Undersøgelse af kompensatorisk bevægelse ved brug af en protese i øvre ekstremiteter

PROBLEMFORMULERING:

Aktuelle forbedringer af designet af den øvre lemmerprotese omfatter avanceret teknologi i kontrolsystemer og elektroniske kredsløb, der efterligner menneskelig bevægelse og forbedrer protesens funktion. Ofte kræver disse forbedringer store mængder strøm, kredsløb og overskydende masse distalt langs protesen, hvilket kan kræve større indsats fra brugeren. Dårlig funktion af en overekstremitetsprotese kan forårsage akavet kompenserende bevægelse. Afvigende bevægelser, såsom disse kompenserende bevægelser, er kendt for at forårsage større belastning af de resterende led. Amputerede er tvunget til at beslutte, om den ekstra funktion, som den avancerede elektronik giver, er værd at bære den ekstra masse, som kan forårsage træthed, fatningsproblemer og større belastning af de resterende led. Et eksempel er håndledsrotatorkomponenten i en overekstremitetsprotese, som kan tillade større funktion og reducere kompenserende bevægelse, men tilføjer masse distalt, hvilket potentielt forårsager større drejningsmomenter på de resterende led.

OVERSIGT AF AKTUELT LITTERATUR:

Bevægelsesbegrænset og overvægt af en protese i overekstremiteterne er blevet dokumenteret som plager blandt amputerede [1], [2], [3], [4], [5], [6]. Gennem undersøgelser Atkins et al. fastslog, at amputerede gerne ville have håndledskomponenten i protesen til at udføre flere bevægelser. Denne undersøgelse angav også at drikke fra et glas og åbne en dør, topprioriteter blandt amputerede [7]. Dette tyder på, at håndledskomponenten på en armprotese er vigtig.

Der er mange eksempler gennem den videnskabelige litteratur, der viser, hvordan kinetiske, kinematiske og metaboliske analyser af gang har ført til forbedring af protesedesignkriterier for underekstremiteterne [8],[9]. I 2003, Twiste et al. gennemført en litteraturgennemgang om rotation og translation af de anatomiske led under protesegang. Abstraktet fra denne gennemgang nævner, at mere nøjagtig kinematisk ganganalyse, der viser optimerede gangmønstre, kunne hjælpe producenter med at designe protesekomponenter til at efterligne disse mønstre [9]. Effekterne af masseforstyrrelser på amputerede underekstremiteter er blevet undersøgt for at bestemme, hvordan en proteses inertiegenskaber skal evalueres [10].

Der har også været undersøgelser, der involverer bevægelse af øvre lemmer, men mængden er begrænset. Bevægelsesområdet for overekstremiteterne hos raske og støttede personer, der udfører dagligdags aktiviteter, er blevet registreret og analyseret [11],[12],[13]. Disse undersøgelser har set på effekten af ​​håndledsposition, men ikke på massen af ​​en håndledskomponent.

MÅL MED UNDERSØGELSEN:

Der er to hovedmål med denne undersøgelse:

1. at bestemme påvirkningen af ​​en overekstremitetsprotese uden en håndledsrotator på den kompenserende bevægelse og drejningsmomenter i de resterende led under almindelige opgaver
2. at bestemme påvirkningen af ​​placeringen (distalt eller proksimalt) af en håndledsrotator på en overekstremitetsprotese på den kompenserende bevægelse under almindelige opgaver

HYPOTESER:

1. Der vil være en statistisk signifikant forskel i bevægeligheden af ​​leddene i de øvre lemmer mellem raske forsøgspersoner, forsøgspersoner med afstivere og amputerede overekstremiteter under fire almindelige opgaver.
2. Der vil være en statistisk signifikant forskel i ledmomenter i overekstremiteterne mellem raske forsøgspersoner, forsøgspersoner med afstivere og amputerede overekstremiteter under tre almindelige opgaver.
3. Der vil være en statistisk signifikant forskel i overekstremitetsvinkler og ledmomenter mellem masse tilføjet distalt og masse tilføjet proksimalt under almindelige opgaver.

METODER Deltagere Ti raske voksne frivillige uden historie med skader i øvre lemmer vil deltage i denne undersøgelse. Fem mænd og fem kvinder deltager. Disse ti forsøgspersoner vil udgøre kontrolgruppen og vil derefter blive afstivet til at simulere en under albueprotese. Syv ensidige amputerede overekstremiteter vil deltage.

Testprotokol Et 8 kamera infrarødt Vicon bevægelsesanalysesystem vil blive brugt til indsamling og analyse af bevægelsesdata. Nitten sfæriske reflekterende markører vil blive placeret på knoglerne i de øvre lemmer og torso af forsøgspersonerne for at beskrive segmenter eller lokale koordinatsystemer.

Et statisk forsøg vil blive indsamlet for hvert emne for at hjælpe med at bestemme fællescentrene. Emneparametre som kropsmasse, højde og skulderdybde, håndleds- og håndtykkelse vil blive indsamlet til brug i beregninger. Kinematiske data vil blive indsamlet ved 120 Hz.

Emner vil blive bedt om at udføre fire opgaver:

• Drikker af en kop
• At åbne en dør
• Løft af en kasse på 5 lb
• Drejning af et rat (kinetisk analyse af denne opgave vil være udelukket)

De raske forsøgspersoner vil fuldføre hver opgave under følgende interventioner: (1) ingen indgreb (2) afstivet begrænser underarms- og håndledsbevægelser, (3) afstivet med 96 g (masse af gennemsnitlig protesehåndledsrotator) tilføjet nær albuen, (4) afstivet med 96 g tilføjet nær håndleddet. De amputerede vil gennemføre interventioner (3) og (4) nævnt ovenfor uden en håndledsrotator, men simulerer massen af ​​en. Tre forsøg vil blive indsamlet for hver eksperimentel testtilstand, og disse forsøg vil blive beregnet som en repræsentant for hvert individ. Rækkefølgen af ​​prøverne vil blive tilfældigt tildelt for hvert emne.

Design af eksperiment:

Denne undersøgelse vil se på virkningerne af fraværet af håndleds- og underarmsbevægelser på skulder-, albue- og torsobevægelse under fire aktiviteter. Denne undersøgelse vil kombinere mellem-fag og inden-fag-analyse.

Uafhængig faktor (mellem forsøgspersoner): begrænsning af håndleds- og underarmsbevægelser (simulerer ingen håndledsrotatorkomponent på protesen)

Niveauer:

• Kontrolgruppe
• Afstivede gruppe - simulerer en underalbue protese i overekstremiteterne
• Protesebærende gruppe

Gentaget faktor (indenfor emner): tilføjet masse (simulerer massen af ​​håndledsrotatoren)

Niveauer:

• Ingen tilføjet masse af en håndledsrotator
• Masse af en håndledsrotator tilføjet proksimalt (nær albue)
• Masse af en håndledsrotator tilføjet distalt (nær håndleddet)

En to-vejs variansanalyse med et gentaget mål vil blive brugt til at analysere hovedeffekterne og interaktionseffekterne.

Databehandling

Skulder, albue og torso bevægelser og drejningsmomenter vil blive beregnet ved hjælp af et program skrevet i Vicon Bodybuilder sprog. Positionerne af de markører, der er placeret på emnet, vil blive digitaliseret, og torso, overarm, underarm og håndsegmenter vil blive bestemt. Euler-vinkler vil blive beregnet. Invers dynamik og antropometri vil blive brugt til at beregne kræfter og drejningsmomenter. Følgende resultatmål vil blive sammenlignet:

• Skulderabduktion og fleksion
• Albuefleksion
• Bøjning af torso (L/R)
• Skulderledskraft og moment
• Albueleddets kraft og drejningsmoment

Maksimum, minimum og rækkevidde af disse resultatmål vil blive sammenlignet mellem emner og inden for emner.

FORVENTEDE RESULTATER/DISKUSSION

At drikke af en kop:

• Grupper med afstiver og protesebærende vil have større skulderabduktion for at kompensere for manglen på underarmsrotation og håndledsforlængelse.
• Tilføjelse af massen (håndledsrotatoren) distalt vil forårsage en større kraft og drejningsmoment ved albuen. Denne forøgelse af kræfterne ved albuen vil være størst i amputationsgruppen på grund af mulig skade på brachialis ved dens indsættelse på ulnas tuberositet.

Åbning af en dør:

• Grupper med afstiver og protesebærende vil have større skulderabduktion for at kompensere for manglen på underarmsrotation og håndledsforlængelse. Disse grupper kan også kompensere ved at bøje stammen i stedet for at øge skulderabduktionen.
• På grund af det øgede skulderudslag i koronalplanet vil den afstivende gruppe og protesebærende gruppe have et større drejningsmoment ved skulderleddet. Denne stigning i skulderledsmomentet vil stige, når massen (håndledsrotatoren) tilføjes distalt på grund af stigningen i vægtstangsarmen.

Løft af en kasse på 5 lb:

• Denne opgave vil kræve minimal håndledsafvigelse, håndledsfleksion/forlængelse og minimal underarmsrotation. Det indgår i denne undersøgelse, fordi det er en bilateral opgave
• Støtte- og protesebærende grupper vil øge skulderabduktion og mindre skulderfleksion på grund af begrænsningerne i underarm og håndled.
• Skulder- og albueledskræfter og drejningsmomenter vil være større på den sunde hånd for den amputerede gruppe, fordi de kun vil bruge protesen som en guide til opgaven. Det modsatte kan dog forekomme.

Drej et rat:

• Grupper med afstiver og protesebærende vil have større skulderabduktion for at kompensere for manglen på håndledsfleksion og ekstension. Der kan dog også forekomme kompensation ved trunkbøjning.
• Til denne opgave vil de amputerede forsøgspersoner først fuldføre den med en lydarm og derefter protesen for at bestemme, hvor kompensation finder sted.

BIDRAG Dette arbejde vil give mange bidrag til området for biomekanik og protesedesign. Et vigtigt aspekt ved at studere menneskelige sygdomme er at have et sæt kontroldata, der skal bruges til sammenligning. Dokumentation af kinematiske data for overekstremiteterne under fire almindelige opgaver vil give mulighed for en sammenligning, når man studerer mange problemer eller skader i overekstremiteterne.

Dette arbejde vil hjælpe med at afgøre, om placeringen af ​​nye komponenter skal overvejes ved design, tilpasning og instruktion af protesen i overekstremiteterne. Det kan også være med til at bygge bro mellem den teknologiske innovation på ingeniørområdet og den kliniske dygtighed hos de proteselæger, der er i kontakt med slutbrugerne på daglig basis.

REFERENCER

1. S.C. Jacobsen, D.F. Knutti, R.T. Johnson og H.H. Sears, "Development of the Utah artificial arm," IEEE Trans.Biomed.Eng., vol. 29, s. 249-269, apr. 1982.
2. J.E. Uellendahl, "Upper extremity myoelectric prosthetics," Phys.Med.Rehabil.Clin.N.Am., vol. 11, s. 639-652, august 2000.
3. C.M. Light, P.H. Chappell, B. Hudgins og K. Engelhart, "Intelligent multifunktions myoelektrisk kontrol af håndproteser," J.Med.Eng.Technol., vol. 26, s. 139-146, jul-aug. 2002.
4. P.J. Kyberd, D.J. Beard og J.D. Morrison, "Befolkningen af ​​brugere af overekstremitetsproteser, der deltager i Oxford Limb Fitting Service," Prosthet.Orthot.Int., vol. 21, s. 85-91, august 1997.
5. W. Daly, "Upper extremity socket design options," Phys.Med.Rehabil.Clin.N.Am., vol. 11, s. 627-638, august 2000.
6. H.H. Sears og J. Shaperman, "Proportional myoelectric hand control: an evaluation," Am.J.Phys.Med.Rehabil., vol. 70, s. 20-28, februar 1991.
7. D.J. Atkins, Heard D. og W.H. Donovan, "Epidemiologisk oversigt over individer med tab af øvre lemmer og deres rapporterede forskningsprioriteter," JPO, vol. 8, s. 2-11, 1996. 1996.
8. J.S. Rietman, K. Postema og J.H. Geertzen, "Ganganalyse i proteser: meninger, ideer og konklusioner," Prosthet.Orthot.Int., vol. 26, s. 50-57, apr. 2002.
9. M. Twiste og S. Rithalia, "Tværgående rotation og langsgående translation under protesegang - en litteraturgennemgang," J.Rehabil.Res.Dev., vol. 40, s. 9-18, jan-feb. 2003.
10. R.W. Selles, J.B. Bussmand, L.M. Klip, B. Speet, A.J. Van Soest, H.J. Stam, "Adaptations to Mass Perturbations in Transradial Amputees: Kinetic or Kinematic Invariance?" Arch. Phys. Med. Rehabil., vol. 85, s. 2046-2052, december 2004.
11. A. Murgia, P.J. Kyberd, P.H. Chappell og C.M. Light, "Markørplacering for at beskrive håndledsbevægelserne under daglige aktiviteter i cykliske opgaver," Clin.Biomech.(Bristol, Avon), bind. 19, s. 248-254, mar. 2004.
12. R. Safaee-Rad, E. Shwedyk, A.O. Quanbury og J.E. Cooper, "Normalt funktionelt bevægelsesområde for leddene i øvre lemmer under udførelse af tre fodringsaktiviteter," Arch.Phys.Med.Rehabil., vol. 71, s. 505-509, jun. 1990.
13. J.S. Landry, "Optimal Fixed Wrist Alignment For Below-Albue, Powered, Prosthetic Hands," s. 1-80, 2000. 2000.