Estudio del movimiento compensatorio durante el uso de una prótesis de miembro superior

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA:

Las mejoras actuales del diseño de la prótesis del miembro superior incluyen tecnología avanzada en sistemas de control y circuitos electrónicos que imitan el movimiento humano y mejoran la función de la prótesis. A menudo, estas mejoras requieren grandes cantidades de energía, circuitos y exceso de masa distalmente a lo largo de la prótesis, lo que puede requerir un mayor esfuerzo por parte del usuario. El mal funcionamiento de una prótesis de miembro superior puede provocar un movimiento compensatorio incómodo. Se sabe que los movimientos aberrantes, como estos movimientos compensatorios, provocan una mayor tensión en las articulaciones restantes. Los amputados se ven obligados a decidir si vale la pena la función adicional proporcionada por la electrónica avanzada para llevar la masa adicional que puede causar fatiga, problemas en el encaje y mayor tensión en las articulaciones restantes. Un ejemplo es el componente rotador de muñeca de una prótesis de miembro superior que puede permitir una mayor función y reducir el movimiento compensatorio, pero agrega masa distalmente, lo que puede causar mayores torques en las articulaciones restantes.

SINOPSIS DE LA LITERATURA ACTUAL:

El movimiento restringido y el exceso de peso de una prótesis de miembro superior se han documentado como quejas entre los amputados [1], [2], [3], [4], [5], [6]. A través de encuestas Atkins et al. determinó que a los amputados les gustaría que el componente de muñeca de la prótesis realizara más movimientos. Este estudio también enumeró beber de un vaso y abrir una puerta, las principales prioridades entre los amputados [7]. Esto sugiere que el componente de la muñeca en un brazo protésico es importante.

Hay muchos ejemplos a lo largo de la literatura científica que muestran cómo los análisis cinéticos, cinemáticos y metabólicos de la marcha han llevado a la mejora de los criterios de diseño de prótesis de miembros inferiores [8],[9]. En 2003, Twiste et al. realizó una revisión de la literatura sobre la rotación y traslación de las articulaciones anatómicas durante la marcha protésica. El resumen de esta revisión menciona que un análisis cinemático de la marcha más preciso que muestre patrones de marcha optimizados podría ayudar a los fabricantes a diseñar componentes protésicos para imitar estos patrones [9]. Se han investigado los efectos de las perturbaciones de masa en amputados de extremidades inferiores para determinar cómo deben evaluarse las propiedades de inercia de una prótesis [10].

También se han realizado estudios relacionados con el movimiento de las extremidades superiores, pero la cantidad es limitada. El rango de movimiento del miembro superior de sujetos sanos y ortopédicos que realizan actividades de la vida diaria ha sido registrado y analizado [11],[12],[13]. Estos estudios han analizado el efecto de la posición de la muñeca, pero no la masa de un componente de la muñeca.

OBJETIVOS DEL ESTUDIO:

Hay dos objetivos principales de este estudio:

1. determinar el impacto de una prótesis de miembro superior sin rotador de muñeca en el movimiento compensatorio y los pares en las articulaciones restantes durante tareas comunes
2. para determinar el impacto de la ubicación (distal o proximal) de un rotador de muñeca en una prótesis de miembro superior en el movimiento compensatorio durante tareas comunes

HIPÓTESIS:

1. Habrá una diferencia estadísticamente significativa en el rango de movimiento de las articulaciones de las extremidades superiores entre sujetos sanos, sujetos ortopédicos y amputados de extremidades superiores durante cuatro tareas comunes.
2. Habrá una diferencia estadísticamente significativa en los pares de torsión de las articulaciones de las extremidades superiores entre sujetos sanos, sujetos con aparatos ortopédicos y amputados de las extremidades superiores durante tres tareas comunes.
3. Habrá una diferencia estadísticamente significativa en los ángulos de las extremidades superiores y los pares articulares entre la masa añadida distalmente y la masa añadida proximalmente durante las tareas comunes.

MÉTODOS Participantes Diez voluntarios adultos sanos sin antecedentes de lesiones en las extremidades superiores participarán en este estudio. Participarán cinco hombres y cinco mujeres. Estos diez sujetos formarán el grupo de control y luego serán reforzados para simular una prótesis por debajo del codo. Participarán siete amputados unilaterales de miembro superior.

Protocolo de prueba Se utilizará un sistema de análisis de movimiento Vicon infrarrojo de 8 cámaras para la recopilación y el análisis de datos de movimiento. Se colocarán diecinueve marcadores reflectantes esféricos en los puntos de referencia óseos de las extremidades superiores y el torso de los sujetos para describir segmentos o sistemas de coordenadas locales.

Se recopilará una prueba estática para cada sujeto para ayudar a determinar los centros conjuntos. Los parámetros del sujeto, como la masa corporal, la altura y la profundidad de los hombros, y el grosor de la muñeca y la mano, se recopilarán para su uso en los cálculos. Los datos cinemáticos se recopilarán a 120 Hz.

Se les pedirá a los sujetos que completen cuatro tareas:

• bebiendo de una taza
• abriendo una puerta
• Levantar una caja de 5 libras
• Girar un volante (se excluirá el análisis cinético de esta tarea)

Los sujetos sanos completarán cada tarea durante las siguientes intervenciones: (1) ninguna intervención (2) sujeción que restringe el movimiento del antebrazo y la muñeca, (3) sujeción con 96 g (masa del rotador de muñeca protésico promedio) añadido cerca del codo, (4) sujeción con 96 g añadidos cerca de la muñeca. Los amputados completarán las intervenciones (3) y (4) mencionadas anteriormente sin un rotador de muñeca pero simulando la masa de uno. Se recopilarán tres ensayos para cada condición de prueba experimental y estos ensayos se promediarán como representativos de cada sujeto. El orden de las pruebas se asignará aleatoriamente para cada asignatura.

Diseño de experimento:

Este estudio analizará los efectos de la ausencia de movimiento de la muñeca y el antebrazo en el movimiento del hombro, el codo y el torso durante cuatro actividades. Este estudio combinará el análisis entre sujetos y dentro del sujeto.

Factor independiente (entre sujetos): restricción del movimiento de la muñeca y el antebrazo (simulando que no hay componente rotador de la muñeca en la prótesis)

Niveles:

• Grupo de control
• Grupo arriostrado - simulando una prótesis de miembro superior por debajo del codo
• grupo portador de prótesis

Factor repetido (dentro de sujetos): masa añadida (simulando la masa del rotador de muñeca)

Niveles:

• Sin masa añadida de un rotador de muñeca
• Masa de un rotador de muñeca agregado proximalmente (cerca del codo)
• Masa de un rotador de muñeca agregado distalmente (cerca de la muñeca)

Se utilizará un análisis de varianza bidireccional con una medida repetida para analizar los efectos principales y los efectos de interacción.

Procesamiento de datos

Los movimientos y pares de hombros, codos y torso se calcularán utilizando un programa escrito en lenguaje Vicon Bodybuilder. Las posiciones de los marcadores colocados en el sujeto se digitalizarán y se determinarán los segmentos del torso, la parte superior del brazo, la parte inferior del brazo y la mano. Se calcularán los ángulos de Euler. La dinámica inversa y la antropometría se utilizarán para calcular fuerzas y pares. Se compararán las siguientes medidas de resultado:

• Abducción y flexión del hombro
• Flexión de codo
• Flexión del torso (L/R)
• Fuerza y ​​torsión de la articulación del hombro
• Fuerza y ​​torque en la articulación del codo

El máximo, el mínimo y el rango de estas medidas de resultado se compararán entre sujetos y dentro de los sujetos.

RESULTADOS PREVISTOS/DISCUSIÓN

Beber de una taza:

• Los grupos que usan aparatos ortopédicos y prótesis tendrán una mayor abducción del hombro para compensar la falta de rotación del antebrazo y extensión de la muñeca.
• Agregar la masa (rotador de muñeca) distalmente causará una mayor fuerza y ​​torsión en el codo. Este aumento de fuerzas en el codo será mayor en el grupo de amputados debido a la posible lesión del braquial en su inserción en la tuberosidad del cúbito.

Abriendo una puerta:

• Los grupos que usan aparatos ortopédicos y prótesis tendrán una mayor abducción del hombro para compensar la falta de rotación del antebrazo y extensión de la muñeca. Estos grupos también pueden compensar doblando el tronco en lugar de aumentar la abducción del hombro.
• Debido a la mayor amplitud de movimiento del hombro en el plano coronal, el grupo que lleva el aparato ortopédico y la prótesis tendrá un mayor torque en la articulación del hombro. Este aumento del torque de la articulación del hombro aumentará cuando la masa (rotador de la muñeca) se agregue distalmente debido al aumento en el brazo de palanca.

Levantar una caja de 5 libras:

• Esta tarea requerirá una desviación mínima de la muñeca, flexión/extensión de la muñeca y rotación mínima del antebrazo. Se incluye en este estudio por tratarse de una tarea bilateral
• Los grupos ortopédicos y portadores de prótesis tendrán una mayor abducción del hombro y una menor flexión del hombro debido a las limitaciones del antebrazo y la muñeca.
• Las fuerzas y los torques de las articulaciones del hombro y del codo serán mayores en la mano sana para el grupo de amputados porque usarán la prótesis solo como una guía para la tarea. Sin embargo, podría ocurrir lo contrario.

Girar un volante:

• Los grupos que usan aparatos ortopédicos y prótesis tendrán una mayor abducción del hombro para compensar la falta de flexión y extensión de la muñeca. Sin embargo, la compensación también podría ocurrir en la flexión del tronco.
• Para esta tarea los sujetos amputados primero la completarán con un brazo sano y luego con la prótesis para determinar dónde se produce la compensación.

CONTRIBUCIONES Este trabajo proporcionará muchas contribuciones al campo de la biomecánica y el campo del diseño protésico. Un aspecto importante del estudio de enfermedades humanas es tener un conjunto de datos de control para comparar. La documentación de los datos cinemáticos de la extremidad superior durante cuatro tareas comunes permitirá una comparación al estudiar muchos problemas o lesiones de la extremidad superior.

Este trabajo ayudará a determinar si se debe considerar la ubicación de los nuevos componentes en el diseño, ajuste e instrucción de la prótesis del miembro superior. También puede ayudar a cerrar la brecha entre la innovación tecnológica del campo de la ingeniería y la astucia clínica de los protésicos que están en contacto con los usuarios finales a diario.

REFERENCIAS

1. SC Jacobsen, D.F. Knutti, R. T. Johnson y H.H. Sears, "Desarrollo del brazo artificial de Utah", IEEE Trans.Biomed.Eng., vol. 29, págs. 249-269, abril. mil novecientos ochenta y dos.
2. J.E. Uellendahl, "Prótesis mioeléctricas de las extremidades superiores", Phys.Med.Rehabil.Clin.N.Am., vol. 11, págs. 639-652, agosto de 2000.
3. CM. Luz, P. H. Chappell, B. Hudgins y K. Engelhart, "Control mioeléctrico multifunción inteligente de prótesis de mano", J.Med.Eng.Technol., vol. 26, págs. 139-146, julio-agosto. 2002.
4. PJ Kyberd, DJ Beard y J.D. Morrison, "La población de usuarios de prótesis de miembros superiores que asisten al Servicio de ajuste de extremidades de Oxford", Prosthet.Orthot.Int., vol. 21, págs. 85-91, agosto de 1997.
5. W. Daly, "Opciones de diseño del encaje de las extremidades superiores", Phys.Med.Rehabil.Clin.N.Am., vol. 11, págs. 627-638, agosto de 2000.
6. HH Sears y J. Shaperman, "Control manual mioeléctrico proporcional: una evaluación", Am.J.Phys.Med.Rehabil., vol. 70, págs. 20-28, febrero de 1991.
7. DJ. Atkins, Heard D. y W.H. Donovan, "Resumen epidemiológico de personas con pérdida de miembros superiores y sus prioridades de investigación informadas", JPO, vol. 8, págs. 2-11, 1996. 1996.
8. JS Rietman, K. Postema y J.H. Geertzen, "Análisis de la marcha en prótesis: opiniones, ideas y conclusiones", Prosthet.Orthot.Int., vol. 26, págs. 50-57, abril. 2002.
9. M. Twiste y S. Rithalia, "Rotación transversal y traslación longitudinal durante la marcha protésica: una revisión de la literatura", J.Rehabil.Res.Dev., vol. 40, págs. 9-18, enero-feb. 2003.
10. Selles, J.B. Bussmand, L.M. Klip, B. Speet, A.J. Van Soest, HJ Stam, "Adaptaciones a las perturbaciones masivas en amputados transradiales: ¿Invarianza cinética o cinemática?", Arch. física Medicina. Rehabilitación, vol. 85, págs. 2046-2052, diciembre de 2004.
11. A. Murgia, P. J. Kyberd, PH Chappell y C. M. Light, "Colocación de marcadores para describir los movimientos de la muñeca durante las actividades de la vida diaria en tareas cíclicas", Clin.Biomech.(Bristol, Avon), vol. 19, págs. 248-254, marzo. 2004.
12. R. Safaee-Rad, E. Shwedyk, A.O. Quanbury y J.E. Cooper, "Rango de movimiento funcional normal de las articulaciones de las extremidades superiores durante la realización de tres actividades de alimentación", Arch.Phys.Med.Rehabil., vol. 71, págs. 505-509, junio. 1990.
13. JS Landry, "Alineación fija óptima de la muñeca para manos protésicas motorizadas por debajo del codo", págs. 1-80, 2000. 2000.