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방법 논문

하지 절단 환자의 트립을 유도하기 위한 실험적 접근 방식

763 조회수

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DOI:

10.3791/64570

⸱

2023년 9월 22일

 ,  ,  ,  , 
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

이 논문에서

요약

하지 절단 환자의 여행을 유도하기 위해 실험적 접근 방식이 개발되었습니다. 목표는 예상치 못한 트립을 만들고 의미 있는 트립/복구 응답을 유도하는 것이었습니다. 한 경골 절단 환자의 운동학적 데이터는 이러한 접근 방식이 반응성 트립 회복 반응을 효과적으로 이끌어낸다는 것을 확인했습니다.

초록

여행 후 균형을 다시 잡는 것은 하지 절단 환자에게는 어려운 일이며 종종 넘어지는 결과를 낳습니다. 여행 후 균형을 다시 잡는 효과의 효과는 절단 수준(경골 또는 경대퇴골) 또는 어떤 사지가 걸려 넘어졌는지(보철 또는 소리/리드 또는 후행)와 같은 요인에 따라 달라집니다. 회복 반응을 이해하면 넘어지는 것을 방지하기 위한 전략과 의수에 어떤 트립 응답 기능을 설계할 수 있는지 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다. 본 연구는 절단 환자에게 예상치 못한 발동을 유도하기 위한 실험적 접근법을 제시한다. 트립은 전자기 장치를 활성화하여 폴리프로필렌 와이어를 들어 올려 중간 스윙 단계에서 스윙하는 팔다리를 방해(거의 정지)함으로써 수동으로 트리거되었습니다. 천장 난간에 부착된 안전 벨트는 참가자들이 여행 후 균형을 다시 잡지 못했을 때(즉, 추락이 발생하지 않도록 방지) 지면에 부딪히지 않도록 했습니다. 한 경골 절단 환자는 15번 중 1번 정도는 예상되지 않는 여행을 유도하는 반복적인 보행 시험을 완료했습니다. OpenCap 소프트웨어를 사용하여 두 대의 스마트폰(60Hz)을 통해 3D 운동학을 측정했으며, 실험적 접근 방식이 어떤 팔다리가 걸려 넘어졌는지(보철 또는 소리)에 따라 의미 있는 트립/회복 반응을 유도한다는 점을 강조했습니다. 제시된 방법론은 단단한 장애물 사용을 피하여 잠재적으로 부상 위험을 줄일 수 있으며 저렴하고 설정하기 쉽습니다. 중요한 것은 보행의 중간 스윙 단계에서 여행이 예기치 않게 도입될 수 있도록 하여 실제 여행 회복 반응을 식별하기 위한 접근 방식을 제공한다는 것입니다. 건전한 사지에 걸려 넘어질 때 참가자는 발목을 발바닥으로 구부림으로써 트립 와이어에서 '풀릴' 수 있지만(트립 후) 의족을 트립할 때는 이러한 동작이 불가능했습니다.

서론

전 세계적으로 5,770만 명이 사지 절단을 하고 있는 것으로 추정되며, 그 중 ~65%는 하지 절단에서 발생합니다1. 하지 절단은 여러 요인(예: 급성 외상성 사건, 질병 진행, 건강 합병증, 생명을 구하는 수술 및 선천적 기형)에서 비롯될 수 있습니다. 이는 건강 상태가 좋지 않은 사람들의 높은 사망률 및 이환율과 관련이 있습니다2. 또한, 절단 후 이동성 회복은 독립적인 생활과 삶의 질을 회복하는 데 매우 중요하며, 보철물 사용자에게 가장 중요한 과제 중 하나입니다3.

절단 수술 후, 움직임의 한계는 운동 범위의 감소4, 근력 감소5, 균형 감각의 감소6를 동반하며, 절단되지 않은 사지7의 관절 퇴행을 초래할 수있다. 이러한 변화는 관련 낙상 위험 요인으로 설명됩니다8. 실제로, 하지 보철물 사용자는 일반인에 비해 낙상 가능성이 2배 더 높습니다9. 경경골 및 대퇴 경골 절단을 받은 사람의 약 40%와 80%는 적어도 1년에 한 번 낙상합니다 9,10. 낙상은 보행 중에 가장 자주 발생하며, 보행 능력이 제한된 절단 환자(노출에 따라 조정됨)는 넘어질 가능성이 6배 더 높고 부상을 입을 가능성이 8배 더 높습니다11. 또한 지난해 낙상을 경험한 하지 보철물 사용자는 다시 넘어질 확률이 13%입니다. 지난 6개월 동안 두 번의 낙상을 경험한 경우 확률은 28%로 상승합니다13. 따라서 넘어지는 것은 하지 절단 환자에게 우려되는 문제입니다.

걷는 동안 걸려 넘어지는 것은 보철 사용자의 낙상에 대한 주된 요인입니다. 여행 중, 흔들리는 팔다리의 갑작스런 중단이 있어서(예: 장애물 또는 고르지 않은 지형으로 인해) 지지 다리에서 몸체가 빠르게 앞으로 회전하고 큰 전방 추력14,15를 유발합니다. 의족 사용자의 경우 트립 후 균형을 유지/회복하는 것은 발목 또는 무릎 관절이 없고 관련 근육 조직, 감각 피드백 감소로 인해 훨씬 더 어려울 수 있습니다. 비틀거림에 대한 비효율적인 반응은 결국 넘어지는 것으로 이어질 수 있으며, 이는 심각한 신체적, 심리적, 사회적 결과를 초래할 수 있다16.

몇몇 연구는 비장애인 및 노인17,18,19,20을 위한 발걸음 회복 전략을 실험실에서 통제하는 시나리오에서 발을 헛디뎌 넘어지게 하는 회복 전략을 설명하는 데 초점을 맞추고 있다. 트립을 생성하기 위해 교란을 생성하기 위해 여러 가지 방법이 적용되었습니다. 발목에 부착된 로프를 사용하여 하지 세그먼트의 유각기 동안 하지 세그먼트를 방해하거나(21) 러닝머신을 걷는 사람 앞에 예기치 않게 배치된 장애물을 사용하는 것을 포함하여 트립 방해를 가하는 방법에는 여러 가지가 있습니다(20,22). 또한 일부 연구에서는 트레드밀 속도의 급격한 변화를 적용하여 동적 균형을 방해(즉, 비틀거림을 유발)했습니다23. 마지막으로, 다른 사람들은 수동으로 18,24,25 또는 자동으로22,26 위치에 있는 단단한 물체를 사용하여 흔들리는 팔다리를 방해하여 지상 보행 중에 여행 이벤트를 유발합니다.

이러한 전략을 노인에게 성공적으로 적용했음에도 불구하고, 하지 절단 환자에게 발을 유도한 연구는 소수에 불과했으며, 경대퇴골 절단 환자와 관련된 연구는 여전히 적었다 21,25,26. 예를 들어, 크렌쇼와 동료들은 땅에서 나타나도록 수동으로 활성화되는 숨겨진 단단한 장애물을 사용하여 땅 위를 걷는 동안 TFA에 걸려 넘어졌습니다. 그러나 이러한 장애물을 도입하는 방법은 기술적으로 까다롭기 때문에 재현하는 데 비용이 많이 들 수 있습니다. Shirota와 동료들은 참가자들이 발목에 부착된 로프를 사용하여 러닝머신 위를 걷는 동안 TFA에서 여행을 유도했습니다. 비록 넘어짐이 발생했음에도 불구하고, 밧줄을 사용하는 것은 참가자들이 자연스럽게 걷는 것을 방해할 수 있기 때문에 실험에 제한을 가할 수 있었다21. 보다 최근에 Eveld와 동료들은 통합 타겟팅 알고리즘을 사용하여 트레드밀 컨베이어 벨트에 강철 블록을 배치하여 물체가 스윙 단계의 여러 단계(초기, 중간, 늦은 스윙)에서 교란을 일으킬 수 있도록 함으로써 TFA를 트립했습니다26. 그러나 트레드밀 기반 프로토콜은 지상 보행 중 조건을 완전히 재현하지 못할 수 있습니다27. 트레드밀 기반 프로토콜을 사용하는 것은 마이크로프로세서로 제어되는 발-발목 또는 무릎 장치를 사용하는 TTA 또는 TFA를 조사할 때도 이상적이지 않은데, 이러한 장치에 사용되는 자동 센서는 단단한/고정된 표면에서 걷도록 설정되어 있기 때문입니다. 따라서 고정되지 않은 표면 위를 걸을 때 이러한 센서는 장치의 유압 실린더가 저항을 잘못된 수준으로 '자체 조정'하도록 트리거할 수 있습니다.

지상 보행 중 발을 유도한 이전 연구에서, 여행 방해는 납 팔다리가 그들 앞에 나타난 단단한 장애물에 부딪혀 발생했습니다. 그러나 이러한 단단한 물체를 사용하면 충격력(25)으로 인해 발 부상을 입을 수 있습니다. 여기에서는 발이 단단한 물체에 부딪히는 문제를 피하기 위해 흔들리는 팔다리를 넘어뜨리는 실험적 접근 방식을 설명합니다. 트리핑 메커니즘은 가동 가능한 스프링 작동식 플레이트의 방출을 제어하는 전자기 시스템에 의해 형성됩니다. 전자기 장치가 비활성화되면 통로의 한쪽에 위치한 스프링 작동판이 위로 당겨져 보행 방향에 수직으로 배치된 폴리프로필렌 와이어(직경 4mm)를 올립니다. 와이어는 통로의 반대쪽에 고정되고 0.1m 높이로 올라갑니다. 더미 와이어(3-4개, 최소 1m 간격)는 참가자가 어떤 와이어가 방해를 일으킬지 추측할 수 없도록 통로를 가로질러 배치됩니다. 실험자는 흔들리는 팔다리가 발가락이 떨어진 직후 반대쪽 팔다리가 전선보다 약간 앞쪽에 위치한 지면에 전자기 장치를 수동으로 비활성화합니다. 그러므로, 와이어가 올라갈 때, 스윙 세그먼트는 중간 스윙 단계(28) 동안 일관되게 잡힌다. 중간 스윙 단계가 선택된 이유는 이 단계에서 스윙하는 발의 수평 속도가 최대(CoM 전진 속도의 ~3배)에 가깝고 지면에서 최소 간격에 있기 때문에 대부분의 트립이 실제 조건에서 발생하는 기간입니다. 와이어의 높이(즉, 0.1m)는 발이 일관되게 걸릴 수 있도록 하기에 충분합니다(대략 신발 끈 영역에서). 이 연구는 제안된 프로토콜이 여행 방해를 일으키고 의미있는/실제 회복 반응을 유도할 수 있는지 확인하는 것을 목표로 했습니다. 본 프로토콜에서는 TTA만 분석되었는데, 이는 더 높은 수준의 절단이 더 복잡한 사례를 나타내고 더 높은 낙상률을 나타내기 때문입니다.

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프로토콜

대학의 윤리 위원회는 절차를 승인했으며 참가자는 참여하기 전에 정보에 입각한 동의서에 서명했습니다.

1. 참가자

참고: 지역 절단 환자 재활 센터에 다니는 경골(TTA) 절단 환자 한 명을 초대하여 연구에 참여하기로 동의했습니다. 참가자는 독립적으로 걸을 수 있었습니다. 제외 기준은 절단 이외의 균형 및 이동성에 영향을 미칠 수 있는 임상 상태(예: 신경학적, 정형외과적 또는 류마티스 질환)였습니다. 의수족에 대한 지속적인 통증, 환상통 또는 욕창, 간단한 명령을 이해하는 데 어려움(예: 간이 정신 상태 검사에서 24점 미만29). 또한 참가자는 현재 의수에 대해 6년 이상의 경험을 가지고 있었습니다.

  1. 보철 세부 사항
    1. TTA에 보철 세부 정보를 요청하십시오. 의족에 대한 TTA의 경험에 주목하십시오. 참가자가 의족을 사용하여 걸을 수 있는 능력이 높은지 확인하십시오.
      참고: TTA는 보철물, 실리콘 흡입 소켓(5개의 밀봉 링이 있는 실리콘 라이너) 및 탄소 섬유 다리(재료 표)를 사용했습니다. 현재 보철물에 대한 경험은 6년이었습니다. 절단 수술은 외상으로 인한 것이었으며, 참가자는 메디케어 기능 분류30에 따라 K4 등급으로 분류되었습니다. 표준화된 기능 분류에 따르면, 참가자는 의족을 사용하여 걸을 수 있는 능력이 높았으며, 활동적인 청년 성인으로 간주되었다31.

2. 실험 절차

  1. 트립을 유도하는 시스템을 설계합니다.
    1. 스프링이 전자적으로 해제되어 폴리프로필렌 와이어(직경 4mm, 질량은 무시할 수 있음)를 들어 올려 중간 스윙 단계에서 후행 사지(소리 또는 의수)를 잡는 맞춤형 장치를 구성합니다.
    2. 레버(약 10cm)를 고정된 축을 중심으로 위쪽으로 회전할 수 있는 나무 상자에 시스템을 연결합니다. 폴리프로필렌 와이어를 레버 끝(축에서 멀어짐)에 연결합니다. 레버를 당기는 스프링을 설치하여 폴리프로필렌 와이어를 지면에서 약 10cm 들어 올립니다.
      알림: 비디오 1 은 트리거 시스템과 와이어가 트립을 일으키기 위해 어떻게 배치되었는지 보여줍니다(보충 그림 1 및 보충 그림 2).
  2. 안전 하네스 시스템
    참고: 참가자가 걷는 동안 여행을 유도하려면 안전 조치를 취해야 합니다.
    1. 참가자가 폴리에스테르 로프를 통해 오버헤드 레일에 부착된 전신 하네스를 착용하는지 확인합니다.
    2. 참가자의 키에 따라 안전 로프의 길이를 조정하십시오.
      알림: 안전 로프(직경 11mm)는 오버헤드 레일(참가자의 머리 위 약 2m) 내부에 있는 특별히 설계된 4륜 장치에 부착되어 있습니다. 참가자의 키에 맞게 안전 로프를 조정하면 트립 방해 후 균형을 회복하지 못할 경우 발을 제외한 신체 일부가 바닥에 닿지 않도록 할 수 있습니다. 또한, 오버헤드 레일의 길이(8m)는 참가자의 보행에 방해가 되지 않도록 하기에 충분합니다( 보충 그림 3 참조).
  3. 실험 절차
    1. 다음의 표준화된 지침에 따르면, 참가자에게 평소의 속도로 실험실을 가로질러 걸어가며 참가자가 평소처럼 앞을 내다보도록 요청합니다: "익숙하고 평평한 거리를 걷는 것처럼 자신의 페이스로 산책로 끝까지 걸어가야 하며, 평소처럼 앞을 내다보아야 합니다."
    2. 참가자의 시작점을 조정하여 반대쪽(걸려 넘어지지 않은) 팔다리가 시작 위치에서 약 4m 떨어진 폴리프로필렌 와이어보다 약간 앞선 지면에 위치하도록 합니다. 따라서 참가자는 여행 방해를 적용하기 전에 일반적인 속도로 4-5걸음을 걸을 수 있습니다.
      1. 참가자는 두 블록의 걷기를 완료해야 합니다. 참가자가 각 블록에서 최대 15번의 걷기를 수행하도록 하고 5번째 반복과 15번째 반복 사이에 비틀거리기/넘어짐 방해가 적용되도록 합니다(무작위로 결정됨).
      2. 여행에 소란을 피운 후에는 참가자가 더 이상 반복하지 않도록 합니다.
      3. 첫 번째 블록에서 걸려 넘어진 팔다리와 반대쪽 팔다리를 트립하는 데 사용되는 두 번째 블록에서 동일한 절차를 반복합니다.
        참고: 팔다리가 막히는 순서는 무작위로 할당됩니다.
      4. 보행 테스트를 시작하기 전에 참가자에게 약간의 방해가 발생할 수 있음을 알리지만 걸려 넘어질 가능성에 대한 구체적인 정보는 제공하지 마십시오. 대신, 참가자에게 어느 시점에서 균형을 잃을 가능성에 대해 알립니다.
      5. 참가자에게 균형 방해가 가해질 경우 가능한 한 최선을 다해 회복하고, 가능하면 통로 끝까지 계속 걷도록 지시합니다.
    3. 반대쪽(걸려 넘어지지 않은) 팔다리의 발이 지면에 올바르게 위치할 때(즉, 와이어보다 약간 앞서) 시스템을 트리거합니다. 참가자가 와이어보다 먼저 발을 내딛거나 와이어에서 발을 밟거나 발이 와이어보다 너무 멀리 있는 경우 시스템을 활성화하지 마십시오. 이러한 절차를 통해 중간 스윙 단계에서 트립 방해를 일관되게 적용하여 오심의 가능성을 줄일 수 있습니다.
  4. 시스템이 의미 있는 회복 반응을 유도할 수 있는지 평가합니다.
    참고: 이 연구는 하지 절단 환자에게 예상치 못한 여행 장애를 일으키는 실험적 접근 방식을 개발하는 것을 목표로 했습니다. 이 접근 방식은 예기치 않은 트립을 유발하지만 더미 와이어의 사용과 실험실 환경으로 인해 모든 트립이 완전히 예상치 못한 것이라고 가정할 수 없습니다. 하나의 TTA에서 3D 운동학적 데이터를 수집 및 분석하여 프로토콜이 예기치 않은 트립을 생성하여 의미 있는 트립/복구 응답을 유도할 수 있는지 확인했습니다.
    1. 데이터 수집
      1. 여행이 발생하는 곳에서 5m 앞에 두 대의 스마트폰을 배치하고 각 도보 시도를 기록하는 데 사용합니다. 스마트폰이 보행 진행선을 향하도록 약30o 각도로 설정합니다.
      2. OneCap 소프트웨어를 사용하여 60Hz에서 샘플링하여 두 스마트폰을 동기화합니다. OneCap 소프트웨어는 스마트폰에서 읽을 수 있는 코드를 제공하여 전화기를 동기화합니다. 그런 다음 이미지는 자동으로 컴퓨터에 저장되고 원격으로 처리되도록 전송됩니다. 전송 및 성공적인 재구성은 소프트웨어에 의해 표시됩니다.
        참고: 이 소프트웨어는 물리적 마커 및 포즈 감지 알고리즘 없이 팔다리 세그먼트를 자동으로 인식 및 추적하고, 이미지를 변환하여 관절 중심을 추정하고, 비교적 정확한 운동학적 분석을 제공합니다. 처리 후 OpenSim 소프트웨어를 사용하여 파일을 분석할 수 있습니다.
      3. 그런 다음 이미지를 처리하고 OpenSim 소프트웨어(버전 4.4)로 전송하여 모든 운동학 분석을 수행합니다.
        참고: 파일럿 테스트에서 트립 와이어가 일부 물리적 마커(특히 발에 배치된 마커)를 제거하는 것으로 나타났기 때문에 마크가 없는 시스템이 유리합니다. 캡처 및 데이터 처리의 상대적 장점에 관한 논의는 본 프로토콜의 범위를 벗어납니다. 독자는 더 많은 정보를 위해 Uhlrich와 동료들의 연구(32 )를 참조해야 한다.
    2. 데이터 처리 및 분석
      참고: OpenSim은 근골격계의 컴퓨터 모델과 움직임의 동적 시뮬레이션을 구축, 교환 및 분석할 수 있는 무료로 사용할 수 있는 소프트웨어 패키지입니다. 자세한 내용은 다음 사이트에서 확인할 수 있습니다. https://simtk.org/projects/opensim/.

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결과

안전 하네스 시스템은 보행에 방해가 되지 않는 것으로 간주되었으며 넘어짐 복구 전략이 성공하지 못했을 때 넘어지는 것을 방지하는 데 효과적인 것으로 입증되었습니다. 또한 부상(예: 피부 찰과상, 타박상)은 보고되지 않았습니다. 스프링의 방출로 인해 발생하는 소음은 참가자들이 걸려 넘어지는 것을 막지 않았기 때문에 개입 요인으로 간주되지 않았습니다. 또한 시스템이 활성화된 순간과 전선에 충격이 가해진 시점 사이의 시간은 약 60ms였습니다. 따라서, 시스템 활성화에 의해 생성된 소음이 발생하는 순간 사이의 시간은 트립되기 전에 스윙하는 팔다리의 경로를 변경하기에 충분하지 않다고 가정했습니다. 마지막으로, 여행이 적용된 산책로 내의 위치(출발 지점에서 4m)는 참가자가 방해가 적용되기 전에 자연스러운 보행 속도(0.91-0.98m·s-1)를 달성할 수 있도록 했습니다.

제시된 데이터는 어떤 팔다리가 걸려 넘어졌는지(소리 또는 보철물)에 관계없이 TTA에서 여행을 ...

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토론

본 프로토콜은 경골 절단 환자에게 적용된 트립 프로토콜을 설명하기 위해 고안된 실험의 예비 결과를 제공하지만, 이러한 접근법은 트립 후 균형을 회복하는 데 더 큰 어려움을 겪을 가능성이 있는 다른 절단 환자, 예를 들어 경대퇴 절단 환자에게도 안전하게 적용될 수 있습니다. 이 접근 방식을 통해 예기치 않게 유도된 트립에 대한 대응으로 균형을 되찾기 위해 실행된 가장 뚜렷한 행동을 식별할 수 있었습니다. 프로토콜은 일반적으로 흔들리는 팔다리가 지상 기반 물체/장애물33과 접촉할 때 실제 트립 시나리오를 복제하는 것으로 간주될 수 있습니다. 그러나 시험 기간 동안 의수가 걸려 넘어졌을 때 참가자가 의족의 말단부를 와이어에서 분리할 수 없다는 사실이 밝혀졌는데, 이는 대부분의 장애가 충격 후 즉시 제거되는 실제 조건에서는 일반적이지 않습니다. 결과를 해석하기 전에 독자는 제안된 프로토콜이 실현 가능하다는 것을 보여주기 위해 분석이 ...

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공개 사항

모든 저자는 이해 상충을 공개했습니다.

감사의 글

본 작업은 브라질 CAPES(Coordination for the Improvement of Higher Education Personnel - Brazil) - 자금 조달 코드 001의 지원으로 수행되었습니다

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
전자기판Intelbrashttps://www.intelbras.com/en/set-of-supports-with-electro-magnetic-lock-fe-150-kt-741-prata2개의 전자기판(고정식 및 이동식)
전신 안전 하네GenericN/A참가자의 머리 위 2m 레일에 부착된 안전 로프 11mm
임팩트 고글일반N/A아래쪽과 옆쪽이 있는 고글 1개 엔드 클로저
절연 테이프3Mhttps://www.3m.com/3M/en_US/p/c/tapes/electrical/ptfe/고글의 하단 및 측면 가장자리에서 시야를 방해하는 데 사용됨
오픈 포즈 OpenPosehttps://github.com/CMU-Perceptual-Computing-Lab/openposeOpen Pose는 Open Sim OpenSim을 https://github.com/CMU-Perceptual-Computing-Lab/openpose 움직임 분석을 위한 개방형 소프트웨어입니다
. https://simtk.org/projects/opensim/OpenSim은 여러 이동 매개변수를 분석하는 소프트웨어입니다 https://simtk.org/projects/opensim/
Polypropilene WireGenericN/A4 mm diameter 
Triger 시스템일반N / A방아쇠 시스템은 전선을지면 약 10cm 위로 올리는 레버를 당기는 스프링으로 형성된 집에서 만든 장치였습니다
비디오 카메라애플https://apple.com두 스마트 폰 (애플 모델 8 및 11)의 비디오 카메라가 사용되었습니다.
스

참고문헌

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