上肢義足使用時の代償運動に関する研究

問題文：

上肢プロテーゼの設計の現在の改善には、人間の動きを模倣してプロテーゼの機能を改善する制御システムと電子回路の高度な技術が含まれます。 多くの場合、これらの改善には大量の電力、回路、プロテーゼに沿って遠位に余分な質量が必要であり、ユーザーの努力が必要になる場合があります。 上肢義足の機能が低下すると、ぎこちない代償運動が生じることがあります。 これらの代償運動などの異常な運動は、残りの関節により大きなストレスを引き起こすことが知られています。 肢切断者は、高度な電子機器によって提供される追加の機能が、疲労、ソケットの問題、および残りの関節へのより大きなストレスを引き起こす可能性のある余分な質量を運ぶ価値があるかどうかを判断することを余儀なくされています. 例としては、上肢プロテーゼの手首回旋コンポーネントが挙げられます。これにより、より大きな機能が可能になり、代償運動が減少する可能性がありますが、遠位に質量が追加され、残りの関節により大きなトルクが発生する可能性があります。

現在の文献の概要:

上肢義足の制限された動きと余分な重量は、肢切断者の間の苦情として記録されています [1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。 調査を通してアトキンス等。切断者は、義肢の手首コンポーネントがより多くの動きを実行することを望んでいると判断しました. この研究では、ガラスから飲むこととドアを開けることも挙げられており、肢切断者の最優先事項である [7]。 これは、義手の手首コンポーネントが重要であることを示唆しています。

歩行の運動学的、運動学的、および代謝分析が下肢義足の設計基準の改善にどのようにつながったかを示す多くの例が科学文献中にあります [8]、[9]。 2003 年に、Twiste 等。義肢歩行中の解剖学的関節の回転と並進に関する文献レビューを実施しました。 このレビューの要約では、最適化された歩行パターンを示すより正確な運動学的歩行分析が、これらのパターンを模倣する人工装具コンポーネントを製造業者が設計するのに役立つ可能性があると述べています [9]。 下肢切断者に対する質量摂動の影響は、人工装具の慣性特性を評価する方法を決定するために調査されています [10]。

上肢の運動に関する研究もありますが、その量は限られています。 日常生活動作を行っている健康で装具を装着した被験者の上肢の可動域が記録され、分析されています [11]、[12]、[13]。 これらの研究は、手首の位置の影響を調べていますが、手首のコンポーネントの質量には影響を与えていません。

研究の目的:

この研究の主な目的は 2 つあります。

1. 一般的な作業中の残りの関節の代償運動とトルクに対する手首回旋装置のない上肢義足の影響を決定する
2. 一般的な作業中の代償運動に対する義肢上肢の手首回旋装置の位置 (遠位または近位) の影響を決定する

仮説:

1. 4 つの一般的な作業中、健康な被験者、ブレースを装着した被験者、および上肢切断者の間で、上肢関節の可動域に統計的に有意な差があります。
2. 3 つの一般的な作業中に、健康な被験者、ブレースを装着した被験者、および上肢切断者の間で、上肢の関節トルクに統計的に有意な差があります。
3. 一般的な作業中に遠位に追加された質量と近位に追加された質量の間には、上肢の角度と関節トルクに統計的に有意な差があります。

方法 参加者 上肢損傷の病歴のない 10 人の健康な成人ボランティアがこの研究に参加します。 男性5名、女性5名で参加予定です。 これらの 10 人の被験者は、コントロール グループを構成し、肘下のプロテーゼをシミュレートするために装具を装着します。 片側上肢切断者7名が参加します。

テスト プロトコル 8 カメラの赤外線 Vicon 動作分析システムを使用して、動作データの収集と分析を行います。 セグメントまたはローカル座標系を記述するために、被験者の上肢および胴体の骨のランドマークに 19 個の球状の反射マーカーが配置されます。

関節中心を決定するのに役立つように、被験者ごとに静的試験が収集されます。 体重、身長、肩の深さ、手首と手の太さなどの被験者パラメータが収集され、計算に使用されます。 運動学的データは 120 Hz で収集されます。

被験者は次の 4 つのタスクを完了するよう求められます。

• カップから飲む
• ドアを開ける
• 5ポンドの箱を持ち上げる
• ハンドルを回す (このタスクの動力学的分析は除外されます)

健康な被験者は、次の介入中に各タスクを完了します: (1) 介入なし (2) 前腕と手首の動きを制限するブレース、(3) 肘の近くに追加された 96 g (平均人工手首回転子の質量) でブレース、(4) ブレース手首の近くで96g追加されました。 切断者は、上記の介入 (3) と (4) を手首回旋装置なしで完了しますが、1 つの質量をシミュレートします。 各実験的試験条件について 3 つの試験が収集され、これらの試験は各被験者の代表として平均化されます。 テストの順序は、科目ごとにランダムに割り当てられます。

実験計画法:

この研究では、4 つの活動中の肩、肘、胴体の動きに対する手首と前腕の動きの欠如の影響を調べます。 この研究は、被験者間分析と被験者内分析を組み合わせます。

独立要因 (被験者間): 手首と前腕の動きの制限 (義肢に手首回旋コンポーネントがないことをシミュレート)

レベル:

• 対照群
• ブレース グループ - 肘下上肢義足のシミュレーション
• 義足装着グループ

反復因子 (被験者内): 追加された質量 (手首の回転子の質量をシミュレート)

レベル:

• 手首回旋装置の追加質量なし
• 近位（肘の近く）に追加された手首の回転子の質量
• 遠位（手首の近く）に追加された手首の回転子の質量

主効果と交互作用効果を分析するために、1 つの反復測定による双方向分散分析が使用されます。

情報処理

肩、肘、胴体の動きとトルクは、Vicon Bodybuilder 言語で書かれたプログラムを使用して計算されます。 被験者に配置されたマーカーの位置がデジタル化され、胴体、上腕、下腕、および手のセグメントが決定されます。 オイラー角が計算されます。 力とトルクの計算には、逆動力学と人体計測が使用されます。 以下のアウトカム指標が比較されます。

• 肩の外転と屈曲
• 肘の屈曲
• 胴曲げ（L/R）
• 肩関節の力とトルク
• 肘関節の力とトルク

これらの結果測定値の最大、最小、および範囲は、被験者間および被験者内で比較されます。

予測結果/考察

カップから飲む：

• ブレースとプロテーゼを着用しているグループは、前腕の回転と手首の伸展の不足を補うために、肩の外転が大きくなります。
• 質量 (手首回旋筋) を遠位に追加すると、肘に大きな力とトルクが生じます。 尺骨結節への挿入時に上腕骨が損傷する可能性があるため、この肘の力の増加は切断者グループで最大になります。

ドアを開ける:

• ブレースとプロテーゼを着用しているグループは、前腕の回転と手首の伸展の不足を補うために、肩の外転が大きくなります。 これらのグループは、肩の外転を増やす代わりに、体幹を曲げることによって代償することもあります.
• 前頭面での肩の可動域が広がるため、ブレースとプロテーゼを着用しているグループは、肩関節のトルクが大きくなります。 この肩関節トルクの増加は、レバー アームの増加により質量 (手首回旋筋) が遠位に追加されると増加します。

5 ポンドの箱を持ち上げる:

• このタスクでは、手首のずれ、手首の屈曲/伸展、および前腕の回転を最小限に抑える必要があります。 二国間タスクであるため、この研究に含まれています
• ブレースとプロテーゼを着用しているグループは、前腕と手首の制限により、肩の外転が大きくなり、肩の屈曲が少なくなります。
• 肩と肘の関節の力とトルクは、切断者グループの正常な手に大きくなります。なぜなら、彼らはプロテーゼをタスクのガイドとしてのみ使用するからです。 ただし、逆の場合もあります。

ハンドルを回す:

• ブレースとプロテーゼを着用しているグループは、手首の屈曲と伸展の不足を補うために、肩の外転が大きくなります。 ただし、代償は体幹の屈曲でも発生する可能性があります。
• このタスクでは、切断者の被験者は最初に健全な腕でそれを完了し、次に補綴物を使用して代償が発生する場所を決定します。

貢献 この仕事は、バイオメカニクス分野と人工装具設計分野に多くの貢献を提供します。 人間の病気を研究する際の重要な側面の 1 つは、比較に使用する一連の制御データを用意することです。 4 つの一般的なタスク中に上肢の運動学的データを文書化すると、多くの上肢の問題や怪我を研究する際の比較が可能になります。

この作業は、上肢義足の設計、フィッティング、および指示において、新しいコンポーネントの位置を考慮する必要があるかどうかを判断するのに役立ちます。 また、エンジニアリング分野の技術革新と、日常的にエンドユーザーと接触している義肢装具士の臨床的鋭敏さとの間のギャップを埋めるのにも役立つ可能性があります。

参考文献

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