Abstrakt
Walking är bara en av många dagliga aktiviteter som utförs av patienter efter total knäbyte (TKR). Syftet med denna studie var att undersöka hypoteserna (a) att ämnesaktivitetsegenskaper är korrelerade med knäböjningsomfång (ROM) och (b) att det finns en signifikant skillnad mellan ämnets flexion/förlängningsutflykt under hela dagen och den ISO-specificerade ingången för knäslitningstestning., För att karakterisera aktiviteten samlades antalet gång-och trappsteg, tiden som spenderades med dynamiska och stationära aktiviteter, antalet aktivitetssekvenser och knäböjnings – /förlängningsutflykten av 32 TKR-ämnen under daglig aktivitet. Flexion / extension profiler jämfördes med ISO 14243 simulator ingångsprofil med hjälp av en nivå korsning klassificeringsalgoritm. Ämnen tog i genomsnitt 3102 (intervall: 343-5857) gångcykler inklusive 65 (intervall: 0-319) trappsteg., Aktiva och passiva ROM-skivor var positivt korrelerade med trappgångstid, trappsteg och trappsteg. Simulerad knärörelse enligt ISO visade signifikant färre nivåkorsningar vid flexionsvinklarna 20-40 ° och bortom 50 ° än de som uppmätts med bildskärmen. Detta tyder på att implantatet slitage testprotokoll bör innehålla fler cykler och en mängd olika aktiviteter som kräver högre knä böjningsvinklar med införlivade vila/övergångsperioder för att ta hänsyn till de många aktivitetssekvenser.
1., Inledning
Total knäledsplastik (TKR) kirurgi har blivit den vanligaste totala artroplastisk förfarande i USA med över 650 000 operationer som utförs under 2010 och stiger till en förväntad 1.4 miljoner årliga operationer av 2020 . Dessutom utförs tkr-operationer alltmer på yngre och mer aktiva patienter . I denna patientgrupp kan polyetenslitage vara en begränsande faktor för livslängd . När det gäller höften bidrar slitpartiklar som genereras under glidning till osteolys och efterföljande lossning av protesen ., Eftersom detta är en av de vanligaste orsakerna till revidering i TKR är preklinisk slitprovning ett viktigt steg innan någon ny TKR-enhet släpps ut på marknaden.
State-of-the-art knä slitage testning utförs enligt ISO-standarderna 14243-1 och / eller 14243-3 . Dessa standardiserade protokoll efterliknar förmodligen knäprotesens kinematiska och kinetiska förhållanden in vivo under sin livstid. Inmatningen för tkr wear testing specificeras som en sekvens av gångcykler som kontinuerligt upprepas vid Hz tills 5 miljoner cykler uppnås., Detta, som vanligt antas, representerar protesens livslängd på cirka fem år in vivo. Faktum är att flera aktivitetsstudier på patienter med total höft-och/eller knäbyte visade att försökspersonerna går i genomsnitt mellan 0,9 och 1,4 miljoner gångcykler årligen .
promenader är dock bara en av många dagliga aktiviteter som utförs av patienter efter TKR. Andra vanliga aktiviteter inkluderar stillastående med relaterade start / stopp manövrar, trappa uppstigning/nedstigning, stol sittande och stigande, liggande att vila, och en mängd olika fritidsaktiviteter., Att inkludera kinematiska och kinetiska egenskaper hos dessa aktiviteter i slitprovning kan därför leda till en mer realistisk simulering av slitage. Bättre överenskommelse mellan slitmönster på simulatortestade proteser och de som observerades på hämtade exemplar uppnåddes efter att ha införlivat trapphöjning i testprotokollen . För TKR-försökspersoner är dock varaktigheten och frekvensen av dessa ytterligare aktiviteter okända. Syftet med studien var därför att beskriva frekvensen och varaktigheten av den dagliga fysiska aktiviteten hos tkr-ämnen under en 12-timmars dag med hjälp av elektrogoniometri., Dessutom valde vi att följa knäprotesens flexion / förlängningsutflykt hela dagen, eftersom flexion / förlängningsrörelse är en inmatningsvariabel för knäsimulatorn, som direkt påverkar glidavståndet och därmed slitage. Flexion / extension utflykt är också intressant ur klinisk synvinkel: aktiv och passiv knä flexion ROM är indikatorer på en patients funktionella status, och knä ROM används ofta för att utvärdera TKR kirurgi och rehabiliteringsprogram ., Även om TKR ROM har visat sig okorrelerat med patienttillfredsställelse och upplevd förbättring av livskvaliteten , är det okänt om TKR ROM är associerad med aktivitetsprofil. Vi hypoteser att (A) ämnesaktivitetsegenskaper är korrelerade med knäböjningsomfång (ROM) och (b) Det finns en signifikant skillnad mellan ämnets flexion/förlängningsutflyktrörelse och ISO 14243-simulatoringången.
2. Ämnen och metoder
2.1., Ämnespopulation
fyrtio ämnen rekryterades från en stor ortopedisk praxis (Midwest Ortopedi, Chicago, IL) specialiserad på gemensam ersättningskirurgi. Studien godkändes av institutionsstyrelsen, och alla ämnen gav informerat samtycke. Potentiella ämnen identifierades från en databas över alla patienter som hade fått en TKR på sjukhuset. Alla deltagare uppfyllde följande inklusionskriterier: efter att ha fått ett primärt tkr-implantat av en enda design (Miller-Galante eller MGII, Zimmer Inc.,, Warszawa, i, USA), med knä i utmärkt skick som bestäms av senaste uppföljningen, att kunna gå utan hjälpmedel, och att kunna leva och fungera självständigt i sitt hem. Uteslutningskriterierna var följande:tidigare eller nuvarande historia av en neurologisk sjukdom; andra medicinska tillstånd som påverkar deras fysiska funktion; tidigare revisionskirurgi. Sex försökspersoner uteslöts från analysen på grund av kabel-eller anslutningsfel hos den elektroniska datainspelningsanordningen och två försökspersoner uteslöts på grund av andra tekniska fel som avkortade aktivitetsdata., Data för de återstående 32 personerna inkluderades i analysen (Tabell 1).
2.2. Activity Monitor
activity monitor används hårdvara som infördes av Morlock et al. och en bärbar datalogger som samlar in data från tre sensorer vid 30 Hz. Två lutningssensorer registrerade sagittalplanet lår och skaft lutningar. En goniometer som förbinder de två apparatsegmenten mätte knäböjningsvinkeln (Figur 1). Anordningen vägde mindre än 100 g och hämmade inte rörelsen. Vanliga kläder användes över enheten.,
data strömmades till ett minneskort inbäddat i dataloggaren. Efterbehandlingskoden skrevs i MATLAB (MathWorks, Inc., Natick, MA, USA)., Dynamiska aktiviteter klassificerades i promenader, trappsteg (stigande och fallande kombinerade) och okända aktiviteter baserade på ett mönsterigenkänningsprogram som tidigare skrivits och anpassats för tkr av Hänni et al. . Nedre och övre flexionsvinkelgränser för aktivitetsigenkänning har ställts in manuellt för varje ämne med hjälp av data som tagits under en kalibrering (Figur 2). Stationär aktivitet, t.ex. liggande, sittande och stående, identifierades som en period med låret och skaftet lutningssensorerna kvar inom ett ±4° intervall under minst 1.,2 sekunder och klassificerades vidare baserat på Lemmens lutning (Tabell 2).,>Minimum duration
produktionen av analysprogramvaran inkluderade antalet sekvenser för varje aktivitet, tiden för varje sekvens, den totala tiden för varje aktivitet och antalet cykler för nivå och trappgång. En sekvens definierades som en kontinuerlig aktivitet inom sina respektive gränsförhållanden. Alla data normaliserades till 12 timmar för att möjliggöra jämförelse mellan försökspersoner.
2.3., Övervaka validering
tjugo av 32 ämnen filmades i ungefär två minuter (minuter) medan du utför sekvenser av sittande, stående, liggande, promenader och stigande och fallande trappor (samtidig aktivitet Övervaka inspelning). Fyra ämnen filmades i 53-95 minuter medan de utförde rutinmässiga dagliga aktiviteter. Två blinda observatörer, som annars inte deltog i studien, tittade självständigt på videon., Antalet cykler som gick eller klättrade räknades; tider som spenderades med att ligga ner, sitta, stå, gå och trappa steg mättes; stationära, dynamiska och totala aktivitetstider beräknades. Eftersom korrelationskoefficienten för intraclass (ICC) mellan de två observatörerna varierade från 0,86 för att ligga ner till värden som var större än 0,99 för trappsteg, var observatörernas mätningar därefter genomsnittliga för både korta och Långa videor. Observatörsgenomsnittet användes sedan för jämförelse med de data som härrör från monitorn.,
ingen systematisk förskjutning mellan video-och aktivitetsmätarmätningar upptäcktes. För de korta videoklippen överskred ICCs för alla parametrar, med undantag för sittande tid (ICC = 0,60), 0,8 (intervall: 0,80 till 0,98). För de långa videoklippen överskred ICCs 0.9 för alla parametrar (tabell 3). Den höga ICC för sittande tid mätt från längre videor (ICC = 0.98) bekräftade bildskärmens verktyg för att spåra denna aktivitet i fältet.,
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.4., Testproceduren
under en kort klinisk undersökning av ämnena (hemma) av en licensierad fysioterapeut, höjd och vikt samt aktiv och passiv knäböjningsrörelse (ROM) mättes. Dubbelsidig kardborreband (Velcro Inc. Manchester, NH, USA) och Elastikon athletic band (Johnson & Johnson Inc., New Brunswick, NJ, USA) användes för att fästa Aktivitetsmonitorn på ämnenas hud., En elastisk rörstrumpa drogs över det drabbade benet för att förhindra att enheten kläms mot tyg och för att skydda kablarna från sammanfogning. Före datainsamlingen utförde varje ämne ett aktivitetskalibreringsprotokoll bestående av sittande, stående, nivåvandring och trappvandring, under vilken ämnet filmades och sensordata registrerades. Därefter startades aktivitetsövervakningen för att påbörja den faktiska datainsamlingen., Kalibreringsproceduren upprepades innan monitorn lossnade i slutet av datainsamlingen för att upptäcka potentiell sensorförskjutning eller andra förändringar. Ämnen ombads att hålla en dagbok över sin verksamhet och att följa sina vanliga aktivitetsmönster under hela dagen. Datainsamlingen initierades så tidigt som 30 minuter av ämnets vakna tid och slutade så sent som sängtid för att fånga data i cirka 12 timmar.
2, 5., Jämförelse av TKR Flexion/Extension Excursions med ISO-Simulatorprofilen
tkr flexion/extension curves från försökspersonerna jämfördes med flexion / extension curve som anges i standard ISO-standarden med hjälp av begreppet ” level crossings.”Med hänvisning till ett diagram över knäböjning (-axel) mot procent gångcykel (-axel) är en nivåkorsning en punkt där böjnings – /förlängningskurvan korsar den horisontella linjen som betecknar en angiven knävinkelnivå (Figur 3). När böjnings – / förlängningskurvan går upp och ner kan det finnas noll till flera sådana korsningar för varje vinkelnivå., Antalet nivåkorsningar för ISO-böjnings – /förlängningskurvan och för böjnings – /förlängningskurvan för varje ämne räknades vid vinkelnivåerna. Endast uppåtgående korsningar räknades (Figur 3). Om man antar ett identiskt antal vandringscykler per dag jämfördes de ISO-simulerade knäböjnings – /förlängningsnivåkorsningarna nu med TKR-ämnenas.
2.6. Statistisk analys
alla statistiska tester utfördes i SPSS Version 16.0 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA). Efter normalisering till 12 timmar beräknades medel-och standardavvikelserna för den relativa tid som spenderades med varje aktivitet, de förekommande sekvenserna för varje aktivitet och antalet steg för nivåvandring och trappvandring., Linjära regressionsmodeller användes för att identifiera föreningar mellan dessa monitorderiverade värden och ämnesegenskaper, inklusive tidigare kirurgi, BMI, höjd, massa, ålder och aktiv och passiv ROM. Ett provtest användes för att upptäcka signifikanta skillnader i antalet nivåövergångar mellan in vivo-aktivitetsdata och värdet för ISO-standarden på varje vinkelnivå. Signifikansnivån för alla statistiska tester fastställdes till 0,05. Bonferroni-korrigeringen tillämpades för tester med flera jämförelser.
3., Resultat
den genomsnittliga totala testtiden var timmar (intervall: 8.1–13.0 timmar) varav timmar identifierades som stationära aktiviteter och timmar bestod av dynamiska aktiviteter. Resten av timmarna kunde inte tilldelas av analysprogramvaran och märktes ”okänt.”Den oftast utförda aktiviteten, enligt sekvensantal, stod, följt av nivåvandring, sittande, trappvandring och liggande (Tabell 4). Försökspersoner utförde i genomsnitt vandringscykler per 12 timmars daglig aktivitet, av vilka var trappcykler (2,1%) (Tabell 4)., Antalet gångcykler korrelerade med antalet gångsekvenser (;). I genomsnitt tog ämnen gångcykler per gångsekvens. Ämnen tillbringade betydligt mer tid att sitta än att utföra någon annan aktivitet(Tabell 4;). Ämnen tillbringade betydligt mindre tid att gå än stående (Tabell 4; ).
aktiv knäböjning ROM (mätt under den kliniska undersökningen) korrelerade med trappgångstid (,), trappsteg (,) och trappsteg (,)., På samma sätt, passiv knäböjning ROM korrelerade med trappa gångtid (,), trappa gång räknas (,), och trappa gångsekvenser (,). Tiden mellan kirurgi och aktivitetsanalys korrelerade inte med någon av de funktionella variablerna. Ingen statistiskt signifikant skillnad mellan kvinnliga och manliga försökspersoner sågs för någon av variablerna, med undantag för höjd ().
klassificeringen för nivåkorsning visade att populationen som helhet korsade flexionsnivåer från 0° till 140° som approximerar en log-normal fördelning (Figur 4)., Den 20° flexion nivå korsades oftast med ett genomsnitt av korsningar. 140° nivå korsades minst, i genomsnitt endast nivå korsningar i dag. Men inte alla TKR-ämnen korsade alla nivåer under daglig aktivitet. 0° – nivån korsades av 20 ämnen (men endast med sex vid ett relevant antal >100) och 140° – nivån korsades av endast tre ämnen. Alla TKR ämnen korsade nivåer mellan 10° och 70°. Det fanns en signifikant korrelation mellan försökspersonernas maximala nivå korsade och den uppmätta aktiva eller passiva ROM ().,
intervallet av korsade nivåer för ISO var mycket mindre (0° till 50°) efter en icke-normal fördelning. Om man jämför det med ämnesdata skiftades plankorsningsmönstret till vänster (dvs. mot lägre böjningsvinklar, se Figur 4). De flesta nivåkorsningar hittades för 10 ° – vinkeln (istället för 20° – vinkeln). Bortom 50° vinkeln fanns inga korsningar alls. Det genomsnittliga antalet korsningar var högre för ämnespopulationen vid alla böjningsvinklar utöver 10°. Detta fynd var signifikant (), med undantag för 50° – vinkeln (Figur 4).
4., Diskussion
denna studie ger information om frekvensen och varaktigheten av dagliga fysiska aktiviteter som utförs av TKR-patienter under en 12-timmars dag. Ämnen tillbringade större delen av tiden sittande, följt av stående och promenader. Det stora antalet aktivitetssekvenser (genomsnittligt totalt antal sekvenser: 2489) indikerar att vanliga dagliga aktiviteter som stående är blandade med frekventa övergångar mellan aktiviteter som resulterar i att implantatets in vivo-lastprofiler ständigt förändras. Mer tydliga sekvenser av stående registrerades än av någon annan aktivitet., Resultaten tyder på att stående är ett gemensamt vilotillstånd mellan olika dynamiska aktiviteter. I simuleringsexperiment av totala höftled ökade viloperioder startfriktionen, vilket indikerar smörjmedelssvält, vilket potentiellt ledde till ökat slitage . Resultaten av denna studie tyder på att en viloperiod teoretiskt bör inkluderas på simulatorn var 8.2-cykler för att korrekt återspegla den dynamiska aktivitetsprofilen för promenader., Ämnen som tog fler gångcykler gjorde det under ett större antal sekvenser, och antalet gångcykler per sekvens visade en relativt liten variation. Dessa resultat tyder på att slitprofiler för mer aktiva patienter kan simuleras genom längre testtider.
det totala antalet vandringscykler som tas per dag i denna ämnespopulation ligger inom de intervall som rapporteras i litteraturen., En ny metaanalys av Naal och Impellizzeri, som inkluderade 2460 patienter med total gemensam ersättning (sammanfattande data från 26 pedometer/accelerometer studier), fann ett vägt medelvärde på 3360 (95% CI: 2872-3849) gångcykler per dag. Detta kan jämföras med vårt eget genomsnitt på 3102 gångcykler per dag, särskilt om den något äldre åldern för vår ämnesbefolkning beaktas. Numret håller också med en annan metaanalys av friska individer: Bohannon hittade 3250 vandringscykler hos individer över 65 år., Eftersom våra TKR-patienter förväntas ta miljoner gångcykler per år, inklusive cirka 23 700 trappsteg, är de dock mer aktiva än vad som normalt antas i slitage simuleringar. I allmänhet observerades en stor variation i aktivitet och stegmönster mellan försökspersoner. Den mest aktiva patienten beräknas ta 2,33 miljoner gångcykler per år, inklusive 116,000 trappsteg. Liknande resultat har rapporterats för patienter efter total höftledsartroplastik ., Den stora variationen i antalet vakningscykler per dag tyder på att resultaten från slitagetester endast är representativa för vissa ämnen och att större totala antal cykler per slitagetest behövs för att simulera slitagemönster för mer aktiva patienter.
Flexion ROM är en viktig resultatvariabel i TKR eftersom många dagliga aktiviteter är beroende av den. Som nyligen sammanfattats av Fu et al. , en högre ROM än promenader är nödvändig för trappa eller stol manövrar (90°-120°), knästående eller huk (110°-165°), badkar användning (135°), och trädgårdsarbete (>150°)., Inte överraskande var det i denna studie en hög korrelation mellan den maximala flexionsvinkeln mätt under daglig aktivitet och ROM mätt under klinisk undersökning. Intressant, ämnen med större aktiv och passiv knäböjning ROM tillbringade också mer tid nivå promenader och trappsteg. Det är dock oklart om mer aktiva patienter hade större knäböjning ROM eftersom de var mer aktiva eller om större knäböjning ROM underlättade en större aktivitetsnivå., Likväl bör sambandet mellan knäflexion ROM och aktivitetsnivå beaktas under rehabiliteringsprogram efter tkr-operation. Resultaten är också intressanta i samband med den pågående debatten om användbarheten av knäimplantat med hög böjning . Baserat på dessa data kan aktiva patienter mycket väl dra nytta av det. Framtida studier som jämför högflexion och standard TKR bör därför stratifiera för aktivitetsnivå för att bryta dödläget.,
plankorsanalysen för aktiviteter under en 12-timmarsperiod avslöjade ett stort antal knäböjningar under dagliga aktiviteter. Den vanligaste korsade vinkeln var 20 ° knäböjning i vår ämnespopulation och vissa ämnen böjde sitt protetiska knä upp till 140°. Däremot var den mest korsade vinkeln enligt ISO 14143-standarden 10° knäböjning med en maximal knäböjningsvinkel som korsade vid 50°., Även om det är välkänt att ISO-standarden är representativ för vandringsaktiviteter, visar resultaten av denna studie tydligt att de knäböjningsområden som upplevs in vivo inte är fullt representerade av ISO-profilen. Därför har ASTM F04-kommittén blivit aktiv i utvecklingen av en standardguide, som kommer att omfatta andra lastprofiler än promenader (personlig kommunikation). Eftersom tkr: s mediala och laterala femorala radier vanligtvis minskar med högre flexionsvinkel, kan spänningar vid polyetenplatån öka vilket leder till mer ytskada., Dessa skillnader kan förklara skillnaderna mellan slitmönster på hämtningsproteser och de på simulatorns slitprovade proteser . Därför är en modifierad simulatoringångsprofil som medför flexionsprofilen för andra aktiviteter än promenader nödvändig för att simulera implantatets belastning och slitage in vivo.
nyligen har detaljerade in vivo-laddningsdata för dagliga aktiviteter hos patienter efter TKR blivit tillgängliga ., Medan dessa studier specificerade belastningsgraden och knäböjningsvinklarna in vivo för olika aktiviteter i det dagliga livet, fångades data i dessa studier från en relativt liten patientpool med instrumenterade knäimplantat och samlades vanligtvis i en laboratoriemiljö, med undantag för D ’ Lima et al. vem genomförde några fältmätningar för specifika aktiviteter., Genom att kombinera kontaktkraftsinformationen som rapporterats i litteraturen med de aktivitetsprofiler som erhållits i denna studie förbättras dock förståelsen av in vivo-belastningsprofiler under dagliga aktiviteter hos patienter efter TKR. Baserat på resultaten från denna studie skulle ett förhållande på 47 : 1 av antalet vandringscykler till antalet trappstegcykler vara lämpligt för att representera belastningsmönster under förflyttning av det dagliga livet.
studien har flera begränsningar. Alla försökspersoner i denna studie hade fått ett Miller-Galante-eller mgii-implantat., Det är möjligt att aktivitetsprofilerna skiljer sig åt mellan implantattyp och modell, att de förändras över tiden och att dessa förändringar kan påverka implantatets slitmönster. Också, den avancerade åldern av ämnespopulationen (medelvärde: 77,8 år) kan ha påverkat aktivitetsmönstret; men, som diskuterats ovan, det observerade antalet gångcykler var väl inom det område som rapporterats i litteraturen. Således anser vi att detta borde vara lika sant för andra resultatvariabler i denna studie.
mängden okänd aktivitet (11,7% av den totala mättiden) var oväntat hög., En detaljerad analys av de inspelade vågformerna hos flera ämnen visade att denna okända datauppsättning huvudsakligen bestod av övergångar från en aktivitet till en annan. Uttryckliga definitioner för övergångar mellan aktiviteter skulle förbättra korrekt fördelning av tid. Vidare gick vissa patienter med två urskiljbara typer av stegmönster: normala gångsteg med hög flexionsvinkel och så kallade ”fina steg” som kännetecknas av lägre knäböjningsvinkel. Fina steg med en topp flexionvinkel under den nedre gränsen för nivåvandring erkändes inte och klassificerades som ” okänt.,”Dessa fina steg togs ofta i trånga utrymmen som köket som indikeras av patienternas dagböcker. Framtida förbättringar av erkännandealgoritmen bör inbegripa dessa ytterligare distinktioner av dynamiska aktiviteter. Slutligen, aktivitet och flexion/förlängning övervakning av knäet inträffade utan samtidig registrering av knäkontakt kraft, som innefattar en annan viktig ingång variabel för knä slitage testning. Framtida studier är nödvändiga för att bestämma den specifika belastningsprofilen som uppträder vid flexionsvinklar >60°.
5., Slutsats
Sammanfattningsvis stod promenader och trappsteg för cirka 10% av övervakningstiden, med ett förhållande på 47 : 1. Ämnen med en högre knä ROM klättrade fler trappor. Medan nivåvandring är den dynamiska aktiviteten som det artificiella implantatet måste uthärda mest, är övergångsperioder mellan aktiviteter ganska vanliga. Gångsekvenser inkluderar ofta perioder av stående. Knäböjningen under 12 timmars daglig aktivitet hos patienter efter TKR inkluderar knäböjningsvinklar som sträcker sig från 60 ° till 130°, vilket inte representeras av de nuvarande ISO-standarderna., Tillsammans bör simulerad implantatslitning innehålla viloperioder eller övergångsperioder mellan aktiviteter och ett större utbud av aktiviteter som trappgång och stolmanövrer och omfatta fler belastningscykler än vad som anges i den nuvarande standarden.
intressekonflikt
författarna förklarar att det inte finns någon intressekonflikt när det gäller offentliggörandet av detta dokument.,
bekräftelser
författarna vill tacka Professor Michael Morlock för användbara diskussioner om de tekniska aspekterna av Aktivitetsmonitorn, Robert Trombley och Anand Joshi för att utföra videobandsanalyser, och Drs Kharma Foucher och Annegret Mündermann för deras hjälp i datatolkning och pappersredigering. Studien finansierades delvis av NIH (R03 AR052039 och R01 AR059843).