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Article de méthode

Une approche expérimentale pour induire des trébuchements chez les amputés des membres inférieurs

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DOI :

10.3791/64570

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22 septembre 2023

 ,  ,  ,  , 
1Department of Physical Education, Federal University of Paraná, 2Department of Biomedical and Electronics Engineering, University of Bradford, 3Department of Occupational Therapy, Federal University of Paraná

Dans cet article

Résumé

Une approche expérimentale a été mise au point pour induire des trébuchements chez les amputés des membres inférieurs. L’objectif était de créer des voyages inattendus et d’induire des réponses significatives de trébuchement et de récupération. Les données cinématiques d’une personne amputée transtibiale ont confirmé qu’une telle approche suscite efficacement des réponses réactives de récupération du déclenchement.

Résumé

Le rétablissement de l’équilibre après un trébuchement est difficile pour les amputés des membres inférieurs et entraîne souvent une chute. L’efficacité du rétablissement de l’équilibre après un déclenchement dépend de facteurs tels que le niveau d’amputation (transtibial ou transfémoral) ou le membre qui est déclenché (prothèse ou son/dérivation ou traînée). Comprendre les réponses de récupération peut aider à identifier des stratégies pour éviter qu’un trébuchement ne se transforme en chute et quelle fonctionnalité de réponse de trébuchement pourrait être conçue dans une prothèse. Cette étude présente une approche expérimentale pour induire des voyages inattendus chez les personnes amputées. Le déclenchement a été déclenché manuellement par l’activation d’un dispositif électromagnétique pour soulever le fil de polypropylène afin d’obstruer (presque arrêter) le membre oscillant pendant sa phase de mi-balancement. Un harnais de sécurité attaché à un rail de plafond permettait aux participants de ne pas heurter le sol s’ils ne parvenaient pas à rétablir l’équilibre après le voyage (c’est-à-dire qu’il empêchait une chute de se produire). Une personne amputée transtibiale a effectué des essais répétés de marche au cours desquels un voyage a été induit environ 1 fois sur 15 pour éviter qu’il ne soit anticipé. La cinématique 3D a été déterminée via deux smartphones (60 Hz) à l’aide du logiciel OpenCap, soulignant que l’approche expérimentale induisait des réponses significatives de déclenchement/récupération en fonction du membre déclenché (prothèse ou son). La méthodologie présentée évite d’utiliser un obstacle rigide, ce qui pourrait réduire le risque de blessures, et est peu coûteuse et facile à mettre en place. Il est important de noter qu’il permet d’introduire de manière inattendue un trébuchement au cours de la phase de mi-élan de la marche et fournit donc une approche pour identifier les réponses de récupération de trébuchement dans le monde réel. Lors du déclenchement du membre sain, les participants pouvaient se « démêler » du fil-piège (post-trip) en fléchissant plantaire la cheville, mais une telle action n’était pas possible lors du déclenchement du membre prothétique.

Introduction

On estime que 57,7 millions de personnes dans le monde vivent avec une amputation d’un membre, dont ~ 65 % se produisent dans les membres inférieurs1. L’amputation d’un membre inférieur peut découler de plusieurs facteurs (p. ex., événements traumatiques aigus, progression de la maladie, complications de santé, chirurgie salvatrice et malformation congénitale). Il a été associé à des taux élevés de mortalité et de morbidité chez les personnes en mauvaise santé2. De plus, le rétablissement de la mobilité après l’amputation est crucial pour retrouver une vie indépendante et une qualité de vie et constitue l’un des défis les plus importants pour les utilisateurs de prothèses3.

Après une amputation, les limitations de mobilité s’accompagnent d’une amplitude de mouvement réduite4, d’une diminution de la force5, d’une diminution de la confiance en l’équilibre6 et peuvent entraîner une dégénérescence articulaire marquée chez le membre non amputé7. Ces changements sont décrits comme des facteurs de risque de chute pertinents8. En effet, les utilisateurs de prothèses de membres inférieurs sont deux fois plus susceptibles de tomber que la population générale9. Environ 40 % et 80 % des personnes amputées transtibiales et transfémorales tombent au moins une fois par an 9,10. Les chutes se produisent le plus souvent pendant la marche11,12, et les personnes amputées ayant une capacité de marche limitée (ajustée en fonction de l’exposition) sont six fois plus susceptibles de tomber et huit fois plus susceptibles de subir une blessure11. De plus, un utilisateur de prothèse de membre inférieur qui a fait une chute au cours de la dernière année a une probabilité de 13 % de tomber à nouveau. La probabilité passe à 28 % s’ils ont fait deux chutes au cours des six derniers mois13. Ainsi, la chute est un problème préoccupant pour les amputés des membres inférieurs.

Trébucher en marchant est un facteur prédominant de chutes chez les utilisateurs de prothèses. Au cours d’un voyage, il y a une interruption soudaine du membre oscillant (par exemple, causée par un obstacle ou un terrain accidenté), ce qui fait pivoter rapidement le corps vers l’avant sur le membre de soutien et provoque une grande poussée vers l’avant14,15. Pour les utilisateurs de prothèses, il peut être beaucoup plus difficile de maintenir/récupérer l’équilibre après avoir trébuché en raison de l’absence d’articulations de la cheville ou du genou, de la musculature associée et de la réduction du retour sensoriel. Une réponse inefficace à un trébuchement peut aboutir à ce qu’il devienne une chute, ce qui peut avoir des conséquences physiques, psychologiques et sociales importantes16.

Plusieurs études se sont concentrées sur la description des stratégies de récupération des trébuchements chez les personnes valides et les personnes âgées 17,18,19,20 en induisant un trébuchement dans un scénario contrôlé en laboratoire. Plusieurs méthodes ont été appliquées pour produire une perturbation afin de générer un trébuchement. Il existe de nombreuses façons d’imposer une perturbation de trébuche, notamment en obstruant le segment des membres inférieurs pendant sa phase de balancement à l’aide d’une corde attachée à la cheville21 ou en utilisant des obstacles placés de manière inattendue devant quelqu’un qui marche sur un tapis roulant20,22. De plus, certaines études ont appliqué des changements soudains de la vitesse du tapis roulant pour perturber l’équilibre dynamique (c’est-à-dire induire un trébuchement)23. Enfin, d’autres ont utilisé des objets rigides qui sont positionnés manuellement 18,24,25 ou automatiquement22,26 sur le chemin du membre oscillant pour provoquer un événement de trébuchement lors de la marche au-dessus du sol.

Malgré l’application réussie de ces stratégies chez les personnes âgées, seules quelques études ont induit un voyage chez les amputés des membres inférieurs, et encore moins chez les personnes amputées au niveau transfémoral 21,25,26. Par exemple, Crenshaw et ses collègues ont déclenché TFA en marchant sur le sol à l’aide d’un obstacle rigide caché activé manuellement pour apparaître depuis le sol. Cependant, une telle façon d’introduire un obstacle est techniquement exigeante et peut donc être coûteuse à reproduire. Shirota et ses collègues ont provoqué un voyage dans TFA pendant que les participants marchaient sur un tapis roulant à l’aide d’une corde attachée à la cheville. Même si un trébuchement a été causé, l’utilisation d’une corde a pu limiter l’expérience car elle a probablement empêché les participants de marcher naturellement21. Plus récemment, Eveld et ses collègues ont déclenché TFA en plaçant des blocs d’acier sur un tapis roulant à l’aide d’un algorithme de ciblage intégré pour permettre aux objets de provoquer la perturbation à différents stades de la phase d’oscillation (oscillation précoce, moyenne, tardive)26. Cependant, les protocoles basés sur un tapis roulant peuvent ne pas reproduire complètement les conditions lors de la marche au sol27. L’utilisation d’un protocole basé sur un tapis roulant n’est pas non plus idéale pour étudier le TTA ou le TFA qui utilisent des dispositifs contrôlés par microprocesseur pour le pied, la cheville ou le genou, car les capteurs automatiques utilisés dans de tels appareils sont configurés pour marcher sur une surface solide/stationnaire. Par conséquent, lorsque vous marchez sur une surface non stationnaire, ces capteurs peuvent déclencher les vérins hydrauliques de l’appareil pour qu’ils « auto-ajustent » leurs résistances à un niveau incorrect.

Dans des études antérieures qui ont induit un trébuchement lors de la marche au sol, la perturbation du trébuchement était causée par le contact du membre principal avec un obstacle solide qui apparaissait devant eux. Cependant, l’utilisation de tels objets rigides peut causer des blessures aux pieds en raison des forces d’impact25. Nous décrivons ici une approche expérimentale pour faire trébucher le membre qui se balance et qui évite que le pied ne heurte quelque chose de solide. Le mécanisme de déclenchement est formé par un système électromagnétique qui contrôle le relâchement d’une plaque mobile actionnée par un ressort. Lorsque le dispositif électromagnétique est désactivé, la plaque à ressort positionnée d’un côté de la passerelle est tirée vers le haut, soulevant un fil de polypropylène (4 mm de diamètre) positionné perpendiculairement au sens de marche. Le fil est ancré du côté opposé de la passerelle et est élevé à une hauteur de 0,1 m. Des fils factices (3 à 4, espacés d’au moins 1 m) sont positionnés en travers de la passerelle de manière à ce que les participants ne puissent pas deviner quel fil causerait la perturbation. L’expérimentateur désactive manuellement le dispositif électromagnétique avec le membre controlatéral positionné sur le sol, légèrement en avant du fil, juste après le décollage de la branche oscillante. Par conséquent, lorsque le fil est soulevé, le segment oscillant est constamment attrapé pendant la phase de mi-oscillation28. La phase de mi-élan a été choisie parce que la vitesse horizontale du pied oscillant à cette phase est proche de son maximum (~3 fois la vitesse avant de la CoM) et est à son dégagement minimum au-dessus du sol, et c’est donc la période où la plupart des voyages se produisent dans des conditions réelles. La hauteur du fil (c’est-à-dire 0,1 m) est suffisante pour permettre au pied d’être maintenu de manière constante (sur la zone approximativement des lacets des chaussures). L’étude visait à déterminer si le protocole proposé pouvait créer une perturbation du trébuchement et induire des réponses de récupération significatives et réelles. Seule une ATT a été analysée dans le protocole actuel, car les amputations de haut niveau représentent les cas les plus complexes et présentent des taux de chute plus élevés.

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Protocole

Le comité d’éthique de l’Université a approuvé les procédures, et le participant a signé un formulaire de consentement éclairé avant de participer.

1. Participant

REMARQUE : Une personne amputée transtibiale (ATT) fréquentant un centre local de réadaptation des amputés a été invitée et a accepté de participer à l’étude. Le participant était capable de marcher de manière autonome. Les critères d’exclusion étaient des affections cliniques autres que l’amputation qui pourraient affecter l’équilibre et la mobilité (p. ex., troubles neurologiques, orthopédiques ou rhumatismaux) ; douleur persistante, douleur fantôme ou escarres sur le membre prothétique et difficultés à comprendre des commandes simples (c.-à-d. moins de 24 points dans le mini-examen de l’état mental29). De plus, le participant avait plus de six ans d’expérience avec la prothèse actuelle.

  1. Détails prothétiques
    1. Demandez les détails de la prothèse à l’ATT. Notez l’expérience du TTA avec la prothèse. Assurez-vous que le participant a une grande capacité à marcher à l’aide de la prothèse.
      REMARQUE : Le TTA a utilisé une prothèse, une prise d’aspiration en silicone (doublure en silicone avec cinq bagues d’étanchéité) et un pied en fibre de carbone (Table des matériaux). L’expérience avec la prothèse actuelle était de six ans. L’amputation était due à un traumatisme et le participant a été classé au niveau K4 selon la classification fonctionnelle30 de Medicare. Selon la classification fonctionnelle standardisée, le participant avait une grande capacité à marcher à l’aide de la prothèse et était considéré comme un jeune adulte actif31.

2. Procédures expérimentales

  1. Concevoir un système pour provoquer des trébuchements.
    1. Construire un appareil sur mesure dans lequel un ressort est libéré électroniquement pour soulever un fil de polypropylène (diamètre de 4 mm et masse négligeable) qui attrape le membre arrière (membre sain ou prothétique) pendant la phase de mi-balancement.
    2. Connectez le système à une boîte en bois qui permet de faire pivoter un levier (environ 10 cm) vers le haut autour d’un axe fixe. Connectez le fil de polypropylène à l’extrémité du levier (loin de l’axe). Installez un ressort qui tire sur le levier pour soulever le fil de polypropylène à environ 10 cm du sol.
      REMARQUE : La vidéo 1 montre le système de déclenchement et la façon dont le fil a été positionné pour provoquer le déclenchement (Figure supplémentaire 1 et Figure supplémentaire 2).
  2. Système de harnais de sécurité
    REMARQUE : Provoquer un voyage pendant qu’un participant marche nécessite l’adoption de mesures de sécurité.
    1. Assurez-vous que le participant porte un harnais complet attaché à un rail aérien par une corde en polyester.
    2. Ajustez la longueur de la corde de sécurité en fonction de la stature du participant.
      REMARQUE : La corde de sécurité (diamètre de 11 mm) est attachée à un dispositif à quatre roues spécialement conçu qui se trouve à l’intérieur du rail aérien (à environ 2 m au-dessus de la tête du participant). L’ajustement de la corde de sécurité à la stature du participant empêche toute partie de son corps (à l’exception de ses pieds) de toucher le sol s’il ne parvient pas à rétablir l’équilibre après la perturbation du trébuchement. De plus, la longueur du rail aérien (8 m) est suffisante pour garantir que la marche des participants n’est pas encombrée (voir figure supplémentaire 3).
  3. Procédures expérimentales
    1. Selon les instructions normalisées suivantes, demandez au participant de traverser le laboratoire à sa vitesse habituelle et en regardant vers l’avant comme il le ferait normalement : « Vous devriez marcher jusqu’au bout de l’allée en utilisant votre propre rythme comme si vous marchiez dans une rue familière et plate et regarder vers l’avant comme vous le feriez normalement ».
    2. Ajustez le point de départ du participant pour vous assurer que le membre controlatéral (non trébuché) est positionné sur le sol légèrement en avant du fil de polypropylène, placé à environ 4 m de la position de départ. Par conséquent, le participant pourrait faire 4 à 5 pas à la vitesse habituelle avant d’appliquer la perturbation de voyage.
      1. Le participant doit effectuer deux blocs de marche. Laissez le participant effectuer jusqu’à 15 marches dans chaque bloc avec la perturbation de trébuchement/trébuchement appliquée entre la 5e et la 15e répétition (déterminée au hasard).
      2. Après la perturbation du voyage, ne laissez pas le participant faire d’autres répétitions.
      3. Répétez les mêmes procédures dans le deuxième bloc, qui est utilisé pour faire trébucher le membre opposé à celui qui a trébuché dans le premier bloc.
        REMARQUE : L’ordre dans lequel les membres sont obstrués est attribué au hasard.
      4. Avant de commencer les tests de marche, informez le participant qu’une certaine perturbation pourrait survenir, mais ne fournissez pas d’informations spécifiques concernant la possibilité de trébucher. Au lieu de cela, informez le participant de la possibilité de perdre l’équilibre à un moment donné.
      5. Demander au participant de récupérer le mieux possible en cas de perturbation de l’équilibre et, si possible, de continuer à marcher jusqu’au bout de l’allée.
    3. Ne déclenchez le système que lorsque le pied du membre controlatéral (non trébuché) est correctement positionné sur le sol (c’est-à-dire légèrement en avant du fil). N’activez pas le système si le participant marche devant, sur le fil, ou si le pied est trop en avant du fil. Ces procédures permettent d’appliquer la perturbation du déclenchement de manière cohérente pendant la phase de mi-balancement, réduisant ainsi les risques d’erreurs de procès.
  4. Évaluer si le système peut induire des réponses de récupération significatives.
    REMARQUE : L’étude visait à développer une approche expérimentale pour provoquer des perturbations inattendues chez les amputés des membres inférieurs. Bien que l’approche provoque des déclenchements inattendus, l’utilisation de fils factices et l’environnement du laboratoire ne permettent pas de supposer que tous les déclenchements seront totalement inattendus. Les données cinématiques 3D d’un TTA ont été collectées et analysées pour établir si le protocole pouvait créer des déclenchements inattendus et donc induire des réponses significatives de trébuchement/récupération.
    1. Acquisition de données
      1. Placez deux smartphones à 5 m devant l’endroit où le voyage a lieu pour enregistrer chaque essai de marche. Réglez les smartphones face à la ligne de progression de marche à un angle d’environ 30°.
      2. Synchronisez les deux smartphones, en échantillonnant à 60 Hz, à l’aide du logiciel OneCap. Le logiciel OneCap synchronise les téléphones en fournissant un code qui est lu par les smartphones. Ensuite, les images sont automatiquement stockées sur l’ordinateur et transférées pour être traitées à distance. Le transfert et la reconstruction réussie sont indiqués par le logiciel.
        REMARQUE : Ce logiciel reconnaît et suit automatiquement les segments de membre sans marqueurs physiques et les algorithmes de détection de pose transforment les images pour estimer les centres articulaires et fournir une analyse cinématique relativement précise. Après avoir été traités, les fichiers peuvent être analysés à l’aide du logiciel OpenSim.
      3. Ensuite, traitez et transférez les images vers le logiciel OpenSim (version 4.4) pour effectuer toutes les analyses cinématiques.
        REMARQUE : Un système sans marquage est avantageux, car les essais pilotes ont montré que le fil-piège déloge certains marqueurs physiques (en particulier ceux placés sur le pied). Une discussion sur les mérites relatifs de la capture et du traitement des données dépasse le champ d’application du présent protocole. Le lecteur est invité à se reporter aux travaux d’Uhlrich et de ses collègues32 pour plus d’informations.
    2. Traitement et analyse des données
      REMARQUE : L’OpenSim est un progiciel disponible gratuitement qui permet de construire, d’échanger et d’analyser des modèles informatiques du système musculo-squelettique et des simulations dynamiques de mouvement. De plus amples détails peuvent être obtenus sur le site suivant : https://simtk.org/projects/opensim/.

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Résultats

On a supposé que le système de harnais de sécurité ne causait aucune interférence dans la marche et s’est avéré efficace pour prévenir les chutes lorsque les stratégies de récupération de trébuchement n’ont pas été couronnées de succès. De plus, aucune blessure (p. ex. écorchures cutanées, ecchymoses) n’a été signalée. Le bruit généré par le relâchement du ressort n’a pas été considéré comme un facteur intermédiaire puisque les participants n’ont pas empêché le trébuchement de se produire. De plus, le temps entre l’insta...

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Discussion

Bien que le présent protocole apporte les résultats préliminaires d’une expérience conçue pour décrire un protocole de voyage appliqué à une personne amputée transtibiale, une telle approche peut également être appliquée en toute sécurité à d’autres amputés, par exemple les amputés transfémoraux, qui sont susceptibles d’avoir plus de difficultés à retrouver l’équilibre après une traversée. L’approche a permis d’identifier les actions les plus prononcées exécutées pour retrouver l’équilib...

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Déclarations de divulgation

Tous les auteurs ont divulgué tout conflit d’intérêts.

Remerciements

Le présent travail a été réalisé avec l’appui de la Coordination pour l’amélioration du personnel de l’enseignement supérieur - Brésil (CAPES) - Code de financement 001

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Plaques électromagnétiquesIntelbrashttps://www.intelbras.com/en/set-of-supports-with-electro-magnetic-lock-fe-150-kt-741-prataDeux plaques électromagnétiques (une fixe et une mobile)
Harnais de sécurité complet GénériqueN/ACorde de sécurité 11 mm fixée sur un rail à 2 m au-dessus de la tête des participants Lunettes d’impact
GénériqueN/AUne lunettes avec inférieure et latérale Fermeture d’extrémité
Ruban isolant3Mhttps://www.3m.com/3M/en_US/p/c/tapes/electrical/ptfe/Utilisé pour obstruer la vision sur les bords inférieur et latéral des lunettes
Open Pose  ;OpenPosehttps://github.com/CMU-Perceptual-Computing-Lab/openposeOpen Pose est un logiciel ouvert à l’analyse du mouvement https://github.com/CMU-Perceptual-Computing-Lab/openpose
Open SimOpenSim. https://simtk.org/projects/opensim/OpenSim est un logiciel permettant d’analyser plusieurs paramètres de mouvement https://simtk.org/projects/opensim/
Fil de polypropylènegénériqueN/A4 mm de diamètre  ;
Système TrigerGénériqueN/ALe système de déclenchement était un appareil fait maison, formé d’un ressort qui tire un levier qui soulève le fil à environ 10 cm au-dessus du niveau du sol
Caméra vidéoApplehttps://apple.comLes caméras vidéo de deux smartphones (Apple Model 8 et 11) ont été utilisées.

Références

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