictable perturbations during gait training in individuals with hemiparesis due to cerebrovascular accident at the chronic phase

Abstract

In individuals with hemiparesis following a cerebrovascular accident (CVA) at the chronic phase, the deficits of balance during gait are common due to the impairment of the reactive and anticipatory postural responses. However, traditional interventions based on voluntary movements do not target the improvement of these responses for the improvement of dynamic balance. Studies involving the applications of unpredictable gait perturbations reported limited improvements in balance and gait abilities in this population. Furthermore, due to the concomitant use of other interventions or the absence of a control group in these studies, the attribution of the reported changes of these studies specifically to unpredictable gait perturbations is not possible. On the other hand, our knowledge about the underlying mechanisms of improvement of dynamic balance in individuals at the chronic phase post-stroke is limited. Thus, the main objectives of this thesis were: 1) to compare the effects of intense and unpredictable gait perturbations on balance and gait abilities with a control intervention including walking-only on a split-belt treadmill; and 2) to compare biomechanical determinants of dynamic balance between a group of healthy participants (n=15) and two groups of hemiparetic participants following CVA at the chronic phase [stroke-fast group (overground gait speed ≥ 1 m/s, n=20) and stroke-slow group (overground gait speed < 1 m/s, n=18)], as well as between stroke groups. To achieve the first objective, 18 participants were recruited and assigned through covariate adaptive randomization to the experimental group (n=10) or the comparison group (n=8) in a randomized controlled pilot trial. The participants in the comparison group walked merely on the treadmill. Both groups received nine training sessions over three weeks. Improvement of dynamic balance (assessed by the MiniBESTest) was the only statistically significant difference observed between the experimental and comparison groups. To reach the second objective, the biomechanical determinants of dynamic balance were compared at six time points of the gait cycle between the healthy group, stroke-fast group and stroke-slow group. The biomechanical determinants were the length and width of the base of support (BOS) in addition to the relative positions of the center of pressure (COP), the center of mass (COM) and the extrapolated COM (XCOM) along the anteroposterior and lateral axes of the BOS. The results indicate that participants with hemiparesis due to CVA at the chronic phase showed altered biomechanical variables compared to healthy participants, particularly at the single support phase of gait, suggesting a strategy to maintain their dynamic balance. Altogether, the findings suggest that the experimental intervention improved dynamic balance during gait probably through the normalization of its biomechanical determinants in individuals in the chronic phase post-stroke.Chez des personnes présentant une hémiparésie à la suite d’un accident vasculaire cérébral (AVC), les carences de l'équilibre dynamique pendant la marche sont fréquentes en raison de l'altération des réponses posturales réactives et anticipées. Toutefois, les interventions traditionnelles basées sur la réalisation de mouvements volontaires ne visent pas l'amélioration de ces réponses qui sous-tendent l'amélioration de l'équilibre dynamique. Des études portant sur l’application spécifique de perturbations imprévisibles de la marche ont rapporté des améliorations limitées des capacités de marche et d'équilibre chez cette population. Par ailleurs, en raison de l'utilisation concomitante d’autres interventions ou de l'absence d'un groupe témoin dans ces études, il n'est pas possible d'attribuer les changements rapportés spécifiquement aux perturbations imprévisibles de la marche. D'un autre côté, nos connaissances sur les mécanismes sous-jacents à l'amélioration de l'équilibre dynamique chez les individus ayant subi un AVC en phase chronique sont peu développées. Les principaux objectifs de cette thèse sont donc : 1) de comparer les effets de perturbations intenses et imprévisibles de la marche sur l'équilibre et les capacités de marche avec une intervention contrôle incluant uniquement de la marche sur un tapis roulant à double courroie ; et 2) de comparer les déterminants biomécaniques de l'équilibre dynamique entre un groupe de participants sains (n=15) et deux groupes de participants présentant une hémiparésie en phase chronique à la suite d’un AVC [les groupes AVC rapide (vitesse au sol ≥ 1 m/s, n=20) et AVC lent (vitesse au sol < 1 m/s, n=18)] ainsi qu’entre les groupes d'AVC. Pour atteindre le premier objectif, 18 participants ont été recrutés et assignés par randomisation avec équilibre des co-variables (“covariate adaptive randomization”) au groupe expérimental (n=10) ou au groupe de comparaison (n=8) dans un essai pilote contrôlé randomisé. Les participants du groupe de comparaison marchait simplement sur un tapis roulant. Les deux groupes ont reçu neuf sessions d’entraînement réparties sur trois semaines. L'amélioration de l'équilibre dynamique (évaluée par le biais du MiniBESTest) était la seule différence statistiquement significative observée entre le groupe expérimental et le groupe de comparaison à la suite de l’intervention. Pour atteindre le deuxième objectif, les déterminants biomécaniques de l'équilibre dynamique ont été comparés à six moments du cycle de marche entre le groupe sain, le groupe AVC rapide et le groupe AVC lent. Les déterminants biomécaniques étaient la longueur et la largeur de la base de support (BOS), en plus des positions relatives du centre de pression (COP), du centre de masse (COM) et du COM extrapolé (XCOM) dans les axes antéropostérieur et latéral de la BOS. Les résultats indiquent que les participants présentant une hémiparésie à la suite d’un AVC en phase chronique présentent des variables biomécaniques altérées par rapport aux participants sains, surtout lors de la phase d’appui unipodal, suggérant une stratégie pour maintenir leur équilibre dynamique. Dans l'ensemble, les résultats suggèrent que l’intervention expérimentale a amélioré l'équilibre dynamique pendant la marche, probablement en raison de la normalisation de ses déterminants biomécaniques chez les individus ayant subi un AVC en phase chronique