Análisis de la marcha: evaluación de un exoesqueleto aplicado a la marcha asistida

La marcha humana es el mecanismo de locomoción por el cual el cuerpo humano se traslada en línea recta gracias a una serie de movimientos coordinados de la pelvis y de las articulaciones del miembro inferior. Frecuentemente se encuentra influenciada por factores biomecánicos, anatómicos o patologías del sistema neuromusculoesquelético que modifican la forma de caminar de cada individuo. La lesión de médula espinal es una de las patologías que afectan el desarrollo normal de los patrones de la marcha por alteración de la movilidad, de la sensibilidad o del sistema nervioso autónomo. Aunque la lesión medular afecta otras funciones, además de la pérdida de función motora y sensorial, la recuperación de la capacidad de caminar es la mayor prioridad identificada por los pacientes durante la rehabilitación. Por ello, el desarrollo de dispositivos que faciliten la rehabilitación o compensación de la marcha es uno de los principales objetivos de diferentes grupos de investigación y empresas. En el contexto del proyecto Hybrid Technological Platform for Rehabilitation, Functional Compensation and Training of Gait in Spinal Cord Injury Patients se ha desarrollado un dispositivo que combina una órtesis activa (exoesqueleto) y un andador motorizado. Este sistema, como otros dispositivos, tiene el movimiento humano como estándar de referencia, no obstante no se evalúa de manera habitual, cómo es el patrón de la marcha reproducido y su similitud o diferencias con la marcha humana, o las modificaciones o adaptaciones en la interacción con el cuerpo del paciente. El presente estudio trata de examinar las características de la marcha normal en diversos grupos de población, y las diferencias con el patrón de marcha lenta. Finalmente, se pretende evaluar qué modificaciones y adaptaciones sufre el patrón de marcha lenta teórico al ser reproducido por el exoesqueleto. La presente investigación consiste en un estudio cuantitativo transversal desarrollado en dos etapas: estudio 1 y estudio 2. En el estudio 1 se analizó el patrón de la marcha a velocidad libremente seleccionada (normal) y el patrón de la marcha a velocidad lenta (0.25m/s) en 62 sujetos distribuidos en grupos considerando el sexo y los percentiles 25, 50 y 75 de estatura de la población española. Durante el estudio 2 se analizó el patrón de la marcha lenta reproducido por el dispositivo Hybrid a diferentes porcentajes de peso corporal (30%, 50% y 70%) en diez sujetos seleccionados aleatoriamente de la muestra del estudio 1. En ambos estudios se obtuvieron variables espacio-temporales y cinemáticas mediante un sistema de captura de movimiento con 6 cámaras distribuidas a lo largo de un pasillo de marcha. Se calcularon las medias, las desviaciones estándar y el 95% de intervalo de confianza, y el nivel alfa de significación se estableció en α=0.05 para todas las pruebas estadísticas. Las principales diferencias en el patrón normal de la marcha se encontraron en los parámetros cinemáticos de hombres y mujeres, aunque también se presentaron diferencias entre los grupos en función de la estatura. Las mujeres mostraron mayor flexión de cadera y rodilla, y mayor extensión de tobillo que los hombres durante el ciclo normal, aunque la basculación lateral de la pelvis, mayor en las mujeres, y el desplazamiento lateral del centro de gravedad, mayor en los hombres, fueron los parámetros identificados como principales discriminantes entre sexos. La disminución de la velocidad de la marcha mostró similares adaptaciones y modificaciones en hombres y en mujeres, presentándose un aumento de la fase de apoyo y una disminución de la fase de oscilación, un retraso de los máximos y mínimos de flexoextensión de cadera, rodilla y tobillo, y una disminución del rango articular en las tres articulaciones. Asimismo, la basculación lateral de la pelvis y el movimiento vertical del centro de gravedad disminuyeron, mientras que el movimiento lateral del centro de gravedad y el ancho de paso aumentaron. Durante la evaluación del patrón de la marcha reproducido por el exoesqueleto se observó que las tres articulaciones del miembro inferior disminuían el rango de movimiento por la falta de fuerza de los motores para contrarrestar el peso corporal, incluso con un 70% de descarga de peso. Además, la transferencia de peso se encontró limitada por la falta de movimiento de la pelvis en el plano frontal y se sustituyó por un aumento de la inclinación del tronco y, por tanto, del movimiento lateral del centro de gravedad. Este hecho, junto al aumento del desplazamiento vertical del centro de gravedad, hizo del patrón de la marcha reproducido por el exoesqueleto un movimiento poco eficiente. En conclusión, se establecen patrones de marcha normal diferenciados por sexos, siendo la basculación lateral de la pelvis y el movimiento lateral del centro de gravedad los parámetros discriminantes más característicos entre sexos. Comparando la marcha a velocidad libremente seleccionada y la velocidad lenta, se concluye que ambos sexos utilizan estrategias similares para adaptar el patrón de la marcha a una velocidad lenta y se mantienen las características diferenciadoras entre hombres y mujeres. En relación a la evaluación del dispositivo Hybrid, se deduce que la falta de movimiento lateral de la pelvis condiciona la transferencia de peso y el aumento del rango de movimiento del centro de gravedad y, en consecuencia, tiene como resultado un patrón de la marcha poco eficiente. Este patrón no resultaría indicado para los procesos de rehabilitación o recuperación de la marcha, aunque podría considerarse adecuado para la compensación funcional de la bipedestación y la locomoción. ABSTRACT The human walking is a means of moving body forward using a repetitious and coordinated sequence of pelvis and lower limb motions. It is frequently influenced by biomechanical and anatomical factors or by musculoskeletal pathologies which modify the way of walking. The spinal injury is one of those pathologies which affect the normal pattern of walking, due to the alteration of the mobility, the sensory or the autonomic nervous system. Although the spinal injury affects many other body functions, apart from the motor and sensory ones, the main priority for patients is to recover the ability of walking. Consequently, the main objective of many research groups and private companies is the development of rehabilitation and compensation devices for walking. In this context, the Hybrid Technological Platform for Rehabilitation, Functional Compensation and Training of Gait in Spinal Cord Injury Patients project has developed a device which integrates an exoskeleton and a motorized smart walker. This system, as other similar devices, has the human movement as standard reference. Nevertheless, these devices are not usually evaluated on the way they reproduce the normal human pattern or on the modifications and in the interactions with the patient’s body. The aim of the present study is to examine the normal walking characteristics, to analyze the differences between self-selected and low speed walking patterns, and to evaluate the modifications and adaptations of walking pattern when it is reproduced by the exoskeleton. The present research is a quantitative cross-sectional study carried out in two phases: study 1 and study 2. During the study 1, the self-selected and the low speed (0.25m/s) walking patterns were analyzed in sixty-two people distributed in groups, according to sex and 25th, 50th and 75th percentiles of height for Spanish population. The study 2 analyzed the low speed walking pattern reproduced by the Hybrid system in three conditions: 30%, 50% and 70% of body weight support. To do this, ten subjects were randomly selected and analyzed from the people of study 1. An optoelectronic system with six cameras was used to obtain spatial, temporal and kinematic parameters in both studies. Means, standard deviations and 95% confidence intervals of the study were calculated. The alpha level of significance was set at α=0.05 for all statistical tests. The main differences in normal gait pattern were found in kinematic parameters between men and women. The hip and the knee were more flexed and the ankle plantar flexion was higher in women than in men during normal gait cycle. Although the greater pelvic obliquity of women and the higher lateral movement of center of gravity of men were the most relevant discriminators between male and female gait patterns. Comparing self-selected and low speed walking patterns, both sexes showed similar adaptations and modifications. At low speed walking, men and women increased the stance phase ratio and decreased the swing phase ratio. The maximum and minimum peak flexion of hip, knee and ankle appeared after and the range of motion of them decreased during low speed walking. Furthermore, the pelvic obliquity and the vertical movement of the center of gravity decreased, whereas the lateral movement of center of gravity and step width increased. Evaluating the gait pattern reproduced by the exoskeleton, a decrease of lower limb range of motion was observed. This was probably due to the lack of strength of the engines, which were not able to control the body weight, even with the 70% supported. Moreover, the weight transfer from one limb to the contralateral side was restricted due to the lack of pelvis obliquity. This movement deficiency was replaced by the lateral torso sway and, consequently, the increase of lateral movement of the center of gravity. This fact, as well as the increase of the vertical displacement of the center of gravity, made inefficient the gait pattern reproduced by the exoskeleton. In conclusion, different gait patterns of both sexes have been determined, being pelvis obliquity and lateral movement of center of gravity the most relevant discriminators between male and female gait patterns. Comparing self-selected and low speed walking patterns, it was concluded that both sexes use similar strategies for adapting the gait pattern to a low speed, and therefore, the differentiating characteristics of normal gait are maintained. Regarding the Hybrid system evaluation, it was determined that the gait pattern reproduced by the exoskeleton is inefficient. This was due to the lack of pelvis obliquity and the increase of the center of gravity displacement. Consequently, whereas the walking pattern reproduced by the exoskeleton would not be appropriated for the rehabilitation process, it could be considered suitable for functional compensation of walking and standing.

Progressive resistance training and stretching following surgery for breast cancer: study protocol for a randomised controlled trial

Background: Currently 1 in 11 women over the age of 60 in Australia are diagnosed with breast cancer. Following treatment, most breast cancer patients are left with shoulder and arm impairments which can impact significantly on quality of life and interfere substantially with activities of daily living. The primary aim of the proposed study is to determine whether upper limb impairments can be prevented by undertaking an exercise program of prolonged stretching and resistance training, commencing soon after surgery. Methods/design: We will recruit 180 women who have had surgery for early stage breast cancer to a multicenter single-blind randomized controlled trial. At 4 weeks post surgery, women will be randomly assigned to either an exercise group or a usual care ( control) group. Women allocated to the exercise group will perform exercises daily, and will be supervised once a week for 8 weeks. At the end of the 8 weeks, women will be given a home-based training program to continue indefinitely. Women in the usual care group will receive the same care as is now typically provided, i.e. a visit by the physiotherapist and occupational therapist while an inpatient, and receipt of pamphlets. All subjects will be assessed at baseline, 8 weeks, and 6 months later. The primary measure is arm symptoms, derived from a breast cancer specific questionnaire (BR23). In addition, range of motion, strength, swelling, pain and quality of life will be assessed. Discussion: This study will determine whether exercise commencing soon after surgery can prevent secondary problems associated with treatment of breast cancer, and will thus provide the basis for successful rehabilitation and reduction in ongoing problems and health care use. Additionally, it will identify whether strengthening exercises reduce the incidence of arm swelling. Trial Registration: The protocol for this study is registered with the Australian Clinical Trials Registry (ACTRN012606000050550).

Proprioceptive neuromuscular facilitation stretching - Mechanisms and clinical implications

Proprioceptive neuromuscular facilitation (PNF) stretching techniques are commonly used in the athletic and clinical environments to enhance both active and passive range of motion (ROM) with a view to optimising motor performance and rehabilitation. PNF stretching is positioned in the literature as the most effective stretching technique when the aim is to increase ROM, particularly in respect to short-term changes in ROM. With due consideration of the heterogeneity across the applied PNF stretching research, a summary of the findings suggests that an 'active' PNF stretching technique achieves the greatest gains in ROM, e.g. utilising a shortening contraction of the opposing muscle to place the target muscle on stretch, followed by a static contraction of the target muscle. The inclusion of a shortening contraction of the opposing muscle appears to have the greatest impact on enhancing ROM. When including a static contraction of the target muscle, this needs to be held for approximately 3 seconds at no more than 20% of a maximum voluntary contraction. The greatest changes in ROM generally occur after the first repetition and in order to achieve more lasting changes in ROM, PNF stretching needs to be performed once or twice per week. The superior changes in ROM that PNF stretching often produces compared with other stretching techniques has traditionally been attributed to autogenic and/or reciprocal inhibition, although the literature does not support this hypothesis. Instead, and in the absence of a biomechanical explanation, the contemporary view proposes that PNF stretching influences the point at which stretch is perceived or tolerated. The mechanism(s) underpinning the change in stretch perception or tolerance are not known, although pain modulation has been suggested.

Modifications in Early Rehabilitation Protocol after Rotator Cuff Repair : EMG Studies

La déchirure de la coiffe des rotateurs est une des causes les plus fréquentes de douleur et de dysfonctionnement de l'épaule. La réparation chirurgicale est couramment réalisée chez les patients symptomatiques et de nombreux efforts ont été faits pour améliorer les techniques chirurgicales. Cependant, le taux de re-déchirure est encore élevé ce qui affecte les stratégies de réhabilitation post-opératoire. Les recommandations post-chirurgicales doivent trouver un équilibre optimal entre le repos total afin de protéger le tendon réparé et les activités préconisées afin de restaurer l'amplitude articulaire et la force musculaire. Après une réparation de la coiffe, l'épaule est le plus souvent immobilisée grâce à une écharpe ou une orthèse. Cependant, cette immobilisation limite aussi la mobilité du coude et du poignet. Cette période qui peut durer de 4 à 6 semaines où seuls des mouvements passifs peuvent être réalisés. Ensuite, les patients sont incités à réaliser les exercices actifs assistés et des exercices actifs dans toute la mobilité articulaire pour récupérer respectivement l’amplitude complète de mouvement actif et se préparer aux exercices de résistance réalisés dans la phase suivante de la réadaptation. L’analyse électromyographique des muscles de l'épaule a fourni des évidences scientifiques pour la recommandation de beaucoup d'exercices de réadaptation au cours de cette période. Les activités sollicitant les muscles de la coiffe des rotateurs à moins de 20% de leur activation maximale volontaire sont considérés sécuritaires pour les premières phases de la réhabilitation. À partir de ce concept, l'objectif de cette thèse a été d'évaluer des activités musculaires de l'épaule pendant des mouvements et exercices qui peuvent théoriquement être effectués au cours des premières phases de la réhabilitation. Les trois questions principales de cette thèse sont : 1) Est-ce que la mobilisation du coude et du poignet produisent une grande activité des muscles de la coiffe? 2) Est-ce que les exercices de renforcement musculaire du bras, de l’avant-bras et du torse produisent une grande activité dans les muscles de la coiffe? 3) Au cours d'élévations actives du bras, est-ce que le plan d'élévation affecte l'activité de la coiffe des rotateurs? Dans notre première étude, nous avons évalué 15 muscles de l'épaule chez 14 sujets sains par électromyographie de surface et intramusculaire. Nos résultats ont montré qu’avec une orthèse d’épaule, les mouvements du coude et du poignet et même quelques exercices de renforcement impliquant ces deux articulations, activent de manière sécuritaire les muscles de ii la coiffe. Nous avons également introduit des tâches de la vie quotidienne qui peuvent être effectuées en toute sécurité pendant la période d'immobilisation. Ces résultats peuvent aider à modifier la conception d'orthèses de l’épaule. Dans notre deuxième étude, nous avons montré que l'adduction du bras réalisée contre une mousse à faible densité, positionnée pour remplacer le triangle d’une orthèse, produit des activations des muscles de la coiffe sécuritaires. Dans notre troisième étude, nous avons évalué l'électromyographie des muscles de l’épaule pendant les tâches d'élévation du bras chez 8 patients symptomatiques avec la déchirure de coiffe des rotateurs. Nous avons constaté que l'activité du supra-épineux était significativement plus élevée pendant l’abduction que pendant la scaption et la flexion. Ce résultat suggère une séquence de plan d’élévation active pendant la rééducation. Les résultats présentés dans cette thèse, suggèrent quelques modifications dans les protocoles de réadaptation de l’épaule pendant les 12 premières semaines après la réparation de la coiffe. Ces suggestions fournissent également des évidences scientifiques pour la production d'orthèses plus dynamiques et fonctionnelles à l’articulation de l’épaule.

L’analyse biomécanique du sprint sur ergomètre non-motorisé : interaction entre les asymétries cinétiques et cinématiques lors d’un sprint de 40 verges

Au sprint 100 mètres et dans de nombreux sport de puissance, la phase d’accélération est un déterminant majeure de la performance. Toutefois, les asymétries cinétiques et cinématiques peuvent avoir une incidence sur la performance. L’objectif de cette étude était d’identifier la présence d’interaction entre différentes variables cinétiques et cinématiques angulaires aux membres inférieures (MI) d’un sprint de haute intensité sur un ergomètre non-motorisé avec résistance (NMR). Suite à une rencontre de familiarisation, 11 sujets ont exécuté des sprints de 40 verges. Les données cinétiques ont été obtenues par l’entremise de plateformes de force intégrées aux appuis de l’ergomètre NMR à 10 Hz et les données cinématiques ont été amassées à l’aide du système Optitrack et du logiciel Motive Tracker à 120Hz. Nous avons effectué un test de corrélation linéaire (Corrélation linéaire de Pearson) pour déterminer la relation entre les données cinétiques et cinématiques (p < 0,05). L’analyse des données a révélée (1) une corrélation positive entre la moyenne d’amplitude articulaire à la cheville et la moyenne des pics de puissance développés (W/kg) lors de la phase de maintien (r = 0,62), (2) une corrélation négative entre l’extension maximale moyenne (calculé à partir de l’angle de flexion le plus petit) à la hanche et la moyenne de pics de puissance développées en fin de poussée lors de la totalité et de la phase de maintien (r = -0,63 et r = -0,69 respectivement), et finalement (3) une corrélation négative entre la différence de dorsiflexion maximale à la cheville et la différence des pics de puissance développés aux MI lors du contact du pied au sol en phase de maintien ( r = -0,62). Les résultats obtenus dans cette étude permettront d’améliorer l’intervention des préparateurs physiques et la pratique des athlètes de sport de puissance en plus d’aider au développant de nouvelles technologies et outils d’entrainement complémentaire au sprint et particulièrement à la phase d’accélération.

Análise da força e amplitude articular de rotação do ombro e avaliação da performance do remate em atletas de andebol masculino

Projeto de Graduação apresentado à Universidade Fernando Pessoa como parte dos requisitos para obtenção do grau de Licenciada em Fisioterapia

Aplicação do método POLD® na redução da sintomatologia álgica da lombociatalgia

Projeto de Graduação apresentado à Universidade Fernando Pessoa como parte dos requisitos para obtenção do grau de Licenciado em Fisioterapia

Efeitos do suster-relaxar na cinemática tridimensional, função neuromuscular e sintomatologia álgica de um atleta de crossfit com dor lombar

Projeto de Graduação apresentado à Universidade Fernando Pessoa como parte dos requisitos para obtenção do grau de Licenciado em Fisioterapia

Modifications in Early Rehabilitation Protocol after Rotator Cuff Repair : EMG Studies

La déchirure de la coiffe des rotateurs est une des causes les plus fréquentes de douleur et de dysfonctionnement de l'épaule. La réparation chirurgicale est couramment réalisée chez les patients symptomatiques et de nombreux efforts ont été faits pour améliorer les techniques chirurgicales. Cependant, le taux de re-déchirure est encore élevé ce qui affecte les stratégies de réhabilitation post-opératoire. Les recommandations post-chirurgicales doivent trouver un équilibre optimal entre le repos total afin de protéger le tendon réparé et les activités préconisées afin de restaurer l'amplitude articulaire et la force musculaire. Après une réparation de la coiffe, l'épaule est le plus souvent immobilisée grâce à une écharpe ou une orthèse. Cependant, cette immobilisation limite aussi la mobilité du coude et du poignet. Cette période qui peut durer de 4 à 6 semaines où seuls des mouvements passifs peuvent être réalisés. Ensuite, les patients sont incités à réaliser les exercices actifs assistés et des exercices actifs dans toute la mobilité articulaire pour récupérer respectivement l’amplitude complète de mouvement actif et se préparer aux exercices de résistance réalisés dans la phase suivante de la réadaptation. L’analyse électromyographique des muscles de l'épaule a fourni des évidences scientifiques pour la recommandation de beaucoup d'exercices de réadaptation au cours de cette période. Les activités sollicitant les muscles de la coiffe des rotateurs à moins de 20% de leur activation maximale volontaire sont considérés sécuritaires pour les premières phases de la réhabilitation. À partir de ce concept, l'objectif de cette thèse a été d'évaluer des activités musculaires de l'épaule pendant des mouvements et exercices qui peuvent théoriquement être effectués au cours des premières phases de la réhabilitation. Les trois questions principales de cette thèse sont : 1) Est-ce que la mobilisation du coude et du poignet produisent une grande activité des muscles de la coiffe? 2) Est-ce que les exercices de renforcement musculaire du bras, de l’avant-bras et du torse produisent une grande activité dans les muscles de la coiffe? 3) Au cours d'élévations actives du bras, est-ce que le plan d'élévation affecte l'activité de la coiffe des rotateurs? Dans notre première étude, nous avons évalué 15 muscles de l'épaule chez 14 sujets sains par électromyographie de surface et intramusculaire. Nos résultats ont montré qu’avec une orthèse d’épaule, les mouvements du coude et du poignet et même quelques exercices de renforcement impliquant ces deux articulations, activent de manière sécuritaire les muscles de ii la coiffe. Nous avons également introduit des tâches de la vie quotidienne qui peuvent être effectuées en toute sécurité pendant la période d'immobilisation. Ces résultats peuvent aider à modifier la conception d'orthèses de l’épaule. Dans notre deuxième étude, nous avons montré que l'adduction du bras réalisée contre une mousse à faible densité, positionnée pour remplacer le triangle d’une orthèse, produit des activations des muscles de la coiffe sécuritaires. Dans notre troisième étude, nous avons évalué l'électromyographie des muscles de l’épaule pendant les tâches d'élévation du bras chez 8 patients symptomatiques avec la déchirure de coiffe des rotateurs. Nous avons constaté que l'activité du supra-épineux était significativement plus élevée pendant l’abduction que pendant la scaption et la flexion. Ce résultat suggère une séquence de plan d’élévation active pendant la rééducation. Les résultats présentés dans cette thèse, suggèrent quelques modifications dans les protocoles de réadaptation de l’épaule pendant les 12 premières semaines après la réparation de la coiffe. Ces suggestions fournissent également des évidences scientifiques pour la production d'orthèses plus dynamiques et fonctionnelles à l’articulation de l’épaule.

L’analyse biomécanique du sprint sur ergomètre non-motorisé : interaction entre les asymétries cinétiques et cinématiques lors d’un sprint de 40 verges

Au sprint 100 mètres et dans de nombreux sport de puissance, la phase d’accélération est un déterminant majeure de la performance. Toutefois, les asymétries cinétiques et cinématiques peuvent avoir une incidence sur la performance. L’objectif de cette étude était d’identifier la présence d’interaction entre différentes variables cinétiques et cinématiques angulaires aux membres inférieures (MI) d’un sprint de haute intensité sur un ergomètre non-motorisé avec résistance (NMR). Suite à une rencontre de familiarisation, 11 sujets ont exécuté des sprints de 40 verges. Les données cinétiques ont été obtenues par l’entremise de plateformes de force intégrées aux appuis de l’ergomètre NMR à 10 Hz et les données cinématiques ont été amassées à l’aide du système Optitrack et du logiciel Motive Tracker à 120Hz. Nous avons effectué un test de corrélation linéaire (Corrélation linéaire de Pearson) pour déterminer la relation entre les données cinétiques et cinématiques (p < 0,05). L’analyse des données a révélée (1) une corrélation positive entre la moyenne d’amplitude articulaire à la cheville et la moyenne des pics de puissance développés (W/kg) lors de la phase de maintien (r = 0,62), (2) une corrélation négative entre l’extension maximale moyenne (calculé à partir de l’angle de flexion le plus petit) à la hanche et la moyenne de pics de puissance développées en fin de poussée lors de la totalité et de la phase de maintien (r = -0,63 et r = -0,69 respectivement), et finalement (3) une corrélation négative entre la différence de dorsiflexion maximale à la cheville et la différence des pics de puissance développés aux MI lors du contact du pied au sol en phase de maintien ( r = -0,62). Les résultats obtenus dans cette étude permettront d’améliorer l’intervention des préparateurs physiques et la pratique des athlètes de sport de puissance en plus d’aider au développant de nouvelles technologies et outils d’entrainement complémentaire au sprint et particulièrement à la phase d’accélération.

Intra-articular pressure profiles of the cadaveric equine fetlock joint in motion

The study of the influence of motion and initial intra-articular pressure (IAP) on intra-articular pressure profiles in equine cadaver metatarsophalangeal (MTP) joints was undertaken as a prelude to in vivo studies, Eleven equine cadaver MTP joints were submitted to 2 motion frequencies of 5 and 10 cycles/min of flexion and extension, simulating the condition of lower and higher (double) rates of passive motion. These frequencies were applied and pressure profiles generated with initial normal intra-articular pressure (-5 mmHg) and subsequently 30 mmHg intra-articular pressure obtained by injection of previously harvested synovial fluid.The 4 trials performed were 1) normal IAP; 5 cyles/min; 2) normal IAP; 10 cycles/min; 3) IAP at 30 mmHg; 5 cycles/min and 4) IAP at 30 mmHg; 10 cycles/min. The range of joint motion applied (mean +/- s.e.) was 67.6 +/- 1.61 degrees with an excursion from 12.2 +/- 1.2 degrees in extension to 56.2 +/- 2.6 degrees in flexion, Mean pressure recorded in mmHg for the first and last min of each trial, respectively, were 1) -5.7 +/- 0.9 and -6.3 +/- 1.1; 2) -5.3 +/- 1.1 and -6.2 +/- 1.1; 3) 58.8 +/- 8.0 and 42.3 +/- 7.2; 4) 56.6 +/- 3.7 and 40.3 +/- 4.6. Statistical analyses showed a trend for difference between the values for the first and last minute in trial 3 (0.05>P<0.1) with P = 0.1 and significant difference (P = 0.02) between the mean IAP of the first and last min in trial 4. The loss of intra-articular pressure associated with time and motion was 10.5, 16.9, 28.1 and 28.9% for trials 1-4, respectively. As initial intraarticular pressure and motion increased, the percent loss of intra-articular pressure increased.The angle of lowest pressure was 12.2 +/- 1.2 (mean +/- s.e.) in extension in trials 1 and 2, In trials 3 and 4, the lowest pressures were obtained in flexion with the joints at 18.5 +/- 2.0 degrees (mean +/- s.e.). This demonstrated that the joint angle of least pressure changed as the initial intra-articular pressure changed and there would not be a single angle of least pressure for a given joint.The volume of synovial fluid recovered from the MTP joints in trial 3 compared to 4 (trials in which fluid was injected to attain IAP of 30 mmHg) was not significantly different, supporting a soft tissue compliance change as a cause for the significant loss of intra-articular pressure during the 15 min of trial 4.The pressure profiles generated correlate well with in vivo values and demonstrated consistent pressure profiles. Our conclusions are summarised as follows:1. Clinically normal equine MTP joints which were frozen and then later thawed were found to have mostly negative baseline intra-articular pressures, as would be expected in living subjects,2. Alternate pressure profiles of the dorsal and plantar pouch at baseline intra-articular pressure document the presence of pressure forces that would support 'back and forth' fluid movement between joint compartments. This should result in movement of joint fluid during motion, assisting in lubrication and nutrition of articular cartilage,3. If joint pressure was initially greater than normal (30 mmHg), as occurs in diseased equine MTP joints, joint motion further increased joint capsule relaxation (compliance) and, therefore, reduced intra-articular pressure.4. Peak intra-articular pressures reached extremely high values (often >100 mmHg) in flexion when initial pressure was 30 mmHg. Joint effusion pressures recorded for clinical MCP joints are frequently 30 mmHg. These IAP values are expected to produce intermittent synovial ischaemia in clinical cases during joint flexion.5, Additional in vivo studies are necessary to confirm our conclusions from this study and to identify the contributions of fluid absorption and the presence of ischaemia in a vascularised joint.

Dynamic input to determine hip joint moments, power and work on the prosthetic limb of transfemoral amputees: ground reactions vs knee reactions

Study Design: Comparative analysis Background: Calculations of lower limbs kinetics are limited by floor-mounted force-plates. Objectives: Comparison of hip joint moments, power and mechanical work on the prosthetic limb of a transfemoral amputee calculated by inverse dynamics using either the ground reactions (force-plates) or knee reactions (transducer). Methods: Kinematics, ground reactions and knee reactions were collected using a motion analysis system, two force-plates and a multi-axial transducer mounted below the socket, respectively. Results: The inverse dynamics using ground reactions under-estimated the peaks of hip energy generation and absorption occurring at 63 % and 76 % of the gait cycle (GC) by 28 % and 54 %, respectively. This method over-estimated a phase of negative work at the hip (from 37 %GC to 56 %GC) by 24%. It under-estimated the phases of positive (from 57 %GC to 72 %GC) and negative (from 73 %GC to 98 %GC) work at the hip by 11 % and 58%, respectively. Conclusions: A transducer mounted within the prosthesis has the capacity to provide more realistic kinetics of the prosthetic limb because it enables assessment of multiple consecutive steps and a wide range of activities without issues of foot placement on force-plates. CLINICAL RELEVANCE The hip is the only joint that an amputee controls directly to set in motion the prosthesis. Hip joint kinetics are associated with joint degeneration, low back pain, risks of fall, etc. Therefore, realistic assessment of hip kinetics over multiple gait cycles and a wide range of activities is essential.

A fractional approach for the motion planning of redundant and hyper-redundant manipulators

The trajectory planning of redundant robots through the pseudoinverse control leads to undesirable drift in the joint space. This paper presents a new technique to solve the inverse kinematics problem of redundant manipulators, which uses a fractional differential of order α to control the joint positions. Two performance measures are defined to examine the strength and weakness of the proposed method. The positional error index measures the precision of the manipulator's end-effector at the target position. The repeatability performance index is adopted to evaluate if the joint positions are repetitive when the manipulator execute repetitive trajectories in the operational workspace. Redundant and hyper-redundant planar manipulators reveal that it is possible to choose in a large range of possible values of α in order to get repetitive trajectories in the joint space.

A New Test Rig for In-Vitro Evaluation of the Knee Joint Behaviour

The evaluation of the knee joint behavior is fundamental in many applications, such as joint modeling, prosthesis and orthosis design. In-vitro tests are important in order to analyse knee behavior when simulating various loading conditions and studying physiology of the joint. A new test rig for in-vitro evaluation of the knee joint behavior is presented in this paper. It represents the evolution of a previously proposed rig, designed to overcome its principal limitations and to improve its performances. The design procedure and the adopted solution in order to satisfy the specifications are presented here. Thanks to its 6-6 Gough-Stewart parallel manipulator loading system, the rig replicates general loading conditions, like daily actions or clinical tests, on the specimen in a wide range of flexion angles. The restraining actions of knee muscles can be simulated when active actions are simulated. The joint motion in response to the applied loads, guided by passive articular structures and muscles, is permitted by the characteristics of the loading system which is force controlled. The new test rig guarantees visibility so that motion can be measured by an optoelectronic system. Furthermore, the control system of the new test rig allows the estimation of the contribution of the principal leg muscles in guaranteeing the equilibrium of the joint by the system for muscle simulation. Accuracy in positioning is guaranteed by the designed tibia and femur fixation systems,which allow unmounting and remounting the specimen in the same pose. The test rig presented in this paper permits the analysis of the behavior of the knee joint and comparative analysis on the same specimen before and after surgery, in a way to assess the goodness of prostheses or surgical treatments.