Comparación de prótesis tradicionales y específicas para correr durante la carrera: evaluación del rendimiento y el riesgo

A. ANTECEDENTES

El conocimiento y la comprensión actuales de las personas con amputaciones de las extremidades inferiores (ILEA) cuando corren son limitados con respecto al rendimiento biomecánico y los riesgos de lesiones. ILEA puede funcionar tanto con prótesis específicas para correr (RSP) como con prótesis tradicionales; sin embargo, no existen comparaciones directas de los sujetos que corren con cada uno de estos diseños protésicos. La literatura reportada que examina un diseño u otro a menudo no tiene participantes corriendo a las mismas velocidades. Además, cuando las velocidades de carrera son similares entre los estudios, rara vez se investigan las mismas variables. Esto hace que las comparaciones entre las RSP y las prótesis tradicionales sean extremadamente difíciles, y sacar conclusiones sobre el rendimiento y el riesgo de lesiones es prácticamente imposible. Además, ningún estudio de carrera de ILEA hasta la fecha ha investigado las actividades musculares, ni se han generado simulaciones de carrera de modelos musculoesqueléticos. Estas importantes lagunas en la investigación limitan sustancialmente la comprensión tanto del rendimiento como del riesgo de lesiones de la ejecución de ILEA con diferentes diseños protésicos. Obtener este conocimiento informará directamente a los médicos y administradores dentro de los sistemas del Departamento de Defensa y la Administración de Veteranos sobre la prescripción de prótesis para correr a una variedad de velocidades, así como para escenarios de regreso al servicio. Por lo tanto, el estudio propuesto utilizará captura de movimiento, actividad muscular y técnicas de modelado musculoesquelético para comparar directamente el rendimiento y los riesgos de lesiones de ILEA corriendo con RSP y prótesis tradicionales en un rango de velocidades. Los investigadores también captarán un grupo de control sin discapacidad para las comparaciones normativas. Al hacerlo, este proyecto atiende directamente a las metas y necesidades de OPORA en múltiples niveles.

B. ESTRATEGIA DE INVESTIGACIÓN:

Sujetos Doce sujetos con amputaciones transtibiales unilaterales serán reclutados de las poblaciones militares, de veteranos y civiles. Doce sujetos sanos del mismo sexo, edad, altura y peso servirán como grupo de control para proporcionar datos normativos para la comparación. Todos los sujetos deben dar su consentimiento informado antes de comenzar cualquier parte del estudio y tendrán la opción de interrumpir el estudio en cualquier momento sin penalización. Todos los sujetos deben completar el Cuestionario de preparación para la actividad física (PAR-Q) antes de comenzar el experimento. Si los sujetos fallan en este cuestionario (al responder "sí" a cualquiera de las 7 preguntas), no se les permitirá participar en el estudio hasta que proporcionen la documentación de un médico que los autorice a participar.

Procedimientos experimentales Un programa informático de aleatorización determinará el orden de las condiciones del pie protésico (RSP o tradicional) para los sujetos de ILEA. Todos los sujetos (Controles e ILEA) se someterán a un análisis de carrera en 3D en una cinta rodante instrumentada. Un sistema de captura de movimiento recopilará datos cinemáticos (es decir, posiciones de las extremidades; ángulos articulares, velocidades, aceleraciones) a 200 Hz a partir de marcadores reflectantes colocados en puntos de referencia específicos del cuerpo. En la extremidad amputada, el grupo de vástagos se colocará lateralmente en el encaje y se colocará un marcador en la punta distal del encaje para definir el eje longitudinal del segmento residual del vástago. Para las condiciones de RSP, se colocarán ocho marcadores adicionales en la quilla de la prótesis. El marcador en el punto más agudo de la prótesis definirá la articulación del "tobillo" del miembro protésico. Para las condiciones de prótesis tradicionales, los marcadores se colocarán de manera similar al pie intacto.

Una cinta de correr instrumentada recopilará datos de la fuerza de reacción del suelo (GRF) a 1000 Hz desde plataformas de fuerza incrustadas en la cinta de correr. Los datos de la fuerza de reacción cinemática y del suelo se combinarán y se utilizarán técnicas estándar de dinámica inversa para calcular los datos cinéticos conjuntos (es decir, fuerzas, momentos, potencias y trabajo) utilizando el software Visual3D (C-Motion, Germantown, MD).

Los datos de activación muscular se recopilarán a una frecuencia de muestreo de 2000 Hz mediante electromiografía de superficie (EMG) de seis músculos bilaterales de la cadera y el tronco. Se colocarán electrodos desechables pregelificados de plata-cloruro de plata (Ag-AgCl) sobre los músculos glúteo medio, glúteo mayor, recto femoral, bíceps femoral, erector lumbar, oblicuo interno y oblicuo externo bilaterales. Las contracciones isométricas voluntarias máximas (MVIC) se obtendrán con fines de normalización utilizando resistencia manual aplicada en posiciones estandarizadas.

Todos los sujetos (ILEA usando RSP, ILEA usando prótesis tradicional y Controles) correrán a seis velocidades prescritas (2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 5.0, 6.0 m/s) en una cinta rodante, presentadas en orden aleatorio. Los sujetos de ILEA completarán todas las condiciones de velocidad usando tanto su RSP como su pie protésico tradicional. Como se mencionó anteriormente, el orden de la prótesis será aleatorio, pero todas las condiciones de velocidad se completarán en una prótesis antes de cambiar a la segunda condición de prótesis. Esto ahorrará tiempo y mantendrá un ajuste protésico similar entre condiciones de velocidad. El protocolo de estudio requiere que cada sujeto corra a las mismas 6 velocidades específicas identificadas anteriormente. Cada condición de velocidad de la cinta rodante tomará aproximadamente 30 segundos, o el tiempo necesario para que los sujetos estabilicen su marcha a la velocidad y una colección de 10 zancadas consecutivas para ser recolectadas. Se proporcionarán al menos 2 minutos de descanso entre cada condición de velocidad, y los sujetos pueden descansar más si es necesario.

Después de completar las pruebas en la cinta rodante, los sujetos completarán carreras de 3x50 m en cada condición de pie para determinar la velocidad máxima. Nuevamente, se proporcionarán al menos 2 minutos de descanso entre cada esfuerzo, y los sujetos pueden descansar más si es necesario. El orden de uso de la prótesis también será aleatorio para esta prueba, pero los tres guiones se completarán consecutivamente para cada condición de la prótesis.

Para evaluar el rendimiento durante la carrera, las medidas de resultado primarias que se evaluarán incluirán potencia conjunta máxima; trabajo concéntrico, excéntrico y total de articulaciones y extremidades; GRF promedio vertical y anterior y posterior (AP); impulsos verticales y AP GRF; y 50 m de tiempo/velocidad de carrera. Para evaluar el riesgo de lesiones durante la carrera, las medidas de resultado primarias que se evaluarán incluirán magnitudes de GRF promedio y tasas de carga, asimetría en GRF y momentos articulares, amplitudes EMG normalizadas, cinemática lumbopélvica y fuerzas de contacto articular máximas y promedio sobre la postura. Los datos para estas medidas se recopilarán para todos los sujetos y luego se compararán entre los tres grupos (ILEA con RSP, ILEA con prótesis tradicional y controles). No se ofrecerá ninguna intervención a ningún sujeto y no se realizará ningún seguimiento para evaluar los resultados biomédicos y/o de salud.

Análisis de señal de electromiografía Los datos de EMG sin procesar se degradarán, se filtrarán con paso de banda (frecuencia de corte de 10 a 400 Hz) y parada de banda (frecuencia de corte de 59 a 61 Hz) para eliminar el artefacto de movimiento y el ruido eléctrico de 60 Hz mediante el uso de paso doble (retraso de fase cero). ) Filtros Butterworth. Luego, los datos de EMG se rectificarán de onda completa y se filtrarán por paso bajo para crear envolventes lineales. Los valores máximos se extraerán de las pruebas de MVIC que se utilizarán para la normalización de las pruebas de carrera para expresar los datos de EMG como % de contracción voluntaria máxima (MVC). La raíz cuadrada media (RMS) de la actividad de cada músculo se calculará durante las fases de postura y balanceo de la carrera para investigar las diferencias de amplitud. Se utilizará la metodología de correlación cruzada para investigar el tiempo relativo entre la musculatura del tronco y la cadera. Se realizarán comparaciones para evaluar la simetría de la amplitud de la activación muscular y el tiempo entre los lados de la extremidad intacta y protésica para cada una de las condiciones de prótesis y velocidad de carrera.

Modelo musculoesquelético Se desarrollarán tres modelos musculoesqueléticos en OpenSim. Para el primer modelo, los investigadores utilizarán un modelo musculoesquelético genérico que representa a un hombre adulto sin amputaciones, que se ha utilizado previamente para evaluar la función muscular durante la carrera sin amputaciones. El segundo y tercer modelo serán versiones modificadas del modelo no amputado que representa a una persona que usa una prótesis. El segundo modelo incluirá una prótesis transtibial tradicional de almacenamiento y retorno de energía, y el tercer modelo incluirá una prótesis específica para correr. Para ambos modelos, los investigadores quitarán los músculos del tobillo de la pierna residual, incluidos el gastrocnemio medial y lateral, el sóleo, el tibial posterior, el flexor largo de los dedos, el tibial anterior y el extensor largo de los dedos.

Ejecución de generación de simulación Los modelos se escalarán para cada sujeto individual utilizando factores de escala uniformes manuales, calculados a partir de un modelo de dinámica inversa basado en posiciones de marcadores cinemáticos y desarrollados en Visual3D (C-Motion, Inc., Germantown, MD). Luego, se calculará una solución de cinemática inversa en Visual3D utilizando un algoritmo de optimización de mínimos cuadrados ponderados. Después de calcular la solución de cinemática inversa, los investigadores realizarán un algoritmo de reducción residual. Una vez que se hayan realizado cambios menores en el modelo y en las trayectorias cinemáticas de las coordenadas generalizadas, los investigadores implementarán un algoritmo de control muscular computarizado. Una vez que se encuentra una solución para las excitaciones musculares individuales utilizando el algoritmo Computed Muscle Control, los investigadores la compararán con los datos electromiográficos recopilados experimentalmente. Los investigadores generarán simulaciones de carrera a todas las velocidades de carrera para todos los participantes. Los resultados de estas simulaciones se compararán entre grupos y velocidades, de forma similar a las medidas experimentales que se analizarán en este estudio.

Análisis de la fuerza de contacto articular Una vez que se hayan desarrollado las simulaciones de carrera, la carga de contacto tridimensional en la cadera se determinará a partir de la fuerza intersegmentaria articular y las fuerzas de compresión de los músculos que cruzan la articulación, de forma similar a los análisis anteriores durante la marcha de amputados. Además, las fuerzas musculares determinadas a partir de la simulación de movimiento se utilizarán para ayudar a interpretar las cargas netas de contacto.

Propiedades de los materiales y antropometría Las propiedades de inercia de los componentes protésicos y los segmentos corporales intactos se estimarán para su uso con el enfoque de dinámica inversa. Las masas de los sujetos se medirán utilizando una plataforma de fuerza. Se medirá la altura y el peso corporal de cada sujeto, y se utilizarán las medidas antropométricas de las posiciones de los marcadores para estimar la masa, el centro de masa y los momentos de inercia de los segmentos de miembros intactos. Debido a que a los sujetos de ILEA les falta un pie y parte de la pierna, se usará una masa corporal ajustada (ABM) como entrada para las ecuaciones de regresión antropométrica que explican los segmentos corporales faltantes.

Para sujetos con amputación, la longitud y las circunferencias del miembro residual en la articulación de la rodilla y el extremo distal del miembro se medirán con una cinta métrica. Las propiedades inerciales de las extremidades residuales se estimarán entonces como un tronco de cono circular recto. La masa del muñón se estimará a partir del volumen geométrico calculado, suponiendo una densidad tisular uniforme de 1,10 g/cm3. Para las condiciones de RSP, las propiedades inerciales del RSP se estimarán a partir de los datos publicados por el PI. Los subsegmentos dentro de las quillas del RSP se definirán mediante la ubicación de marcadores reflectantes y las propiedades de inercia de cada subsegmento se estimarán asumiendo que cada segmento es un cuboide trapezoidal rígido. Para las condiciones de prótesis tradicionales, las propiedades inerciales de la prótesis se estimarán de acuerdo con la literatura publicada.

C. PLAN ESTADÍSTICO y ANÁLISIS DE DATOS

Análisis estadístico Esta investigación está diseñada para determinar los efectos del tipo de prótesis en una variedad de variables de resultado relacionadas con el rendimiento y el riesgo de lesiones en un rango de velocidades de carrera. Se utilizará un ANOVA de modelo mixto de tres factores (Grupo x Extremidad x Velocidad) para identificar los cambios estadísticos de las siguientes variables dependientes: potencia máxima de las articulaciones de cadera, rodilla y tobillo y trabajo mecánico; fuerzas medias de reacción del suelo; tasas de carga; y amplitudes EMG. El grupo (prótesis específica para correr para amputación de extremidades inferiores individual (ILEARSP) versus prótesis tradicional para amputación de extremidades inferiores individual (ILEATrad) versus control) se considerará como una variable independiente entre sujetos, la extremidad (prótesis/intacta o izquierda/derecha) como una variable independiente dentro de los sujetos y Velocidad (2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 5,0 y 6,0 m/s) como variable independiente dentro de los sujetos.

Se utilizará un ANOVA de dos factores (Grupo x Velocidad) para identificar los cambios estadísticos de las variables dependientes, incluida la simetría de la fuerza de reacción del suelo, la simetría cinética conjunta y la cinemática lumbopélvica. Un ANOVA unidireccional determinará las diferencias estadísticas entre los grupos para el tiempo y la velocidad de carrera de 50 m.

La significación para todas las pruebas estadísticas se establecerá en α=0,05.

Cálculos del tamaño de la muestra Este estudio tendrá el poder estadístico adecuado para evaluar nuestras hipótesis. Los tamaños del efecto para las diferencias significativas entre RSP, extremidades intactas y sin discapacidad en las tasas de carga de GRF, GRF promedio y trabajo conjunto total se estimaron en base a datos previos recopilados por el PI de 8 sujetos de ILEA y de control corriendo a 2.5, 3.0 y 3,5 m/s Estos tamaños del efecto oscilaron entre 0,4 y más de 0,9. También se estimó un tamaño del efecto de 0,7 a partir de los valores del volumen de oxígeno (VO2) de un estudio que comparó sujetos que corrían con RSP y prótesis tradicionales. Para ser conservadores, los investigadores utilizaron el menor de estos tamaños de efecto (0,4) para realizar un análisis de potencia para ANOVA con medidas repetidas utilizando G*Power (v. 3.1.9.2, Düsseldorf, Alemania). Esto arrojó un tamaño de muestra total de 24 con α = 0,05, lo que resultó en un poder del 80 % para detectar diferencias entre extremidades, pies protésicos o sujetos ILEA y Control en valores cinéticos durante la carrera. Los investigadores anticipan tamaños de efecto similares para los cambios en las variables biomecánicas restantes que los investigadores examinarán en el estudio propuesto. Según este análisis, 12 sujetos ILEA y 12 sujetos de control proporcionarán un poder estadístico sustancial para detectar diferencias significativas en los resultados biomecánicos entre grupos y pies protésicos.