Kompenzációs mozgás vizsgálata felső végtag protézis használata közben

PROBLÉMA NYILATKOZAT:

A felső végtag protézisének jelenlegi fejlesztései közé tartozik a vezérlőrendszerek fejlett technológiája és az emberi mozgást utánzó elektronikus áramkörök, amelyek javítják a protézis működését. Ezek a fejlesztések gyakran nagy mennyiségű energiát, áramkört és túlsúlyt igényelnek a protézis mentén disztálisan, ami nagyobb erőfeszítést igényelhet a felhasználótól. A felső végtag protézisének rossz működése kényelmetlen kompenzációs mozgást okozhat. Ismeretes, hogy az aberráns mozgások, mint például ezek a kompenzáló mozgások, nagyobb terhelést okoznak a megmaradt ízületekben. Az amputáltak kénytelenek eldönteni, hogy a fejlett elektronika által biztosított többletfunkció megéri-e cipelni azt a plusz tömeget, amely fáradtságot, dugaszolóaljzat-problémákat és a megmaradt ízületek nagyobb igénybevételét okozhatja. Példa erre a felső végtag protézisének csuklóforgató eleme, amely nagyobb funkciót tesz lehetővé és csökkenti a kompenzációs mozgást, de disztálisan növeli a tömeget, ami potenciálisan nagyobb nyomatékot okozhat a fennmaradó ízületeken.

AZ AKTUÁLIS IRODALOM ÖSSZEFOGLALÁSA:

A mozgáskorlátozottságot és a felső végtag protézisének túlsúlyát panaszként dokumentálták az amputáltak körében [1], [2], [3], [4], [5], [6]. Felmérések révén Atkins et al. megállapították, hogy az amputáltak azt szeretnék, ha a protézis csuklórésze több mozgást végezne. Ez a tanulmány a pohárból való ivást és az ajtónyitást is az amputáltak első számú prioritásaként sorolta fel [7]. Ez arra utal, hogy a protézis kar csuklóeleme fontos.

A tudományos irodalomban számos példa található arra vonatkozóan, hogy a járás kinetikai, kinematikai és metabolikus elemzése hogyan vezetett az alsó végtag protézisek tervezési kritériumainak javulásához [8], [9]. 2003-ban Twiste et al. irodalmi áttekintést végzett az anatómiai ízületek rotációjáról és transzlációjáról a protetikus járás során. Az áttekintés absztraktja megemlíti, hogy az optimalizált járásmintákat mutató pontosabb kinematikai járáselemzés segíthet a gyártóknak olyan protézis-alkatrészek tervezésében, amelyek utánozzák ezeket a mintákat [9]. A tömeges perturbációk alsó végtag amputáltakra gyakorolt ​​hatásait vizsgálták annak meghatározására, hogy hogyan kell értékelni a protézis tehetetlenségi tulajdonságait [10].

A felső végtag mozgásával is foglalkoztak tanulmányok, de ezek mennyisége korlátozott. Feljegyezték és elemezték a mindennapi tevékenységet végző egészséges és merevített alanyok felső végtagjának mozgástartományát [11],[12],[13]. Ezek a vizsgálatok a csukló helyzetének hatását vizsgálták, de nem a csuklórész tömegére.

A TANULMÁNY CÉLJA:

Ennek a tanulmánynak két fő célja van:

1. a csuklóforgató nélküli felső végtag protézis hatásának meghatározása a fennmaradó ízületek kompenzációs mozgására és nyomatékaira közös feladatok során
2. a felső végtag protézisén lévő csuklóforgató (distalis vagy proximális) elhelyezkedésének a kompenzációs mozgásra gyakorolt ​​hatásának meghatározása a közös feladatok során

HIPOTÉZISEK:

1. Statisztikailag szignifikáns különbség lesz a felső végtag ízületeinek mozgástartományában az egészséges alanyok, a merevítéssel ellátott alanyok és a felső végtag amputáltak között négy gyakori feladat során.
2. Három gyakori feladat során statisztikailag szignifikáns különbség lesz az ízületi felső végtag ízületi forgatónyomatékában az egészséges alanyok, a merevítéssel ellátott alanyok és a felső végtag amputáltak között.
3. Statisztikailag szignifikáns különbség lesz a felső végtag szögeiben és az ízületi nyomatékokban a disztálisan hozzáadott tömeg és a proximálisan hozzáadott tömeg között a gyakori feladatok során.

MÓDSZEREK Résztvevők Tíz egészséges felnőtt önkéntes vesz részt ebben a vizsgálatban, akiknek nem volt kórtörténetében felső végtag sérülés. Öt férfi és öt nő vesz részt. Ez a tíz alany alkotja a kontrollcsoportot, majd felerősítik őket egy könyök alatti protézis szimulálására. Hét egyoldalú felső végtag amputált fog részt venni.

Tesztelési protokoll A mozgásadatok gyűjtésére és elemzésére 8 kamerás infravörös Vicon mozgáselemző rendszert fognak használni. Tizenkilenc gömb alakú fényvisszaverő markert helyeznek el az alanyok felső végtagjainak és törzsének csontos tereptárgyaira a szegmensek vagy a helyi koordinátarendszerek leírására.

Minden egyes alanyról egy statikus vizsgálatot gyűjtenek, amely segít meghatározni a közös központokat. A számítások során felhasználható tárgyak paraméterei, például testtömeg, magasság és vállmélység, csukló- és kézvastagság összegyűjtésre kerülnek. A kinematikai adatok gyűjtése 120 Hz-en történik.

Az alanyoknak négy feladatot kell teljesíteniük:

• Pohárból ivás
• Egy ajtó kinyitása
• 5 font súlyú doboz emelése
• Kormánykerék elforgatása (e feladat kinetikai elemzése kizárt)

Az egészséges alanyok minden feladatot a következő beavatkozások során hajtanak végre: (1) nincs beavatkozás (2) merevített, korlátozza az alkar és a csukló mozgását, (3) a könyök közelében hozzáadott 96 g-os (átlagos protézis csuklóforgató tömege), (4) merevítéssel. 96 g hozzáadásával a csukló közelében. Az amputáltak a fent említett (3) és (4) beavatkozásokat csuklóforgató nélkül, de egy tömeget szimulálva hajtják végre. Minden kísérleti vizsgálati körülményhez három kísérletet gyűjtenek össze, és ezeket a kísérleteket átlagolják minden egyes alany esetében. A tesztek sorrendje minden tantárgyhoz véletlenszerűen kerül meghatározásra.

A kísérlet tervezése:

Ez a tanulmány a csukló és az alkar mozgásának hiányának hatásait vizsgálja a váll, a könyök és a törzs mozgására négy tevékenység során. Ez a tanulmány egyesíti az alanyok közötti és a tárgyon belüli elemzéseket.

Független tényező (az alanyok között): a csukló és az alkar mozgásának korlátozása (a protézis csuklóforgató elemének hiányát szimulálja)

Szintek:

• Ellenőrző csoport
• Merevített csoport – a könyök alatti felső végtag protézis szimulálása
• Protézisviselő csoport

Ismételt faktor (az alanyokban): hozzáadott tömeg (a csuklóforgató tömegét szimulálja)

Szintek:

• Nincs hozzáadott tömeg a csuklóforgatóhoz
• A proximálisan hozzáadott csuklóforgató tömege (könyök közelében)
• A csuklóforgató tömege distalisan hozzáadva (a csukló közelében)

A fő hatások és az interakciós hatások elemzésére egy ismételt mérőszámmal végzett kétirányú varianciaanalízist használunk.

Adatfeldolgozás

A váll, a könyök és a törzs mozgásait és nyomatékait egy Vicon Bodybuilder nyelven írt program segítségével számítják ki. Az alanyon elhelyezett markerek helyzetét digitalizáljuk, és meghatározzuk a törzs, a felkar, az alsó kar és a kézszegmenseket. Az Euler-szögek kiszámításra kerülnek. Az erők és nyomatékok kiszámításához inverz dinamikát és antropometriát fognak használni. A következő eredménymutatókat hasonlítjuk össze:

• Vállrablás és hajlítás
• Könyökhajlítás
• Törzshajlítás (bal/jobb)
• Vállízületi erő és nyomaték
• Könyökcsukló erő és nyomaték

Ezen kimeneti mérőszámok maximumát, minimumát és tartományát összehasonlítják az alanyok és az alanyokon belül.

VÁRHATÓ EREDMÉNYEK/MEGBESZÉLÉS

Egy csészéből inni:

• A merevített és protéziseket viselő csoportoknál nagyobb lesz a vállakrablás, hogy kompenzálja az alkar elfordulásának és a csukló nyújtásának hiányát.
• A tömeg (csuklóforgató) disztális hozzáadása nagyobb erőt és nyomatékot eredményez a könyöknél. Ez a könyöki erőnövekedés az amputált csoportban lesz a legnagyobb a brachialis esetleges sérülése miatt a singcsont gumójába való behelyezéskor.

Ajtó nyitása:

• A merevített és protéziseket viselő csoportoknál nagyobb lesz a vállakrablás, hogy kompenzálja az alkar elfordulásának és a csukló nyújtásának hiányát. Ezek a csoportok a törzs hajlításával is kompenzálhatnak a vállrablás növelése helyett.
• A koronális síkban megnövekedett váll mozgási tartománya miatt a merevítő és protézisviselő csoport nagyobb nyomatékkal rendelkezik a vállízületben. A vállízület forgatónyomatékának ez a növekedése megnő, ha a tömeget (csuklóforgató) disztálisan hozzáadjuk a kar növekedése miatt.

5 font súlyú doboz emelése:

• Ez a feladat minimális csukló eltérést, csuklóhajlítást/nyújtást és minimális alkarforgatást igényel. Azért szerepel ebben a tanulmányban, mert kétoldalú feladatról van szó
• A merevítős és protézises csoportok nagyobb vállrablást és kisebb vállhajlítást eredményeznek az alkar és a csukló korlátai miatt.
• A váll- és könyökízületi erők és forgatónyomatékok nagyobbak lesznek az ép kézen az amputált csoportban, mert a protézist csak útmutatóként használják a feladathoz. Előfordulhat azonban ennek az ellenkezője is.

A kormánykerék elfordítása:

• A merevítős és protézises csoportoknál nagyobb lesz a vállrablás, hogy kompenzálja a csukló hajlításának és nyújtásának hiányát. A kompenzáció azonban a törzshajlításban is előfordulhat.
• Ehhez a feladathoz az amputált alanyok először egy hangkarral, majd a protézissel végzik el, hogy meghatározzák, hol történik a kompenzáció.

HOZZÁJÁRULÁSOK Ez a munka számos hozzájárulást fog nyújtani a biomechanika és a protézistervezés területéhez. Az emberi betegségek tanulmányozásának egyik fontos szempontja, hogy rendelkezzen kontrolladatokkal az összehasonlításhoz. A felső végtag kinematikai adatainak dokumentálása négy gyakori feladat során lehetővé teszi az összehasonlítást számos felső végtag probléma vagy sérülés vizsgálatakor.

Ez a munka segít meghatározni, hogy figyelembe kell-e venni az új alkatrészek elhelyezkedését a felső végtag protézisének tervezése, illesztése és oktatása során. Segíthet áthidalni a szakadékot a mérnöki terület technológiai innovációja és a végfelhasználókkal napi kapcsolatban álló protézisek klinikai ügyessége között.

IRODALOM

1. S.C. Jacobsen, D.F. Knutti, R.T. Johnson és H. H. Sears, "Development of the Utah mesterséges kar", IEEE Trans.Biomed.Eng., vol. 29, pp. 249-269, ápr. 1982.
2. J.E. Uellendahl, "Upper extremity myoelectric prosthetics", Phys.Med.Rehabil.Clin.N.Am., vol. 11, pp. 639-652, 2000. aug.
3. C.M. Light, P.H. Chappell, B. Hudgins és K. Engelhart, "Intelligent multifunction myoelectric control of hand protheses", J.Med.Eng.Technol., vol. 26, pp. 139-146, júl-aug. 2002.
4. P.J. Kyberd, D.J. Beard és J. D. Morrison, "A felső végtag protézisek felhasználóinak populációja, akik részt vesznek az Oxford Limb Fitting Service-ben", Prosthet.Orthot.Int., vol. 21, pp. 85-91, 1997. aug.
5. W. Daly, "Upper extremity socket design options", Phys.Med.Rehabil.Clin.N.Am., vol. 11, pp. 627-638, 2000. aug.
6. H. H. Sears és J. Shaperman: Proporcional myoelectric hand control: an assessment, Am.J.Phys.Med.Rehabil., vol. 70, pp. 1991. február 20-28.
7. D.J. Atkins, Heard D. és W.H. Donovan, "Epidemiologic Overview of Individual with Upper Limb Loss and their bejelentett kutatási prioritások", JPO, vol. 8, pp. 1996. 2-11. 1996.
8. J.S. Rietman, K. Postema és J.H. Geertzen, "Gait elemzés a protetikában: vélemények, ötletek és következtetések", Prosthet.Orthot.Int., vol. 26, pp. 50-57, ápr. 2002.
9. M. Twiste és S. Rithalia: „Transverse rotation and longitudinal translation during prosthetic gait – a szakirodalmi áttekintés”, J.Rehabil.Res.Dev., vol. 40, pp. 9-18, jan-febr. 2003.
10. R. W. Selles, J. B. Bussmand, L. M. Klip, B. Speet, A. J. Van Soest, H.J. Stam, "Adaptations to Mass Perturbations in Transradial Amputes: Kinetic or Kinematic Invariance?", Arch. Phys. Med. Rehabil., vol. 85, pp. 2046-2052, 2004. dec.
11. A. Murgia, P. J. Kyberd, P. H. Chappell és C.M. Light, "Marker elhelyezése a csukló mozgásának leírására a mindennapi tevékenységek során, ciklikus feladatok során", Clin.Biomech. (Bristol, Avon), vol. 19, pp. 248-254, márc. 2004.
12. R. Safaee-Rad, E. Shwedyk, A.O. Quanbury és J. E. Cooper, "A felső végtag ízületeinek normál funkcionális mozgástartománya három táplálási tevékenység végrehajtása során", Arch.Phys.Med.Rehabil., vol. 71. o. 505-509, jún. 1990.
13. J.S. Landry, „Optimal Fixed Wrist Alignment For Below-Bow-Bow, Powered, Prosthetic Hands”, pp. 2000. 1-80. 2000.