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方法論記事

下肢切断者にトリップを誘発するための実験的アプローチ

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DOI：

10.3791/64570

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2023年9月22日

 ,  ,  ,  , 
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

この記事について

サマリー

下肢切断者にトリップを誘発するための実験的アプローチが開発されました。目標は、予期しないトリップを引き起こし、意味のあるトリップ/回復反応を誘発することでした。1人の経脛骨切断者からの運動学的データは、そのようなアプローチが反応性トリップ回復反応を効果的に引き出すことを確認しました。

要約

旅行後にバランスを取り戻すことは、下肢切断者にとって困難であり、しばしば転倒につながります。旅行後にバランスを取り戻す効果は、切断レベル(経脛骨または経大腿骨)や、どの手足がつまずいたか(義肢、音/リード、トレーリング)などの要因によって異なります。回復反応を理解することは、旅行が転倒にならないようにするための戦略や、義足にどのような旅行反応機能を設計できるかを特定するのに役立ちます。この研究は、切断患者に予期しない旅行を誘発するための実験的アプローチを示しています。トリップは、電磁装置を作動させてポリプロピレンワイヤーを持ち上げ、スイング中の肢を途中スイングフェーズで妨害する(ほぼ停止させる)ことによって手動でトリガーされました。天井レールに取り付けられた安全ハーネスは、参加者が旅行後にバランスを取り戻せなかった場合(つまり、転倒の発生を防ぐ)場合に地面にぶつからないようにしました。1人の経脛骨切断者は、予想外に旅行を避けるために、15回のうち約1回旅行が誘発される反復歩行試験を完了しました。3Dキネマティクスは、OpenCapソフトウェアを使用して2台のスマートフォン(60Hz)を介して決定され、実験アプローチがどちらの手足がつまずいたか(義肢または音)に依存する意味のあるトリップ/回復反応を誘発したことを強調しています。提示された方法論は、硬い障害物の使用を回避し、怪我のリスクを減らす可能性があり、安価でセットアップが簡単です。重要なのは、歩行のスイング中期に予期せずトリップが導入されることを可能にし、したがって、実際のトリップ回復反応を特定するためのアプローチを提供することです。音肢をつまずかせる場合、参加者は足首を足底に曲げることでトリップワイヤーから「解きほぐす」(トリップ後)ことができましたが、義肢をつまずかせるときはそのような動作はできませんでした。

概要

世界中で5,770万人が四肢切断を患っていると推定されており、そのうち~65%が下肢に発生しています1。下肢切断は、いくつかの要因(急性外傷性イベント、疾患の進行、健康上の合併症、救命手術、先天性奇形など)に由来する可能性があります。これは、健康状態が悪い人々の死亡率と罹患率が高いことと関連しています2。さらに、切断後の移動性の回復は、自立した生活と生活の質を取り戻すために重要であり、義肢ユーザーにとって最も重要な課題の1つです3。

切断後、可動域の制限は、可動域の縮小4、筋力の低下5、バランスへの信頼の低下6を伴い、切断されていない肢7の顕著な関節変性につながる可能性がある。これらの変化は、関連する転倒リスク要因として説明されています8。実際、下肢義肢のユーザーは、一般の人々と比較して転倒する可能性が2倍高い9。経脛骨および経大腿切断の人の約40%と80%が少なくとも年に1回転倒します9,10。転倒は歩行中に最も多く発生し11,12、歩行能力が限られている切断者(曝露に合わせて調整)は、転倒する可能性が6倍、怪我をする可能性が8倍高くなります11。さらに、過去1年間に転倒を経験した下肢義肢のユーザーは、13%の確率で再び転倒します。過去6か月間に2回の転倒を経験した場合、確率は28%に上昇します13。したがって、転倒は下肢切断者にとって懸念される問題です。

歩行中のつまずきは、義肢使用者の転倒の主な要因です。旅行中に、揺れる肢が突然中断され(例えば、障害物や起伏のある地形によって引き起こされ)、体が支持肢上で急速に前方に回転し、大きな前方推力14,15を引き起こします。義肢使用者がつまずいた後のバランスの維持/回復は、足首や膝の関節の欠如、関連する筋肉組織、感覚フィードバックの減少により、はるかに困難になる可能性があります。つまずきに対する効果のない反応は、それが転倒に発展する可能性があり、それは重大な身体的、心理的、社会的結果をもたらす可能性があります16。

いくつかの研究は、実験室で制御されたシナリオで旅行を誘発することにより、健常者および高齢者17、18、19、20のつまずき回復戦略を説明することに焦点を当てています。トリップを生成するための擾乱を生成するために、いくつかの方法が適用されています。トリップ障害を課す方法は多数あり、これには、足首21に取り付けられたロープを使用して下肢の遊脚部を塞ぐことや、トレッドミル20、22を歩いている人の前に予期せず設置された障害物を使用することが含まれる。さらに、いくつかの研究では、トレッドミルの速度の急激な変化を適用して、動的バランスを乱す(つまり、つまずきを誘発する)23。最後に、他の人は、手動で18,24,25または自動的に22,26がスイングする手足の邪魔になるように配置された剛体オブジェクトを使用して、地上歩行中にトリップイベントを引き起こしました。

このような戦略を高齢者にうまく適用したにもかかわらず、下肢切断者にトリップを誘発した研究はごくわずかであり、経大腿骨レベルの切断者を対象とした研究はまだ少ない 21,25,26。例えば、Crenshaw氏らは、地上を歩いているときに、手動で地面から現れるように手動で作動する隠れた硬い障害物を使用してTFAをトリップさせた。ただし、このような障害物の導入方法は技術的に要求が厳しいため、再現に費用がかかる場合があります。城田氏らは、TFAでトリップを誘発し、参加者は足首に取り付けられたロープを使ってトレッドミルで歩いた。つまずきが生じたとしても、ロープを使用すると、参加者が自然に歩くのが妨げられる可能性があるため、実験が制限された可能性があります21。さらに最近では、Eveldらは、統合されたターゲティングアルゴリズムを使用してトレッドミルコンベアベルト上に鋼ブロックを配置し、物体がスイングフェーズ(スイング初期、中期、後期スイング)の異なる段階で擾乱を引き起こすことを可能にすることにより、TFAをトリップさせた26。しかし、トレッドミルベースのプロトコルは、地上歩行中の状態を完全に再現しない可能性があります27。また、マイクロプロセッサ制御の足首や膝のデバイスを使用するTTAやTFAを調査する際には、トレッドミルベースのプロトコルを使用することは理想的ではありません。なぜなら、そのようなデバイスで使用される自動センサーは、固体/静止した表面を歩くために設定されているからです。したがって、静止していない表面を歩くと、これらのセンサーがデバイスの油圧シリンダーをトリガーして、抵抗を誤ったレベルに「自己調整」する可能性があります。

地上歩行中につまずきを誘発した以前の研究では、つまづきの乱れは、前方に現れた固い障害物に接触するリード肢によって引き起こされました。しかし、このような硬い物体を使用すると、衝撃力25による足部の傷害を引き起こす可能性がある。ここでは、足が何か固いものにぶつかる問題を回避する、揺れる手足をつまずかせる実験的なアプローチについて説明します。トリップ機構は、可動スプリング操作プレートのリリースを制御する電磁システムによって形成されています。電磁装置が作動しないと、歩道の片側に配置されたバネ式プレートが上に引っ張られ、歩行方向に垂直に配置されたポリプロピレンワイヤー(直径4mm)が浮き上がります。ワイヤーは歩道の反対側に固定され、0.1mの高さまで持ち上げられます。ダミーワイヤー(3〜4本、少なくとも1m間隔で配置)は、参加者がどのワイヤーが障害を引き起こすかを推測できないように、通路を横切って配置されています。実験者は、揺れる手足のつま先が外れた直後に、反対側の手足を地面、ワイヤーの少し前に配置して、電磁装置を手動で非アクティブ化します。したがって、ワイヤが浮き上がると、揺動セグメントは、中振相28で一貫して引っ掛かる。ミッドスイングフェーズが選択されました。これは、このフェーズでのスイングフットの水平速度が最大速度(CoM前進速度~3倍)に近く、地面からの最小クリアランスにあるため、実際の条件でほとんどのトリップが発生する期間であるためです。ワイヤーの高さ(つまり、0.1 m)は、足を一貫して(ほぼ靴ひも部分で)キャッチするのに十分です。この研究は、提案されたプロトコルが旅行障害を引き起こし、有意義で現実的な回復反応を誘発できるかどうかを確立することを目的としていました。現在のプロトコルでは、高レベルの切断がより複雑なケースを表し、転倒率が高いため、TTA のみが分析されました。

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プロトコル

本学の倫理委員会が手続きを承認し、参加者は参加前にインフォームド・コンセント・フォームに署名しました。

1. 参加者

注: 地元の切断者リハビリテーション センターに通う 1 人の経脛骨 (TTA) 切断者が招待され、研究に参加することに同意しました。参加者は自立して歩くことができました。除外基準は、バランスと可動性に影響を与える可能性のある切断以外の臨床状態でした(例:神経障害、整形外科障害、またはリウマチ性疾患)。義肢の継続的な痛み、幻肢痛、または褥瘡、および単純なコマンドの理解の困難さ(つまり、Mini-Mental StateExamination29の24ポイント未満)。さらに、参加者は現在の義肢について6年以上の経験を持っていました。

  1. 補綴物の詳細
    1. TTAに補綴物の詳細をリクエストしてください。義肢を使用したTTAの体験に注目してください。参加者が義肢を使用して歩く能力が高いことを確認します。
      注:TTAは、プロテーゼ、シリコン製サクションソケット(5つのシールリング付きシリコンライナー)、カーボンファイバー製の脚(Table of Materials)を使用しました。現在の義肢の使用経験は6年でした。切断は外傷によるもので、参加者はメディケア機能分類30に従ってレベルK4に分類されました。標準化された機能分類によれば、参加者は義肢を使用して歩く能力が高く、若く活動的な成人と見なされました31。

2. 実験手順

  1. 旅行を誘発するシステムを設計します。
    1. スプリングを電子的に解放してポリプロピレンワイヤー(直径4 mm、質量がわずか)を持ち上げ、中盤のスイングフェーズで後肢(音義肢または義肢)を捕らえるカスタムメイドのデバイスを構築します。
    2. システムを木箱に接続し、レバー(約10cm)を固定軸を中心に上向きに回転させます。ポリプロピレンワイヤーをレバーの端(軸から離して)に接続します。レバーを引っ張るバネを取り付けて、ポリプロピレンワイヤーを地面から約10cm持ち上げます。
      注意: ビデオ1 は、トリガーシステムと、トリップを引き起こすためのワイヤーの配置方法を示しています(補足図1 および 補足図2)。
  2. 安全ハーネスシステム
    注:参加者が歩いている間に旅行を誘発するには、安全対策を採用する必要があります。
    1. 参加者がポリエステルロープで頭上レールに取り付けられた全身ハーネスを着用していることを確認します。
    2. 参加者の身長に応じて安全ロープの長さを調整します。
      注:安全ロープ(直径11 mm)は、オーバーヘッドレールの内側(参加者の頭上約2 m)にある特別に設計された四輪装置に取り付けられています。安全ロープを参加者の身長に合わせて調整することで、旅行の妨害後にバランスを回復できなかった場合に、体の任意の部分(足を除く)が床に触れるのを防ぎます。さらに、オーバーヘッドレールの長さ(8 m)は、参加者の歩行が妨げられないようにするのに十分です( 補足図3を参照)。
  3. 実験手順
    1. 次の標準化された指示に従って、参加者に通常の速度で実験室を横切って歩き、参加者が通常行うのと同じように前を向くように依頼します:「見慣れた平坦な道を歩いているかのように自分のペースで歩道の端まで歩き、通常どおりに前を向く必要があります」。
    2. 参加者の開始点を調整して、反対側の(つまずかない)手足が開始位置から約4m離れたポリプロピレンワイヤーの少し前に地面に配置されるようにします。したがって、参加者は、トリップ障害を適用する前に、通常の速度で4〜5歩進むことができます。
      1. 参加者は、2ブロックのウォーキングを完了する必要があります。参加者に各ブロックで最大15回の歩行を実行させ、5回目 から15回 目の繰り返しの間につまずき/つまずきの乱れを適用します(ランダムに決定)。
      2. 旅行の妨害の後、参加者にそれ以上の繰り返しをさせないでください。
      3. 2番目のブロックでも同じ手順を繰り返し、最初のブロックでトリップした手足の反対側の手足をトリップさせるために使用されます。
        注意: 手足が塞がれる順序はランダムに割り当てられます。
      4. 歩行テストを開始する前に、何らかの障害が発生する可能性があることを参加者に伝えますが、つまずく可能性に関する具体的な情報は提供しないでください。代わりに、ある時点でバランスを失う可能性について参加者に伝えてください。
      5. バランスが乱れた場合は可能な限り回復し、可能であれば歩道の端まで歩き続けるように参加者に指示します。
    3. 反対側の(つまずかない)手足の足が地面に正しく配置されている(つまり、ワイヤーの少し前)場合にのみ、システムをトリガーします。参加者がワイヤーの前にステップした場合、ワイヤー上を歩いた場合、または足がワイヤーより前に出すぎている場合は、システムをアクティブにしないでください。これらの手順により、トリップ障害をミッドスイングフェーズで一貫して適用できるため、誤試行の可能性が減少します。
  4. システムが意味のある回復応答を誘発できるかどうかを評価します。
    注:この研究は、下肢切断者に予期しない旅行障害を引き起こすための実験的アプローチを開発することを目的としていました。このアプローチでは予期しないトリップが発生しますが、ダミー ワイヤの使用と実験室環境では、すべてのトリップがまったく予期しないものになると想定することはできません。1つのTTAから3Dキネマティックデータを収集および分析して、プロトコルが予期しないトリップを引き起こし、意味のあるトリップ/回復応答を誘発できるかどうかを確認しました。
    1. データ集録
      1. 移動が発生する場所の5m前に2つのスマートフォンを配置し、各ウォーキングトライアルを記録します。スマートフォンを歩行進行線に向け、約30°の角度でセットします。
      2. OneCapソフトウェアを使用して、60Hzでサンプリングし、両方のスマートフォンを同期させます。OneCapソフトウェアは、スマートフォンによって読み取られるコードを提供することにより、電話を同期します。その後、画像は自動的にコンピューターに保存され、リモート処理に転送されます。転送と再構築の成功は、ソフトウェアによって示されます。
        注:このソフトウェアは、物理的なマーカーなしで四肢のセグメントを自動的に認識して追跡し、ポーズ検出アルゴリズムは画像を変換して関節の中心を推定し、比較的正確な運動学的分析を提供します。処理後、OpenSimソフトウェアを使用してファイルを分析できます。
      3. 次に、画像を処理してOpenSimソフトウェア(バージョン4.4)に転送し、すべての運動学的解析を実行します。
        注:パイロットテストでは、トリップワイヤーが一部の物理的なマーカー(特に足に配置されたマーカー)を取り除くことが示されているため、マークレスシステムは有利です。キャプチャとデータ処理の相対的なメリットに関する議論は、現在のプロトコルの範囲を超えています。読者は、Uhlrichと同僚32 による研究を参照すべきである。
    2. データ処理と分析
      注:OpenSimは、筋骨格系のコンピューターモデルと動きの動的シミュレーションを構築、交換、および分析できる無料のソフトウェアパッケージです。詳細については、次のサイトをご覧ください:https://simtk.org/projects/opensim/。

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結果

この安全ハーネスシステムは、歩行に支障をきたさないと想定され、トリップリカバリー戦略がうまくいかなかった場合の転倒防止に有効であることが証明されました。また、傷害(皮膚擦り傷、打撲傷など)は報告されていません。スプリングの解放によって発生する騒音は、参加者がつまずくのを防げなかったため、介在する要因とは見なされませんでした。さらに、システムが作動した瞬間からワイヤーが衝突するまでの時間は約60ミリ秒でした。したがって、システムの活性化によって発生するノイズが発生した瞬間の間の時間は、トリップする前に揺れる肢の進路を変えるには不十分であると仮定された。最後に、トリップが適用された歩道内の位置(開始点から4m)により、参加者は外乱が適用される前の自然な歩行速度(0.91-0.98m・s-1)を達成することができました。

提示されたデータは、どちらの肢がつまずくか(音または義肢)に関係なく、TTAでトリップを誘発するシステムの機能を強調しています。2回のトリップが誘発され、成功裏に記録されました(つまり、各肢に1回ずつ)。システムは、スタンスフットがワイヤーのわずか...

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ディスカッション

本プロトコルは、経脛骨切断者に適用されるトリッププロトコルを説明するために設計された実験の予備的な結果をもたらすが、このようなアプローチは、他の切断者、例えば、旅行後にバランスを回復するのがより困難になる可能性が高い経大腿切断者にも安全に適用できる。このアプローチにより、予期せぬ誘発されたトリップに対応してバランスを取り戻すために実行された最も顕著なアクションを特定することができました。このプロトコルは、一般に、揺れる肢が地上の物体/障害物33に接触するときの現実世界のトリップシナリオを再現していると見なすことができる。しかし、試験中に義肢がトリップしたとき、参加者は義肢の遠位端をワイヤーから解放することができなかったことに気づきました。これは、ほとんどの障害が衝撃後すぐに除去される現実世界の状況では通常ではありません。結果を解釈する前に、読者は、提案されたプロトコルが実行可能であることを示すために分析が行われたことを思い出す必要があります。この調査は、旅行に対する反応の完全かつ包括的な特徴を調査したり、提供したりするため...

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開示事項

すべての著者は、利益相反を開示しています。

謝辞

本作業は、ブラジルの高等教育要員改善調整(CAPES) - 融資コード001の支援を受けて実施されました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
電磁プレートインテルブラスhttps://www.intelbras.com/en/set-of-supports-with-electro-magnetic-lock-fe-150-kt-741-prata電磁プレート 2枚(固定式と可動式)
全身安全ハーネス汎用N/A安全ロープ 11mm、参加者の頭上2mを走るレールに取り付けられ
インパクトゴーグル汎用N/A下部と側面のゴーグル1個エンドクロー
ジャー インシュレーターテープ3Mhttps://www.3m.com/3M/en_US/p/c/tapes/electrical/ptfe/ゴーグルの下端と側面の端で視界を遮るために使用されます
オープンポーズ OpenPosehttps://github.com/CMU-Perceptual-Computing-Lab/openposehttps://github.com/CMU-Perceptual-Computing-Lab/openpose 動き解析を行うオープンソフトウェア
です。https://simtk.org/projects/opensim/OpenSimは、いくつかの移動パラメータを分析するためのソフトウェアです
https://simtk.org/projects/opensim/ Polypropilene WireGenericN/A4 mm diameter 
トライガーシステムジェネリックN/Aトリガーシステムは、ワイヤーを地面から約10cm持ち上げるバネを引くバネで形成された自家製のデバイスで、
ビデオカメラApplehttps://apple.com 2台のスマートフォン(Appleモデル8と11)のビデオカメラが使用されました。
ています Open Poseは、Open Sim OpenSim

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