Comparaison des prothèses spécifiques à la course à pied et traditionnelles pendant la course : évaluation des performances et des risques

A. CONTEXTE

Les connaissances et la compréhension actuelles des personnes amputées des membres inférieurs (ILEA) lors de la course sont limitées en ce qui concerne les performances biomécaniques et les risques de blessures. ILEA est capable de fonctionner avec des prothèses spécifiques à la course (RSP) et des prothèses traditionnelles ; cependant, il n'existe pas de comparaisons directes de sujets courant avec chacune de ces conceptions prothétiques. La littérature rapportée examinant une conception ou l'autre n'a souvent pas de participants courant aux mêmes vitesses. De plus, lorsque les vitesses de course sont similaires entre les études, les mêmes variables sont rarement étudiées. Cela rend les comparaisons entre les RSP et les prothèses traditionnelles extrêmement difficiles, et il est pratiquement impossible de tirer des conclusions sur les performances et le risque de blessure. De plus, aucune étude de course à pied de l'ILEA à ce jour n'a étudié les activités musculaires, et aucune simulation de course à pied de modèles musculo-squelettiques n'a été générée. Ces lacunes majeures dans la recherche limitent considérablement la compréhension des performances et du risque de blessure de l'ILEA en cours d'exécution avec différentes conceptions prothétiques. L'acquisition de ces connaissances informera directement les cliniciens et les administrateurs des systèmes du ministère de la Défense et de l'administration des anciens combattants sur la prescription de prothèses pour la course à différentes vitesses ainsi que pour les scénarios de retour au travail. Par conséquent, l'étude proposée utilisera des techniques de capture de mouvement, d'activité musculaire et de modélisation musculo-squelettique pour comparer directement les performances et les risques de blessures de la course ILEA avec des RSP et des prothèses traditionnelles sur une gamme de vitesses. Les enquêteurs captureront également un groupe témoin valide pour des comparaisons normatives. Ce faisant, ce projet répond directement aux objectifs et aux besoins de l'OPORA à plusieurs niveaux.

B. STRATÉGIE DE RECHERCHE :

Sujets Douze sujets ayant subi une amputation transtibiale unilatérale seront recrutés parmi les populations militaires, vétérans et civiles. Douze sujets valides de même sexe, âge, taille et poids serviront de groupe témoin pour fournir des données normatives à des fins de comparaison. Tous les sujets doivent fournir leur consentement éclairé avant de commencer toute partie de l'étude et auront la possibilité d'interrompre l'étude à tout moment sans pénalité. Tous les sujets doivent remplir le questionnaire de préparation à l'activité physique (PAR-Q) avant de commencer l'expérience. Si les sujets échouent à ce questionnaire (en répondant "oui" à l'une des 7 questions), ils ne seront pas autorisés à participer à l'étude jusqu'à ce qu'ils fournissent la documentation d'un médecin les autorisant à participer.

Procédures expérimentales Un programme informatique de randomisation déterminera l'ordre des conditions de pied prothétique (RSP ou traditionnel) pour les sujets ILEA. Tous les sujets (témoins et ILEA) subiront une analyse de course 3D sur un tapis roulant instrumenté. Un système de capture de mouvement collectera des données cinématiques (c'est-à-dire positions des membres; angles articulaires, vitesses, accélérations) à 200 Hz à partir de marqueurs réfléchissants placés sur des repères corporels spécifiques. Sur le membre amputé, le groupe de tige sera placé latéralement sur la douille et un marqueur sera placé à l'extrémité distale de la douille pour définir l'axe longitudinal du segment de tige résiduel. Pour les conditions RSP, huit marqueurs supplémentaires seront placés sur la quille de la prothèse. Le marqueur sur le point le plus aigu de la prothèse définira l'articulation "cheville" du membre prothétique. Pour les conditions de prothèse traditionnelle, les marqueurs seront placés de la même manière que le pied intact.

Un tapis roulant instrumenté recueillera des données de force de réaction au sol (GRF) à 1000 Hz à partir de plates-formes de force intégrées dans le tapis roulant. Les données cinématiques et de force de réaction au sol seront combinées et des techniques standard de dynamique inverse seront utilisées pour calculer les données cinétiques conjointes (c.-à-d. forces, moments, puissances et travail) à l'aide du logiciel Visual3D (C-Motion, Germantown, MD).

Les données d'activation musculaire seront recueillies à une fréquence d'échantillonnage de 2000 Hz par électromyographie de surface (EMG) à partir de six muscles bilatéraux de la hanche et du tronc. Des électrodes jetables pré-gélifiées argent-chlorure d'argent (Ag-AgCl) seront placées sur les muscles gluteus medius, gluteus maximus, rectus femoris, biceps femoris, lombaire erector spinae, oblique interne et oblique externe. Les contractions isométriques volontaires maximales (MVIC) seront obtenues à des fins de normalisation en utilisant une résistance manuelle appliquée dans des positions standardisées.

Tous les sujets (ILEA utilisant des RSP, ILEA utilisant une prothèse traditionnelle et les témoins) courront à six vitesses prescrites (2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 5,0, 6,0 m/s) sur un tapis roulant, présentées dans un ordre aléatoire. Les sujets ILEA rempliront toutes les conditions de vitesse en portant à la fois leur RSP et leur pied prothétique traditionnel. Comme mentionné précédemment, l'ordre de la prothèse sera randomisé, mais toutes les conditions de vitesse seront remplies dans une prothèse avant de passer à la deuxième condition de prothèse. Cela permettra de gagner du temps et de maintenir un ajustement prothétique similaire entre les conditions de vitesse. Le protocole d'étude exige que chaque sujet coure aux mêmes 6 vitesses spécifiques identifiées ci-dessus. Chaque condition de vitesse du tapis roulant prendra environ 30 secondes, soit le temps nécessaire aux sujets pour stabiliser leur démarche à la vitesse et une collection de 10 foulées consécutives à collecter. Au moins 2 minutes de repos seront fournies entre chaque condition de vitesse, et les sujets peuvent prendre plus de repos si nécessaire.

Après avoir terminé les essais sur tapis roulant, les sujets effectueront des tirets de 3x50 m dans chaque condition de pied pour déterminer la vitesse maximale. Encore une fois, au moins 2 minutes de repos seront accordées entre chaque effort, et les sujets peuvent prendre plus de repos si nécessaire. L'ordre d'utilisation de la prothèse sera également randomisé pour ce test, mais les trois tirets seront complétés consécutivement pour chaque condition de prothèse.

Pour évaluer les performances pendant la course, les principales mesures de résultats évaluées comprendront les puissances articulaires maximales ; travail concentrique, excentrique et total des articulations et des membres; les GRF verticaux et antérieurs et postérieurs (AP) moyens ; impulsions verticales et AP GRF ; et temps/vitesse de sprint de 50 m. Pour évaluer le risque de blessure pendant la course, les principaux critères de jugement évalués comprendront les amplitudes et les taux de charge moyens des GRF, l'asymétrie des GRF et des moments articulaires, les amplitudes EMG normalisées, la cinématique lombo-pelvienne et les forces de contact articulaires maximales et moyennes sur la position. Les données pour ces mesures seront collectées pour tous les sujets, puis comparées entre les trois groupes (ILEA avec RSP, ILEA avec prothèse traditionnelle et témoins). Aucune intervention ne sera proposée à aucun sujet et aucun suivi pour évaluer les résultats biomédicaux et/ou de santé ne sera effectué.

Analyse du signal d'électromyographie Les données EMG brutes seront dégradées, passe-bande (fréquence de coupure 10-400 Hz) et coupe-bande (fréquence de coupure 59-61 Hz) filtrées pour éliminer les artefacts de mouvement et le bruit électrique de 60 Hz à l'aide d'un double passage (décalage de phase nul ) Filtres de Butterworth. Les données EMG seront ensuite redressées pleine onde et filtrées passe-bas pour créer des enveloppes linéaires. Les valeurs maximales seront extraites des essais MVIC à utiliser pour la normalisation des essais en cours pour exprimer les données EMG en % de contraction volontaire maximale (MVC). La racine carrée moyenne (RMS) de l'activité de chaque muscle sera calculée pendant les phases d'appui et d'oscillation de la course pour étudier les différences d'amplitude. La méthodologie de corrélation croisée sera utilisée pour étudier la synchronisation relative entre la musculature du tronc et celle de la hanche. Des comparaisons seront faites pour évaluer la symétrie de l'amplitude et de la synchronisation de l'activation musculaire entre les côtés des membres intacts et prothétiques pour chacune des conditions de vitesse de course et de prothèse.

Modèle musculosquelettique Trois modèles musculosquelettiques seront développés dans OpenSim. Pour le premier modèle, les chercheurs utiliseront un modèle musculo-squelettique générique représentant un homme adulte non amputé, qui a déjà été utilisé pour évaluer la fonction musculaire pendant la course à pied non amputé. Les deuxième et troisième modèles seront des versions modifiées du modèle non amputé qui représente une personne utilisant une prothèse. Le deuxième modèle comprendra une prothèse traditionnelle de stockage et de restitution d'énergie transtibiale, et le troisième modèle comprendra une prothèse spécifique de course. Pour les deux modèles, les enquêteurs retireront les muscles de la cheville de la jambe résiduelle, y compris le gastrocnémien médial et latéral, le soléaire, le tibial postérieur, le long fléchisseur des doigts, le tibial antérieur et le long extenseur des doigts.

Génération de simulation en cours d'exécution Les modèles seront adaptés à chaque sujet individuel à l'aide de facteurs d'échelle manuels et uniformes, calculés à partir d'un modèle de dynamique inverse basé sur les positions des marqueurs cinématiques et développé dans Visual3D (C-Motion, Inc., Germantown, MD). Ensuite, une solution de cinématique inverse sera calculée dans Visual3D en utilisant un algorithme d'optimisation des moindres carrés pondérés. Une fois la solution cinématique inverse calculée, les enquêteurs exécuteront un algorithme de réduction résiduelle. Une fois des modifications mineures apportées au modèle et aux trajectoires cinématiques des coordonnées généralisées, les chercheurs mettront en œuvre un algorithme de contrôle musculaire calculé. Une fois qu'une solution pour les excitations musculaires individuelles est trouvée à l'aide de l'algorithme Computed Muscle Control, les chercheurs la compareront aux données électromyographiques recueillies expérimentalement. Les enquêteurs généreront des simulations de course à toutes les vitesses de course pour tous les participants. Les résultats de ces simulations seront comparés entre les groupes et selon les vitesses, à l'instar des mesures expérimentales qui seront analysées dans cette étude.

Analyse de la force de contact articulaire Une fois les simulations de course développées, la charge de contact tridimensionnelle au niveau de la hanche sera déterminée à partir de la force intersegmentaire articulaire et des forces de compression des muscles traversant l'articulation, de la même manière que les analyses précédentes lors de la marche d'un amputé. De plus, les forces musculaires déterminées à partir de la simulation de mouvement seront utilisées pour aider à interpréter les charges de contact nettes.

Propriétés des matériaux et anthropométrie Les propriétés inertielles des composants prothétiques et des segments corporels intacts seront estimées pour être utilisées avec l'approche de dynamique inverse. Les masses des sujets seront mesurées à l'aide d'une plate-forme de force. La taille et le poids corporel de chaque sujet seront mesurés, et les mesures anthropométriques des positions des marqueurs seront utilisées pour estimer la masse, le centre de masse et les moments d'inertie des segments de membre intacts. Comme les sujets ILEA manquent d'un pied et d'une partie de leur tige, une masse corporelle ajustée (ABM) sera utilisée comme entrée dans les équations de régression anthropométrique qui tiennent compte des segments corporels manquants.

Pour les sujets amputés, la longueur et la circonférence du membre résiduel au niveau de l'articulation du genou et de l'extrémité distale du membre seront mesurées à l'aide d'un ruban à mesurer. Les propriétés inertielles du membre résiduel seront alors estimées comme un tronc de cône circulaire droit. La masse résiduelle du membre sera estimée à partir du volume géométrique calculé en supposant une densité tissulaire uniforme de 1,10 g/cm3. Pour les conditions RSP, les propriétés inertielles du RSP seront estimées à partir des données publiées par le PI. Les sous-segments au sein des quilles RSP seront définis via des placements de marqueurs réfléchissants et les propriétés inertielles de chaque sous-segment seront estimées en supposant que chaque segment est un cuboïde trapézoïdal rigide. Pour les conditions de prothèse traditionnelles, les propriétés inertielles de la prothèse seront estimées selon la littérature publiée.

C. PLAN STATISTIQUE et ANALYSE DES DONNEES

Analyse statistique Cette recherche est conçue pour déterminer les effets du type de prothèse sur une variété de variables de résultat liées à la performance et au risque de blessure à travers une gamme de vitesses de course. Une ANOVA de modèle mixte à trois facteurs (groupe x membre x vitesse) sera utilisée pour identifier les changements statistiques des variables dépendantes suivantes : les puissances maximales des articulations de la hanche, du genou et de la cheville et le travail mécanique ; forces de réaction au sol moyennes ; taux de chargement ; et les amplitudes EMG. Le groupe (Prothèse spécifique à la course à l'amputation des membres inférieurs individuels (ILEARSP) par rapport à la prothèse traditionnelle d'amputation des membres inférieurs individuels (ILEATrad) par rapport au groupe de contrôle) sera considéré comme une variable indépendante inter-sujets, le membre (prothétique/intact ou gauche/droit) comme une variable indépendante intra-sujets et Vitesse (2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 5,0 et 6,0 m/s) comme variable indépendante intra-sujets.

Une ANOVA à deux facteurs (groupe x vitesse) sera utilisée pour identifier les changements statistiques des variables dépendantes, y compris la symétrie de la force de réaction au sol, la symétrie cinétique articulaire et la cinématique lombo-pelvienne. Une ANOVA unidirectionnelle déterminera les différences statistiques entre les groupes pour le temps et la vitesse du sprint de 50 m.

La signification de tous les tests statistiques sera fixée à α=0,05.

Calculs de la taille de l'échantillon Cette étude aura une puissance statistique appropriée pour évaluer nos hypothèses. Les tailles d'effet pour les différences significatives entre les membres RSP, intacts et valides dans les taux de charge GRF, le GRF moyen et le travail articulaire total ont été estimées sur la base de données antérieures recueillies par le PI auprès de 8 sujets ILEA et témoins fonctionnant à 2,5, 3,0 et 3,5 m/s. Ces tailles d'effet variaient entre 0,4 et plus de 0,9. Une taille d'effet de 0,7 a également été estimée à partir des valeurs de volume d'oxygène (VO2) d'une étude comparant des sujets courant avec des RSP et des prothèses traditionnelles. Pour être prudents, les chercheurs ont utilisé la plus faible de ces tailles d'effet (0,4) pour effectuer une analyse de puissance pour l'ANOVA avec des mesures répétées à l'aide de G*Power (v. 3.1.9.2, Düsseldorf, Allemagne). Cela a donné une taille d'échantillon totale de 24 avec α = 0,05, ce qui donne une puissance de 80 % pour détecter les différences entre les membres, les pieds prothétiques ou les sujets ILEA et témoins dans les valeurs cinétiques pendant la course. Les enquêteurs anticipent des tailles d'effet similaires pour les changements dans les variables biomécaniques restantes que les enquêteurs examineront dans l'étude proposée. Sur la base de cette analyse, 12 sujets ILEA et 12 sujets témoins fourniront une puissance statistique substantielle pour détecter des différences significatives dans les résultats biomécaniques entre les groupes et les pieds prothétiques.