Lower Limb Transtibial Prosthetic Socket Transversal Rotation Resistance – Comparison of Five Different Suspension Systems in a Mock Limb

Abstract

SAMMENDRAG Introduksjon. Komfort og stabilitet er viktige faktorer ved tilvirkning av protesehylse til amputasjonsstumpen hos personer med amputasjon av underekstremiteten og påvirkes av trykk, forskyvning og friksjon. Flere suspensjonssystemer finnes, men en systematisk objektiv vurdering av suspensjonssystemene med hensyn til rotasjonsmotstand mangler. Målet med studien var å finne forskjellen i rotasjonsmotstand mellom protesehylse og amputasjonsstump for fem ulike suspensjonssystemer og fire ulike aksiallaster. Metode. Testriggen besto av en gjennomsiktig hylse, en kunstig kopi av amputasjonsstumpen i silikon (mock) med en tekstilliner utenpå. Et kamera festet på hylsen målte rotasjonsmomentet (slippmomentet) ved 1 mm forskyvning av liner relativt til protesehylsen i en rotasjonsbevegelse. Aksiallast og trykk ble også målt. Ti undersøkelser med fem suspensjonssystemer ved fire aksiallaster (20, 40, 60 og 80 kg) ble utført. Alle tester var gjennomført med låsepinne festet til lineren. De fem suspensjonssystemene som ble testet var «ikke-vakuum», «sleeve-passivt vakuum», «sleeve-aktivt vakuum», «elastomerdekket liner-passivt vakuum» og «elastomerdekket liner-aktivt vakuum». Resultater. Den høyeste gjennomsnittlige verdien på slippmoment var 6,1 Nm og ble funnet med «sleeve-aktivt vakuum» ved en aksialbelastning på 80 kg. Det laveste slippmomentet var på 0,6 Nm med «ikke-vakuum» ved 20 kg. En ANOVA-modell med slippmoment som avhengig variabel og suspensjonssystemer og aksiallast som faktorer viste signifikante forskjeller på suspensjonssystemer med økning av aksiallast, og en forskjell mellom faktorene. Post-hoc-tester viste at «sleeve-aktivt vakuum» og «elastomerdekket liner-passivt vakuum» hadde høyest rotasjonsmotstand, etterfulgt av «elastomerdekket liner-aktivt vakuum», «sleeve-passivt vakuum» og «ikke-vakuum». Alle forskjellene var statistisk signifikante (p<0,01), bortsett fra de to suspensjonssystemene med høyest slippmoment. Diskusjon. «Sleeve-aktivt vakuum» og «elastomerdekket liner-passivt vakuum» hadde høyest rotasjonsmotstand og det var ingen signifikant forskjell mellom disse. Aktivt vakuum hadde høyere motstand mot rotasjon sammenlignet med passivt vakuum ved bruk av «sleeve», men lavere rotasjonsmotstand enn passivt vakuum med «elastomerdekket liner». Ikke-vakuum hadde den laveste rotasjonsmotstanden. Som forventet viste målinger med testriggen betydelig økt motstand mot rotasjon ved økt aksiallast, sammenliknbart med rotasjonsmotstand ved økt belastning av protesen i gange. Hvorvidt de observerte slippmomentene, og forskjellene mellom suspensjonssystemer observert i denne mockstudien er de samme hos mennesker med protese, og hvordan det påvirker komfort og kontroll, bør vurderes i fremtidige studier.

ABSTRACT Introduction. When fitting a prosthetic socket to the residual limb in persons with a lower limb amputation, comfort and stability are key elements affected by pressure, displacement, and friction. There are several suspension systems available, but a systematic objective evaluation of the suspension systems with respect to resistance against rotation is lacking. The aim of the study was to find the rotation resistance between the socket and the residual limb for five different suspension systems on four different axial loads. Method. A prosthetic test rig was developed, and transversal rotational slip torque was measured at a liner-socket slip of 1 mm. The test rig consisted of a transparent socket, an artificial residual limb of silicone (mock) with a locking textile liner. A camera was fixed on the transparent socket to measure socket-liner transversal rotation displacement. Axial load and pressure were also measured. Ten investigations were made with five suspension systems at four axial loads (20, 40, 60 and 80 kg). The pin-locking textile liner suspension systems tested were “non-vacuum”, “sleeve-passive suction”, “sleeve-active vacuum”, “elastomeric coated liner-passive suction” and “elastomeric coated liner-active vacuum”. Results. The highest average slip torque (6.1 Nm) was found with “sleeve-active vacuum” at an axial load of 80kg, and the lowest (0.6 Nm) with “none-vacuum” at 20kg. A univariate general linear ANOVA model on slip torque with suspension system and axial load as fixed factors, showed significant suspension system effects, an increase with axial load and difference between the factors. Post-hoc tests showed that “sleeve-active vacuum” and “elastomeric coated liner-passive suction” had the highest slip-torque, followed by “elastomeric coated liner-active vacuum”, “sleeve-passive suction”, and “non-vacuum”. All differences were statistically significant (p<0.01), except for “sleeve-active vacuum” compared to “elastomeric coated liner-passive suction”. Discussion. The “sleeve-active vacuum” and “elastomeric coated liner-passive suction” had the overall highest rotation resistance with no significant difference between them. Active vacuum had higher resistance against rotation compared to passive suction with “sleeve” suspension, but lower rotation resistance than passive suction with the “elastomeric coated liner” suspension. “Non-vacuum” had the lowest rotation resistance. As expected, measurements with the prosthetic test rig showed significantly increased rotation resistance with increased axial loads which may be analogue to increased prosthetic limb loading in gait. Whether the observed slip-torques (between 0.6-6.1 Nm) and the differences between suspension systems observed in this mock limb are the same in real persons with a lower limb amputation, and how it affects comfort and control, should be evaluated.