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Resumo

Uma abordagem experimental foi desenvolvida para induzir tropeços em amputados de membros inferiores. O objetivo era criar viagens inesperadas e induzir respostas significativas de tropeço / recuperação. Os dados cinemáticos de um amputado transtibial confirmaram que tal abordagem efetivamente provoca respostas reativas de recuperação de viagem.

Resumo

Restabelecer o equilíbrio após uma viagem é um desafio para amputados de membros inferiores e muitas vezes resulta em queda. A eficácia de restabelecer o equilíbrio após uma viagem depende de fatores como o nível de amputação (transtibial ou transfemoral) ou qual membro é tropeçado (prótese ou som/derivação ou arrasto). Compreender as respostas de recuperação pode ajudar a identificar estratégias para evitar que uma viagem se torne uma queda e qual funcionalidade de resposta de viagem pode ser projetada em uma prótese. Este estudo apresenta uma abordagem experimental para induzir viagens inesperadas em indivíduos com amputação. O disparo foi acionado manualmente pela ativação de um dispositivo eletromagnético para levantar o fio de polipropileno para obstruir (quase parar) o membro oscilante durante sua fase intermediária. Um cinto de segurança preso a um corrimão do teto garantiu que os participantes não atingissem o solo se não conseguissem restabelecer o equilíbrio após a viagem (ou seja, evitava a ocorrência de uma queda). Um amputado transtibial completou repetidos testes de caminhada nos quais uma viagem foi induzida cerca de 1 em cada 15 vezes para evitar que fosse antecipada. A cinemática 3D foi determinada por meio de dois smartphones (60Hz) usando o software OpenCap, destacando que a abordagem experimental induziu respostas significativas de tropeço/recuperação dependendo de qual membro foi tropeçado (prótese ou som). A metodologia apresentada evita o uso de um obstáculo rígido, reduzindo potencialmente o risco de lesões, e é barata e fácil de configurar. É importante ressaltar que ele permite que uma viagem seja introduzida inesperadamente durante a fase de balanço médio da marcha e, portanto, fornece uma abordagem para identificar respostas de recuperação de viagem no mundo real. Ao tropeçar no membro sadio, os participantes podiam "desembaraçar" do fio de disparo (pós-viagem) flexionando o tornozelo plantarmente, mas tal ação não era possível ao tropeçar no membro protético.

Introdução

Estima-se que 57,7 milhões de pessoas em todo o mundo vivam com amputação de membros, das quais ~ 65% ocorrem nos membros inferiores1. A amputação de membros inferiores pode derivar de vários fatores (por exemplo, eventos traumáticos agudos, progressão da doença, complicações de saúde, cirurgia que salva vidas e deformidade congênita). Tem sido associada a altas taxas de mortalidade e morbidade para pessoas com más condições de saúde2. Além disso, o restabelecimento da mobilidade após a amputação é crucial para recuperar a vida independente e a qualidade de vida e é um dos desafios mais significativos para os usuários de próteses3.

Após uma amputação, as limitações de mobilidade são acompanhadas por uma redução da amplitude de movimento4, diminuição da força5, diminuição da confiança no equilíbrio6 e podem levar a uma degeneração articular acentuada no membro não amputado7. Essas alterações são descritas como fatores de risco relevantes para quedas8. De fato, os usuários de próteses de membros inferiores têm duas vezes mais chances de cair em comparação com a população em geral9. Cerca de 40% e 80% das pessoas com amputações transtibiais e transfemorais caem pelo menos uma vez por ano 9,10. As quedas ocorrem com mais frequência durante a marcha11,12, e amputados com capacidade limitada de caminhada (ajustada para exposição) têm seis vezes mais chances de cair e oito vezes mais chances de sofrer uma lesão11. Além disso, um usuário de prótese de membro inferior que sofreu uma queda no último ano tem 13% de probabilidade de cair novamente. A probabilidade sobe para 28% se sofreram duas quedas nos últimos seis meses13. Assim, a queda é um problema preocupante para amputados de membros inferiores.

Tropeçar durante a caminhada é um fator predominante para quedas em usuários de próteses. Durante uma viagem, há uma interrupção repentina do membro oscilante (por exemplo, causada por um obstáculo ou terreno irregular), fazendo com que o corpo gire rapidamente para frente no membro de apoio e causando um grande impulso para frente14,15. Manter/recuperar o equilíbrio após tropeçar para usuários de próteses pode ser muito mais difícil devido à ausência de articulações do tornozelo ou joelho, musculatura associada e feedback sensorial reduzido. Uma resposta ineficaz a um tropeço pode culminar em sua transformação, o que pode ter consequências físicas, psicológicas e sociais significativas16.

Vários estudos têm se concentrado em descrever estratégias de recuperação de tropeços para adultos saudáveis e idosos 17,18,19,20 induzindo uma viagem em um cenário controlado em laboratório. Vários métodos têm sido aplicados para produzir uma perturbação para gerar uma viagem. Há muitas maneiras de impor um distúrbio de viagem, incluindo obstruir o segmento do membro inferior durante sua fase de balanço usando uma corda presa ao tornozelo21 ou usando obstáculos colocados inesperadamente na frente de alguém andando em uma esteira20,22. Além disso, alguns estudos têm aplicado mudanças bruscas na velocidade da esteira para perturbar o equilíbrio dinâmico (ou seja, induzir um tropeço)23. Finalmente, outros usaram objetos rígidos que são posicionados manualmente 18,24,25 ou automaticamente22,26 no caminho do membro oscilante para causar um evento de tropeço durante a caminhada no solo.

Apesar de aplicar com sucesso essas estratégias em idosos, poucos estudos induziram uma viagem em amputados de membros inferiores, com menos ainda envolvendo aqueles com amputação transfemoral 21,25,26. Por exemplo, Crenshaw e seus colegas tropeçaram no TFA enquanto caminhavam sobre o solo usando um obstáculo rígido oculto ativado manualmente para aparecer do chão. No entanto, essa forma de introduzir um obstáculo é tecnicamente exigente e, portanto, pode ser cara de reproduzir. Shirota e colegas induziram uma viagem em TFA enquanto os participantes caminhavam em uma esteira usando uma corda presa ao tornozelo. Mesmo que uma viagem tenha sido causada, o uso de uma corda pode ter limitado o experimento, pois provavelmente impediu os participantes de andar naturalmente21. Mais recentemente, Eveld e colegas tropeçaram no TFA colocando blocos de aço em uma esteira rolante usando um algoritmo de direcionamento integrado para permitir que os objetos causassem a perturbação em diferentes estágios da fase de balanço (início No entanto, os protocolos baseados em esteira podem não reproduzir totalmente as condições durante a caminhada sobre o solo27. O uso de um protocolo baseado em esteira também não é ideal ao investigar TTA ou TFA que usam dispositivos de pé-tornozelo ou joelho controlados por microprocessador, porque os sensores automáticos usados em tais dispositivos são configurados para caminhar em uma superfície sólida / estacionária. Portanto, ao caminhar em uma superfície não estacionária, esses sensores podem acionar os cilindros hidráulicos do dispositivo para 'autoajustar' suas resistências a um nível incorreto.

Em estudos anteriores que induziram uma viagem durante a caminhada no solo, a perturbação da viagem foi causada pelo contato do membro principal com um obstáculo sólido que apareceu na frente deles. No entanto, o uso de objetos tão rígidos pode causar lesões nos pés devido às forças de impacto25. Aqui descrevemos uma abordagem experimental para tropeçar no membro oscilante que evita o problema de o pé bater em algo sólido. O mecanismo de disparo é formado por um sistema eletromagnético que controla a liberação de uma placa móvel operada por mola. Quando o dispositivo eletromagnético é desativado, a placa acionada por mola posicionada em um lado da passarela é puxada para cima, levantando um fio de polipropileno (4 mm de diâmetro) posicionado perpendicularmente à direção de marcha. O fio é ancorado no lado oposto da passarela e é elevado a uma altura de 0,1 m. Fios fictícios (3 a 4, espaçados pelo menos 1 m) são posicionados ao longo da passarela para que os participantes não possam adivinhar qual fio causaria a perturbação. O experimentador desativa manualmente o dispositivo eletromagnético com o membro contralateral posicionado no solo, ligeiramente à frente do fio, logo após a ocorrência do dedo do pé do membro oscilante. Portanto, quando o fio é levantado, o segmento oscilante é consistentemente capturado durante a fase de balanço médio28. A fase de balanço médio foi selecionada porque a velocidade horizontal do pé oscilante nesta fase está próxima de sua velocidade máxima (~ 3 vezes a velocidade de avanço do CoM) e está em sua folga mínima acima do solo e, portanto, é o período em que a maioria das viagens ocorre em condições do mundo real. A altura do fio (ou seja, 0,1 m) é suficiente para permitir que o pé seja consistentemente preso (aproximadamente na área dos cadarços). O estudo teve como objetivo estabelecer se o protocolo proposto poderia criar um distúrbio de viagem e induzir respostas de recuperação significativas / na vida real. Apenas um TTA foi analisado no presente protocolo, pois as amputações de maior nível representam os casos mais complexos e apresentam maiores taxas de queda.

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Protocolo

O comitê de ética da Universidade aprovou os procedimentos e o participante assinou um termo de consentimento livre e esclarecido antes de participar.

1. Participante

NOTA: Um amputado transtibial (TTA) atendido em um centro local de reabilitação de amputados foi convidado e concordou em participar do estudo. O participante foi capaz de andar de forma independente. Os critérios de exclusão foram outras condições clínicas além da amputação que pudessem afetar o equilíbrio e a mobilidade (por exemplo, distúrbios neurológicos, ortopédicos ou reumáticos); dor contínua, dor fantasma ou úlceras de pressão no membro protético e dificuldades para entender comandos simples (ou seja, menos de 24 pontos no Mini-Exame do Estado Mental29). Além disso, o participante tinha mais de seis anos de experiência com a prótese atual.

  1. Detalhes protéticos
    1. Solicite os detalhes protéticos do TTA. Observe a experiência da TTA com a prótese. Certifique-se de que o participante tenha uma alta capacidade de andar usando a prótese.
      NOTA: O TTA utilizou uma prótese, um soquete de sucção de silicone (forro de silicone com cinco anéis de vedação) e um pé de fibra de carbono (Tabela de Materiais). A experiência com a prótese atual foi de seis anos. A amputação foi decorrente de trauma, e o participante foi classificado no nível K4 de acordo com a Classificação Funcional do Medicare30. De acordo com a classificação funcional padronizada, o participante apresentava alta capacidade de deambulação com a prótese e foi considerado um adulto jovem ativo31.

2. Procedimentos experimentais

  1. Projete um sistema para induzir viagens.
    1. Construa um dispositivo feito sob medida no qual uma mola é liberada eletronicamente para levantar um fio de polipropileno (diâmetro de 4 mm e massa insignificante) que prende o membro posterior (membro sadio ou protético) durante a fase de balanço médio.
    2. Conecte o sistema a uma caixa de madeira que permite que uma alavanca (aproximadamente 10 cm) seja girada para cima em torno de um eixo fixo. Conecte o fio de polipropileno à extremidade da alavanca (longe do eixo). Instale uma mola que puxe a alavanca para levantar o fio de polipropileno a cerca de 10 cm do solo.
      NOTA: O vídeo 1 mostra o sistema de disparo e como o fio foi posicionado para causar o disparo (Figura Suplementar 1 e Figura Suplementar 2).
  2. Sistema de arnês de segurança
    NOTA: Induzir uma viagem enquanto um participante está caminhando requer medidas de segurança a serem adotadas.
    1. Certifique-se de que o participante use um arnês de corpo inteiro preso por meio de uma corda de poliéster a um trilho suspenso.
    2. Ajuste o comprimento da corda de segurança de acordo com a estatura do participante.
      NOTA: A corda de segurança (diâmetro de 11 mm) é presa a um dispositivo de quatro rodas especialmente projetado que fica dentro do trilho suspenso (cerca de 2 m acima da cabeça do participante). Ajustar a corda de segurança à estatura do participante evita que qualquer parte do corpo (além dos pés) toque o chão, caso não consiga restaurar o equilíbrio após a perturbação da viagem. Além disso, o comprimento do trilho suspenso (8 m) é suficiente para garantir que a caminhada dos participantes seja livre (ver Figura 3 suplementar).
  3. Procedimentos experimentais
    1. De acordo com as seguintes instruções padronizadas, peça ao participante que atravesse o laboratório em sua velocidade habitual e olhando para frente como o participante faria normalmente: "Você deve caminhar até o final da passarela usando seu próprio ritmo como se estivesse andando em uma rua familiar e plana e olhar para frente como faria normalmente".
    2. Ajuste o ponto de partida do participante para garantir que o membro contralateral (não tropeçado) esteja posicionado no solo ligeiramente à frente do fio de polipropileno, colocado a aproximadamente 4 m da posição inicial. Portanto, o participante pode dar 4-5 passos na velocidade normal antes de aplicar o distúrbio de viagem.
      1. O participante é obrigado a completar dois blocos de caminhada. Deixe o participante realizar até 15 caminhadas em cada bloco com o distúrbio de tropeço/viagem aplicado entre a5ª e a15ª repetição (determinado aleatoriamente).
      2. Após a perturbação da viagem, não deixe o participante fazer mais repetições.
      3. Repita os mesmos procedimentos no segundo bloco, que é usado para tropeçar no membro oposto ao tropeçado no primeiro bloco.
        NOTA: A ordem em que os membros são obstruídos é atribuída aleatoriamente.
      4. Antes de iniciar os testes de caminhada, informe ao participante que pode ocorrer algum distúrbio, mas não forneça nenhuma informação específica sobre a possibilidade de tropeçar. Em vez disso, informe o participante sobre a possibilidade de perder o equilíbrio em algum momento.
      5. Instrua o participante a se recuperar da melhor maneira possível se for aplicado algum distúrbio de equilíbrio e, se possível, continuar caminhando até o final da passarela.
    3. Acione o sistema somente quando o pé do membro contralateral (não tropeçado) estiver posicionado corretamente no solo (ou seja, um pouco à frente do fio). Não ative o sistema se o participante pisar antes, no fio ou se o pé estiver muito à frente do fio. Esses procedimentos permitem que a perturbação do disparo seja aplicada de forma consistente durante a fase intermediária, reduzindo as chances de erros de julgamento.
  4. Avaliar se o sistema pode induzir respostas de recuperação significativas.
    NOTA: O estudo teve como objetivo desenvolver uma abordagem experimental para causar distúrbios inesperados em amputados de membros inferiores. Embora a abordagem provoque viagens inesperadas, o uso de fios fictícios e o ambiente laboratorial não permitem supor que todas as viagens serão totalmente inesperadas. Dados cinemáticos 3D de um TTA foram coletados e analisados para estabelecer se o protocolo poderia criar viagens inesperadas e, portanto, induzir respostas significativas de viagem / recuperação.
    1. Aquisição de dados
      1. Posicione dois smartphones 5 m à frente de onde ocorre a viagem são usados para registrar cada tentativa de caminhada. Coloque os smartphones voltados para a linha de progressão de caminhada em um ângulo de aproximadamente 30o.
      2. Sincronize os dois smartphones, amostragem a 60 Hz, usando o software OneCap. O software OneCap sincroniza os telefones fornecendo um código que é lido pelos smartphones. Em seguida, as imagens são armazenadas automaticamente no computador e transferidas para serem processadas remotamente. A transferência e a reconstrução bem-sucedida são indicadas pelo software.
        NOTA: Este software reconhece e rastreia automaticamente os segmentos dos membros sem marcadores físicos e os algoritmos de detecção de pose transformam as imagens para estimar os centros articulares e fornecem uma análise cinemática relativamente precisa. Depois de processados, os arquivos podem ser analisados usando o software OpenSim.
      3. Em seguida, processe e transfira as imagens para o software OpenSim (versão 4.4) para realizar todas as análises cinemáticas.
        NOTA: Um sistema sem marcas é vantajoso, pois o teste piloto mostrou que o fio de disparo desaloja alguns marcadores físicos (especialmente aqueles colocados no pé). Uma discussão sobre os méritos relativos da captura e processamento de dados está além do escopo do presente protocolo. O leitor deve consultar o trabalho de Uhlrich e colegas32 para obter mais informações.
    2. Processamento e análise dos dados
      NOTA: O OpenSim é um pacote de software disponível gratuitamente que permite construir, trocar e analisar modelos de computador do sistema musculoesquelético e simulações dinâmicas de movimento. Mais detalhes podem ser obtidos no seguinte site: https://simtk.org/projects/opensim/.

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Resultados

Assumiu-se que o sistema de cintos de segurança não causava interferência na marcha e se mostrou eficaz na prevenção de quedas quando as estratégias de recuperação da viagem não foram bem-sucedidas. Além disso, não foram relatados ferimentos (por exemplo, abrasões na pele, hematomas). O ruído gerado pela liberação da mola não foi considerado um fator interveniente, uma vez que os participantes não impediram a ocorrência de tropeços. Além disso, o tempo entre o instant...

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Discussão

Embora o presente protocolo traga resultados preliminares de um experimento desenhado para descrever um protocolo de viagem aplicado em um amputado transtibial, tal abordagem também pode ser aplicada com segurança a outros amputados, por exemplo, amputados transfemorais, que provavelmente terão maiores dificuldades em recuperar o equilíbrio após uma viagem. A abordagem permitiu identificar as ações mais pronunciadas executadas para recuperar o equilíbrio em resposta a uma viagem ...

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Divulgações

Todos os autores revelaram quaisquer conflitos de interesse.

Agradecimentos

O presente trabalho foi realizado com o apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001

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Materiais

NameCompanyCatalog NumberComments
Electromagnetic platesIntelbrashttps://www.intelbras.com/en/set-of-supports-with-electro-magnetic-lock-fe-150-kt-741-prataTwo electromagnetic plates (a fixed and a movable)
Full body safety harnessGenericN/ASafety rope 11 mm attached on a rail running 2 m above the head of the participants
Impact GoggleGenericN/AOne goggles with lower and side end closures
Insulator tape3Mhttps://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 OpenPosehttps://github.com/CMU-Perceptual-Computing-Lab/openposeOpen Pose is a open Software to movement analysis https://github.com/CMU-Perceptual-Computing-Lab/openpose
Open SimOpenSim https://simtk.org/projects/opensim/OpenSim is a softwware to analyse several movement parameters https://simtk.org/projects/opensim/
Polypropilene WireGenericN/A4 mm diameter 
Triger systemGenericN/AThe 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 cameraApplehttps://apple.comThe video cameras of two smartphones (apple model 8 and 11) were used.

Referências

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