Экспериментальный подход к индуцированию трипов у пациентов с ампутированными конечностями нижних конечностей

Резюме

Был разработан экспериментальный подход для индуцирования трипов у пациентов с ампутированными низкими конечностями. Цель состояла в том, чтобы создать неожиданные срабатывания и вызвать осмысленные реакции срабатывания/восстановления. Кинематические данные, полученные от одного пациента с транстибиальной ампутацией, подтвердили, что такой подход эффективно вызывает реактивные реакции восстановления после поездки.

Аннотация

Восстановление равновесия после поездки является сложной задачей для людей с ампутированными нижними конечностями и часто приводит к падению. Эффективность восстановления равновесия после поездки зависит от таких факторов, как уровень ампутации (транстибиальная или трансфеморальная) или от того, какая конечность спотыкается (протез или звуковой/свинцовый или задний). Понимание реакций на восстановление может помочь определить стратегии, позволяющие избежать падения и какие функции реакции на спотыкание могут быть встроены в протез. В этом исследовании представлен экспериментальный подход к индуцированию неожиданных трипов у людей с ампутацией. Срабатывание запускалось вручную путем активации электромагнитного устройства для поднятия полипропиленовой проволоки, чтобы препятствовать (почти остановить) качающуюся конечность во время ее средней фазы замаха. Страховочный ремень, прикрепленный к потолочной рейке, гарантировал, что участники не ударятся о землю, если они не смогут восстановить равновесие после поездки (т.е. это предотвратит падение). Один человек с транстибальной ампутацией прошел повторные испытания ходьбы, в которых поездка была вызвана примерно 1 из 15 раз, чтобы избежать ее ожидания. 3D-кинематика была определена с помощью двух смартфонов (60 Гц) с использованием программного обеспечения OpenCap, подчеркнув, что экспериментальный подход вызывал значимые реакции спотыкания/восстановления в зависимости от того, какая конечность была повреждена (протез или звук). Представленная методология позволяет избежать использования жесткого препятствия, потенциально снижая риск травм, а также является недорогой и простой в настройке. Важно отметить, что это позволяет неожиданно ввести подножку в середине фазы замаха и, следовательно, обеспечивает подход к определению реальных реакций на восстановление от подножки. При подножке здоровой конечности участники могли «распутаться» от растяжки (после трипа) путем подошвенного сгибания лодыжки, но такое действие было невозможно при подножке протеза.

Введение

Было подсчитано, что 57,7 миллиона человек во всем мире живут с ампутацией конечностей, из которых ~ 65% приходится на нижние конечности¹. Ампутация нижних конечностей может быть вызвана несколькими факторами (например, острыми травматическими событиями, прогрессированием заболевания, осложнениями со здоровьем, хирургическим вмешательством по спасению жизни и врожденной деформацией). Это связано с высокими показателями смертности и заболеваемости среди людей с плохим состоянием здоровья². Кроме того, восстановление подвижности после ампутации имеет решающее значение для восстановления самостоятельного образа жизни и качества жизни и является одной из самых значительных проблем для пользователей протезов³.

После ампутации ограничения подвижности сопровождаются уменьшением объема движений⁴, уменьшением силы⁵, снижением уверенности в равновесии⁶ и могут привести к заметной дегенерации суставов в неампутированной конечности⁷. Эти изменения описываются как релевантные факторы риска падения⁸. Действительно, пользователи протезов нижних конечностей в два раза чаще падают по сравнению с населением в целом⁹. Около 40% и 80% лиц с транстибиальными и трансфеморальными ампутациями выпадают хотя бы один раз в год ^9,10. Падения чаще всего происходят во время ходьбы ^11,12, а люди с ампутированными конечностями с ограниченной способностью ходить (с поправкой на воздействие) в шесть раз чаще падают и в восемь раз чаще получают травмы¹¹. Кроме того, пользователь протеза нижних конечностей, который пережил падение в прошлом году, имеет 13% вероятность повторного падения. Вероятность возрастает до 28%, если они пережили два падения за последние^{полгода13}. Таким образом, падение является тревожной проблемой для людей с ампутированными нижними конечностями.

Спотыкание во время ходьбы является преобладающим фактором падений у пользователей протезов. Во время поездки происходит внезапное прерывание качающейся конечности (например, вызванное препятствием или неровной местностью), заставляющее тело быстро вращаться вперед на опорной конечности и вызывающее большой толчок вперед^14,15. Поддержание/восстановление равновесия после спотыкания для пользователей протезов может быть гораздо более сложным из-за отсутствия голеностопного или коленного суставов, связанной с ними мускулатуры и сниженной сенсорной обратной связи. Неэффективная реакция на спотыкание может привести к тому, что оно превратится в падение, которое может иметь значительные физические, психологические и^{социальные последствия.}

Несколько исследований были сосредоточены на описании стратегий восстановления после трипа для здоровых и пожилых людей 17,18,19,20 лет путем индуцирования трипа в лабораторно контролируемом сценарии. Было применено несколько методов, чтобы вызвать возмущение и вызвать срабатывание. Существует множество способов создания помех для спотыкания, в том числе блокирование сегмента нижней конечности во время его качания с помощью веревки, прикрепленной к лодыжке²¹, или использование препятствий, неожиданно расставленных перед идущим по беговой дорожке ^20,22. Кроме того, в некоторых исследованиях применялись резкие изменения скорости беговой дорожки, чтобы нарушить динамическое равновесие (т.е. вызвать спотыкание)²³. Наконец, другие использовали жесткие предметы, которые вручную 18,24,25 или автоматически^22,26 располагались на пути качающейся конечности, чтобы вызвать спотыкание во время ходьбы по земле.

Несмотря на успешное применение таких стратегий у пожилых людей, только несколько исследований индуцировали поездку у людей с ампутированными нижними конечностями, и еще меньше исследований с участием людей с ампутацией трансфеморального уровня 21,25,26. Например, Креншоу и его коллеги споткнулись о TFA, когда шли по земле, используя скрытое жесткое препятствие, которое вручную активировалось и появлялось из-под земли. Однако такой способ создания препятствия является технически сложным и, следовательно, может быть дорогостоящим для воспроизведения. Широта и его коллеги вызвали поездку в TFA, в то время как участники ходили по беговой дорожке, используя веревку, прикрепленную к лодыжке. Несмотря на то, что спотыкание было вызвано, использование веревки могло ограничить эксперимент, поскольку оно, вероятно, мешало участникам ходить естественно. Совсем недавно Эвелд и его коллеги нарушили TFA, разместив стальные блоки на конвейерной ленте беговой дорожки с использованием встроенного алгоритма наведения, позволяющего объектам вызывать возмущение на разных стадиях фазы колебания (ранний, средний, поздний замах^). Тем не менее, протоколы, основанные на беговых дорожках, могут не полностью воспроизводить условия во время ходьбы по земле²⁷. Использование протокола на беговой дорожке также не является идеальным при исследовании TTA или TFA, которые используют микропроцессорные устройства для ступни-голеностопного или коленного сустава, потому что автоматические датчики, используемые в таких устройствах, настроены на ходьбу по твердой/неподвижной поверхности. Следовательно, при ходьбе по нестационарной поверхности эти датчики могут привести к тому, что гидравлические цилиндры устройства «самонастроятся» на неправильный уровень.

В предыдущих исследованиях, которые вызывали спотыкание во время ходьбы по земле, нарушение спотыкания было вызвано контактом ведущей конечности с твердым препятствием, которое возникало перед ними. Однако использование таких жестких предметов может привести к травмам стопы из-за силы удара²⁵. Здесь мы опишем экспериментальный подход к подножке качающейся конечности, который позволяет избежать проблемы удара ноги о что-то твердое. Механизм отключения образован электромагнитной системой, которая контролирует освобождение подвижной подпружиненной пластины. Когда электромагнитное устройство деактивировано, подпружиненная пластина, расположенная с одной стороны дорожки, тянется вверх, поднимая полипропиленовую проволоку (диаметром 4 мм), расположенную перпендикулярно направлению ходьбы. Проволока закреплена на противоположной стороне дорожки и поднята на высоту 0,1 м. Фиктивные провода (от 3 до 4, расположенные на расстоянии не менее 1 м друг от друга) расположены поперек дорожки таким образом, чтобы участники не могли догадаться, какой провод может вызвать помехи. Экспериментатор вручную деактивирует электромагнитное устройство, когда контралатеральная конечность расположена на земле, немного впереди провода, сразу после того, как качающаяся конечность будет отброшена. Поэтому, когда проволока поднята, качающийся сегмент постоянно захватывается во время фазы²⁸ в середине качания. Фаза среднего замаха была выбрана потому, что горизонтальная скорость качающейся ноги в этой фазе близка к ее максимальной (~3 скорости CoM вперед) и находится на минимальном расстоянии от земли, и, следовательно, это период, когда большинство поездок происходит в реальных условиях. Высота проволоки (т.е. 0,1 м) достаточна для того, чтобы нога могла постоянно цепляться (примерно в районе шнурков обуви). Исследование было направлено на то, чтобы установить, может ли предложенный протокол вызвать нарушение спотыкания и вызвать значимые/реальные реакции на восстановление. В настоящем протоколе был проанализирован только TTA, так как ампутации более высокого уровня представляют собой более сложные случаи и представляют более высокую частоту падений.

протокол

Комитет по этике университета утверждал процедуры, и участник подписывал форму информированного согласия перед участием.

1. Участник

ПРИМЕЧАНИЕ: Один человек с транстибиальной ампутацией (ТТА), посещающий местный центр реабилитации ампутантов, был приглашен и согласился принять участие в исследовании. Участник смог самостоятельно ходить. Критериями исключения были клинические состояния, отличные от ампутации, которые могли повлиять на равновесие и подвижность (например, неврологические, ортопедические или ревматические заболевания); постоянная боль, фантомная боль или пролежни на протезе конечности, а также трудности с пониманием простых команд (т.е. менее 24 баллов в мини-обследовании психического состояния²⁹). Кроме того, участник имел более чем шестилетний опыт работы с нынешним протезом.

1. Детали протеза
   1. Запросите детали протеза в TTA. Обратите внимание на опыт проведения ТТА с протезом. Убедитесь, что участник обладает высокой способностью ходить с использованием протеза.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В TTA использовались протез, силиконовая всасывающая муфта (силиконовый вкладыш с пятью уплотнительными кольцами) и ножка из углеродного волокна (Таблица материалов). Опыт работы с нынешним протезом составил шесть лет. Ампутация была вызвана травмой, и участник был классифицирован как уровень K4 в соответствии с функциональной классификацией Medicare³⁰. Согласно стандартизированной функциональной классификации, участник обладал высокой способностью ходить с использованием протеза и считался молодым активным взрослым^{31 года}.

2. Экспериментальные методики

1. Разработайте систему, которая будет побуждать к поездкам.
   1. Сконструируйте изготовленное на заказ устройство, в котором пружина с помощью электроники отпускается для подъема полипропиленовой проволоки (диаметр 4 мм и незначительная масса), которая захватывает заднюю конечность (здоровую или протезную конечность) во время фазы среднего замаха.
   2. Подключите систему к деревянному ящику, который позволяет поворачивать рычаг (примерно на 10 см) вверх вокруг неподвижной оси. Подсоедините полипропиленовую проволоку к концу рычага (в сторону от оси). Установите пружину, которая тянет на рычаг, чтобы поднять полипропиленовую проволоку примерно на 10 см от земли.
      ПРИМЕЧАНИЕ: На видео 1 показана пусковая система и то, как был расположен провод, чтобы вызвать срабатывание (Дополнительный рисунок 1 и Дополнительный рисунок 2).
2. Система ремней безопасности
   ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы спровоцировать поездку во время ходьбы, необходимо принять меры безопасности.
   1. Убедитесь, что участник одет в обвязку для всего тела, прикрепленную с помощью полиэфирной веревки к подвесному поручню.
   2. Отрегулируйте длину страховочного троса в соответствии с ростом участника.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Страховочный трос (диаметр 11 мм) прикреплен к специально разработанному четырехколесному устройству, которое находится внутри верхнего рельса (примерно в 2 м над головой участника). Регулировка страховочного троса в соответствии с ростом участника предотвращает касание какой-либо части его тела (кроме ног) пола, если он не сможет восстановить равновесие после нарушения спотыкания. Кроме того, длина подвесного рельса (8 м) достаточна для того, чтобы участники могли свободно ходить пешком (см. дополнительный рисунок 3).
3. Экспериментальные методики
   1. В соответствии со следующей стандартной инструкцией попросите участника пройти через лабораторию с обычной скоростью и смотреть вперед, как это обычно делает участник: «Вы должны идти до конца дорожки в своем собственном темпе, как если бы вы шли по знакомой ровной улице, и смотреть вперед, как обычно».
   2. Отрегулируйте исходную точку участника таким образом, чтобы контралатеральная (не споткнувшаяся) конечность располагалась на земле немного впереди полипропиленовой проволоки, расположенной примерно в 4 м от исходного положения. Таким образом, участник мог сделать 4-5 шагов с обычной скоростью, прежде чем применить помеху от поездки.
      1. От участника требуется пройти два блока ходьбы. Пусть участник выполнит до 15 прогулок в каждом блоке с применением спотыкания/спотыкания между^5-м и^15-м повторением (определяется случайным образом).
      2. После нарушения режима поездки не позволяйте участнику делать дальнейшие повторения.
      3. Повторите те же процедуры во втором блоке, который используется для того, чтобы споткнуться о противоположную конечность от той, о которую споткнулись в первом блоке.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Порядок, в котором конечности обструкционированы, назначается случайным образом.
      4. Перед началом тестов по ходьбе сообщите участнику о том, что могут возникнуть некоторые помехи, но не предоставляйте никакой конкретной информации о возможности споткнуться. Вместо этого сообщите участнику о возможности потери баланса в какой-то момент.
      5. Проинструктируйте участника о том, что он должен как можно лучше восстановиться в случае нарушения равновесия и, если это возможно, продолжить ходьбу до конца дорожки.
   3. Запускайте систему только тогда, когда ступня контралатеральной (не споткнувшейся) конечности правильно расположена на земле (т.е. немного впереди провода). Не активируйте систему, если участник наступает впереди, по проводу или если нога находится слишком далеко впереди провода. Эти процедуры позволяют последовательно применять нарушение подножки в середине фазы замаха, снижая вероятность неправильных триатов.
4. Оценка того, может ли система вызывать значимые реакции восстановления.
   Примечание: Исследование было направлено на разработку экспериментального подхода к возникновению неожиданных нарушений сустава у пациентов с ампутированными нижними конечностями. Несмотря на то, что такой подход приводит к неожиданным поездкам, использование фиктивных проводов и лабораторных условий не позволяет предположить, что все поездки будут совершенно неожиданными. Были собраны и проанализированы 3D-кинематические данные из одного TTA, чтобы установить, может ли протокол создавать неожиданные отключения и, следовательно, вызывать значимые реакции на отключение/восстановление.
   1. Сбор данных
      1. Расположите два смартфона на расстоянии 5 м от места, где происходит поездка, и используйте их для записи каждого шага. Установите смартфоны лицом к линии ходьбы под углом примерно 30^°.
      2. Синхронизируйте оба смартфона, дискретизируя частоту 60 Гц, с помощью программного обеспечения OneCap. Программное обеспечение OneCap синхронизирует телефоны, предоставляя код, который считывается смартфонами. Затем изображения автоматически сохраняются на компьютере и передаются для удаленной обработки. О переносе и успешной реконструкции свидетельствует программное обеспечение.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Это программное обеспечение автоматически распознает и отслеживает сегменты конечностей без физических маркеров и алгоритмов определения позы, преобразует изображения для оценки центров суставов и обеспечивает относительно точный кинематический анализ. После обработки файлы могут быть проанализированы с помощью программного обеспечения OpenSim.
      3. Затем обработайте и перенесите изображения в программное обеспечение OpenSim (версия 4.4) для выполнения всех кинематических анализов.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Безмаркерная система является преимуществом, так как пилотные испытания показали, что растяжка смещает некоторые физические маркеры (особенно те, которые расположены на ноге). Обсуждение относительных достоинств захвата и обработки данных выходит за рамки настоящего протокола. Читатель должен обратиться к работе Ульриха и коллег³² для получения дополнительной информации.
   2. Обработка и анализ данных
      ПРИМЕЧАНИЕ: OpenSim - это свободно доступный пакет программного обеспечения, который позволяет создавать, обмениваться и анализировать компьютерные модели опорно-двигательного аппарата и динамические симуляции движений. Более подробную информацию можно получить на следующем сайте: https://simtk.org/projects/opensim/.

Результаты

Предполагалось, что система ремней безопасности не создает помех при ходьбе и доказала свою эффективность в предотвращении падений, когда стратегии восстановления после спотыкания не увенчались успехом. Кроме того, не сообщалось о травмах (например, ссадинах на коже...

Обсуждение

Несмотря на то, что в настоящем протоколе представлены предварительные результаты эксперимента, разработанного для описания протокола поездки, примененного к человеку с трансфеморальной ампутацией, такой подход также может быть безопасно применен к другим пациент?...

Материалы

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.