Juoksukohtaisten ja perinteisten proteesien vertailu juoksun aikana: suorituskyvyn ja riskin arviointi

A. TAUSTA

Nykyiset tiedot ja ymmärrys henkilöistä, joilla on alaraajojen amputaatio (ILEA) juoksemisen aikana, ovat rajalliset biomekaanisen suorituskyvyn ja loukkaantumisriskien suhteen. ILEA pystyy juoksemaan sekä juoksukohtaisilla proteeseilla (RSP) että perinteisillä proteeseilla; kuitenkaan ei ole olemassa suoria vertailuja koehenkilöistä, jotka juoksevat näiden proteesimallien kanssa. Raportoidussa kirjallisuudessa, joka tutkii yhtä tai toista mallia, ei useinkaan ole osallistujia, jotka juoksevat samoilla nopeuksilla. Lisäksi kun juoksunopeudet ovat samanlaisia ​​eri tutkimusten välillä, samoja muuttujia tutkitaan harvoin. Tämä tekee RSP:iden ja perinteisten proteesien vertailusta erittäin vaikeaa, ja johtopäätösten tekeminen suorituskyvystä ja loukkaantumisriskistä on käytännössä mahdotonta. Lisäksi mikään ILEA:n juoksututkimuksissa ei ole tähän mennessä tutkinut lihastoimintaa, eikä tuki- ja liikuntaelimistomalleista ole luotu juoksusimulaatioita. Nämä suuret puutteet tutkimuksessa rajoittavat olennaisesti ymmärrystä sekä suorituskyvystä että loukkaantumisriskistä, kun ILEA toimii eri proteesirakenteilla. Tämän tiedon hankkiminen tiedottaa suoraan puolustusministeriön ja veteraanien hallintojärjestelmien lääkäreille ja järjestelmänvalvojille proteesien määräämisestä eri nopeuksilla juoksemista varten sekä tehtäviin paluuta varten. Siksi ehdotetussa tutkimuksessa hyödynnetään liikkeen vangitsemista, lihastoimintaa ja tuki- ja liikuntaelimistön mallinnustekniikoita, jotta voidaan suoraan verrata ILEA-juoksun suorituskykyä ja loukkaantumisriskejä sekä RSP:iden että perinteisten proteesien kanssa eri nopeuksilla. Tutkijat keräävät myös työkykyisen kontrolliryhmän normatiivisia vertailuja varten. Näin tehdessään tämä hanke vastaa suoraan OPORA:n tavoitteisiin ja tarpeisiin monilla tasoilla.

B. TUTKIMUSSTRATEGIA:

Kohteet Kaksitoista koehenkilöä, joilla on yksipuolinen transtibiaalinen amputaatio, rekrytoidaan armeija-, veteraani- ja siviiliväestöstä. Kaksitoista työkykyistä sukupuolta, ikää, pituutta ja painoa vastaavaa koehenkilöä toimii vertailuryhmänä normatiivisten tietojen vertailua varten. Kaikkien koehenkilöiden on annettava tietoinen suostumuksensa ennen minkään tutkimuksen osan aloittamista, ja heillä on mahdollisuus keskeyttää tutkimus milloin tahansa ilman rangaistusta. Kaikkien koehenkilöiden on täytettävä fyysisen aktiivisuuden valmiuskysely (PAR-Q) ennen kokeen aloittamista. Jos koehenkilöt läpäisevät tämän kyselyn (vastaamalla "kyllä" johonkin 7 kysymyksestä), he eivät saa osallistua tutkimukseen ennen kuin he toimittavat asiakirjat lääkäriltä, ​​joka antaa heille luvan osallistua.

Kokeelliset menettelyt Satunnaistustietokoneohjelma määrittää jalkaproteesien järjestyksen (RSP tai perinteinen) ILEA-potilaille. Kaikille koehenkilöille (kontrollit ja ILEA) suoritetaan 3D-juoksuanalyysi instrumentoidulla juoksumatolla. Liikesieppausjärjestelmä kerää kinemaattista dataa (esim. raajojen asennot; nivelkulmat, nopeudet, kiihtyvyydet) 200 Hz:llä tiettyihin kehon maamerkkeihin sijoitetuista heijastavista merkeistä. Amputoidussa raajassa varsiklusteri sijoitetaan sivusuunnassa istukkaan ja merkintä sijoitetaan hylsyn distaaliseen kärkeen jäljelle jäävän varsiosan pitkän akselin määrittelemiseksi. RSP-olosuhteita varten proteesin köliin asetetaan kahdeksan ylimääräistä merkkiä. Proteesin akuuteimman kohdan merkki määrittelee proteesin raajan "nilkkanivelen". Perinteisissä proteesiolosuhteissa merkit sijoitetaan samalla tavalla kuin ehjä jalka.

Instrumentoitu juoksumatto kerää maareaktiovoimaa (GRF) dataa 1000 Hz:llä juoksumattoon upotetuilta voimaalustoilta. Kinemaattiset ja maareaktiovoimatiedot yhdistetään ja yhteisen kineettisen tiedon laskemiseen käytetään tavanomaisia ​​käänteisdynamiikkatekniikoita (esim. voimat, hetket, voimat ja työ) Visual3D (C-Motion, Germantown, MD) -ohjelmistolla.

Lihasaktivaatiotiedot kerätään 2000 Hz:n näytteenottotaajuudella käyttämällä pintaelektromyografiaa (EMG) kuudesta bilateraalisesta lonkka- ja vartalolihaksesta. Kertakäyttöiset esigeeliytetyt hopea-hopeakloridi (Ag-AgCl) -elektrodit asetetaan molemminpuolisen gluteus mediuksen, gluteus maximuksen, rectus femoriksen, hauislihaksen, lannerangan erector spinaen, sisäisten vinojen ja ulkoisten vinojen lihasten päälle. Maksimaaliset vapaaehtoiset isometriset supistukset (MVIC) saadaan normalisointia varten käyttämällä manuaalista vastusta standardoiduissa asennoissa.

Kaikki koehenkilöt (ILEA käyttää RSP:itä, ILEA käyttää perinteisiä proteeseja ja kontrollit) juoksevat kuudella määrätyllä nopeudella (2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 5,0, 6,0 m/s) juoksumatolla satunnaistetussa järjestyksessä. ILEA-potilaat suorittavat kaikki nopeusolosuhteet käyttämällä sekä RSP:tä että perinteistä jalkaproteesia. Kuten aiemmin mainittiin, proteesijärjestys satunnaistetaan, mutta kaikki nopeusolosuhteet suoritetaan yhdessä proteesissa ennen siirtymistä toiseen proteesitilaan. Tämä säästää aikaa ja säilyttää samanlaisen proteesin sovituksen nopeusolosuhteiden välillä. Tutkimusprotokolla edellyttää, että jokainen koehenkilö juoksee samoilla kuudella yllä mainitulla erityisnopeudella. Jokainen juoksumaton nopeustila kestää noin 30 sekuntia tai aika, joka tarvitaan koehenkilöiden kävelyn vakauttamiseksi nopeuteen, ja kerätään 10 peräkkäistä askelta. Jokaisen nopeustilan välillä on vähintään 2 minuutin lepoaika, ja koehenkilöt voivat levätä tarvittaessa enemmän.

Juoksumattokokeiden suorittamisen jälkeen koehenkilöt suorittavat 3 x 50 metrin juoksua jokaisessa jalkakunnossa määrittääkseen maksiminopeuden. Jälleen jokaisen harjoituksen välillä on vähintään 2 minuutin lepoaika, ja koehenkilöt voivat levätä tarvittaessa enemmän. Proteesin käyttöjärjestys satunnaistetaan myös tässä testissä, mutta kaikki kolme viivaa täytetään peräkkäin jokaiselle proteesitilalle.

Suorituksen arvioimiseksi juoksemisen aikana arvioitaviin ensisijaisiin tulosmittauksiin kuuluvat yhteisen tehon huippu; samankeskinen, epäkeskinen ja nivelten ja raajojen kokonaistyö; keskimääräiset pystysuorat ja etu- ja taka-GRF:t (AP); pysty- ja AP GRF-impulssit; ja 50 m kiskoaika/nopeus. Loukkaantumisriskin arvioimiseksi juoksun aikana ensisijaiset arvioitavat tulosmittaukset sisältävät GRF:n keskimääräiset suuruudet ja kuormitusnopeudet, GRF:iden ja nivelmomenttien epäsymmetria, normalisoidut EMG-amplitudit, lumbo-lantion kinematiikka sekä huippu- ja keskimääräiset nivelkosketusvoimat asennon suhteen. Näitä toimenpiteitä koskevat tiedot kerätään kaikista koehenkilöistä ja niitä verrataan sitten kolmen ryhmän kesken (ILEA RSP:n kanssa, ILEA perinteisen proteesin kanssa ja kontrollit). Mitään interventiota ei tarjota millekään tutkittavalle, eikä seurantaa biolääketieteen ja/tai terveysvaikutusten arvioimiseksi suoriteta.

Elektromyografiasignaalianalyysi Raaka-EMG-data alennetaan, kaistanpäästö (rajataajuus 10-400 Hz) ja kaistanpysäytys (rajataajuus 59-61 Hz) suodatetaan liikeartefaktin ja 60 Hz:n sähköisen kohinan poistamiseksi käyttämällä kaksoispäästöä (nollavaiheviive). ) Butterworth-suodattimet. EMG-tiedot tasataan sitten täysiaaltoaaltoina ja alipäästösuodatetaan lineaaristen verhokäyrien luomiseksi. Huippuarvot erotetaan MVIC-kokeista, joita käytetään käynnissä olevien kokeiden normalisoimiseen EMG-tietojen ilmaisemiseksi prosentteina maksimivapaaehtoisena supistuksena (MVC). Kunkin lihaksen aktiivisuuden neliökeskiarvo (RMS) lasketaan juoksun asento- ja keinuvaiheiden aikana amplitudierojen tutkimiseksi. Ristikorrelaatiomenetelmää hyödynnetään vartalon ja lonkan lihaksen välisen suhteellisen ajoituksen tutkimiseen. Vertailuja tehdään lihasaktivaatioamplitudin ja ajoituksen symmetrian arvioimiseksi ehjän ja proteettisen raajan puolen välillä kullekin juoksunopeudelle ja proteesille.

Tuki- ja liikuntaelimistön malli OpenSimissä kehitetään kolme tuki- ja liikuntaelimistön mallia. Ensimmäisessä mallissa tutkijat käyttävät geneeristä tuki- ja liikuntaelimistön mallia, joka edustaa ei-amputoitua aikuista miestä, jota on aiemmin käytetty lihasten toiminnan arvioimiseen ei-amputoidun juoksun aikana. Toinen ja kolmas malli ovat muunneltuja versioita ei-amputoidusta mallista, joka edustaa proteesia käyttävää henkilöä. Toinen malli sisältää perinteisen transtibiaalisen energian varastointi- ja palautusproteesin, ja kolmas malli sisältää juoksevan spesifisen proteesin. Molemmissa malleissa tutkijat poistavat nilkan lihakset jäännösjalusta, mukaan lukien mediaalinen ja lateraalinen gastrocnemius, soleus, tibialis posterior, flexor digitorum longus, tibialis anterior ja extensor digitorum longus.

Juoksusimulaatioiden luominen Mallit skaalataan kullekin yksittäiselle aiheelle käyttämällä manuaalisia, yhtenäisiä skaalauskertoimia, jotka lasketaan käänteisdynamiikan mallista, joka perustuu kinemaattisten merkkien sijaintiin ja on kehitetty Visual3D:ssä (C-Motion, Inc., Germantown, MD). Sitten käänteinen kinematiikkaratkaisu lasketaan Visual3D:ssä käyttämällä painotettua pienimmän neliösumman optimointialgoritmia. Kun käänteiskinematiikkaratkaisu on laskettu, tutkijat suorittavat jäännöspelkistysalgoritmin. Kun malliin ja yleisten koordinaattien kinemaattisiin lentoratoihin on tehty pieniä muutoksia, tutkijat ottavat käyttöön Computed Muscle Control -algoritmin. Kun yksittäisiin lihasherätyksiin on löydetty ratkaisu Computed Muscle Control -algoritmin avulla, tutkijat vertaavat sitä kokeellisesti kerättyihin elektromyografisiin tietoihin. Tutkijat luovat juoksusimulaatioita kaikilla juoksunopeuksilla kaikille osallistujille. Näiden simulaatioiden tuloksia verrataan ryhmien välillä ja eri nopeuksilla samalla tavalla kuin tässä tutkimuksessa analysoitavia kokeellisia toimenpiteitä.

Nivelkosketusvoiman analyysi Kun juoksusimulaatiot on kehitetty, lonkan kolmiulotteinen kosketuskuormitus määritetään nivelen segmenttien välisestä voimasta ja nivelen ylittävien lihasten puristusvoimista, samoin kuin aiemmissa analyyseissa amputoituneen kävelyn aikana. Lisäksi liikesimulaatiosta määritettyjä lihasvoimia hyödynnetään nettokontaktikuormien tulkinnassa.

Materiaalin ominaisuudet ja antropometriikka Proteesikomponenttien ja ehjien ruumiinosien inertiaominaisuudet arvioidaan käytettäväksi käänteisen dynamiikan lähestymistavan kanssa. Kohteiden massat mitataan voimaalustan avulla. Kunkin kohteen pituus ja paino mitataan, ja antropometrisiä mittauksia merkkien asennoista käytetään arvioitaessa ehjien raajan segmenttien massaa, massakeskipistettä ja hitausmomentteja. Koska ILEA-potilailta puuttuu yksi jalka ja osa varresta, säädettyä kehon massaa (ABM) käytetään syötteenä antropometrisiin regressioyhtälöihin, jotka ottavat huomioon puuttuvat kehon segmentit.

Amputaatiopotilailla jäljellä oleva raajan pituus ja ympärysmitat polvinivelestä ja raajan distaalisesta päästä mitataan mittanauhalla. Jäljelle jäävät raajan inertiaominaisuudet arvioidaan sitten oikean pyöreän kartion katkaistuna. Jäljellä oleva raajan massa arvioidaan lasketun geometrisen tilavuuden perusteella olettaen, että kudostiheys on tasainen 1,10 g/cm3. RSP-olosuhteissa RSP:n inertiaominaisuudet arvioidaan PI:n julkaisemien tietojen perusteella. RSP-kölien osasegmentit määritellään heijastavien merkkien sijoitusten avulla ja kunkin osasegmentin inertiaominaisuudet arvioidaan olettamalla jokainen segmentti jäykkänä puolisuunnikkaan muotoisena kuutiomuotona. Perinteisissä proteesiolosuhteissa proteesin inertiaominaisuudet arvioidaan julkaistun kirjallisuuden mukaan.

C. TILASTOSUUNNITELMA ja TIETOJEN ANALYYSI

Tilastollinen analyysi Tämä tutkimus on suunniteltu määrittämään proteesin tyypin vaikutukset erilaisiin suorituskykyyn ja loukkaantumisriskiin liittyviin tulosmuuttujiin eri juoksunopeuksilla. Kolmen tekijän (ryhmä x raaja x nopeus) sekamallin ANOVAa käytetään seuraavien riippuvien muuttujien tilastollisten muutosten tunnistamiseen: lonkka-, polvi- ja nilkkanivelten huippuvoimat ja mekaaninen työ; keskimääräiset reaktiovoimat maassa; lastausnopeudet; ja EMG-amplitudit. Ryhmä (yksilöllinen alaraajojen amputaatio- juoksukohtainen proteesi (ILEARSP) vs. yksittäinen alaraajojen amputaatioperinteinen proteesi (ILEATrad) vs. kontrolli) katsotaan koehenkilöiden väliseksi riippumattomaksi muuttujaksi, raaja (proteesi / ehjä tai vasen/oikea) oppiaineiden sisäinen riippumaton muuttuja ja nopeus (2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 5,0 ja 6,0 m/s) subjektin sisäisenä riippumattomana muuttujana.

Kahden tekijän (Group x Speed) ANOVAa käytetään riippuvien muuttujien tilastollisten muutosten tunnistamiseen, mukaan lukien maaperän reaktiovoiman symmetria, nivelen kineettinen symmetria ja lantion lantion kinematiikka. Yksisuuntainen ANOVA määrittää tilastolliset erot ryhmien välillä 50 metrin juoksuajalle ja -nopeudelle.

Kaikkien tilastollisten testien merkitsevyyden arvoksi asetetaan α=0,05.

Otoskoon laskelmat Tällä tutkimuksella on riittävä tilastollinen teho hypoteesiemme arvioimiseksi. Vaikutuskoot merkittäville eroille RSP:n, ehjien ja toimintakykyisten raajojen välillä GRF-kuormitusnopeuksissa, keskimääräisessä GRF:ssä ja yhteistyössä arvioitiin PI:n kahdeksalta ILEA- ja kontrollihenkilöltä keräämien aikaisempien tietojen perusteella, jotka suoritettiin arvoilla 2,5, 3,0 ja 3,5 m/s. Nämä vaikutuskoot vaihtelivat välillä 0,4 ja suurempi kuin 0,9. Vaikutuskoko 0,7 arvioitiin myös hapen tilavuuden (VO2) arvoista yhdessä tutkimuksessa, jossa verrattiin koehenkilöitä, jotka juoksivat RSP:illä ja perinteisillä proteesilla. Konservatiivisuuden vuoksi tutkijat käyttivät pienintä näistä vaikutuskooista (0,4) tehdäkseen tehoanalyysin ANOVA:lle toistuvilla mittauksilla käyttämällä G*Poweria (v. 3.1.9.2, Düsseldorf, Saksa). Tämä tuotti kokonaisnäytteen koon 24, jossa α = 0,05, mikä johti 80 %:n tehoon havaita erot raajojen, proteettisten jalkojen tai ILEA- ja kontrollihenkilöiden välillä juoksun aikana. Tutkijat odottavat samanlaisia ​​vaikutuskokoja muutoksille jäljellä olevissa biomekaanisissa muuttujissa, joita tutkijat tutkivat ehdotetussa tutkimuksessa. Tämän analyysin perusteella 12 ILEA-kohdetta ja 12 kontrollikohdetta tarjoavat merkittävän tilastollisen tehon havaita merkittäviä eroja biomekaanisissa tuloksissa ryhmien ja proteettisten jalkojen välillä.