Un enfoque experimental para inducir tropiezos en amputados de extremidades inferiores

Resumen

Se desarrolló un enfoque experimental para inducir tropiezos en amputados de miembros inferiores. El objetivo era crear viajes inesperados e inducir respuestas significativas de tropiezo/recuperación. Los datos cinemáticos de un amputado transtibial confirmaron que este enfoque provoca eficazmente respuestas reactivas de recuperación de disparos.

Resumen

Restablecer el equilibrio después de un viaje es un desafío para las personas con amputaciones de extremidades inferiores y, a menudo, resulta en una caída. La eficacia de restablecer el equilibrio después de un viaje depende de factores como el nivel de amputación (transtibial o transfemoral) o la extremidad con la que se ha tropezado (prótesis, sana/derivada o arrastrada). Comprender las respuestas de recuperación puede ayudar a identificar estrategias para evitar que un tropiezo se convierta en una caída y qué funcionalidad de respuesta al tropiezo podría diseñarse en una prótesis. Este estudio presenta un enfoque experimental para inducir viajes inesperados en individuos con amputación. El disparo se activaba manualmente mediante la activación de un dispositivo electromagnético para levantar el alambre de polipropileno para obstruir (casi detener) la extremidad oscilante durante su fase de balanceo. Un arnés de seguridad unido a una barandilla del techo garantizaba que los participantes no golpearan el suelo si no lograban restablecer el equilibrio después del viaje (es decir, evitaba que se produjera una caída). Un amputado transtibial completó repetidas pruebas de marcha en las que se indujo un viaje alrededor de 1 de cada 15 veces para evitar que se anticipara. La cinemática 3D se determinó a través de dos teléfonos inteligentes (60 Hz) utilizando el software OpenCap, lo que pone de manifiesto que el enfoque experimental indujo respuestas significativas de tropiezo/recuperación dependiendo de la extremidad que se disparó (prótesis o sonido). La metodología presentada evita el uso de un obstáculo rígido, lo que puede reducir el riesgo de lesiones, y es económica y fácil de configurar. Es importante destacar que permite introducir un viaje inesperadamente durante la fase de mitad de swing de la marcha y, por lo tanto, proporciona un enfoque para identificar las respuestas de recuperación del viaje en el mundo real. Al disparar la extremidad sana, los participantes podían "desenredarse" del cable trampa (después del viaje) flexionando el tobillo plantar, pero tal acción no era posible cuando se tropezaba con la extremidad protésica.

Introducción

Se ha estimado que 57,7 millones de personas en todo el mundo viven con amputación de extremidades, de las cuales ~ 65% ocurren en las extremidades inferiores¹. La amputación de un miembro inferior puede derivar de varios factores (p. ej., eventos traumáticos agudos, progresión de la enfermedad, complicaciones de salud, cirugía que salva vidas y deformidad congénita). Se ha asociado con altas tasas de mortalidad y morbilidad en aquellos con malas condiciones de salud². Además, el restablecimiento de la movilidad después de la amputación es crucial para recuperar la vida independiente y la calidad de vida, y es uno de los desafíos más importantes para los usuarios de prótesis³.

Después de una amputación, las limitaciones de movilidad se acompañan de una reducción del rango de movimiento⁴, disminución de la fuerza⁵, disminución de la confianza en el equilibrio⁶ y puede conducir a una marcada degeneración articular en la extremidad no amputada⁷. Estos cambios se describen como factores relevantes de riesgo de caídas⁸. De hecho, los usuarios de prótesis de miembro inferior tienen el doble de probabilidades de caerse en comparación con la población general⁹. Entre el 40% y el 80% de las personas con amputaciones transtibiales y transfemorales se caen al menos una vez al año ^9,10. Las caídas ocurren con mayor frecuencia al caminar^11,12, y los amputados con una capacidad limitada para caminar (ajustado por exposición) tienen seis veces más probabilidades de caerse y ocho veces más probabilidades de sufrir una lesión¹¹. Además, un usuario de prótesis de miembro inferior que haya experimentado una caída en el último año tiene un 13% de probabilidades de volver a caerse. La probabilidad se eleva al 28% si han experimentado dos caídas en los últimos seis meses¹³. Por lo tanto, las caídas son un problema preocupante para las personas con amputaciones de extremidades inferiores.

Los tropiezos al caminar son un factor predominante de caídas en los usuarios de prótesis. Durante un viaje, se produce una interrupción brusca del balanceo de la extremidad (por ejemplo, causada por un obstáculo o un terreno irregular), lo que hace que el cuerpo gire rápidamente hacia adelante sobre la extremidad de apoyo y provoque un gran empuje hacia adelante^14,15. Para los usuarios de prótesis, mantener o recuperar el equilibrio después de un viaje puede ser mucho más difícil debido a la ausencia de articulaciones del tobillo o la rodilla, la musculatura asociada y la reducción de la retroalimentación sensorial. Una respuesta ineficaz a un tropiezo puede culminar en una caída, lo que puede^{tener consecuencias} físicas, psicológicas y sociales significativas.

Varios estudios se han centrado en describir las estrategias de recuperación de los tropiezos en adultos sanos y ancianos 17,18,19,20 mediante la inducción de un viaje en un escenario controlado en el laboratorio. Se han aplicado varios métodos para producir una perturbación y generar un viaje. Hay muchas maneras de imponer una perturbación del tropiezo, incluyendo la obstrucción del segmento de la extremidad inferior durante su fase de balanceo usando una cuerda atada al tobillo²¹ o el uso de obstáculos colocados inesperadamente frente a alguien que camina en una cinta de correr^20,22. Además, algunos estudios han aplicado cambios bruscos en la velocidad de la cinta de correr para alterar el equilibrio dinámico (es decir, inducir un tropiezo)²³. Por último, otros han utilizado objetos rígidos que se colocan manualmente 18,24,25 o ^{automáticamente 22,26} en el camino de la extremidad oscilante para causar un evento de tropiezo durante la caminata por encima del suelo.

A pesar de la aplicación exitosa de tales estrategias en adultos mayores, solo unos pocos estudios han inducido un viaje en amputados de miembros inferiores, y menos aún involucran a aquellos con amputación de nivel transfemoral 21,25,26. Por ejemplo, Crenshaw y sus colegas tropezaron con TFA mientras caminaban sobre el suelo usando un obstáculo rígido oculto activado manualmente para aparecer desde el suelo. Sin embargo, esta forma de introducir un obstáculo es técnicamente exigente y, por lo tanto, puede ser costosa de reproducir. Shirota y sus colegas indujeron un viaje en TFA mientras los participantes caminaban en una cinta de correr usando una cuerda atada al tobillo. A pesar de que se causó un tropiezo, el uso de una cuerda puede haber limitado el experimento, ya que probablemente impidió que los participantes caminaran^{de forma} natural. Más recientemente, Eveld y sus colegas hicieron tropezar el TFA colocando bloques de acero en una cinta transportadora de cinta rodante utilizando un algoritmo de focalización integrado para permitir que los objetos causaran la perturbación en diferentes etapas de la fase de oscilación (columpio temprano, medio, tardío)²⁶. Sin embargo, es posible que los protocolos basados en cintas de correr no reproduzcan completamente las condiciones durante la caminata sobre el suelo²⁷. El uso de un protocolo basado en cinta de correr tampoco es ideal cuando se investiga TTA o TFA que usan dispositivos de pie-tobillo o rodilla controlados por microprocesador porque los sensores automáticos utilizados en dichos dispositivos están configurados para caminar sobre una superficie sólida / estacionaria. Por lo tanto, al caminar sobre una superficie no estacionaria, estos sensores pueden activar los cilindros hidráulicos del dispositivo para "autoajustar" sus resistencias a un nivel incorrecto.

En estudios previos que indujeron un tropiezo durante la caminata por el suelo, la perturbación del tropiezo fue causada por el contacto de la extremidad delantera con un obstáculo sólido que apareció frente a ellos. Sin embargo, el uso de estos objetos rígidos puede causar lesiones en los pies debido a las fuerzas de impacto²⁵. Aquí describimos un enfoque experimental para hacer tropezar la extremidad oscilante que evita el problema de que el pie golpee algo sólido. El mecanismo de disparo está formado por un sistema electromagnético que controla la liberación de una placa móvil accionada por resorte. Cuando se desactiva el dispositivo electromagnético, la placa accionada por resorte colocada en un lado de la pasarela se tira hacia arriba, levantando un cable de polipropileno (4 mm de diámetro) colocado perpendicularmente a la dirección de la marcha. El cable se ancla al lado opuesto de la pasarela y se eleva a una altura de 0,1 m. Los cables ficticios (de 3 a 4, espaciados al menos 1 m de distancia) se colocan a lo largo de la pasarela para que los participantes no puedan adivinar qué cable causaría la perturbación. El experimentador desactiva manualmente el dispositivo electromagnético con la extremidad contralateral colocada en el suelo, ligeramente por delante del cable, justo después de la instancia de despegue de la extremidad oscilante. Por lo tanto, cuando se eleva el cable, el segmento de oscilación se atrapa constantemente durante la fase²⁸ de oscilación media. Se seleccionó la fase de balanceo medio porque la velocidad horizontal del pie oscilante en esta fase está cerca de su velocidad máxima (~ 3 veces la velocidad de avance de CoM) y está en su espacio libre mínimo sobre el suelo y, por lo tanto, es el período en que ocurren la mayoría de los viajes en condiciones del mundo real. La altura del alambre (es decir, 0,1 m) es suficiente para permitir que el pie se enganche de manera consistente (en el área aproximada de los cordones del zapato). El estudio tuvo como objetivo establecer si el protocolo propuesto podría crear una perturbación del viaje e inducir respuestas de recuperación significativas / en la vida real. En el presente protocolo solo se analizó un TTA, ya que las amputaciones de mayor nivel representan los casos más complejos y presentan mayores tasas de caídas.

Protocolo

El comité de ética de la Universidad aprobó los procedimientos y el participante firmó un consentimiento informado antes de participar.

1. Participante

NOTA: Un amputado transtibial (TTA) que asistía a un centro local de rehabilitación de amputados fue invitado y aceptó participar en el estudio. El participante era capaz de caminar de forma independiente. Los criterios de exclusión fueron las afecciones clínicas, además de la amputación, que pudieran afectar el equilibrio y la movilidad (p. ej., trastornos neurológicos, ortopédicos o reumáticos); dolor continuo, dolor fantasma o úlceras por presión en la prótesis, y dificultades para comprender órdenes simples (es decir, menos de 24 puntos en el Mini-Examen del Estado Mental²⁹). Además, el participante tenía más de seis años de experiencia con la prótesis actual.

1. Detalles protésicos
   1. Solicite los datos protésicos al TTA. Nótese la experiencia del TTA con la prótesis. Asegúrese de que el participante tenga una alta capacidad para caminar utilizando la prótesis.
      NOTA: El TTA utilizó una prótesis, un encaje de succión de silicona (revestimiento de silicona con cinco anillos de sellado) y un pie de fibra de carbono (Tabla de materiales). La experiencia con la prótesis actual fue de seis años. La amputación se debió a un traumatismo y el participante se clasificó como nivel K4 según la Clasificación Funcional³⁰ de Medicare. De acuerdo con la clasificación funcional estandarizada, el participante tenía una alta capacidad para caminar utilizando la prótesis y fue considerado un adulto activo joven³¹.

2. Procedimientos experimentales

1. Diseñar un sistema para inducir viajes.
   1. Construya un dispositivo hecho a medida en el que se libera electrónicamente un resorte para elevar un alambre de polipropileno (diámetro de 4 mm y masa insignificante) que atrapa la extremidad posterior (extremidad sana o protésica) durante la fase de balanceo medio.
   2. Conecte el sistema a una caja de madera que permite girar una palanca (aproximadamente 10 cm) hacia arriba alrededor de un eje fijo. Conecte el cable de polipropileno al extremo de la palanca (lejos del eje). Instale un resorte que tira de la palanca para elevar el cable de polipropileno a unos 10 cm del suelo.
      NOTA: El video 1 muestra el sistema de disparo y cómo se colocó el cable para causar el disparo (Figura complementaria 1 y Figura complementaria 2).
2. Sistema de arnés de seguridad
   NOTA: Inducir un viaje mientras un participante está caminando requiere que se adopten medidas de seguridad.
   1. Asegúrese de que el participante use un arnés de cuerpo completo sujeto a través de una cuerda de poliéster a un riel aéreo.
   2. Ajuste la longitud de la cuerda de seguridad de acuerdo con la estatura del participante.
      NOTA: La cuerda de seguridad (diámetro de 11 mm) está unida a un dispositivo de cuatro ruedas especialmente diseñado que se encuentra dentro del riel superior (aproximadamente 2 m por encima de la cabeza del participante). Ajustar la cuerda de seguridad a la estatura del participante evita que cualquier parte de su cuerpo (aparte de los pies) toque el suelo en caso de que no logre restablecer el equilibrio después de la perturbación del viaje. Además, la longitud de la barandilla aérea (8 m) es suficiente para garantizar que la marcha de los participantes no tenga obstáculos (véase la figura complementaria 3).
3. Procedimientos experimentales
   1. De acuerdo con la siguiente instrucción estandarizada, pida al participante que camine por el laboratorio a su velocidad habitual y mirando hacia adelante como lo haría normalmente el participante: "Debe caminar hasta el final de la pasarela usando su propio ritmo como si estuviera caminando en una calle familiar y plana y mirar hacia adelante como lo haría normalmente".
   2. Ajuste el punto de partida del participante para asegurarse de que la extremidad contralateral (no tropezada) esté colocada en el suelo ligeramente por delante del alambre de polipropileno, colocado aproximadamente a 4 m de la posición inicial. Por lo tanto, el participante podría dar 4-5 pasos a la velocidad habitual antes de aplicar la perturbación de viaje.
      1. Se requiere que el participante complete dos cuadras de caminata. Permita que el participante realice hasta 15 caminatas en cada bloque con la perturbación de tropiezo/tropiezo aplicada entre la^5ª y la^15ª repetición (determinada al azar).
      2. Después de la perturbación del viaje, no permita que el participante haga más repeticiones.
      3. Repita los mismos procedimientos en el segundo bloque, que se usa para tropezar con la extremidad opuesta a la que se tropezó en el primer bloque.
         NOTA: El orden en el que se obstruyen las extremidades se asigna aleatoriamente.
      4. Antes de comenzar las pruebas de marcha, informe al participante de que podría producirse alguna molestia, pero no proporcione ninguna información específica sobre la posibilidad de tropezar. En su lugar, informe al participante sobre la posibilidad de perder el equilibrio en algún momento.
      5. Indique al participante que se recupere lo mejor posible si se produce alguna alteración del equilibrio y, si es posible, que continúe caminando hasta el final de la pasarela.
   3. Active el sistema solo cuando el pie de la extremidad contralateral (no tropezada) esté correctamente colocado en el suelo (es decir, ligeramente por delante del cable). No active el sistema si el participante pisa antes, en la cuerda o si el pie está demasiado por delante de la cuerda. Estos procedimientos permiten que la perturbación del disparo se aplique de manera consistente durante la fase de mitad del balanceo, lo que reduce las posibilidades de juicios erróneos.
4. Evaluar si el sistema puede inducir respuestas de recuperación significativas.
   NOTA: El estudio tuvo como objetivo desarrollar un enfoque experimental para causar trastornos de tropiezos inesperados en amputados de extremidades inferiores. Aunque el enfoque provoca viajes inesperados, el uso de cables ficticios y el entorno del laboratorio no permiten suponer que todos los viajes serán totalmente inesperados. Se recopilaron y analizaron datos cinemáticos 3D de un TTA para establecer si el protocolo podía crear viajes inesperados y, por lo tanto, inducir respuestas significativas de disparo/recuperación.
   1. Adquisición de datos
      1. Coloque dos teléfonos inteligentes 5 m por delante de donde se produce el viaje se utilizan para registrar cada prueba a pie. Coloque los teléfonos inteligentes frente a la línea de progresión de la marcha en un ángulo de aproximadamente 30^o.
      2. Sincronice ambos smartphones, muestreando a 60 Hz, utilizando el software OneCap. El software OneCap sincroniza los teléfonos proporcionando un código que es leído por los teléfonos inteligentes. Luego, las imágenes se almacenan automáticamente en la computadora y se transfieren para ser procesadas de forma remota. El software indica la transferencia y la reconstrucción exitosa.
         NOTA: Este software reconoce y rastrea automáticamente los segmentos de las extremidades sin marcadores físicos y los algoritmos de detección de poses transforman las imágenes para estimar los centros articulares y proporcionar un análisis cinemático relativamente preciso. Después de ser procesados, los archivos pueden ser analizados utilizando el software OpenSim.
      3. A continuación, procese y transfiera las imágenes al software OpenSim (versión 4.4) para realizar todos los análisis cinemáticos.
         NOTA: Un sistema sin marcas es ventajoso, ya que las pruebas piloto demostraron que el cable trampa desplaza algunos marcadores físicos (especialmente los colocados en el pie). Un debate sobre los méritos relativos de la captura y el procesamiento de datos está más allá del alcance del presente protocolo. El lector debe remitirse al trabajo de Uhlrich y colaboradores³² para más información.
   2. Procesamiento y análisis de datos
      NOTA: OpenSim es un paquete de software disponible gratuitamente que permite construir, intercambiar y analizar modelos informáticos del sistema musculoesquelético y simulaciones dinámicas del movimiento. Se pueden obtener más detalles en el siguiente sitio: https://simtk.org/projects/opensim/.

Resultados

Se asumió que el sistema de arnés de seguridad no causaba interferencia al caminar y demostró ser eficaz para prevenir caídas cuando las estrategias de recuperación de viajes no tuvieron éxito. Además, no se informaron lesiones (p. ej., abrasiones en la piel, hematomas). El ruido generado por la liberación del resorte no se consideró un factor interviniente, ya que los participantes no evitaron que ocurriera el tropiezo. Además, el tiempo transcurrido entre el instante en que s...

Discusión

Aunque el presente protocolo aporta los resultados preliminares de un experimento diseñado para describir un protocolo de viaje aplicado a un amputado transtibial, este enfoque también puede aplicarse de forma segura a otros amputados, por ejemplo, los amputados transfemorales, que probablemente tengan mayores dificultades para recuperar el equilibrio después de un viaje. El abordaje permitió identificar las acciones más pronunciadas ejecutadas para recuperar el equilibrio en respue...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Electromagnetic plates	Intelbras	https://www.intelbras.com/en/set-of-supports-with-electro-magnetic-lock-fe-150-kt-741-prata	Two electromagnetic plates (a fixed and a movable)
Full body safety harness	Generic	N/A	Safety rope 11 mm attached on a rail running 2 m above the head of the participants
Impact Goggle	Generic	N/A	One goggles with lower and side end closures
Insulator tape	3M	https://www.3m.com/3M/en_US/p/c/tapes/electrical/ptfe/	Used to obstruct vision at the lower and side edges of goggles
Open Pose	OpenPose	https://github.com/CMU-Perceptual-Computing-Lab/openpose	Open Pose is a open Software to movement analysis https://github.com/CMU-Perceptual-Computing-Lab/openpose
Open Sim	OpenSim	https://simtk.org/projects/opensim/	OpenSim is a softwware to analyse several movement parameters https://simtk.org/projects/opensim/
Polypropilene Wire	Generic	N/A	4 mm diameter
Triger system	Generic	N/A	The trigger system was home-made device, formed by a spring that pulls a lever that raises the wire approximately 10cm above the ground level
Video camera	Apple	https://apple.com	The video cameras of two smartphones (apple model 8 and 11) were used.