Sammenligning af løbespecifikke og traditionelle proteser under løb: vurdering af ydeevne og risiko

A. BAGGRUND

Den nuværende viden og forståelse af individer med amputationer af nedre ekstremiteter (ILEA) under løb er begrænset med hensyn til biomekanisk ydeevne og skadesrisici. ILEA er i stand til at løbe med både løbespecifikke proteser (RSP'er) og traditionelle proteser; direkte sammenligninger af emner, der kører med hvert af disse protesedesigns, eksisterer dog ikke. Den rapporterede litteratur, der undersøger det ene eller det andet design, har ofte ikke deltagere, der løber med samme hastigheder. Derudover, når løbehastigheder er ens mellem studier, undersøges de samme variable sjældent. Dette gør sammenligning mellem RSP'er og traditionelle proteser yderst vanskelig, og det er praktisk talt umuligt at drage konklusioner om både ydeevne og skadesrisiko. Endvidere har ingen ILEA løbeundersøgelser til dato undersøgt muskelaktiviteter, og der er heller ikke genereret løbesimuleringer af muskuloskeletale modeller. Disse store huller i forskningen begrænser i væsentlig grad forståelsen af ​​både ydeevne og skadesrisiko ved ILEA-løb med forskellige protesedesigns. At opnå denne viden vil direkte informere klinikere og administratorer inden for Department of Defense and Veterans Administration-systemer om proteseordination til at køre med en række hastigheder samt for tilbagevenden til tjeneste-scenarier. Derfor vil den foreslåede undersøgelse anvende motion capture, muskelaktivitet og muskuloskeletale modelleringsteknikker til direkte at sammenligne præstations- og skadesrisici ved ILEA-løb med både RSP'er og traditionelle proteser på tværs af en række hastigheder. Efterforskerne vil også fange en arbejdsdygtig kontrolgruppe til normative sammenligninger. Ved at gøre det tager dette projekt direkte hensyn til OPORA's mål og behov på flere niveauer.

B. FORSKNINGSSTRATEGI:

Emner Tolv forsøgspersoner med ensidige transtibiale amputationer vil blive rekrutteret fra militær-, veteran- og civilbefolkningen. Tolv raske forsøgspersoner, der matcher køn, alder, højde og vægt, vil fungere som en kontrolgruppe for at give normative data til sammenligning. Alle forsøgspersoner skal give deres informerede samtykke, før de påbegynder en del af undersøgelsen, og vil til enhver tid have mulighed for at afbryde undersøgelsen uden straf. Alle forsøgspersoner skal udfylde det fysiske aktivitetsberedskabsspørgeskema (PAR-Q) før forsøget påbegyndes. Hvis forsøgspersoner fejler dette spørgeskema (ved at svare "ja" til et af de 7 spørgsmål), vil de ikke få lov til at deltage i undersøgelsen, før de fremlægger dokumentation fra en læge, der godkender dem til at deltage.

Eksperimentelle procedurer Et randomiseringscomputerprogram vil bestemme rækkefølgen af ​​fodprotesetilstande (RSP eller traditionel) for ILEA-personerne. Alle forsøgspersoner (Controls og ILEA) vil gennemgå 3D-løbsanalyse på et instrumenteret løbebånd. Et motion capture-system vil indsamle kinematiske data (dvs. lemmerpositioner; ledvinkler, hastigheder, accelerationer) ved 200 Hz fra reflekterende markører placeret på specifikke kropsvartegn. På det amputerede lem vil skaftklyngen blive placeret lateralt på soklen, og en markør vil blive placeret ved den distale spids af soklen for at definere den lange akse af det resterende skaftsegment. For RSP-betingelserne vil der blive placeret otte yderligere markører på protesekølen. Markøren på det mest akutte punkt af protesen vil definere protesebenets "ankel"-led. For de traditionelle proteseforhold vil markører blive placeret på samme måde som den intakte fod.

Et instrumenteret løbebånd vil indsamle jordreaktionskraft (GRF) data ved 1000 Hz fra kraftplatforme indlejret i løbebåndet. Kinematiske og jordreaktionskraftdata vil blive kombineret, og standard invers dynamikteknikker vil blive brugt til at beregne fælles kinetiske data (dvs. kræfter, momenter, kræfter og arbejde) ved hjælp af Visual3D (C-Motion, Germantown, MD) software.

Muskelaktiveringsdata vil blive indsamlet ved en prøveudtagningsfrekvens på 2000 Hz ved brug af overfladeelektromyografi (EMG) fra seks bilaterale hofte- og kropsmuskler. Engangs forgelerede sølv-sølvklorid (Ag-AgCl) elektroder vil blive placeret over bilaterale gluteus medius, gluteus maximus, rectus femoris, biceps femoris, lumbal erector spinae, indre skrå og udvendige skrå muskler. Maksimale frivillige isometriske kontraktioner (MVIC) vil blive opnået til normaliseringsformål ved brug af manuel modstand påført i standardiserede positioner.

Alle forsøgspersoner (ILEA ved hjælp af RSP'er, ILEA ved hjælp af traditionel protese og kontroller) vil løbe med seks foreskrevne hastigheder (2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 5,0, 6,0 m/s) på et løbebånd, præsenteret i randomiseret rækkefølge. ILEA forsøgspersoner vil gennemføre alle fartforhold iført både deres RSP og traditionelle fodprotese. Som tidligere nævnt vil proteserækkefølgen være randomiseret, men alle hastighedsforhold vil blive gennemført i én protese forud for ændring til anden protesetilstand. Dette vil spare tid og opretholde en lignende protesepasning mellem hastighedsforhold. Studieprotokollen kræver, at hvert forsøgsperson kører med de samme 6 specifikke hastigheder, der er identificeret ovenfor. Hver hastighedstilstand på løbebåndet vil tage cirka 30 sekunder, eller den tid, det tager, for forsøgspersoner at stabilisere deres gang ved hastigheden og en samling af 10 på hinanden følgende skridt, der skal indsamles. Der vil blive givet mindst 2 minutters hvile mellem hver hastighedstilstand, og forsøgspersoner kan tage mere hvile, hvis det er nødvendigt.

Efter at have gennemført løbebåndsforsøgene, vil forsøgspersonerne gennemføre 3x50m streger i hver fodtilstand for at bestemme maksimal hastighed. Igen vil der blive givet mindst 2 minutters hvile mellem hver indsats, og forsøgspersoner kan tage mere hvile, hvis det er nødvendigt. Rækkefølgen af ​​protesebrug vil også blive randomiseret for denne test, men alle tre streger vil blive udfyldt fortløbende for hver protesetilstand.

For at evaluere ydeevnen under løb vil de primære resultatmål, der evalueres, omfatte topledskræfter; koncentrisk, excentrisk og total led- og lemmerarbejde; gennemsnitlige vertikale og anteriore og posteriore (AP) GRF'er; vertikale og AP GRF-impulser; og 50m stregtid/hastighed. For at evaluere skadesrisikoen under løb vil de primære resultatmål, der evalueres, omfatte gennemsnitlige GRF-størrelser og belastningshastigheder, asymmetri i GRF'er og ledmomenter, normaliserede EMG-amplituder, lumbopelvis kinematik og spids- og gennemsnitlige ledkontaktkræfter over stilling. Data for disse mål vil blive indsamlet for alle forsøgspersoner og derefter sammenlignet mellem de tre grupper (ILEA med RSP'er, ILEA med traditionel protese og kontroller). Der vil ikke blive tilbudt intervention til noget emne, og der vil ikke blive udført nogen opfølgning for at vurdere biomedicinske og/eller sundhedsmæssige resultater.

Elektromyografi Signalanalyse Rå EMG-data vil blive forringet, båndpas (afskæringsfrekvens 10-400 Hz) og båndstop (afskæringsfrekvens 59-61 Hz) filtreret for at fjerne bevægelsesartefakter og 60 Hz elektrisk støj ved hjælp af dobbeltpas (nul faseforsinkelse) ) Butterworth-filtre. EMG-data vil derefter blive fuldbølgekorrigeret og lavpasfiltreret for at skabe lineære konvolutter. Spidsværdier vil blive udtrukket fra MVIC-forsøgene, der skal bruges til normalisering af de løbende forsøg for at udtrykke EMG-data som % maksimal frivillig kontraktion (MVC). Root mean square (RMS) af hver muskels aktivitet vil blive beregnet under løbe- og svingfaser for at undersøge amplitudeforskelle. Krydskorrelationsmetodologi vil blive brugt til at undersøge relativ timing mellem trunk- og hoftemuskulatur. Sammenligninger vil blive foretaget for at vurdere symmetri af muskelaktiveringsamplitude og timing mellem intakte og protetiske lemmersider for hver af løbehastigheden og protesebetingelserne.

Muskuloskeletal model Tre muskuloskeletale modeller vil blive udviklet i OpenSim. Til den første model vil efterforskerne bruge en generisk muskuloskeletal model, der repræsenterer en ikke-amputeret voksen mand, som tidligere er blevet brugt til at vurdere muskelfunktion under ikke-amputeret løb. Den anden og tredje model vil være modificerede versioner af den ikke-amputerede model, der repræsenterer en person, der bruger en protese. Den anden model vil omfatte en traditionel transtibial energilagrings- og returprotese, og den tredje model vil omfatte en løbespecifik protese. For begge modeller vil efterforskerne fjerne ankelmusklerne fra det resterende ben, inklusive den mediale og laterale gastrocnemius, soleus, tibialis posterior, flexor digitorum longus, tibialis anterior og extensor digitorum longus.

Running Simulation Generation Modellerne vil blive skaleret til hvert enkelt emne ved hjælp af manuelle, ensartede skalafaktorer, beregnet ud fra en invers dynamikmodel baseret på kinematiske markørpositioner og udviklet i Visual3D (C-Motion, Inc., Germantown, MD). Derefter vil en invers kinematik-løsning blive beregnet i Visual3D ved hjælp af en vægtet mindste kvadraters optimeringsalgoritme. Efter at den inverse kinematik-løsning er blevet beregnet, vil efterforskerne udføre en Residual Reduction Algorithm. Når der er foretaget mindre ændringer i modellen og til de kinematiske baner for de generaliserede koordinater, vil efterforskerne implementere en Computed Muscle Control-algoritme. Når en løsning til individuelle muskelexcitationer er fundet ved hjælp af Computed Muscle Control-algoritmen, vil efterforskerne sammenligne den med de eksperimentelt indsamlede elektromyografiske data. Efterforskerne vil generere løbesimuleringer ved alle løbehastigheder for alle deltagere. Resultaterne af disse simuleringer vil blive sammenlignet mellem grupper og på tværs af hastigheder, svarende til de eksperimentelle mål, der vil blive analyseret i denne undersøgelse.

Analyse af ledkontaktkraft Når løbesimuleringerne er udviklet, vil den tredimensionelle kontaktbelastning ved hoften blive bestemt ud fra leddets intersegmentelle kraft og kompressionskræfter fra musklerne, der krydser leddet, svarende til de tidligere analyser under amputeret gang. Derudover vil muskelkræfterne bestemt ud fra bevægelsessimuleringen blive brugt til at hjælpe med at fortolke nettokontaktbelastningerne.

Materialeegenskaber og antropometri Inertiegenskaber af de protetiske komponenter og intakte kropssegmenter vil blive estimeret til brug med den omvendte dynamik tilgang. Emnets masser vil blive målt ved hjælp af en kraftplatform. Højde og kropsvægt for hvert individ vil blive målt, og antropometriske målinger fra markørpositioner vil blive brugt til at estimere massen, massecentret og inertimomentet af intakte lemmersegmenter. Fordi ILEA-personer mangler en fod og en del af deres skaft, vil en justeret kropsmasse (ABM) blive brugt som input til antropometriske regressionsligninger, der tager højde for de manglende kropssegmenter.

For forsøgspersoner med amputation vil den resterende lemlængde og omkredse ved knæleddet og den distale ende af lemmet blive målt ved hjælp af et målebånd. Resterende lemmerinertiegenskaber vil derefter blive estimeret som en afstubning af en højre cirkulær kegle. Resterende lemmermasse vil blive estimeret ud fra det beregnede geometriske volumen under antagelse af en ensartet vævstæthed på 1,10 g/cm3. For RSP-betingelserne vil inertiegenskaberne af RSP'en blive estimeret ud fra data offentliggjort af PI. Undersegmenter inden for RSP-kølene vil blive defineret via reflekterende markørplaceringer, og inertiegenskaberne for hvert undersegment vil blive estimeret ved at antage hvert segment som en stiv trapezformet kuboid. For de traditionelle proteseforhold vil protesens inertiegenskaber blive estimeret i henhold til publiceret litteratur.

C. STATISTISK PLAN og DATAANALYSE

Statistisk analyse Denne forskning er designet til at bestemme virkningen af ​​protesetype på en række præstations- og skadesrisikorelaterede udfaldsvariabler på tværs af en række løbehastigheder. En trefaktor (Gruppe x Limb x Speed) blandet model ANOVA vil blive brugt til at identificere statistiske ændringer af følgende afhængige variable: maksimale hofte-, knæ- og ankelledskræfter og mekanisk arbejde; gennemsnitlige jordreaktionskræfter; lastehastigheder; og EMG-amplituder. Gruppe (individuel underekstremitet amputation løbespecifik protese (ILEARSP) vs individuel underekstremitet amputation traditionel protese (ILEATrad) vs. kontrol) vil blive betragtet som en uafhængig variabel mellem emner, lem (protese/intakt eller venstre/højre) som en inden for-fags uafhængig variabel og Hastighed (2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 5,0 og 6,0 m/s) som en inden-fags uafhængig variabel.

En ANOVA med to faktorer (Gruppe x Hastighed) vil blive brugt til at identificere statistiske ændringer af afhængige variabler, herunder jordreaktionskraftsymmetri, ledkinetisk symmetri og lumbopelvis kinematik. En envejs ANOVA vil bestemme statistiske forskelle mellem grupperne for 50 m stregtid og hastighed.

Signifikans for alle statistiske test vil blive sat til α=0,05.

Prøvestørrelsesberegninger Denne undersøgelse vil have passende statistisk styrke til at vurdere vores hypoteser. Effektstørrelser for signifikante forskelle mellem RSP, intakte og arbejdsdygtige lemmer i GRF-belastningshastigheder, gennemsnitlig GRF og samlet ledarbejde blev estimeret baseret på tidligere data indsamlet af PI fra 8 ILEA- og kontrolpersoner, der kørte ved 2,5, 3,0 og 3,5 m/s. Disse effektstørrelser varierede mellem 0,4 og større end 0,9. En effektstørrelse på 0,7 blev også estimeret ud fra mængden af ​​oxygen (VO2)-værdier i en undersøgelse, der sammenlignede forsøgspersoner, der løb med RSP'er og traditionelle proteser. For at være konservative brugte efterforskerne den laveste af disse effektstørrelser (0,4) til at udføre en effektanalyse for ANOVA med gentagne målinger ved hjælp af G*Power (v. 3.1.9.2, Düsseldorf, Tyskland). Dette gav en samlet prøvestørrelse på 24 med α = 0,05, hvilket resulterede i 80 % kraft til at detektere forskelle mellem lemmer, protesefødder eller ILEA- og kontrolpersoner i kinetiske værdier under løb. Forskerne forventer lignende effektstørrelser for ændringer i de resterende biomekaniske variable, som efterforskerne vil undersøge i den foreslåede undersøgelse. Baseret på denne analyse vil 12 ILEA-personer og 12 kontrolpersoner give betydelig statistisk kraft til at påvise signifikante forskelle i biomekaniske resultater mellem grupper og fodprotese.