Military Medicine International Journal of amsus raising the bar: extremity trauma care guest editors

46. Nolan L, Wit A, Dudziñski K, Lees A, Lake M, Wychowañski M:

Adjustments in gait symmetry with walking speed in trans-femoral and

trans-tibial Amputees. Gait Posture 2003; 17(2): 142

–51.

47. Beyaert C, Grumillier C, Martinet N, Paysant J, Andre JM: Compensa-

tory mechanism involving the knee joint of the intact limb during gait

in unilateral below-knee amputees. Gait Posture 2008; 28(2): 278

–84.

48. Hobara H, Baum BS, Kwon HJ, et al: Amputee locomotion: lower

extremity loading using running-speci

fic prostheses. Gait Posture 2014;

39(1): 386

–90.

49. Walter JP, D'Lima DD, Colwell CW Jr, Fregly BJ: Decreased knee

adduction moment does not guarantee decreased medial contact force

during gait. J Orthop Res 2010; 28(10): 1348

–54.

50. Lehmann JF, Price R, Boswell-Bessette S, Dralle A, Questad K: Com-

prehensive analysis of dynamic elastic response feet: seattle ankle/lite

foot versus sach foot. Arch Phys Med Rehabil 1993; 74(8): 853

–61.

51. Powers CM, Torburn L, Perry J, Ayyappa E: In

fluence of prosthetic

foot design on sound limb loading in adults with unilateral below-knee

Amputations. Arch Phys Med Rehabil 1994; 75(7): 825

–9.

52. Roos EM, Herzog W, Block JA, Bennell KL: Muscle weakness, affer-

ent sensory dysfunction and exercise in knee osteoarthritis. Nat Rev

Rheumatol 2010; 7(1): 57

–63.

53. Jefferson RJ, Collins JJ, Whittle MW, Radin EL, O'Connor JJ: The role

of the quadriceps in controlling impulsive forces around heel strike.

Proc Inst Mech Eng H 1990; 204(1): 21

–8.

54. Pedrinelli A, Saito M, Coelho RF, Fontes RBV, Guarniero R: Compara-

tive study of the strength of the

flexor and extensor muscles of the knee

through isokinetic evaluation in normal subject and patients subjected

to trans-tibial Amputation. Prosthet Orthot Int 2002; 26: 195

–205.

55. T. Schmalz SB, C. D. Reimers: Selective thigh muscle atrophy in trans-

tibial Amputees: an ultrasonographic study. Arch Orthop Trauma Surg

2001; 12: 307

–12.

56. Chang A, Hayes K, Dunlop D, et al: Hip abduction moment and protec-

tion against medial tibiofemoral osteoarthritis progression. Arthritis

Rheum 2005; 52(11): 3515

–9.

57. Hinman RS, Hunt MA, Creaby MW, Wrigley TV, McManus FJ,

Bennell KL: Hip muscle weakness in individuals with medial knee

osteoarthritis. Arthritis Care Res (Hoboken) 2010; 62(8): 1190

–3.

58. Powers CM: The in

fluence of abnormal hip mechanics on knee injury:

a biomechanical perspective. J Orthop Sports Phys Ther 2010; 40(2): 42

–51.

59. Sled EA, Khoja L, Deluzio KJ, Olney SJ, Culham EG: Effect of a

home program of hip abductor exercises on knee joint loading, strength,

function, and pain in people with knee osteoarthritis: a clinical trial.

Phys Ther 2010; 90(6): 895

–904.

60. Bennell K, Hunt M, Wrigley T, et al: Hip strengthening reduces symp-

toms but not knee Load in people with medial knee osteoarthritis and

varus malalignment: a randomised controlled trial. Osteoarthritis Cartilage

2010; 18(5): 621

–8.

61. James U: Maximal isometric muscle strength in healthy active male

unilateral above-knee Amputees, with special regard to the hip joint.

Scand J Rehabil Med 1973; 5: 55

–66.

62. Ryser DK, Erickson RP, Cahalan T: Isometric and isokinetic hip abductor

strength in persons with above-knee amputations. Arch Phys Med Rehabil

1988; 69(10): 840

–5.

63. Nadollek H, Brauer S, Isles R: Outcomes after trans-tibial amputation:

the relationship between quiet stance ability, strength of hip abductor

muscles and gait. Physiother Res Int 2002; 7(4): 203

–14.

64. Anderson DD, Chubinskaya S, Guilak F, et al: Post-traumatic osteo-

arthritis: improved understanding and opportunities for early intervention.

J Orthop Res 2011; 29(6): 802

–9.

65. Martin JA, Brown T, Heiner A, Buckwalter JA: Post-traumatic osteoar-

thritis: the role of accelerated chondrocyte senescence. Biorheology

2004; 41(3

–4): 479–92.

66. Rivera JC, Wenke JC, Buckwalter JA, Ficke JR, Johnson AE: Post-

traumatic osteoarthritis caused by battle

field injuries: the primary source of

disability in warriors. J Am Acad Orthop Surg 2012; 20(Suppl): S64

–S69.

67. Lohmander LS, Englund PM, Dahl LL, Roos EM: The long-term con-

sequence of anterior cruciate ligament and meniscus injuries osteoarthritis.

Am J Sports Med 2007; 35(10): 1756

–69.

68. Lohmander L, Östenberg A, Englund M, Roos H: High prevalence of

knee osteoarthritis, pain, and functional limitations in female soccer

players twelve years after anterior cruciate ligament injury. Arthritis

Rheum 2004; 50(10): 3145

–52.

69. Roos H, Adalberth T, Dahlberg L, Lohmander LS: Osteoarthritis of the

knee after injury to the anterior cruciate ligament or meniscus: the in

flu-

ence of time and age. Osteoarthritis Cartilage 1995; 3(4): 261

–7.

70. Chakravarty EF, Hubert HB, Lingala VB, Zatarain E, Fries JF: Long

distance running and knee osteoarthritis. A prospective study. Am J

Prev Med 2008; 35(2): 133

–8.

71. Krampla WW, Newrkla SP, Kroener AH, Hruby WF: Changes on mag-

netic resonance tomography in the knee joints of marathon runners:

a 10-year longitudinal study. Skeletal Radiol 2008; 37(7): 619

–26.

72. Cheng Y, Macera CA, Davis DR, Ainsworth BE, Troped PJ, Blair

SN: Physical activity and self-reported, physician-diagnosed osteo-

arthritis: is physical activity a risk factor? J Clin Epidemiol 2000; 53(3):

315

–22.

73. Kujala UM, Kettunen J, Paananen H, et al: Knee osteoarthritis in former

runners, soccer players, weight lifters, and shooters. Arthritis Rheum

1995; 38(4): 539

–46.

74. Bussmann JB, Grootscholten EA, Stam HJ: Daily physical activity and

heart rate response in people with a unilateral transtibial amputation for

vascular disease. Arch Phys Med Rehabil 2004; 85(2): 240

–4.

75. Halsne EG, Waddingham MG, Hafner BJ: Long-term activity in and

among persons with transfemoral amputation. J Rehabil Res Dev 2013;

50(4): 515

–30.

76. Klute GK, Berge JS, Orendurff MS, Williams RM, Czerniecki JM:

Prosthetic intervention effects on activity of lower-extremity Amputees.

Arch Phys Med Rehabil 2006; 87(5): 717

–22.

77. Tudor-Locke C, Craig CL, Brown WJ, et al: How many steps/day are

enough? For adults. Int J Behav Nutr Phys Act 2011; 8: 79.

78. Carter DR, Beaupré GS, Wong M, Smith RL, Andriacchi TP, Schurman

DJ: The mechanobiology of articular cartilage development and degener-

ation. Clin Orthop Relat Res 2004; (427 Suppl): S69

–S77.

79. Bragaru M, Dekker R, Geertzen J, Dijkstra P: Amputees and sports a

systematic review. Sports Med 2011; 41(9): 721

–40.

80. Kars C, Hofman M, Geertzen JH, Pepping GJ, Dekker R: Participa-

tion in sports by lower limb Amputees in the Province of Drenthe,

the Netherlands. Prosthet Orthot Int 2009; 33(4): 356

–7.

81. Hunt Ma, Simic M, Hinman RS, Bennell KL, Wrigley TV: Feasibility of

a gait retraining strategy for reducing knee joint loading: increased trunk

lean guided by real-time biofeedback. J Biomech 2011; 44(5): 943

–7.

82. Barrios JA, Crossley KM, Davis IS: Gait retraining to reduce the knee

adduction moment through real-time visual feedback of dynamic knee

alignment. J Biomech 2010; 43(11): 2208

–13.

MILITARY MEDICINE, Vol. 181, November/December Supplement 2016

44

Development of Knee Osteoarthritis After Unilateral Lower Limb Amputation

MILITARY MEDICINE, 181, 11/12:45, 2016

Differences in Military Obstacle Course Performance Between

Three Energy-Storing and Shock-Adapting Prosthetic Feet in

High-Functioning Transtibial Amputees: A Double-Blind,

Randomized Control Trial

CPT M. Jason Highsmith, SP USAR*†‡§; Jason T. Kahle, MSMS, CPO, FAAOP‡;

Rebecca M. Miro, PhD‡∥; Derek J. Lura, PhD¶; Stephanie L. Carey, PhD**;

Matthew M. Wernke, PhD††; Seok Hun Kim, PT, PhD‡;

CDR William S. Quillen, MSC USN (Ret.)‡∥

ABSTRACT Background: Approximately 683 persons engaged in military service experienced transtibial amputation

(TTA) related to recent war in Iraq and Afghanistan. Military TTAs function at a level beyond basic ambulation. No

empirical data demonstrate which higher functioning prosthetic feet maximize injured service personnel

’s ability to con-

tinue performing at a level commensurate with return to duty. This study

’s purpose was to determine which of three

high-functioning, energy-storing prosthetic feet maximize performance and preference in a

field obstacle course (OC)

and to quantify physical performance differences between TTAs and high-functioning nonamputees. Procedures: A ran-

domized, double-blind, repeated measures experimental design compared three prosthetic feet (Ossur Vari

flex, Endolite

Elite Blade, and Ossur Re-Flex Rotate) during performance on a

field OC. TTAs accommodated with study feet and the

OC before assessment. 14 TTAs and 14 nonamputee controls completed the course. Subjective and objective perfor-

mance differences were compared across feet conditions and between groups. Results: Total OC completion times were

similar between prosthetic feet: Elite-Blade (419 seconds ± 130), Vari

flex (425 seconds ± 144), and Re-Flex Rotate

(444 seconds ± 220). Controls

’ OC completion time (287.2 seconds ± 58) was less ( p ≤ 0.05) than TTA times. In total,

controls had faster completion times ( p

≤ 0.05) compared to all prosthetic feet conditions in 13/17 obstacles. Re-Flex

Rotate had 2 additional obstacles different ( p

≤ 0.05) than controls and required more time to complete. Median RPE

values were lower ( p

≤ 0.05) for controls than TTA regardless of foot. Regarding foot preference for OC completion,

7/14 (50%) preferred Elite Blade, 5/14 (36%) preferred Re-Flex Rotate, and the remaining 2/14 (14%) preferred

Vari

flex. Conclusion: Controls completed the OC faster and with less effort than TTAs regardless of prosthetic foot. No

clear differences in prosthetic feet emerged during OC completion; however, individual task performance, perceived

effort, and preference resulted in trends of slight performance improvement with and preference for Elite Blade, a dual

function energy-storing and return foot combined with vertical shock absorption. Understanding how to maximally

improve performance in such functional tasks may allow service members to best sustain physical

fitness, return to their

military occupational specialty and possibly in-theater duty.

INTRODUCTION

Traumatic amputation represents more than 2% of all battle-

field injuries and greater than 7% of major extremity injury

associated with military service.

1,2

Speci

fic to the wars in

Iraq and Afghanistan, there have been 1,221 persons engaged

in military service who have experienced 1,631 amputations

from 2001 to 2011.

3

Of these, 683 amputations (or 41.8%)

were at the transtibial level and 366 people suffered multiple

amputations.

1

–4

Military transtibial amputation (TTAs) likely

function at a level beyond basic ambulation and will require

a longer duration of care over their remaining lifespan com-

pared to dysvascular amputees in the civilian sector. Today

’s

younger military TTA will challenge the health care sys-

tem that is best suited for management of lower function-

ing patients.

5,6

Rehabilitation following TTA routinely involves use of a

prosthesis. Optimizing the TTA prosthesis requires selecting

componentry, including a prosthetic foot best suited for the

patient

’s particular functional demands. Problematically, lit-

tle empirical data are available to guide selection of the opti-

mal foot for a high-functioning member of the armed forces

who may be interested in extreme recreational pursuits as a

Veteran or in staying on active military duty. Available

comparative effectiveness research for prosthetic feet in the

TTA population has included perceptive, biomechanical, and

*Extremity Trauma & Amputation Center of Excellence, 2748 Worth

Road, Suite 29, Fort Sam Houston, TX 78234.

†James A. Haley Veterans Administration Hospital, Center of Innova-

tion in Disabilities and Rehabilitation Research, 8900 Grand Oak Circle

(151R), Tampa, FL 33637.

‡School of Physical Therapy and Rehabilitation Sciences, University of

South Florida, 3515 E, Fletcher Avenue, Tampa, FL 33612.

§U.S. Department of Veterans Affairs, Rehabilitation and Prosthetics

Services, 810 Vermont Avenue, NW Washington, DC 20420.

∥Center for Neuromusculoskeletal Research, University of South Flor-

ida, 3515 E, Fletcher Avenue, Tampa, FL 33612.

¶Department of Bioengineering and Software Engineering, Florida Gulf

Coast University, 10501 FGCU Boulevard South, Fort Myers, FL 33965.

**Mechanical Engineering Department, University of South Florida,

4202 E, Fowler Avenue, ENB 118,Tampa, FL 33612.

††Willow Wood, 15441 Scioto Darby Road, P. O. Box 130, Mount

Sterling, OH 43143.

doi: 10.7205/MILMED-D-16-00286

MILITARY MEDICINE, Vol. 181, November/December Supplement 2016

45

bioenergetic measures in a limited selection of prosthetic feet

including solid ankle cushioned heel (SACH), energy-storing,

and vertical shock

–absorbing feet.

7

Brie

fly, compared to alter-

natives such as SACH feet, TTA

’s studied preferred energy-

storing feet and reported enhanced performance, comfort and

less effort in association with their use.

7

–12

In some cases,

additional functions have resulted in improved performance of

speci

fic functional needs. Examples include specialty running

feet improving bioenergetic ef

ficiency during ambulation

above comfortable walking speeds and vertical shock absorp-

tion improving stair-climbing kinetics.

13,14

Despite the avail-

able, however limited evidence, there is no empirical data

to demonstrate which higher functioning prosthetic feet can

maximize an injured service member

’s ability to continue

performing at a level commensurate with return to duty.

Obstacle courses (OCs) are a familiar element of military

and law enforcement culture and quali

fication. They are used

in preparatory training and skill maintenance in physically

demanding work environments. OCs are further used for

assessment to demonstrate continued preparedness in terms

of skill pro

ficiency and fitness. Use of OCs have become

even more widespread to include recreation and to determine

disease severity. In the health care literature for instance,

OCs have been used with the elderly, those using assistive

mobility aids, visually impaired, community ambulatory

transfemoral amputees, those recovering from cardiac events,

firefighters, and the military.

15

–24

Use of OCs in these exam-

ples have provided determinations of

fitness and situational

preparedness for physically rigorous work environments.

Given that OCs are familiar to military personnel to assess

physical preparedness and because there are no

field-based

physical performance assessments of high-functioning TTAs

using high-functioning prosthetic feet, use of an OC is a log-

ical assessment choice in this population. Therefore, the

purpose of this study was to determine which of three high-

functioning, energy-storing prosthetic feet maximize perfor-

mance and preference in a rigorous

field OC. A second

purpose was to quantify the differences in physical perfor-

mance between persons with TTA and a high-functioning

nonamputee control group.

METHODS

The protocol was approved by Institutional Review Boards

for the University of South Florida and the U.S. Army. The

study was also listed in a federal clinical trials registry

(www.clinicaltrials.gov; no. NCT01404559).

Study Design

A randomized, double-blind (subjects and data collectors),

repeated measures experimental design was used to compare

three prosthetic feet conditions in physical performance. The

study statistician (also blinded to the interventions) used an

electronically generated, randomized, and balanced block

allocation to sequence independent variable (prosthetic foot)

assignment to subjects (off-site and concealed) via the study

prosthetists. The study prosthetists fabricated prosthetic

blinding covers that concealed the identity of prosthetic feet

during testing to mask participants and investigators.

Subject Recruitment and Eligibility

TTA subjects were recruited in collaboration with case man-

agers through a military treatment facility specializing in

amputee rehabilitation as well as advertisement with local

prosthetic and rehabilitative clinics. Nonamputee control sub-

jects were recruited through the local County Sherriff Depart-

ment

’s Special Weapons and Tactics Team (SWAT). All

subjects had to be aged

≤45 years and provide evidence of

medical clearance to be able to participate in vigorous physi-

cal activity. Nonamputee control subjects had to be a SWAT

team member. Additional eligibility criteria speci

fic to TTAs

included that candidates had to be determined by study pros-

thetists to be at the K4 functional level and currently active

duty military or other uniformed service, a recently separated

Veteran or have a strong high-performance athletic history as

an amputee (e.g., ranked triathlete, paralympian).

Experimental Procedures

Study Feet (Independent Variables)

All amputee subjects (experimental group) were tested in

random order with each of the following three energy-storing

prosthetic feet (blinded) (Fig. 1).

(1) Vari

flex (Ossur, Reykjavik, Iceland. Energy-storing

and return [ESR]),

(2) Elite Blade (Endolite, Hampshire, United Kingdom.

Energy-storing and vertical shock absorption),

(3) Re-Flex Rotate (Ossur, Reykjavik, Iceland. Energy-

storing and vertical shock and torsion absorption).

These feet were selected as they represent differing types

of energy-storing feet including a basic energy-storing foot,

a light weight ESR foot with vertical shock absorption and

a heavier ESR foot with vertical shock and torsion absorp-

tion. A cross-section of nonamputees were also assessed to

provide a comparison to unimpaired physical performance

(control group).

Prosthetic Fitting and Accommodation Periods

Board-certi

fied and state-licensed study prosthetists dupli-

cated TTA participants

’ prosthetic sockets and suspension.

The duplicate socket was then

fit and aligned (to manufac-

turer speci

fications using a LASAR posture tool [Otto Bock

Healthcare, Duderstadt, Germany]) with the three 3 pros-

thetic feet using modular coupling components to control

potential confounding issues related to socket

fit. TTA partic-

ipants accommodated with each prosthetic foot by wearing it

for a minimum of 7 days (minimum of 8 hours per day). Par-

ticipants recorded their foot accommodation use in a written

journal provided to them during

fitting and training. Usage

MILITARY MEDICINE, Vol. 181, November/December Supplement 2016

46

Energy-Storing and Shock-Adapting Prosthetic Feet in Transtibial Amputees

and minimal accommodation were con

firmed by study staff

verbally and via journal entries before scheduling testing.

This assured a minimum accommodation period between

fitting and testing of at least 21 days total for the duplicate

socket and 7 days per foot condition in subjects

’ home envi-

ronment (Fig. 2).

OC and Familiarization

The local law enforcement and military OC were selected

and approved as the test facility. It is routinely used to train

police of

ficers, SWAT team members, and various branches

of military service members. SWAT operators and trainers

were onsite at all times to familiarize and supervise partici-

pants during study training and assessment.

As recommended,

25

OC familiarization included three

preparatory performance trials to eliminate confounding

learning effects. The study familiarization and accommoda-

tion plan also included provision of an OC map (Fig. 3) to

participants in advance of a physical familiarization and

training trip to the OC (Fig. 2). This included a 5-day pros-

thetic

fitting and familiarization visit. Using their prestudy,

preferred prosthesis, subjects visited the OC for instruction

by SWAT operators on OC safety and completion technique.

After instructional training and supervised practice, subjects

performed three supervised OC trials independently, for a

practice time.

The OC included the following obstacle tasks:

(1) Jacob

’s Ladder

(2) Rope Climb

(3) Balance Beam

(4) A-Frame

(5) Culverts

(6) Chain-Link Fence

(7) Rope Bridge and Stumps

(8) Cargo Net

(9) High Step

(10) Angle Wall (Fig. 4)

(11) Slalom

FIGURE 1.

I. Vari

flex (Ossur, Reykjavik, Iceland) is an energy storing and return foot, II. Elite Blade (Endolite, Hampshire, United Kingdom) is an

energy-storing and vertical shock absorption foot, III. Re-Flex Rotate (Ossur, Reykjavik, Iceland) is an energy-storing and vertical shock and torsion absorp-

tion foot.

FIGURE 2.

Study timeline. The timeline included two 5-day research activity periods on either side of a 21-day accommodation period. The

first 5-day

period was for prosthetic