Yes / Passive prosthetic devices are set up to provide optimal function at customary walking speed and thus may function less effectively at other speeds. This partly explains why joint kinetic adaptations become more apparent in lower-limb amputees when walking at speeds other than customary. The present study determined whether a trans-tibial prosthesis incorporating a dynamic-response foot that was attached to the shank via an articulating hydraulic device (hyA-F) lessened speed-related adaptations in joint kinetics compared to when the foot was attached via a rigid, non-articulating attachment (rigF). Eight active unilateral trans-tibial amputees completed walking trials at their customary walking speed, and at speeds they deemed to be slow-comfortable and fast-comfortable whilst using each type of foot attachment. Moments and powers at the distal end of the prosthetic shank and at the intact joints of both limbs were compared between attachment conditions. There was no change in the amount of intact-limb ankle work across speed or attachment conditions. As speed level increased there was an increase on both limbs in the amount of hip and knee joint work done, and increases on the prosthetic side were greater when using the hyA-F. However, because all walking speed levels were higher when using the hyA-F, the intact-limb ankle and combined joints work per meter travelled were significantly lower; particularly so at the customary speed level. This was the case despite the hyA-F dissipating more energy during stance. In addition, the amount of eccentric work done per meter travelled became increased at the residual knee when using the hyA-F, with increases again greatest at customary speed. Findings indicate that a trans-tibial prosthesis incorporating a dynamic-response foot reduced speed-related changes in compensatory intact-limb joint kinetics when the foot was attached via an articulating hydraulic device compared to rigid attachment. As differences between attachment conditions were greatest at customary speed, findings indicate a hydraulic ankle-foot device is most effectual at the speed it is set-up for.

Over one million amputees are living in the United States with major lower limb loss (Ziegler-Graham et al. 2008). Lower limb amputation leads to the functional loss of the ankle plantar flexor muscles, which are important contributors to body support, forward propulsion, and leg swing initiation during walking (Neptune et al. 2001; Liu et al. 2006). Effective prosthetic component design is essential for successful rehabilitation of amputees to return to an active lifestyle by partially replacing the functional role of the ankle muscles. The series of experimental and computer simulation studies presented in this research showed that design characteristics of energy storage and return prosthetic ankles, specifically the elastic stiffness, significantly influence residual and intact leg ground reaction forces, knee joint moments, and muscle activity, thus affecting muscle output. These findings highlight the importance of proper prosthetic foot stiffness prescription for amputees to assure effective rehabilitation outcomes. The research also showed that the ankle muscles serve to stabilize the body during turning the center of mass. When amputees turn while supported by their prosthetic components, they rely more on gravity to redirect the center of mass than active muscle generation. This mechanism increases the risks of falling and identifies a need for prosthetic components and rehabilitation focused on increasing amputee stability during turning. A proper understanding of the effects of prosthetic components on amputee walking mechanics is critical to decreasing complications and risks that are prevalent among lower-limb amputees. The presented research is an important step towards reaching this goal. / text

M. Tech. Architecture (Professional)

Introdução: A amputação transtibial é uma das amputações de membros inferiores mais frequentemente realizada. Objetivo: Este trabalho teve por objetivo comparar, através da análise tridimensional da marcha, as alterações de marcha de pacientes com amputação transtibial, previamente treinados, que utilizavam próteses com encaixe Kondylen Bettung Münster (KBM) e a vácuo. Metodologia: Foram avaliados voluntários com amputação transtibial que utilizavam encaixe KBM ou a vácuo disponibilizados pelos Sistema Único de Saúde (SUS). A amostra final foi de 12 participantes no grupo “KBM” e 5 no grupo “vácuo”. Todos eles passaram por um exame físico, que constou de goniometria, teste de força muscular e coleta de dados antropométricos. Eles também realizaram análise tridimensional (3D) da marcha. Para tal, eles foram paramentados com marcadores reflexivos em pontos anatômicos e os correspondentes da prótese, de acordo com o modelo Helen Hayes e caminharam por uma pista de 10 metros com uma velocidade auto selecionada. O sistema de captura consistiu em 6 câmeras Hawk e software Cortex versão 1.1.4.368, de captura e edição das caminhadas, ambos da Motion Analysis Corporation. A comparação entre os dois grupos foi realizada através da Pontuação do Perfil da Marcha (GPS), das Pontuações das Variáveis da Marcha (GVS) e dos parâmetros de tempo e espaço da marcha. Além disso, foi testada a correlação entre a GPS e as GVS e entre a GPS e os parâmetros de tempo e espaço da marcha. Resultados: Os dois grupos obtiveram velocidade da marcha significativamente menores, período de apoio significativamente maior e o tempo de apoio simples menor que o normal. Nos dois grupos ainda, os valores de GPS e GVS foram maiores que o normal, porém o “KBM” apresentou maiores desvios que o “vácuo”. Os maiores desvios do grupo do encaixe KBM foram nas GVS flexão/extensão dos quadris, flexão/extensão dos joelhos e dorsi/plantiflexão do tornozelo MIP, podendo assim caracterizar este como o padrão de desvio do Perfil de Análise do Movimento (MAP) deste grupo. O grupo “vácuo” teve os principais desvios nas GVS dorsi/plantiflexão dos tornozelos, flexão/extensão do joelho MIP e rotação pélvica, sendo este o padrão de desvio do MAP deste grupo. Encontraram-se, portanto, padrões diferentes de desvio nos dois grupos. Os dois grupos apresentaram desvios no MICL, os quais representam as compensações realizadas neste membro para possibilitar uma marcha mais funcional com a prótese. Os participantes que utilizaram o encaixe a vácuo apresentaram marcha mais simétrica que os participantes que utilizavam encaixe KBM. O grupo que utilizava o encaixe a vácuo obteve menores valores de GPS e de algumas GVS que o grupo “KBM”, entre elas estão a flexão/extensão do quadril MIP e MICL, flexão/extensão do joelho MIP e a flexão/extensão do joelho MICL, que foi a única diferença estatisticamente significante entre os grupos de encaixe. O mesmo grupo teve velocidade da macha maior que o grupo “KBM” e, apesar desta diferença não ter sido significativa, sugere uma maior funcionalidade da marcha com o encaixe a vácuo. Conclusão: Pode-se concluir que os indivíduos que utilizaram encaixe a vácuo apresentaram um padrão de marcha mais funcional e com menores desvios que aqueles que utilizaram encaixe KBM, quando comparados através da GPS, das GVS e dos parâmetros de tempo e espaço. / Introduction: Transtibial amputation is one of the lower limb amputations more often performed. Objective: The aim of this study was to compare, using 3D gait analysis, gait deviations of patients with transtibial amputation, previously trained, using KBM and vacum prosthetic fittings. Methodology: Transtibial amputees that used Kondylen Bettung Münster (KBM) and vacuum prosthetic fitting waived by the Sistema Único de Saúde (SUS) were evaluated. The final sample consisted of 12 participants in the "KBM" group and 5 in the "vacuum" group. They all underwent a physical examination, which consisted of goniometry, muscle strength testing and anthropometric data. They also performed three-dimensional (3D) gait analysis. For this, they were vested with reflexive markers on anatomical and prosthetic corresponding landmarkers according to the Helen Hayes and walked across a 10-m walk-way at their self-selected speed. The capture system consisted of 6 cameras Hawk and the Cortex software version 1.1.4.368 for capturing and editing the trials, both from Motion Analysis Corporation. The Gait Profile Scores (GPS), Gait Variable Score (GVS) and temporal-spatial parameters performed the comparison between the two groups. In addition, we tested the correlation between GPS and GVS and between GPS and temporal-spatial parameters. Results: The two groups had significantly lower gait speed, significantly longer period of support and shorter time of single support than normal. In both groups, GPS and GVS values were higher than normal, but the "KBM" showed greater deviations than the "vacuum". The largest deviations from the KBM group was in the GVS hips flexion / extension, knees flexion / extension and ankle dorsi / plantarflexion MIP and can thus characterize this as the deviation pattern of the Movement Analysis Profile (MAP) for this group. The "vacuum" group had major deviations of the GVS ankles dorsi / platarflexion, knee flexion / extension MIP and pelvic rotation, the deviation pattern of MAP in this group. There were, therefore, different deviation patterns I the two groups. Both groups showed deviations in MICL, which represent the compensation made by this limb to enable a more functional gait with prosthesis. Participants who used vacuum prosthetic fitting showed more a symmetrical gait than participants that used KBM prosthetic fitting. The group that used vacuum prosthetic fitting had lower values of GPS and some GVS than "KBM" group; these include hips flexion / extension, MIP knee flexion / extension and MICL knee flexion / extension, which was the only statistically significant difference between the groups. The same group had greater walking speed than the "KBM" group and, although this difference was not significant, it suggests more functionality of gait with vacuum prosthetic fitting. Conclusion: It can be concluded that individuals who used the vacuum prosthetic fitting showed more functional gait pattern and smaller deviations than those that used KBM prosthetic fitting, compared by GPS, GVS and temporal-spatial parameters.

FINEP; CAPES; CNPQ; Fundação Araucária; ANEEL / O presente trabalho apresenta uma aplicação de sensores à fibra ótica baseados em redes de Bragg encapsulados em compósito de resina polimérica com reforço de fibra de vidro no formato de tubo. O objetivo do trabalho foi projetar, fabricar e caracterizar o dispositivo sensor aplicado ao ciclo da marcha e a mudança do centro de gravidade em amputado transtibial, através da análise de de deformação e resistência do tubo conector da prótese transtibial. Para essa investigação foi produzido um tubo com o material compósito descrito anteriormente através do método de Moldagem por Transferência de Resina (RTM), com quatro sensores óticos. A prótese em que o tubo original foi substituído é classificada como endoesquelético, possui encaixe à vácuo, tem o tubo conector de alumínio e pé com amortecimento de fibra de carbono. O voluntário para os testes foi um homem de 41 anos, 1,65 metros de altura, 72 quilogramas e canhoto. Sua amputação ocorreu devido a trauma (secção cirúrgica nível medial feita abaixo do joelho do membro inferior esquerdo). Ele é usuário de prótese transtibial há dois anos e oito meses A caracterização dos sensores óticos e análise da deformação mecânica e resistência do tubo deu-se pelo ciclo da marcha e a variação do centro de gravidade do corpo através dos seguintes testes: levantar-se, apoiar na perna sem a prótese, apoiar na perna com a prótese, locomoção para frente e locomoção para trás. Os resultados mostram além da caracterização do ciclo da marcha em um amputado transtibial, também um elevado grau de integração das FBGs no compósito e uma alta resistência mecânica do material. / This work presents an application of optical fiber sensors based on Bragg gratings integrated to a transtibial prosthesis tube manufactured with a polymeric composite systrem of epoxy resin reinforced with glass fiber. The main objective of this study is to characterize the sensors applied to the gait cycle and changes in the gravity center of a transtibial amputee, trough the analysis of deformation and strengh of the transtibial prosthesis tube. For this investigation it is produced a tube of the composite material described above using the molding method of resin transfer (RTM) with four optical sensors. The prosthesis in which the original tube is replaced is classified as endoskeletal, has vacuum fitting, aluminium conector tube and carbon fiber foot cushioning. The volunteer for the tests was a man of 41 years old, 1.65 meters tall, 72 kilograms and left-handed. His amputation occurred due to trauma (surgical section is in the medial level, and was made below the left lower limb knee). He has been a transtibial prosthesis user for two years and eight months. The characterization of the optical sensors and analysis of mechanical deformation and tube resistance occurred through the gait cycle and the variation of the center of gravity of the body by the following tests: stand up, support leg without the prosthesis, support in the leg with the prosthesis, walk forward and walk backward. Besides the characterization of optical sensors during the gait cycle and the variation of the gravity center in a transtibial amputated, the results also showed a high degree of integration of the sensors in the composite and a high mechanical strength of the material.

Syfte: Syftet med denna studie var att undersöka vad kliniker upplever påverkar förskrivningsprocessen av mikroprocesstyrd knäkomponent (MPK) i de olika regionerna i Sverige. Metod: Kvalitativ analys med semistrukturerade intervjuer genomfördes. Intervjuerna genomfördes och spelades in med Zoom eller Teams programvara och data analyserades sedan tematiskt.  Resultat: 9 legitimerade ortopedingenjörer samt en legitimerad fysioterapeut från åtta olika regioner deltog i studien. Under dataanalysen identifierades fyra huvudteman samt 10 underteman. Huvudteman var: utvärdering av patientens lämplighet för MPK, utmaningar med att beräkna patientutfall, förskrivningsbarriärer och externa påverkande faktorer. Deltagarna upplevde att beräkning av patientutfall, budgetrestriktioner och att vara beroende av subjektiva bedömningar av patienter som stora utmaningar med förskrivningsprocessen av en MPK.  Slutsats: Deltagarna upplevde att förskrivningsprocessen av MPK påverkas av flertal olika faktorer; från regionala budgetar och ansökningsprocesser, till deltagarnas erfarenhet och förmåga att bedöma lämpliga MPK-kandidater. Deltagarna uttryckte utmaningar med att förskrivningsprocessen var känslobaserad och till stor del beroende av subjektiva och generella utvärderingar av patienten. Detta gjorde att ett stort ansvar av bedömningen om vem som bör få ett MPK förskrivet, låg på deltagarna själva, vilket ansågs kan bidra till inkonsekventa patientbehandlingar. Deltagarna upplevde att ett nationellt förskrivningssystem möjligen hade kunnat bidra till att processen var mer rättvis för patienterna samt underlätta processen för de själva. / Purpose: The study investigates clinicians’ experience of what is affecting the prescription of microprocessor-controlled prosthetic knees (MPKs) in different regions in Sweden. Method: Qualitative analysis with semi-structured interviews were conducted. The interviews were conducted and recorded using Zoom or Teams software and data was thereafter thematically analysed. Results: 9 certified prosthetists and a certified physiotherapist from eight different regions participated. During data analysis four main themes were identified along with ten subthemes. The key themes were: assessing candidate for MPK, challenges in estimating outcomes, barriers to prescribing and external influencing factors. Estimating patient outcomes, budget limitations and being dependent on subjective patient evaluations were expressed as major factors affecting the prescription of MPKs. Conclusion: The prescription of MPKs was found to be affected by several factors; from regional budgets and application processes to clinicians’ experience in assessing suitable MPK-candidates. The clinicians expressed challenges in that the prescribing process was emotionally based and relied on subjective and generalised patient assessments. This made decision-making regarding who to prescribe an MPK to, highly dependent on the clinicians’ own experience and knowledge which according to them, could lead to inconsistent treatments. Clinicians felt that a national prescription system could possibly ensure fairer patient evaluations and make the process easier for themselves.

CAPES : CNPq / Pessoas com paralisia cerebral apresentam grande diversidade de alterações posturais, sendo mais características as consequentes da espasticidade. Objetivando a otimização do desempenho funcional, juntamente com outros objetivos terapêuticos pode ser prescrito o uso órteses. Neste contexto a manufatura aditiva pode se apresentar como uma alternativa à fabricação de produtos personalizados de Tecnologia Assistiva, tais como as órteses. Para este fim a digitalização 3D é uma etapa importante, considerando que a geometria da anatomia do usuário será a referência para o desenvolvimento do produto em ambiente CAD 3D para posterior fabricação. No entanto os equipamentos de digitalização 3D possuem custos elevados, sendo um dos fatores que dificultam a popularização desta solução. Deste modo este trabalho visa avaliar a utilização de sistemas de baixo custo para realizar a digitalização 3D, no contexto do desenvolvimento de órteses personalizadas para punho, mão e dedos a serem fabricadas por manufatura aditiva. Foi proposto um método estruturado em três fases sendo: definição das ferramentas e sistemas a serem avaliados, definição dos parâmetros para avaliação e dos protocolos de utilização dos sistemas digitalização 3D; avaliação dos sistemas de digitalização 3D de baixo custo a partir da digitalização de uma peça padrão; e avaliação dos sistemas de digitalização 3D de baixo custo aplicados ao contexto de órteses para punho, mão e dedos. Os sistemas selecionados para a avaliação foram o Kinect 360 utilizando o programa Skanect, o sistema Kinect One com o programa 3DScan e o sistema ReMake com uma câmera Canon T3i. Os protocolos para a utilização dos sistemas de digitalização 3D de baixo custo foram: protocolo 1, com marcações visuais apenas no ambiente de digitalização; protocolo 2, com aplicação de adesivos coloridos sobre o objeto; e o protocolo 3, com a aplicação de linhas desenhadas à mão formando um xadrez sobre o objeto. Foi desenvolvida e fabricada uma peça padrão, composta por três elementos (um cone, um cilindro e um cubo seccionado). Para a avaliação dimensional foram considerados os parâmetros altura do cone, diâmetro do cilindro e medidas paralelas aos eixos X, Y e Z aferidas pela distância entre as faces opostas do cubo. Também foi realizada a análise dos desvios utilizando o programa Geomagic e uma avaliação da qualidade onde se verificou visualmente a formação dos vértices e das arestas. Para a avaliação aplicada ao contexto do desenvolvimento de órteses, foi aplicado mesmo procedimento sobre um molde da geometria do punho, mão e dedos confeccionado em atadura gessada. As digitalizações geraram 27 malhas 3D da peça padrão e 9 malhas 3D do molde. As avaliações indicaram que os sistemas Kinect 360 e Kinect One não apresentaram variação significativa entre os diferentes protocolos. Já o sistema ReMake foi o mais sensível, sendo o protocolo 3 o que gerou malhas 3D com os melhores resultados dimensionais e de qualidade em relação a todos os sistemas, com valores variando entre 0,07 mm e 0,27 mm nas análises dos desvios realizadas sobre a peça padrão. / People with cerebral palsy could have wide range of postural changes, the most characteristic are resulting from spasticity. Custom orthosis use can be prescribed in this context aiming increase functional performance and other therapeutic goals. The additive manufacturing is an alternative to the custom assistive products fabrication, such as orthoses. In this context 3D scanning is an important step, considering that the user anatomy is a geometric reference to product development in 3D CAD for further fabrication. However, the 3D scanners have high costs, one of the factors that hinder the popularization of this solution. Thus, this study aims to evaluate the use of low cost systems to perform 3D scanning in the context of custom orthoses development for wrist, hand and fingers to be fabricated by additive manufacturing. A three-phases method was proposed as follows: definition of tools and systems to be evaluated, definition of parameters for assessment, and definition of protocols for using 3D scanning systems; evaluation of low-cost 3D scanning systems using a standard piece; and evaluation of low-cost 3D scanning systems applied to context of orthosis for wrist, hand and fingers. The selected systems for the evaluation were 360 Kinect using Skanect software, Kinect One system with 3DScan software and the ReMake system with a Canon T3i camera. The low-cost 3D scanning systems used protocols were: Protocol 1, with visual markings only on the scanning environment; Protocol 2, with colored stickers application on the object; and protocol 3, with the use of hand drawn lines forming a chess pattern on the object. A standard piece was developed and manufactured, composed of three elements (a cone, a cylinder and a sectioned cube). The cone height, cylinder diameter and parallel measures to axes X, Y and Z were considered as the dimensional evaluation parameters. Also, a Deviations Analysis was performed using Geomagic software and a visual-quality evaluation that observed the formation of vertices and edges. For the evaluation on orthoses development context, the same procedure was applied on a cast of the wrist, hand and fingers. This cast was made of plaster bandages. The procedure generated 27 standard piece 3D mesh and 9 cast 3D meshes. The evaluations indicated that Kinect 360 and Kinect One systems have no significant variation between the different protocols. The ReMake system was the most sensitive, and the protocol 3 generated 3D meshes with the best dimensional and quality results among all systems. The deviations analysis performed on the standard piece indicated errors ranging between 0.07 mm and 0.27 mm for the ReMake’s 3D meshes.

CAPES : CNPq / Pessoas com paralisia cerebral apresentam grande diversidade de alterações posturais, sendo mais características as consequentes da espasticidade. Objetivando a otimização do desempenho funcional, juntamente com outros objetivos terapêuticos pode ser prescrito o uso órteses. Neste contexto a manufatura aditiva pode se apresentar como uma alternativa à fabricação de produtos personalizados de Tecnologia Assistiva, tais como as órteses. Para este fim a digitalização 3D é uma etapa importante, considerando que a geometria da anatomia do usuário será a referência para o desenvolvimento do produto em ambiente CAD 3D para posterior fabricação. No entanto os equipamentos de digitalização 3D possuem custos elevados, sendo um dos fatores que dificultam a popularização desta solução. Deste modo este trabalho visa avaliar a utilização de sistemas de baixo custo para realizar a digitalização 3D, no contexto do desenvolvimento de órteses personalizadas para punho, mão e dedos a serem fabricadas por manufatura aditiva. Foi proposto um método estruturado em três fases sendo: definição das ferramentas e sistemas a serem avaliados, definição dos parâmetros para avaliação e dos protocolos de utilização dos sistemas digitalização 3D; avaliação dos sistemas de digitalização 3D de baixo custo a partir da digitalização de uma peça padrão; e avaliação dos sistemas de digitalização 3D de baixo custo aplicados ao contexto de órteses para punho, mão e dedos. Os sistemas selecionados para a avaliação foram o Kinect 360 utilizando o programa Skanect, o sistema Kinect One com o programa 3DScan e o sistema ReMake com uma câmera Canon T3i. Os protocolos para a utilização dos sistemas de digitalização 3D de baixo custo foram: protocolo 1, com marcações visuais apenas no ambiente de digitalização; protocolo 2, com aplicação de adesivos coloridos sobre o objeto; e o protocolo 3, com a aplicação de linhas desenhadas à mão formando um xadrez sobre o objeto. Foi desenvolvida e fabricada uma peça padrão, composta por três elementos (um cone, um cilindro e um cubo seccionado). Para a avaliação dimensional foram considerados os parâmetros altura do cone, diâmetro do cilindro e medidas paralelas aos eixos X, Y e Z aferidas pela distância entre as faces opostas do cubo. Também foi realizada a análise dos desvios utilizando o programa Geomagic e uma avaliação da qualidade onde se verificou visualmente a formação dos vértices e das arestas. Para a avaliação aplicada ao contexto do desenvolvimento de órteses, foi aplicado mesmo procedimento sobre um molde da geometria do punho, mão e dedos confeccionado em atadura gessada. As digitalizações geraram 27 malhas 3D da peça padrão e 9 malhas 3D do molde. As avaliações indicaram que os sistemas Kinect 360 e Kinect One não apresentaram variação significativa entre os diferentes protocolos. Já o sistema ReMake foi o mais sensível, sendo o protocolo 3 o que gerou malhas 3D com os melhores resultados dimensionais e de qualidade em relação a todos os sistemas, com valores variando entre 0,07 mm e 0,27 mm nas análises dos desvios realizadas sobre a peça padrão. / People with cerebral palsy could have wide range of postural changes, the most characteristic are resulting from spasticity. Custom orthosis use can be prescribed in this context aiming increase functional performance and other therapeutic goals. The additive manufacturing is an alternative to the custom assistive products fabrication, such as orthoses. In this context 3D scanning is an important step, considering that the user anatomy is a geometric reference to product development in 3D CAD for further fabrication. However, the 3D scanners have high costs, one of the factors that hinder the popularization of this solution. Thus, this study aims to evaluate the use of low cost systems to perform 3D scanning in the context of custom orthoses development for wrist, hand and fingers to be fabricated by additive manufacturing. A three-phases method was proposed as follows: definition of tools and systems to be evaluated, definition of parameters for assessment, and definition of protocols for using 3D scanning systems; evaluation of low-cost 3D scanning systems using a standard piece; and evaluation of low-cost 3D scanning systems applied to context of orthosis for wrist, hand and fingers. The selected systems for the evaluation were 360 Kinect using Skanect software, Kinect One system with 3DScan software and the ReMake system with a Canon T3i camera. The low-cost 3D scanning systems used protocols were: Protocol 1, with visual markings only on the scanning environment; Protocol 2, with colored stickers application on the object; and protocol 3, with the use of hand drawn lines forming a chess pattern on the object. A standard piece was developed and manufactured, composed of three elements (a cone, a cylinder and a sectioned cube). The cone height, cylinder diameter and parallel measures to axes X, Y and Z were considered as the dimensional evaluation parameters. Also, a Deviations Analysis was performed using Geomagic software and a visual-quality evaluation that observed the formation of vertices and edges. For the evaluation on orthoses development context, the same procedure was applied on a cast of the wrist, hand and fingers. This cast was made of plaster bandages. The procedure generated 27 standard piece 3D mesh and 9 cast 3D meshes. The evaluations indicated that Kinect 360 and Kinect One systems have no significant variation between the different protocols. The ReMake system was the most sensitive, and the protocol 3 generated 3D meshes with the best dimensional and quality results among all systems. The deviations analysis performed on the standard piece indicated errors ranging between 0.07 mm and 0.27 mm for the ReMake’s 3D meshes.