Resumen
La función de la rodilla rara vez se mide objetivamente durante las tareas funcionales posteriores a una artroplastia total de rodilla. Las unidades de medición inercial (IMU) pueden medir la cinemática de la rodilla y el rango de movimiento (ROM) durante actividades dinámicas y ofrecer un sistema fácil de usar para la evaluación de la función de la rodilla después de una artroplastia total de rodilla. Sin embargo, las IMU deben validarse con respecto a los sistemas ópticos de captura de movimiento (OMC) tridimensionales estándar de oro en una variedad de tareas para que tengan una aceptación generalizada. Calculamos las rotaciones de rodilla y el ROM a partir de mediciones de sensores IMU comerciales durante la marcha, la sentadilla, la posición de sentado y de pie, el ascenso y descenso de escaleras en 21 pacientes un año después de la artroplastia total de rodilla utilizando dos métodos: cálculo directo utilizando orientaciones de segmento (r_IMU) y un modelo interactivo de extremidades inferiores basado en iCloud impulsado por IMU (m_IMU). Este estudio transversal comparó los ángulos de rodilla y el ROM calculados con un OMC estándar y un método de cinemática inversa utilizando el coeficiente de correlación de Pearson (R) y las diferencias cuadráticas medias (RMSD). Los métodos r_IMU y m_IMU estimaron los ángulos de la rodilla en el plano sagital con una correlación excelente (>0,95) en comparación con OMC para caminar, ponerse en cuclillas, sentarse y levantarse y subir escaleras, y muy buena correlación (>0,90) para bajar escaleras. Para ponerse en cuclillas, sentarse y pararse y caminar, el RMSD medio para r_IMU y m_IMU en comparación con OMC fue <4 grados, <5 grados y <6 grados, respectivamente, pero mayor para subir y bajar escaleras (~12 grados). La cinemática de la rodilla en el plano frontal y transversal estimada utilizando r_IMU y m_IMU mostró una correlación pobre a moderada en comparación con OMC. No hubo diferencias en las mediciones del ROM al ponerse en cuclillas, sentarse y caminar entre los dos métodos. Por lo tanto, las IMU pueden medir los ángulos de la rodilla en el plano sagital y el ROM con alta precisión para una variedad de tareas y pueden ser una herramienta clínica útil para la evaluación objetiva de la función de la rodilla después de una artroplastia total de rodilla.
1. Introducción
La artroplastia total de rodilla (ATR) es un tratamiento quirúrgico eficaz para la osteoartritis (OA) de rodilla que reduce el dolor, disminuye las deficiencias funcionales y mejora la calidad de vida.1, 2). Sin embargo, los resultados de los pacientes, incluidas las tasas de complicaciones postoperatorias, la función de la rodilla y la satisfacción del paciente, pueden variar debido a las diferencias en las técnicas quirúrgicas, el diseño protésico y la alineación de los implantes.3, 4). Recientemente, la artroplastia total de rodilla (ATR) asistida robóticamente ha mejorado la alineación de los implantes protésicos, ha optimizado el equilibrio de los ligamentos, ha aumentado el rango de movimiento (ROM) de la rodilla y ha reducido los tiempos quirúrgicos.1, 5, 6). El uso de robots ha dado lugar a niveles más bajos de dolor posoperatorio y uso de analgésicos, mayores mejoras en el dolor a los 6 y 12 meses después de la operación, menores costos de atención y una mayor satisfacción del paciente en comparación con los enfoques quirúrgicos estándar. (6–8). Sin embargo, sigue siendo difícil evaluar con precisión los resultados funcionales posoperatorios.
Las evaluaciones posoperatorias incluyen evaluaciones clínicas de la función y el ROM, medidas de resultados informadas por el paciente (PROMS) y evaluación radiográfica de la posición del implante (7). Aunque se recomienda, el uso de medidas cuantitativas basadas en funciones es menos común debido a los procedimientos oportunos y costosos y, en consecuencia, a menudo se infieren de PROMS (9). Sin embargo, existe poca validez concurrente entre PROMS y medidas funcionales en personas con ATR (9). Los informes de los pacientes pueden relacionarse más con el dolor que con el rendimiento en las pruebas funcionales, están confundidos por la función y la fuerza de la extremidad no afectada y no detectan cambios en la extremidad afectada después de la ATR.10). Además, los PROMS comúnmente exhiben un efecto techo en el que no discriminan de manera confiable entre resultados moderados y excelentes, ya que la agrupación ocurre en el límite superior de la puntuación (11).
Las medidas cuantitativas de la cinemática de la rodilla durante la marcha y otras actividades de la vida diaria (AVD) pueden describir mejor la función de la rodilla y el estado de la enfermedad después de una artroplastia de rodilla. Antes de la cirugía, las personas con osteoartritis de rodilla (OA) generalmente muestran menos excursión de la rodilla durante la fase de carga de la marcha y al subir escaleras, con un mayor ángulo de aducción de la rodilla a lo largo de la marcha en comparación con los controles de la misma edad.12, 13). Después de la artroplastia de rodilla, la mecánica de la rodilla se restaura parcialmente (14, 15), aunque los déficits funcionales a menudo persisten en comparación con los controles sanos (16). Después de la ATR, los individuos suelen mostrar una excursión de rodilla reducida (es decir, un rango de movimiento funcional más bajo) y momentos de flexión externa de la rodilla reducidos (17, 18), que puede atribuirse a la reducción de la fuerza extensora de la rodilla (19). La evaluación de la biomecánica de la rodilla posoperatoriamente durante la recuperación de la ATR puede describir mejor la función posoperatoria de la rodilla, informar objetivamente las decisiones de rehabilitación y prestarse a mejores técnicas quirúrgicas. En el caso de la ATR asistida por robot, se pueden analizar datos objetivos, como la cinemática de la rodilla, con respecto a la información quirúrgica, como la alineación del implante, el tipo de implante, el equilibrio de los ligamentos y la duración de la cirugía, que los sistemas robóticos pueden registrar automáticamente (6).
Los métodos actuales para medir la cinemática de la rodilla consumen mucho tiempo, son costosos y requieren equipos especializados como la captura de movimiento óptico tridimensional (OMC) y experiencia del operador.20). La captura de movimiento óptico es en gran medida no portátil e implica una larga configuración y preparación de los participantes que la hacen poco práctica para uso clínico o doméstico. Los sensores portátiles, como las unidades de medición inercial (IMU), pueden proporcionar una solución asequible, portátil y práctica para el análisis de movimiento fuera del laboratorio (21–23) que pueden informar la práctica clínica (24). Las unidades de medición inercial combinan múltiples sensores; típicamente un acelerómetro, un giroscopio y un magnetómetro, en un solo dispositivo que mide la orientación, las rotaciones y las aceleraciones (25). Para las personas después de una artroplastia total de cadera, se ha demostrado que las IMU detectan mejoras en la marcha después de la cirugía y proporcionan datos objetivos para complementar las PROM (26). Además, una revisión reciente sugiere que los parámetros de la marcha y la cinemática articular medidos mediante sensores portátiles ofrecen una mayor comprensión de la recuperación funcional que las medidas de resultados funcionales tradicionales, como las pruebas de ROM estáticas y de cronometrado y listo.27).
Las unidades de medición inercial han medido los ángulos de las articulaciones durante tareas funcionales con una diferencia cuadrática media (RMSD) inferior a 5 grados en comparación con OMC (22, 28–30), que no fueron diferentes del OMC para la medición del ROM de la rodilla durante la marcha en individuos después de una artroplastia total de cadera (31). Sin embargo, pocos estudios han validado su uso durante múltiples AVD (32) en una población clínica. Para quienes se someten a una ATR, se ha demostrado que las IMU miden el ROM de flexión de la rodilla con un error promedio de aproximadamente 4 grados durante las pruebas clínicas (33) pero no se evaluó durante tareas funcionales y AVD que pueden indicar la función de la rodilla de un paciente. La evaluación de la precisión de las IMU en múltiples AVD brindaría apoyo para su uso como herramienta de medición clínica y puede identificar tareas durante las cuales las mediciones de las IMU son precisas y aceptables para evaluaciones objetivas de la función de la rodilla en individuos después de una ATR.
El objetivo de este estudio fue comparar la cinemática de la rodilla utilizando sensores IMU y OMC en individuos 1 año después de la ATR asistida robóticamente durante tareas de caminar, ponerse en cuclillas, sentarse y levantarse, subir y bajar escaleras. La cinemática de la rodilla de IMU se calculó utilizando un modelo interactivo de extremidades inferiores (m_imu) y a partir de cuaterniones sin procesar (r_imu) medidos utilizando sensores IMU comerciales (Notch Interfaces Inc. Nueva York, EE. UU.). Planteamos la hipótesis de que los ángulos de rodilla para m_IMU tendrían un RMSD más bajo y una correlación (R) más alta que r_IMU en comparación con OMC. Además, planteamos la hipótesis de que la RMSD en el plano sagital sería menor que los ángulos fuera del plano para todas las actividades. Nuestra hipótesis fue que el ROM de rodilla en el plano sagital calculado usando m_IMU tendría diferencias menores t en comparación con OMC que r_IMU.
2. Métodos
2.1 Participantes
Para este estudio se reclutaron para este estudio, entre agosto y Diciembre de 2020. Todas las cirugías fueron realizadas por un solo cirujano (PG), utilizando el sistema MAKO (Stryker, Michigan, EE. UU.). Los participantes fueron incluidos si habían transcurrido doce meses después de la ATR asistida por Mako, eran mayores de 18 años y autoinformaron su capacidad para caminar durante 30 minutos seguidos. Los participantes fueron excluidos si no podían caminar de forma independiente; tuvo alguna otra lesión grave en las extremidades inferiores en los últimos doce meses; tenía trastornos degenerativos musculares o deficiencias motoras; tenía un índice de masa corporal superior a 40. Se obtuvo la aprobación ética del Comité de Ética en Investigación de la Universidad Griffith y los participantes proporcionaron su consentimiento informado por escrito antes de la prueba.
2.2 Protocolo experimental
Se pidió a los participantes que completaran cinco tareas, en un orden fijo: (i) caminar en un terreno llano; (ii) sentadilla bilateral hasta la profundidad máxima con los brazos cruzados sobre el pecho; (iii) sentarse y levantarse de una silla (44 cm) con los brazos cruzados sobre el pecho y sin utilizar reposabrazos; (iv) ascenso de escaleras; y (v) descenso de escaleras. A los participantes se les dio tiempo para familiarizarse con cada tarea, y todos los movimientos se completaron a un ritmo seleccionado por ellos mismos. A cada participante se le pidió que realizara 3 repeticiones de práctica seguidas de un breve descanso (de 1 a 2 minutos) y 5 repeticiones registradas de cada tarea, con descansos (de 10 a 20 minutos) entre las tareas para reducir la fatiga. Para permitir el cálculo automático de la cinemática articular, el sistema del sensor Notch se calibró de acuerdo con las instrucciones del fabricante indicando a los participantes que permanecieran estacionarios en una postura de referencia neutral, antes de cada actividad. Para escalar el modelo OpenSim, el sistema OMC recopiló las posiciones de los marcadores del participante en una prueba estática y relajada.
2.3 Configuración experimental
Se utilizó un sistema Vicon OMC de 10 cámaras (Vicon, Oxford, Reino Unido) para recopilar trayectorias de marcadores (200 Hz) de 17 marcadores retrorreflectantes colocados en la pelvis, el muslo, la pierna y el pie de la extremidad afectada (Higo 1). El conjunto de marcadores consistió en un grupo de tres marcadores en los segmentos del muslo y la caña y marcadores anatómicos colocados sobre las espinas ilíacas anterosuperiores derecha e izquierda; espinas ilíacas posterosuperiores derecha e izquierda; epicóndilos femorales medial y lateral; maléolos medial y lateral; Cara posterior del pie y las cabezas del primer y quinto metatarsiano. Se registraron las fuerzas de reacción del suelo (1000 Hz) para actividades de caminar, ponerse en cuclillas y sentarse sobre el suelo a nivel del suelo utilizando 3 placas de fuerza (510 mm × 465 mm, AMTI, EE. UU.) incrustadas en el suelo y dispuestas en serie en el centro. de una pasarela de aproximadamente 10 metros de largo. Para las tareas de subir y bajar escaleras, las fuerzas de reacción del suelo (1000 Hz) se registraron utilizando una escalera instrumentada con 3 placas de fuerza incrustadas dentro de las tres primeras escaleras (Bertec Corporation, Columbus, OH).
A. Esquema que muestra la ubicación de las IMU en segmentos del cuerpo según las recomendaciones del fabricante B. Las imágenes ilustran la configuración metodológica utilizada para medir simultáneamente la cinemática de la rodilla a partir de unidades de medición inercial (IMU) colocadas en el muslo, la caña y el pie y una captura óptica del movimiento ( sistema OMC).
Las rotaciones y orientaciones de los segmentos (200 Hz) se registraron simultáneamente en el OMC y las fuerzas de reacción del suelo utilizando IMU, que contenían un acelerómetro, un giroscopio y un magnetómetro (Notch Interfaces Inc. Nueva York, EE. UU.). Las IMU se fijaron a la pelvis, el muslo, la caña y el pie de la extremidad afectada utilizando cinta adhesiva de doble cara y correas de velcro, siguiendo las instrucciones del fabricante con los dispositivos colocados en la porción anterior de cada segmento orientado hacia arriba (Higo 1). Los datos de IMU se recopilaron simultáneamente con la OMC…
