Сравнение беговых и традиционных протезов во время бега: оценка производительности и риска

А. ПРЕДЫСТОРИЯ

Текущие знания и понимание людей с ампутациями нижних конечностей (ILEA) во время бега ограничены в отношении биомеханических характеристик и рисков травм. ILEA может работать как с беговыми протезами (RSP), так и с традиционными протезами; однако прямых сравнений субъектов, работающих с каждой из этих конструкций протезов, не существует. В опубликованной литературе, посвященной тому или иному дизайну, участники часто не бегают с одинаковой скоростью. Кроме того, когда скорость бега одинакова в разных исследованиях, одни и те же переменные редко исследуются. Это делает сравнение между RSP и традиционными протезами чрезвычайно сложным, и практически невозможно сделать выводы как о производительности, так и о риске травм. Кроме того, на сегодняшний день ни одно исследование бега ILEA не изучало мышечную активность, а также не было создано беговых симуляций скелетно-мышечных моделей. Эти серьезные пробелы в исследованиях существенно ограничивают понимание как производительности, так и риска травм при использовании ILEA с различными конструкциями протезов. Получение этих знаний позволит напрямую информировать клиницистов и администраторов в системах Министерства обороны и Управления по делам ветеранов о рецептах протезов для бега с разной скоростью, а также для сценариев возвращения в строй. Таким образом, предлагаемое исследование будет использовать методы захвата движения, мышечной активности и моделирования опорно-двигательного аппарата для прямого сравнения производительности и рисков травм при работе с ILEA как с RSP, так и с традиционными протезами в диапазоне скоростей. Исследователи также захватят здоровую контрольную группу для нормативных сравнений. Таким образом, этот проект напрямую связан с целями и потребностями ОПОРЫ на нескольких уровнях.

B. СТРАТЕГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ:

Субъекты Двенадцать субъектов с односторонней транстибиальной ампутацией будут набраны из числа военнослужащих, ветеранов и гражданского населения. Двенадцать здоровых испытуемых, соответствующих полу, возрасту, росту и весу, будут служить в качестве контрольной группы для получения нормативных данных для сравнения. Все субъекты должны дать свое информированное согласие до начала любой части исследования, и у них будет возможность прекратить исследование в любое время без штрафных санкций. Все субъекты должны заполнить анкету готовности к физической активности (PAR-Q) до начала эксперимента. Если субъекты не пройдут этот опросник (ответив «да» на любой из 7 вопросов), им не будет разрешено участвовать в исследовании, пока они не предоставят документацию от врача, разрешающую им участвовать.

Экспериментальные процедуры. Компьютерная программа рандомизации будет определять порядок условий протезирования стопы (RSP или традиционный) для субъектов ILEA. Все испытуемые (контрольная группа и ILEA) будут подвергаться 3D-анализу бега на беговой дорожке с инструментами. Система захвата движения будет собирать кинематические данные (т. положения конечностей; суставные углы, скорости, ускорения) с частотой 200 Гц от отражающих маркеров, размещенных на конкретных ориентирах тела. На ампутированной конечности группа голени будет размещена латерально на углублении, а маркер будет помещен на дистальном конце углубления, чтобы определить длинную ось остаточного сегмента голени. Для условий RSP на киле протеза будут размещены восемь дополнительных маркеров. Маркер в самой острой точке протеза определит «голеностопный» сустав протеза. Для традиционных условий протезирования маркеры будут размещаться аналогично интактной стопе.

Беговая дорожка с приборами будет собирать данные о силе реакции опоры (GRF) на частоте 1000 Гц с силовых платформ, встроенных в беговую дорожку. Данные кинематики и реакции опоры будут объединены, и для расчета совместных кинетических данных будут использоваться стандартные методы обратной динамики (т. силы, моменты, мощность и работа) с использованием программного обеспечения Visual3D (C-Motion, Germantown, MD).

Данные об активации мышц будут собираться с частотой дискретизации 2000 Гц с использованием поверхностной электромиографии (ЭМГ) шести двусторонних мышц бедра и туловища. Одноразовые предварительно гелевые электроды из хлорида серебра (Ag-AgCl) будут помещены на двустороннюю среднюю и большую ягодичные мышцы, прямую мышцу бедра, двуглавую мышцу бедра, поясничную мышцу, выпрямляющую позвоночник, внутреннюю косую и наружную косую мышцы. Максимальные произвольные изометрические сокращения (MVIC) будут получены в целях нормализации с использованием ручного сопротивления, применяемого в стандартных положениях.

Все субъекты (ILEA с использованием RSP, ILEA с использованием традиционных протезов и контрольная группа) будут бегать на беговой дорожке с шестью предписанными скоростями (2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 5,0, 6,0 м/с), представленными в случайном порядке. Субъекты ILEA будут проходить все скоростные условия, используя как RSP, так и традиционный протез стопы. Как упоминалось ранее, порядок протезов будет рандомизированным, но все условия скорости будут выполнены в одном протезе до перехода во второй режим протеза. Это сэкономит время и сохранит одинаковую посадку протеза в зависимости от скорости. Протокол исследования требует, чтобы каждый субъект работал с одними и теми же 6 определенными скоростями, указанными выше. Каждое условие скорости беговой дорожки будет занимать приблизительно 30 секунд или время, необходимое субъектам для стабилизации своей походки на скорости и наборе из 10 последовательных шагов, которые необходимо собрать. Между каждым скоростным режимом дается не менее 2 минут отдыха, и при необходимости субъекты могут отдыхать дольше.

После завершения испытаний на беговой дорожке испытуемые выполнят рывок 3x50 м на каждой ноге, чтобы определить максимальную скорость. Опять же, между каждым усилием дается не менее 2 минут отдыха, и испытуемые могут отдыхать больше, если это необходимо. Порядок использования протеза также будет случайным для этого теста, но все три тире будут выполнены последовательно для каждого состояния протеза.

Чтобы оценить производительность во время бега, основные оцениваемые показатели результата будут включать пиковую совместную мощность; концентрическая, эксцентрическая и тотальная работа суставов и конечностей; средние вертикальные и передние и задние (AP) GRF; вертикальные и переднезадние импульсы GRF; и время/скорость рывка на 50 м. Чтобы оценить риск травм во время бега, оцениваемые первичные исходы будут включать средние величины GRF и скорости нагрузки, асимметрию GRF и суставных моментов, нормализованные амплитуды ЭМГ, пояснично-тазовую кинематику, а также пиковые и средние контактные силы в суставах при остановке. Данные для этих показателей будут собираться для всех субъектов, а затем сравниваться между тремя группами (ILEA с RSP, ILEA с традиционным протезом и контрольной группой). Никакое вмешательство не будет предложено ни одному субъекту, и не будет проводиться последующее наблюдение для оценки биомедицинских результатов и / или результатов для здоровья.

Анализ сигналов электромиографии Необработанные данные ЭМГ будут подвергнуты принижению, полосовой (частота среза 10–400 Гц) и полосовой (частота среза 59–61 Гц) фильтрации для удаления артефактов движения и электрического шума 60 Гц с использованием двойного прохода (нулевой фазовой задержки). ) Фильтры Баттерворта. Затем данные ЭМГ будут подвергнуты полноволновому выпрямлению и фильтру нижних частот для создания линейных огибающих. Пиковые значения будут извлечены из испытаний MVIC, которые будут использоваться для нормализации беговых испытаний для выражения данных ЭМГ в виде % максимального произвольного сокращения (MVC). Среднеквадратичное значение (RMS) активности каждой мышцы будет рассчитываться во время фаз опоры и маха бега, чтобы исследовать различия в амплитуде. Методология взаимной корреляции будет использоваться для изучения относительного времени между мышцами туловища и бедра. Будут проведены сравнения для оценки симметрии амплитуды и времени активации мышц между интактной и протезированной сторонами конечности для каждого из условий скорости бега и протеза.

Скелетно-мышечная модель В OpenSim будут разработаны три скелетно-мышечные модели. Для первой модели исследователи будут использовать общую скелетно-мышечную модель, представляющую взрослого мужчину без ампутированных конечностей, которая ранее использовалась для оценки мышечной функции во время бега без ампутированных конечностей. Вторая и третья модели будут модифицированными версиями модели без ампутированных конечностей, которая представляет человека, использующего протез. Вторая модель будет включать в себя традиционный транстибиальный протез для накопления и возврата энергии, а третья модель будет включать в себя беговой специальный протез. Для обеих моделей исследователи удалят мышцы лодыжки из культи ноги, включая медиальную и латеральную икроножную, камбаловидную, заднюю большеберцовую, длинный сгибатель пальцев, переднюю большеберцовую мышцу и длинный разгибатель пальцев.

Запуск создания симуляции Модели будут масштабироваться для каждого отдельного субъекта с использованием ручных единых коэффициентов масштабирования, рассчитанных на основе обратной динамической модели на основе кинематических положений маркеров и разработанных в Visual3D (C-Motion, Inc., Джермантаун, Мэриленд). Затем решение обратной кинематики будет вычислено в Visual3D с использованием алгоритма взвешенной оптимизации методом наименьших квадратов. После того, как решение обратной кинематики будет вычислено, исследователи будут выполнять алгоритм остаточной редукции. Как только в модель и в кинематические траектории обобщенных координат будут внесены незначительные изменения, исследователи реализуют алгоритм компьютерного управления мышцами. Как только решение для отдельных мышечных возбуждений будет найдено с использованием алгоритма Computed Muscle Control, исследователи будут сравнивать его с экспериментально собранными данными электромиографии. Исследователи создадут симуляции бега на всех скоростях бега для всех участников. Результаты этих симуляций будут сравниваться между группами и скоростями, аналогично экспериментальным показателям, которые будут проанализированы в этом исследовании.

Анализ контактной силы сустава После того, как моделирование бега будет разработано, трехмерная контактная нагрузка на бедро будет определяться по межсегментарной силе сустава и сжимающим силам от мышц, пересекающих сустав, аналогично предыдущему анализу при ходьбе человека с ампутированной конечностью. Кроме того, мышечные силы, определенные при моделировании движения, будут использоваться для интерпретации чистых контактных нагрузок.

Свойства материалов и антропометрия. Инерционные свойства компонентов протеза и интактных сегментов тела будут оцениваться для использования с подходом обратной динамики. Массы субъектов будут измеряться с помощью силовой платформы. Будут измеряться рост и масса тела каждого субъекта, а антропометрические измерения с позиций маркеров будут использоваться для оценки массы, центра масс и моментов инерции неповрежденных сегментов конечностей. Поскольку у субъектов ILEA отсутствует одна ступня и часть голени, скорректированная масса тела (ABM) будет использоваться в качестве входных данных для уравнений антропометрической регрессии, которые учитывают недостающие сегменты тела.

Для субъектов с ампутацией остаточная длина конечности и окружность в коленном суставе и дистальном конце конечности будут измеряться с помощью измерительной ленты. Тогда остаточные инерционные свойства конечности будут оцениваться как усеченный прямой круговой конус. Остаточная масса конечности будет оцениваться по расчетному геометрическому объему при однородной плотности ткани 1,10 г/см3. Для условий RSP инерционные свойства RSP будут оцениваться по данным, опубликованным PI. Подсегменты внутри килей RSP будут определяться с помощью размещения отражающих маркеров, а инерционные свойства каждого подсегмента будут оцениваться, предполагая, что каждый сегмент представляет собой жесткий трапециевидный прямоугольный параллелепипед. Для традиционных условий протезирования инерционные свойства протеза будут оцениваться в соответствии с опубликованными литературными данными.

C. СТАТИСТИЧЕСКИЙ ПЛАН и АНАЛИЗ ДАННЫХ

Статистический анализ Это исследование предназначено для определения влияния типа протеза на различные результаты, связанные с производительностью и риском травм, в диапазоне скоростей бега. Смешанная модель ANOVA с тремя факторами (группа x конечность x скорость) будет использоваться для определения статистических изменений следующих зависимых переменных: пиковая мощность тазобедренного, коленного и голеностопного суставов и механическая работа; средние силы реакции грунта; скорость загрузки; и амплитуды ЭМГ. Группа (Индивидуальный протез для ампутации нижней конечности (ILEARSP) по сравнению с Индивидуальным традиционным протезом для ампутации нижней конечности (ILEATrad) по сравнению с контролем) будет рассматриваться как независимая переменная между субъектами, конечность (протез/интактная или левая/правая) как внутрисубъектная независимая переменная и скорость (2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 5,0 и 6,0 м/с) в качестве внутрисубъектной независимой переменной.

Двухфакторный дисперсионный анализ (группа x скорость) будет использоваться для выявления статистических изменений зависимых переменных, включая симметрию силы реакции опоры, кинетическую симметрию суставов и кинематику пояснично-тазового аппарата. Односторонний дисперсионный анализ определит статистические различия между группами по времени и скорости бега на 50 м.

Значимость для всех статистических тестов будет установлена ​​на уровне α=0,05.

Расчеты размера выборки Это исследование будет иметь достаточную статистическую мощность для оценки наших гипотез. Величины эффекта для значительных различий между RSP, интактными и здоровыми конечностями в показателях нагрузки GRF, среднем GRF и общей совместной работе оценивались на основе предварительных данных, собранных PI от 8 субъектов ILEA и контрольной группы, работающих на 2,5, 3,0 и 3,5 м/с. Эти размеры эффекта варьировались от 0,4 до более 0,9. Величина эффекта 0,7 была также оценена по значениям объема кислорода (VO2) в одном исследовании, в котором сравнивали испытуемых, бегающих с RSP и традиционными протезами. Чтобы быть консервативными, исследователи использовали наименьшую из этих величин эффекта (0,4) для выполнения анализа мощности для ANOVA с повторными измерениями с использованием G*Power (v. 3.1.9.2, Дюссельдорф, Германия). Это дало общий размер выборки 24 с α = 0,05, что дало 80% мощности для обнаружения различий между конечностями, протезами стоп или ILEA и контрольными субъектами в кинетических значениях во время бега. Исследователи ожидают аналогичные размеры эффекта для изменений остальных биомеханических переменных, которые исследователи будут изучать в предлагаемом исследовании. Основываясь на этом анализе, 12 субъектов ILEA и 12 контрольных субъектов обеспечат значительную статистическую мощность для выявления значительных различий в биомеханических результатах между группами и протезами стоп.