Étude du mouvement compensatoire lors de l'utilisation d'une prothèse de membre supérieur

ÉNONCÉ DU PROBLÈME :

Les améliorations actuelles de la conception de la prothèse du membre supérieur comprennent une technologie de pointe dans les systèmes de commande et les circuits électroniques qui imitent le mouvement humain et améliorent le fonctionnement de la prothèse. Souvent, ces améliorations nécessitent de grandes quantités de puissance, des circuits et un excès de masse distalement le long de la prothèse, ce qui peut nécessiter un effort plus important de la part de l'utilisateur. Le mauvais fonctionnement d'une prothèse de membre supérieur peut entraîner un mouvement de compensation gênant. Les mouvements aberrants, tels que ces mouvements compensatoires, sont connus pour causer une plus grande contrainte aux articulations restantes. Les amputés sont obligés de décider si la fonction supplémentaire fournie par l'électronique de pointe vaut la peine de porter la masse supplémentaire qui peut causer de la fatigue, des problèmes de prise et une plus grande contrainte sur les articulations restantes. Un exemple est le composant rotateur du poignet d'une prothèse de membre supérieur qui peut permettre une plus grande fonction et réduire le mouvement compensatoire, mais ajoute de la masse distalement, provoquant potentiellement des couples plus importants sur les articulations restantes.

SYNOPSIS DE LA LITTÉRATURE ACTUELLE :

Les mouvements restreints et le surpoids d'une prothèse de membre supérieur ont été documentés comme plaintes chez les amputés [1], [2], [3], [4], [5], [6]. Grâce à des enquêtes, Atkins et al. déterminé que les amputés aimeraient que le composant poignet de la prothèse effectue plus de mouvements. Cette étude a également répertorié boire dans un verre et ouvrir une porte, les principales priorités des personnes amputées [7]. Cela suggère que le composant du poignet sur un bras prothétique est important.

Il existe de nombreux exemples dans la littérature scientifique montrant comment les analyses cinétiques, cinématiques et métaboliques de la marche ont conduit à l'amélioration des critères de conception des prothèses des membres inférieurs [8], [9]. En 2003, Twiste et al. ont réalisé une revue de la littérature sur la rotation et la translation des articulations anatomiques lors de la marche prothétique. Le résumé de cette revue mentionne qu'une analyse cinématique plus précise de la marche montrant des modèles de marche optimisés pourrait aider les fabricants à concevoir des composants prothétiques pour imiter ces modèles [9]. Les effets des perturbations de masse sur les amputés des membres inférieurs ont été étudiés pour déterminer comment les propriétés inertielles d'une prothèse doivent être évaluées [10].

Il y a également eu des études impliquant le mouvement des membres supérieurs, mais la quantité est limitée. Les amplitudes articulaires du membre supérieur de sujets sains et appareillés effectuant des activités de la vie quotidienne ont été enregistrées et analysées [11],[12],[13]. Ces études ont examiné l'effet de la position du poignet, mais pas sur la masse d'un composant du poignet.

OBJECTIFS DE L'ÉTUDE :

Il y a deux objectifs principaux à cette étude :

1. pour déterminer l'impact d'une prothèse de membre supérieur sans rotateur de poignet sur le mouvement compensatoire et les couples dans les articulations restantes lors de tâches courantes
2. pour déterminer l'impact de l'emplacement (distal ou proximal) d'un rotateur de poignet sur une prothèse de membre supérieur sur le mouvement de compensation lors de tâches courantes

HYPOTHÈSES:

1. Il y aura une différence statistiquement significative dans l'amplitude des mouvements des articulations des membres supérieurs entre les sujets sains, les sujets appareillés et les amputés des membres supérieurs au cours de quatre tâches courantes.
2. Il y aura une différence statistiquement significative dans les couples articulaires des membres supérieurs entre les sujets sains, les sujets appareillés et les amputés des membres supérieurs au cours de trois tâches courantes.
3. Il y aura une différence statistiquement significative dans les angles des membres supérieurs et les couples articulaires entre la masse ajoutée distalement et la masse ajoutée proximalement pendant les tâches courantes.

MÉTHODES Participants Dix volontaires adultes en bonne santé sans antécédent de blessure au membre supérieur participeront à cette étude. Cinq hommes et cinq femmes participeront. Ces dix sujets constitueront le groupe contrôle puis seront appareillés pour simuler une prothèse sous le coude. Sept amputés unilatéraux du membre supérieur y participeront.

Protocole d'essai Un système d'analyse de mouvement Vicon infrarouge à 8 caméras sera utilisé pour la collecte et l'analyse des données de mouvement. Dix-neuf marqueurs réfléchissants sphériques seront placés sur les repères osseux des membres supérieurs et du torse des sujets pour décrire des segments ou des systèmes de coordonnées locaux.

Un essai statique sera collecté pour chaque sujet pour aider à déterminer les centres articulaires. Les paramètres du sujet tels que la masse corporelle, la taille et la profondeur des épaules, l'épaisseur du poignet et de la main seront collectés pour être utilisés dans les calculs. Les données cinématiques seront collectées à 120 Hz.

Les sujets seront invités à effectuer quatre tâches :

• Boire dans une tasse
• Ouvrir une porte
• Soulever une boîte de 5 lb
• Tourner un volant (l'analyse cinétique de cette tâche sera exclue)

Les sujets sains effectueront chaque tâche lors des interventions suivantes : (1) aucune intervention (2) attelle limitant les mouvements de l'avant-bras et du poignet, (3) attelle avec 96 g (masse moyenne d'un rotateur de poignet prothétique) ajouté près du coude, (4) attelle avec 96 g ajoutés près du poignet. Les amputés effectueront les interventions (3) et (4) mentionnées ci-dessus sans rotateur de poignet mais en simulant la masse d'un. Trois essais seront collectés pour chaque condition de test expérimental et ces essais seront moyennés en tant que représentant pour chaque sujet. L'ordre des tests sera attribué au hasard pour chaque matière.

Conception de l'expérience :

Cette étude examinera les effets de l'absence de mouvement du poignet et de l'avant-bras sur le mouvement de l'épaule, du coude et du torse au cours de quatre activités. Cette étude combinera des analyses inter-sujets et intra-sujets.

Facteur indépendant (entre sujets) : restriction des mouvements du poignet et de l'avant-bras (simulant l'absence de composant de rotateur de poignet sur la prothèse)

Les niveaux:

• Groupe de contrôle
• Groupe corset - simulant une prothèse de membre supérieur sous le coude
• Groupe de port de prothèse

Facteur de répétition (chez les sujets) : masse ajoutée (simulant la masse du rotateur du poignet)

Les niveaux:

• Pas de masse ajoutée d'un rotateur de poignet
• Masse d'un rotateur de poignet ajouté de manière proximale (près du coude)
• Masse d'un rotateur de poignet ajouté distalement (près du poignet)

Une analyse de variance à deux facteurs avec une mesure répétée sera utilisée pour analyser les effets principaux et les effets d'interaction.

Traitement de l'information

Les mouvements et les couples des épaules, des coudes et du torse seront calculés à l'aide d'un programme écrit en langage Vicon Bodybuilder. Les positions des marqueurs placés sur le sujet seront numérisées et les segments du torse, du haut du bras, de l'avant-bras et de la main seront déterminés. Les angles d'Euler seront calculés. La dynamique inverse et l'anthropométrie seront utilisées pour calculer les forces et les couples. Les mesures de résultats suivantes seront comparées :

• Abduction et flexion de l'épaule
• Flexion du coude
• Flexion du torse (G/D)
• Force et couple de l'articulation de l'épaule
• Force et couple de l'articulation du coude

Le maximum, le minimum et la gamme de ces mesures de résultats seront comparés entre les sujets et au sein des sujets.

RÉSULTATS PRÉVUS/DISCUSSION

Boire dans une tasse :

• Les groupes porteurs de corsets et de prothèses auront une plus grande abduction de l'épaule pour compenser le manque de rotation de l'avant-bras et d'extension du poignet.
• L'ajout de la masse (rotateur de poignet) de manière distale entraînera une force et un couple plus importants au niveau du coude. Cette augmentation des forces au niveau du coude sera la plus importante dans le groupe des amputés en raison d'une éventuelle lésion du brachial au niveau de son insertion sur la tubérosité de l'ulna.

Ouvrir une porte :

• Les groupes porteurs de corsets et de prothèses auront une plus grande abduction de l'épaule pour compenser le manque de rotation de l'avant-bras et d'extension du poignet. Ces groupes peuvent également compenser par la flexion du tronc au lieu d'augmenter l'abduction de l'épaule.
• En raison de l'augmentation de l'amplitude de mouvement de l'épaule dans le plan coronal, le groupe portant un corset et une prothèse aura un couple plus élevé au niveau de l'articulation de l'épaule. Cette augmentation du couple de l'articulation de l'épaule augmentera lorsque la masse (rotateur du poignet) est ajoutée distalement en raison de l'augmentation du bras de levier.

Soulever une boîte de 5 lb :

• Cette tâche nécessitera une déviation minimale du poignet, une flexion/extension du poignet et une rotation minimale de l'avant-bras. Il est inclus dans cette étude car il s'agit d'une tâche bilatérale
• Les groupes porteurs de corsets et de prothèses auront une plus grande abduction de l'épaule et une moindre flexion de l'épaule en raison des limitations de l'avant-bras et du poignet.
• Les forces et les couples des articulations de l'épaule et du coude seront plus importants sur la main saine pour le groupe des amputés car ils n'utiliseront la prothèse que comme guide pour la tâche. Cependant, le contraire pourrait se produire.

Tourner un volant :

• Les groupes porteurs de corsets et de prothèses auront une plus grande abduction de l'épaule pour compenser le manque de flexion et d'extension du poignet. Cependant, une compensation pourrait également se produire lors de la flexion du tronc.
• Pour cette tâche, les sujets amputés la compléteront d'abord avec un bras sain puis la prothèse pour déterminer où se produit la compensation.

CONTRIBUTIONS Ce travail apportera de nombreuses contributions au domaine de la biomécanique et au domaine de la conception prothétique. Un aspect important de l'étude des maladies humaines est d'avoir un ensemble de données de contrôle à utiliser pour la comparaison. La documentation des données cinématiques du membre supérieur au cours de quatre tâches courantes permettra une comparaison lors de l'étude de nombreux problèmes ou blessures du membre supérieur.

Ce travail aidera à déterminer si l'emplacement des nouveaux composants doit être pris en compte dans la conception, l'ajustement et l'instruction de la prothèse du membre supérieur. Cela peut également aider à combler le fossé entre l'innovation technologique du domaine de l'ingénierie et l'astuce clinique des prothésistes qui sont quotidiennement en contact avec les utilisateurs finaux.

LES RÉFÉRENCES

1. S.C. Jacobsen, D.F. Knutti, R.T. Johnson et HH Sears, "Développement du bras artificiel de l'Utah", IEEE Trans.Biomed.Eng., vol. 29, p. 249-269, avr. 1982.
2. J.E. Uellendahl, "Prothèses myoélectriques des membres supérieurs", Phys.Med.Rehabil.Clin.N.Am., vol. 11, p. 639-652, août 2000.
3. CM. Lumière, P.H. Chappell, B. Hudgins et K. Engelhart, "Contrôle myoélectrique multifonctionnel intelligent des prothèses de la main", J.Med.Eng.Technol., vol. 26, p. 139-146, juillet-août. 2002.
4. PJ Kyberd, DJ Beard et J.D. Morrison, "La population d'utilisateurs de prothèses du membre supérieur fréquentant l'Oxford Limb Fitting Service," Prosthet.Orthot.Int., vol. 21, p. 85-91, août 1997.
5. W. Daly, "Options de conception de la douille du membre supérieur", Phys.Med.Rehabil.Clin.N.Am., vol. 11, p. 627-638, août 2000.
6. HH Sears et J. Shaperman, "Contrôle manuel myoélectrique proportionnel : une évaluation", Am.J.Phys.Med.Rehabil., vol. 70, p. 20-28, février 1991.
7. DJ Atkins, Heard D. et W.H. Donovan, "Aperçu épidémiologique des personnes atteintes de perte des membres supérieurs et leurs priorités de recherche signalées", JPO, vol. 8, p. 2-11, 1996. 1996.
8. J.S. Rietman, K. Postema et J.H. Geertzen, « Analyse de la marche en prothèse : opinions, idées et conclusions », Prosthet.Orthot.Int., vol. 26, p. 50-57, avr. 2002.
9. M. Twiste et S. Rithalia, "Rotation transversale et translation longitudinale pendant la marche prothétique - une revue de la littérature", J.Rehabil.Res.Dev., vol. 40, p. 9-18, janv.-fév. 2003.
10. R.W. Selles, J.B. Bussmand, L.M. Klip, B. Speet, A.J. Van Soest, HJ Stam, "Adaptations aux perturbations de masse chez les amputés transradiaux : invariance cinétique ou cinématique ?" Arch. Phys. Méd. Réhabil., vol. 85, p. 2046-2052, déc. 2004.
11. A. Murgia, P.J. Kyberd, P.H. Chappell et C.M. Light, "Placement des marqueurs pour décrire les mouvements du poignet lors des activités de la vie quotidienne dans les tâches cycliques," Clin.Biomech.(Bristol, Avon), vol. 19, p. 248-254, mars. 2004.
12. R. Safaee-Rad, E. Shwedyk, A.O. Quanbury et J.E. Cooper, « Amplitude fonctionnelle normale des mouvements des articulations des membres supérieurs lors de l'exécution de trois activités d'alimentation », Arch.Phys.Med.Rehabil., vol. 71, p. 505-509, juin. 1990.
13. J.S. Landry, "Alignement optimal du poignet fixe pour les mains prothétiques sous le coude, motorisées", pp. 1-80, 2000. 2000.