달리기 중 달리기 전용 보철물과 기존 보철물의 비교: 성능 및 위험 평가

가. 배경

달리기 시 하지 절단(ILEA) 환자에 대한 현재의 지식과 이해는 생체역학적 성능 및 부상 위험과 관련하여 제한적입니다. ILEA는 달리기 전용 보철물(RSP)과 전통적인 보철물로 달릴 수 있습니다. 그러나 이러한 각 보철 디자인으로 실행되는 대상의 직접적인 비교는 존재하지 않습니다. 하나의 디자인 또는 다른 디자인을 검토하는 보고된 문헌에는 종종 동일한 속도로 실행하는 참가자가 없습니다. 또한 연구 간에 달리는 속도가 비슷한 경우 동일한 변수가 거의 조사되지 않습니다. 이로 인해 RSP와 기존 보철물을 비교하는 것이 매우 어렵고 성능과 부상 위험 모두에 대한 결론을 내리는 것은 사실상 불가능합니다. 게다가 현재까지 어떤 ILEA 달리기 연구도 근육 활동을 조사하지 않았으며 근골격계 모델의 달리기 시뮬레이션도 생성되지 않았습니다. 이러한 연구의 주요 격차는 다양한 보철 디자인으로 실행되는 ILEA의 성능 및 부상 위험에 대한 이해를 실질적으로 제한합니다. 이 지식을 얻으면 국방부 및 재향군인회 시스템 내의 임상의와 관리자에게 다양한 속도로 달리기 위한 보철물 처방과 복무 시나리오에 대한 정보를 직접 알릴 수 있습니다. 따라서 제안된 연구는 모션 캡처, 근육 활동 및 근골격 모델링 기술을 활용하여 다양한 속도에서 RSP 및 기존 보철물로 실행하는 ILEA의 성능 및 부상 위험을 직접 비교할 것입니다. 조사관은 규범적 비교를 위해 신체 건강한 대조군도 캡처할 것입니다. 그렇게 함으로써 이 프로젝트는 여러 수준에서 OPORA의 목표와 요구 사항에 직접 주의를 기울입니다.

B. 연구 전략:

피험자 편측 경골 절단이 있는 12명의 피험자는 군인, 퇴역 군인 및 민간인 인구에서 모집됩니다. 12명의 건장한 성별, 나이, 키 및 체중이 일치하는 피험자는 비교를 위한 규범 데이터를 제공하기 위한 대조군 역할을 할 것입니다. 모든 피험자는 연구의 어느 부분을 시작하기 전에 정보에 입각한 동의를 제공해야 하며 불이익 없이 언제든지 연구를 중단할 수 있는 선택권을 갖게 됩니다. 모든 피험자는 실험을 시작하기 전에 신체 활동 준비 상태 설문지(PAR-Q)를 작성해야 합니다. 피험자가 이 설문지(7개 질문 중 하나에 "예"로 응답)에 실패하면 참여를 허가하는 의사의 문서를 제공할 때까지 연구에 참여할 수 없습니다.

실험 절차 무작위화 컴퓨터 프로그램은 ILEA 피험자에 대한 의족 조건(RSP 또는 전통적)의 순서를 결정할 것입니다. 모든 피험자(대조군 및 ILEA)는 계측된 러닝머신에서 3D 달리기 분석을 받게 됩니다. 모션 캡처 시스템은 운동학적 데이터(즉, 사지 위치; 특정 신체 랜드마크에 배치된 반사 마커에서 200Hz에서 관절 각도, 속도, 가속도). 절단된 사지에서 생크 클러스터는 소켓에 측면으로 배치되고 남아 있는 생크 세그먼트의 장축을 정의하기 위해 소켓의 원위 끝에 마커가 배치됩니다. RSP 조건의 경우 보철물 용골에 8개의 추가 마커가 배치됩니다. 보철물의 가장 날카로운 지점에 있는 마커는 보철 사지 "발목" 관절을 정의합니다. 전통적인 보철물 조건의 경우 마커는 손상되지 않은 발과 유사하게 배치됩니다.

계측된 러닝머신은 러닝머신에 내장된 힘 플랫폼에서 1000Hz로 지상 반발력(GRF) 데이터를 수집합니다. 운동학적 및 지면 반발력 데이터가 결합되고 관절 운동학적 데이터(즉, Visual3D(C-Motion, Germantown, MD) 소프트웨어를 사용하여 힘, 모멘트, 힘 및 일).

근육 활성화 데이터는 6개의 양측 엉덩이 및 몸통 근육에서 표면 근전도(EMG)를 사용하여 2000Hz의 샘플링 주파수에서 수집됩니다. 일회용 미리 겔화된 은-염화은(Ag-AgCl) 전극을 양측 중둔근, 대둔근, 대퇴직근, 대퇴이두근, 요추 기립근, 내복사근 및 외복사근 위에 배치합니다. 표준화된 위치에서 적용되는 수동 저항을 사용하여 표준화 목적으로 최대 자발적 등척성 수축(MVIC)을 얻을 수 있습니다.

모든 피험자(RSP를 사용하는 ILEA, 기존 보철물을 사용하는 ILEA 및 대조군)는 무작위 순서로 제시된 러닝머신에서 6개의 규정된 속도(2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 5.0, 6.0m/s)로 실행됩니다. ILEA 피험자는 RSP와 기존 의족을 모두 착용하고 모든 속도 조건을 완료합니다. 앞서 언급한 바와 같이 보철물 순서는 무작위로 이루어지지만 모든 속도 조건은 두 번째 보철물 상태로 변경되기 전에 하나의 보철물에서 완료됩니다. 이것은 시간을 절약하고 속도 조건 사이에서 유사한 보철 적합을 유지합니다. 연구 프로토콜은 모든 피험자가 위에 식별된 동일한 6가지 특정 속도로 실행될 것을 요구합니다. 각 러닝머신 속도 조건은 약 30초가 걸리며, 이는 피험자가 수집할 속도 및 수집된 10개의 연속 보폭에서 걸음걸이를 안정화하는 데 필요한 시간입니다. 각 속도 조건 사이에는 최소 2분의 휴식이 제공되며, 필요에 따라 더 많은 휴식을 취할 수 있습니다.

트레드밀 시험을 완료한 후 피험자는 최대 속도를 결정하기 위해 각 발 상태에서 3x50m 대시를 완료합니다. 다시 말하지만, 각 노력 사이에 최소 2분의 휴식이 제공되며 피험자는 필요한 경우 더 많은 휴식을 취할 수 있습니다. 보철물 사용 순서도 이 테스트에서 무작위로 지정되지만 세 개의 대시는 각 보철물 상태에 대해 연속적으로 완료됩니다.

달리는 동안 성능을 평가하기 위해 평가되는 주요 결과 측정에는 최대 관절 힘이 포함됩니다. 동심, 편심 및 전체 관절 및 사지 작업; 평균 수직 및 전방 및 후방(AP) GRF; 수직 및 AP GRF 임펄스; 50m 대시 시간/속도. 달리는 동안 부상 위험을 평가하기 위해 평가되는 주요 결과 측정에는 평균 GRF 크기 및 하중 속도, GRF 및 관절 모멘트의 비대칭성, 정규화된 EMG 진폭, 요골반 운동학, 자세에 대한 최고 및 평균 관절 접촉력이 포함됩니다. 이러한 측정에 대한 데이터는 모든 피험자에 대해 수집된 다음 세 그룹(RSP가 있는 ILEA, 전통적인 보철물이 있는 ILEA 및 대조군) 간에 비교됩니다. 어떤 피험자에게도 중재가 제공되지 않으며 생의학 및/또는 건강 결과를 평가하기 위한 후속 조치도 수행되지 않습니다.

근전도 신호 분석 원시 EMG 데이터는 품질 저하, 밴드 패스(차단 주파수 10-400Hz) 및 밴드 스톱(차단 주파수 59-61Hz)을 필터링하여 이중 패스(제로 위상 지연)를 사용하여 움직임 아티팩트 및 60Hz 전기 노이즈를 제거합니다. ) 버터워스 필터. 그런 다음 EMG 데이터는 전파 정류되고 저역 통과 필터링되어 선형 포락선을 생성합니다. EMG 데이터를 % 최대 자발적 수축(MVC)으로 표현하기 위해 실행 중인 시험의 정규화에 사용되는 MVIC 시험에서 피크 값을 추출합니다. 진폭 차이를 조사하기 위해 달리기의 자세 및 스윙 단계 동안 각 근육 활동의 평균 제곱근(RMS)을 계산합니다. 몸통과 고관절 근육 사이의 상대적 타이밍을 조사하기 위해 교차 상관 방법론이 활용됩니다. 각각의 달리기 속도 및 의지 조건에 대해 손상되지 않은 팔다리와 의지 팔다리 사이의 근육 활성화 진폭 및 타이밍의 대칭을 평가하기 위해 비교가 이루어질 것입니다.

근골격 모델 세 가지 근골격 모델이 OpenSim에서 개발됩니다. 첫 번째 모델의 경우 조사자는 절단되지 않은 상태로 달리는 동안 근육 기능을 평가하는 데 이전에 사용된 절단되지 않은 성인 남성을 나타내는 일반적인 근골격 모델을 사용합니다. 두 번째와 세 번째 모델은 보철물을 사용하는 사람을 나타내는 절단되지 않은 모델의 수정된 버전입니다. 두 번째 모델에는 전통적인 경골 에너지 저장 및 반환 보철물이 포함되며 세 번째 모델에는 달리기 전용 보철물이 포함됩니다. 두 모델의 경우 조사자는 내측 및 측면 비복근, 가자미근, 후경골근, 장지굴근, 전경골근 및 장지신근을 포함하여 남은 다리에서 발목 근육을 제거합니다.

시뮬레이션 생성 실행 모델은 운동학적 마커 위치를 기반으로 역동역학 모델에서 계산되고 Visual3D(C-Motion, Inc., Germantown, MD)에서 개발된 수동 균일 배율 계수를 사용하여 각 개별 주제에 맞게 조정됩니다. 그런 다음 가중 최소 제곱 최적화 알고리즘을 사용하여 Visual3D에서 역기구학 솔루션을 계산합니다. 역기구학 솔루션이 계산된 후 조사자는 잔여 감소 알고리즘을 수행합니다. 모델과 일반화된 좌표의 운동학적 궤적에 약간의 변경이 가해지면 조사자는 계산된 근육 제어 알고리즘을 구현합니다. 계산된 근육 제어 알고리즘을 사용하여 개별 근육 흥분에 대한 솔루션을 찾으면 조사자는 이를 실험적으로 수집된 근전도 데이터와 비교할 것입니다. 조사관은 모든 참가자를 위해 모든 실행 속도에서 실행 시뮬레이션을 생성합니다. 이러한 시뮬레이션의 결과는 이 연구에서 분석할 실험 측정과 유사하게 그룹 간에 그리고 속도에 따라 비교됩니다.

관절 접촉력 분석 달리기 시뮬레이션이 개발되면 고관절의 3차원 접촉 하중은 관절을 가로지르는 근육의 관절 분절간 힘과 압축력에서 결정되며, 이는 절단 환자 보행 중 이전 분석과 유사합니다. 또한 움직임 시뮬레이션에서 결정된 근육 힘은 순 접촉 하중을 해석하는 데 도움이 됩니다.

재료 특성 및 인체 측정 보철 구성 요소 및 손상되지 않은 신체 부분의 관성 특성은 역동학 접근법과 함께 사용하기 위해 추정됩니다. 대상 질량은 힘 플랫폼을 사용하여 측정됩니다. 각 피험자의 키와 몸무게를 측정하고 마커 위치에서 인체측정학적 측정을 사용하여 손상되지 않은 사지 부분의 질량, 질량 중심 및 관성 모멘트를 추정합니다. ILEA 피험자는 한쪽 발과 정강이 부분이 없기 때문에 조정된 체질량(ABM)이 누락된 신체 부분을 설명하는 인체 측정 회귀 방정식에 대한 입력으로 사용됩니다.

절단 피험자의 경우, 줄자를 사용하여 절단단 길이와 무릎 관절 및 사지 말단부의 둘레를 측정합니다. 그러면 잔여 사지 관성 속성이 오른쪽 원형 원뿔의 절두체로 추정됩니다. 잔여 사지 질량은 균일한 1.10g/cm3 조직 밀도를 가정하여 계산된 기하학적 부피에서 추정됩니다. RSP 조건의 경우 RSP의 관성 특성은 PI에서 게시한 데이터에서 추정됩니다. RSP 용골 내의 하위 세그먼트는 반사 마커 배치를 통해 정의되며 각 하위 세그먼트의 관성 속성은 각 세그먼트를 단단한 사다리꼴 입방체로 가정하여 추정됩니다. 전통적인 보철물 조건의 경우 보철물의 관성 특성은 출판된 문헌에 따라 추정됩니다.

C. 통계 계획 및 데이터 분석

통계적 분석 이 연구는 달리기 속도 범위에 걸쳐 다양한 성능 및 부상 위험 관련 결과 변수에 대한 의지 유형의 영향을 결정하기 위해 고안되었습니다. 세 가지 요소(그룹 x 사지 x 속도) 혼합 모델 ANOVA를 사용하여 다음 종속 변수의 통계적 변화를 식별합니다. 평균 지상반력; 적재율; 및 EMG 진폭. 그룹(Individual Lower Extremity Amputation Running-Specific Prosthesis(ILEARSP) vs Individual Lower Extremity Amputation Traditional Prosthesis(ILEATrad) vs. Control)은 피험자 간 독립 변수로 간주되며 사지(보철/온전한 또는 왼쪽/오른쪽)는 개체 내 독립 변수 및 속도(2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 5.0 및 6.0 m/s)를 개체 내 독립 변수로.

두 요인(그룹 x 속도) ANOVA를 사용하여 지면 반력 대칭, 관절 운동 대칭 및 요골반 운동학을 포함한 종속 변수의 통계적 변화를 식별합니다. 단방향 ANOVA는 50m 대시 시간과 속도에 대한 그룹 간의 통계적 차이를 결정합니다.

모든 통계 테스트의 유의성은 α=0.05로 설정됩니다.

샘플 크기 계산 이 연구는 우리의 가설을 평가할 수 있는 적절한 통계적 힘을 가질 것입니다. GRF 부하율, 평균 GRF 및 총 공동 작업에서 RSP, 온전한 사지 및 건장한 사지 사이의 유의미한 차이에 대한 효과 크기는 2.5, 3.0, 3.5m/s. 이러한 효과 크기의 범위는 0.4에서 0.9보다 큽니다. 0.7의 효과 크기는 또한 RSP와 전통적인 보철물로 달리는 피험자를 비교하는 한 연구의 산소량(VO2) 값에서 추정되었습니다. 보수적으로 조사자들은 G*Power(v. 3.1.9.2, 뒤셀도르프, 독일). 이것은 α = 0.05인 24의 총 표본 크기를 산출하여 팔다리, 의족 또는 ILEA 및 제어 대상 간의 운동 값의 차이를 감지하는 80%의 검정력을 얻었습니다. 연구자들은 제안된 연구에서 조사할 나머지 생체 역학 변수의 변화에 ​​대해 유사한 효과 크기를 예상합니다. 이 분석을 기반으로 12명의 ILEA 피험자와 12명의 대조군 피험자는 그룹과 의족 사이의 생체역학적 결과의 유의미한 차이를 감지할 수 있는 상당한 통계적 힘을 제공할 것입니다.