Comparando próteses específicas para corrida e tradicionais durante a corrida: avaliando desempenho e risco

A. ANTECEDENTES

O conhecimento atual e a compreensão de indivíduos com amputações de membros inferiores (ILEA) ao correr são limitados em relação ao desempenho biomecânico e aos riscos de lesões. O ILEA pode funcionar com próteses específicas para corrida (RSPs) e próteses tradicionais; no entanto, não existem comparações diretas de indivíduos correndo com cada um desses projetos protéticos. A literatura relatada examinando um design ou outro geralmente não tem participantes correndo nas mesmas velocidades. Além disso, quando as velocidades de corrida são semelhantes entre os estudos, as mesmas variáveis ​​raramente são investigadas. Isso torna as comparações entre RSPs e próteses tradicionais extremamente difíceis, e tirar conclusões sobre o desempenho e o risco de lesão é praticamente impossível. Além disso, nenhum estudo de corrida da ILEA até o momento investigou atividades musculares, nem foram geradas simulações de corrida de modelos musculoesqueléticos. Essas grandes lacunas na pesquisa limitam substancialmente a compreensão do desempenho e do risco de lesões da corrida ILEA com diferentes designs de próteses. A obtenção desse conhecimento informará diretamente os médicos e administradores do Departamento de Defesa e dos sistemas de Administração de Veteranos sobre a prescrição de próteses para execução em várias velocidades, bem como para cenários de retorno ao serviço. Portanto, o estudo proposto utilizará técnicas de captura de movimento, atividade muscular e modelagem musculoesquelética para comparar diretamente o desempenho e os riscos de lesões da corrida ILEA com RSPs e próteses tradicionais em uma variedade de velocidades. Os investigadores também capturarão um grupo de controle saudável para comparações normativas. Ao fazê-lo, este projeto atende diretamente aos objetivos e necessidades do OPORA em vários níveis.

B. ESTRATÉGIA DE PESQUISA:

Indivíduos Doze indivíduos com amputações transtibiais unilaterais serão recrutados entre militares, veteranos e populações civis. Doze indivíduos saudáveis ​​com sexo, idade, altura e peso compatíveis servirão como um grupo de controle para fornecer dados normativos para comparação. Todos os indivíduos devem fornecer seu consentimento informado antes de iniciar qualquer parte do estudo e terão a opção de interromper o estudo a qualquer momento sem penalidade. Todos os indivíduos devem preencher o Questionário de Prontidão para Atividade Física (PAR-Q) antes de iniciar o experimento. Se os indivíduos falharem neste questionário (respondendo "sim" a qualquer uma das 7 perguntas), eles não serão autorizados a participar do estudo até que forneçam a documentação de um médico que os libere para participar.

Procedimentos experimentais Um programa de computador de randomização determinará a ordem das condições do pé protético (RSP ou tradicional) para os indivíduos ILEA. Todos os indivíduos (Controles e ILEA) serão submetidos à análise de corrida 3D em uma esteira instrumentada. Um sistema de captura de movimento coletará dados cinemáticos (ou seja, posições dos membros; ângulos articulares, velocidades, acelerações) a 200 Hz de marcadores reflexivos colocados em marcos corporais específicos. No membro amputado, o conjunto da haste será colocado lateralmente no encaixe e um marcador será colocado na ponta distal do encaixe para definir o longo eixo do segmento residual da haste. Para as condições RSP, oito marcadores adicionais serão colocados na quilha da prótese. O marcador no ponto mais agudo da prótese definirá a articulação do "tornozelo" do membro protético. Para as condições tradicionais de prótese, os marcadores serão colocados de forma semelhante ao pé intacto.

Uma esteira instrumentada coletará dados de força de reação do solo (GRF) a 1000 Hz de plataformas de força embutidas na esteira. Dados cinemáticos e de força de reação do solo serão combinados e técnicas padrão de dinâmica inversa serão usadas para calcular os dados cinéticos das articulações (ou seja, forças, momentos, potências e trabalho) usando o software Visual3D (C-Motion, Germantown, MD).

Os dados de ativação muscular serão coletados em uma frequência de amostragem de 2000 Hz usando eletromiografia de superfície (EMG) de seis músculos bilaterais do quadril e do tronco. Eletrodos de prata-cloreto de prata pré-gelificados descartáveis ​​(Ag-AgCl) serão colocados sobre os músculos glúteo médio bilateral, glúteo máximo, reto femoral, bíceps femoral, eretores da espinha lombar, oblíquo interno e oblíquo externo. As contrações isométricas voluntárias máximas (CIVM) serão obtidas para fins de normalização utilizando resistência manual aplicada em posições padronizadas.

Todos os indivíduos (ILEA usando RSPs, ILEA usando prótese tradicional e controles) correrão em seis velocidades prescritas (2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 5,0, 6,0 m/s) em uma esteira, apresentadas em ordem aleatória. Os participantes da ILEA completarão todas as condições de velocidade usando o RSP e o pé protético tradicional. Conforme mencionado anteriormente, a ordem da prótese será aleatória, mas todas as condições de velocidade serão concluídas em uma prótese antes de mudar para a segunda condição de prótese. Isso economizará tempo e manterá um ajuste protético semelhante entre as condições de velocidade. O protocolo de estudo exige que cada sujeito corra nas mesmas 6 velocidades específicas identificadas acima. Cada condição de velocidade da esteira levará aproximadamente 30 segundos, ou o tempo necessário para os indivíduos estabilizarem sua marcha na velocidade e uma coleção de 10 passadas consecutivas a serem coletadas. Pelo menos 2 minutos de descanso serão fornecidos entre cada condição de velocidade, e os participantes podem descansar mais, se necessário.

Depois de completar os testes na esteira, os participantes completarão 3x50m em cada condição de pé para determinar a velocidade máxima. Novamente, pelo menos 2 minutos de descanso serão fornecidos entre cada esforço, e os sujeitos podem descansar mais, se necessário. A ordem de uso da prótese também será randomizada para este teste, mas todos os três traços serão preenchidos consecutivamente para cada condição da prótese.

Para avaliar o desempenho durante a corrida, as medidas de resultados primários que estão sendo avaliadas incluirão o pico de potência das articulações; trabalho concêntrico, excêntrico e total de articulações e membros; médio vertical e GRFs Anterior e Posterior (AP); impulsos verticais e AP GRF; e 50m de tempo/velocidade de corrida. Para avaliar o risco de lesões durante a corrida, as medidas de resultados primários que estão sendo avaliadas incluirão magnitudes médias de GRF e taxas de carga, assimetria em GRFs e momentos articulares, amplitudes EMG normalizadas, cinemática lombopélvica e pico e forças médias de contato articular ao longo da postura. Os dados para essas medidas serão coletados para todos os indivíduos e depois comparados entre os três grupos (ILEA com RSPs, ILEA com prótese tradicional e controles). Nenhuma intervenção será oferecida a nenhum sujeito e nenhum acompanhamento para avaliar resultados biomédicos e/ou de saúde será realizado.

Análise de sinal de eletromiografia Os dados EMG brutos serão filtrados, passa-banda (frequência de corte 10-400 Hz) e parada de banda (frequência de corte 59-61 Hz) para remover artefatos de movimento e ruído elétrico de 60 Hz usando passagem dupla (atraso de fase zero ) Filtros Butterworth. Os dados EMG serão então retificados por onda completa e filtrados por passagem baixa para criar envelopes lineares. Os valores de pico serão extraídos dos testes de MVIC para serem usados ​​para normalização dos testes de corrida para expressar os dados de EMG como % de Contração Voluntária Máxima (MVC). A raiz quadrada média (RMS) da atividade de cada músculo será calculada durante as fases de apoio e balanço da corrida para investigar as diferenças de amplitude. A metodologia de correlação cruzada será utilizada para investigar o tempo relativo entre a musculatura do tronco e do quadril. Comparações serão feitas para avaliar a simetria da amplitude de ativação muscular e o tempo entre os lados do membro intacto e protético para cada uma das condições de velocidade de corrida e prótese.

Modelo Musculoesquelético Três modelos musculoesqueléticos serão desenvolvidos em OpenSim. Para o primeiro modelo, os investigadores usarão um modelo musculoesquelético genérico representando um homem adulto não amputado, que já foi usado para avaliar a função muscular durante a corrida de não amputados. O segundo e terceiro modelos serão versões modificadas do modelo não amputado que representa uma pessoa usando uma prótese. O segundo modelo incluirá uma prótese transtibial tradicional de armazenamento e retorno de energia, e o terceiro modelo incluirá uma prótese específica para corrida. Para ambos os modelos, os investigadores removerão os músculos do tornozelo da perna residual, incluindo o gastrocnêmio medial e lateral, sóleo, tibial posterior, flexor longo dos dedos, tibial anterior e extensor longo dos dedos.

Geração de simulação de corrida Os modelos serão dimensionados para cada sujeito individual usando fatores de escala uniformes manuais, calculados a partir de um modelo de dinâmica inversa baseado em posições de marcadores cinemáticos e desenvolvido em Visual3D (C-Motion, Inc., Germantown, MD). Em seguida, uma solução de cinemática inversa será calculada em Visual3D usando um algoritmo de otimização de mínimos quadrados ponderados. Após o cálculo da solução da cinemática inversa, os investigadores realizarão um Algoritmo de Redução de Resíduos. Uma vez que pequenas alterações tenham sido feitas no modelo e nas trajetórias cinemáticas das coordenadas generalizadas, os investigadores implementarão um algoritmo de Controle Muscular Computado. Uma vez encontrada uma solução para as excitações musculares individuais usando o algoritmo de Controle Muscular Computado, os investigadores irão compará-la com os dados eletromiográficos coletados experimentalmente. Os investigadores irão gerar simulações de corrida em todas as velocidades de corrida para todos os participantes. Os resultados dessas simulações serão comparados entre grupos e entre velocidades, à semelhança das medidas experimentais que serão analisadas neste estudo.

Análise da força de contato articular Uma vez desenvolvidas as simulações de corrida, a carga de contato tridimensional no quadril será determinada a partir da força intersegmentar articular e das forças compressivas dos músculos que cruzam a articulação, semelhante às análises anteriores durante a caminhada de amputados. Além disso, as forças musculares determinadas a partir da simulação do movimento serão usadas para ajudar a interpretar as cargas de contato líquidas.

Propriedades do Material e Antropometria As propriedades inerciais dos componentes protéticos e segmentos corporais intactos serão estimadas para uso com a abordagem de dinâmica inversa. As massas dos sujeitos serão medidas usando uma plataforma de força. Altura e peso corporal de cada sujeito serão medidos, e medidas antropométricas das posições dos marcadores serão usadas para estimar a massa, centro de massa e momentos de inércia dos segmentos intactos dos membros. Como os indivíduos da ILEA estão sem um pé e parte de sua perna, uma massa corporal ajustada (ABM) será usada como entrada para equações de regressão antropométrica que representam os segmentos corporais ausentes.

Para indivíduos com amputação, o comprimento do membro residual e as circunferências na articulação do joelho e na extremidade distal do membro serão medidos usando uma fita métrica. As propriedades inerciais do membro residual serão então estimadas como um tronco de um cone circular reto. A massa residual do membro será estimada a partir do volume geométrico calculado assumindo uma densidade de tecido uniforme de 1,10 g/cm3. Para as condições RSP, as propriedades inerciais do RSP serão estimadas a partir dos dados publicados pelo PI. Subsegmentos dentro das quilhas RSP serão definidos por meio de colocações de marcadores reflexivos e as propriedades inerciais de cada subsegmento serão estimadas assumindo cada segmento como um cubóide trapezoidal rígido. Para as condições tradicionais da prótese, as propriedades inerciais da prótese serão estimadas de acordo com a literatura publicada.

C. PLANO ESTATÍSTICO e ANÁLISE DE DADOS

Análise estatística Esta pesquisa é projetada para determinar os efeitos do tipo de prótese em uma variedade de variáveis ​​de resultado relacionadas ao desempenho e ao risco de lesão em uma variedade de velocidades de corrida. Um modelo misto ANOVA de três fatores (Grupo x Membro x Velocidade) será usado para identificar as mudanças estatísticas das seguintes variáveis ​​dependentes: potência máxima do quadril, joelho e tornozelo e trabalho mecânico; forças médias de reação do solo; taxas de carregamento; e amplitudes EMG. Grupo (Prótese Individual de Amputação de Extremidade Inferior Específica para Corrida (ILEARSP) vs. Prótese Individual de Amputação de Extremidade Inferior Tradicional (ILEATrad) vs. Controle) será considerado como uma variável independente entre os indivíduos, Membro (protético/intacto ou esquerdo/direito) como um variável independente dentro dos assuntos e Velocidade (2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 5,0 e 6,0 m/s) como uma variável independente dentro dos assuntos.

Uma ANOVA de dois fatores (Grupo x Velocidade) será usada para identificar alterações estatísticas de variáveis ​​dependentes, incluindo simetria da força de reação do solo, simetria cinética articular e cinemática lombopélvica. Uma ANOVA unidirecional determinará as diferenças estatísticas entre os grupos para o tempo e a velocidade dos 50m rasos.

A significância para todos os testes estatísticos será fixada em α=0,05.

Cálculos do tamanho da amostra Este estudo terá poder estatístico adequado para avaliar nossas hipóteses. Os tamanhos de efeito para diferenças significativas entre RSP, membros intactos e saudáveis ​​nas taxas de carga GRF, GRF médio e trabalho conjunto total foram estimados com base em dados anteriores coletados pelo PI de 8 indivíduos ILEA e controle correndo em 2,5, 3,0 e 3,5 m/s. Esses tamanhos de efeito variaram entre 0,4 e mais de 0,9. Um tamanho de efeito de 0,7 também foi estimado a partir dos valores de volume de oxigênio (VO2) de um estudo comparando indivíduos correndo com RSPs e próteses tradicionais. Para ser conservador, os investigadores utilizaram o menor desses tamanhos de efeito (0,4) para realizar uma análise de poder para ANOVA com medidas repetidas usando G*Power (v. 3.1.9.2, Dusseldorf, Alemanha). Isso rendeu um tamanho de amostra total de 24 com α = 0,05, resultando em 80% de poder para detectar diferenças entre membros, pés protéticos ou sujeitos ILEA e Controle em valores cinéticos durante a corrida. Os investigadores antecipam tamanhos de efeito semelhantes para mudanças nas variáveis ​​biomecânicas restantes que os investigadores examinarão no estudo proposto. Com base nessa análise, 12 indivíduos da ILEA e 12 indivíduos de controle fornecerão poder estatístico substancial para detectar diferenças significativas nos resultados biomecânicos entre grupos e pés protéticos.