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

fitting and OC training. The second 5-day period included 3 OC test sessions and 3 laboratory evaluation sessions (reported else-

where). The 21-day accommodation period allowed for 7-day accommodation for each of the 3 study feet.

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

47

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

(12) Attic and Pete

’s Dragon

(13) Monkey Bars

(14) Over/Under Walls

(15) Angle Tube

(16) Rope Traverse

(17) SWAT Ladder

(18) Sprint Finish

Study Schedule

For the individual TTA subject, the study commitment

involved 5 weeks of activity (Fig. 2) as follows:

Preparation period: Following enrollment and consent,

the preparation period commenced. This was a 5-day ses-

sion. The daily itinerary was as follows:

Monday: First meeting with a study prosthetist to initiate

duplication of preferred socket. Preliminary

fitting, adjust-

ment, and alignment of 3 prosthetic feet began on comple-

tion of socket duplication.

Tuesday: First training visit to OC. Subjects trained on OC

sequence, completion technique, and safety. Visit with

study prosthetist as needed.

Wednesday: Finalize prosthetic

fittings adjustments and

alignments.

Thursday: Second visit to OC. While supervised, subjects

physically practiced OC. Visit with study prosthetist as

needed.

Friday: Final meeting with study investigators, OC person-

nel, and study prosthetist.

Review accommodation period. Discuss and schedule the

testing period.

Accommodation period: See

“Prosthetic Fitting and

Accommodation Period

” section above.

FIGURE 3.

Obstacle Course Map. This diagram shows the general lane and obstacle

flow and sequence. It was provided to all participants in advance of

initiating training and testing. Obstacle no. 2., the Rope Climb, is shown in this

figure but was eliminated for safety reasons (see results section). Instructions

for completion of this task during the training portion of the study were to vertically ascend the rope and touch the top pipe with a hand.

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

48

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

Testing period: Following accommodation, the testing

period commenced. The testing period was a 5-day session

as follows:

Monday: OC test 1 of 3 (randomized foot assignment)

Tuesday: Biomechanical and bioenergetic laboratory tests

(reported elsewhere)

Wednesday: OC test 2 of 3 (randomized foot assignment)

Thursday: Biomechanical and bioenergetic laboratory tests

(reported elsewhere)

Friday: OC test 3 of 3 (randomized foot assignment)

Biomechanical and bioenergetic laboratory testing involved

minimal walking and running at comfortable speeds suf

fi-

cient to achieve steady state yet insuf

ficient to confound

recovery between

field test days. For control subjects, OC

testing was completed in a single session. This is because of

their routine (i.e., weekly) practice, assessment, and instruc-

tion with the course.

Outcome Measures

Demographic information, anthropometric measures, fully

assembled prosthetic masses, and

final alignments (i.e., sagit-

tal and coronal distances from LASAR line to manufacturer

’s

recommended foot reference location) were recorded during

the testing period before performance data collection. Using

an ad hoc rating scale, subjects were also asked to rate their

activity level (i.e., sedentary, minimally, moderately, or

highly active) as well as to quantify the number and type of

activity bouts per week and the number of years of participa-

tion. Subjects then completed the

field OC, one time per foot

(three times total) to determine total time-to-completion and

per-task completion times. Time data were recorded using

laser timing gates (Brower TC-Gates, Brower Timing Systems,

Power Systems, LLC, Knoxville, Tennessee) situated in front

of and behind each obstacle on the OC.

25

As subjects would

pass between the laser gates, times were triggered and recorded

into a data

file for later aggregation and processing. Immedi-

ately following each individual OC completion, subjects were

asked to rate their perceived exertion (RPE) using the Borg

(6

–20) scale

26

for the entire course with the respective foot

condition. Following the third and

final OC completion, TTAs

were asked to indicate which of the three feet conditions they

preferred to utilize in order to complete the OC.

Statistical Analyses

Sample size and power calculations were based on effect

sizes calculated from performance outcomes (i.e., walking

speed, oxygen uptake, lower limb joint kinetics, and per-

ceived exertion) previously published regarding comparable

high-functioning feet (e.g., Re-Flex Shock, Vari

flex, Ossur,

Reykjavek, Iceland) in basic mobility tasks.

7,13,27

These esti-

mates provided that 10 TTA subjects would adequately

power the study with

β = 0.80. Given the available data are

from basic walking and running, the resulting sample esti-

mates were regarded as conservative. Therefore, planning

for attrition and accounting for the conservative estimates

provided from basic mobility data, recruitment was set at

14 TTA participants. Following all assessments, data were

entered into a database and veri

fied before analysis. Sub-

jects

’ performance data within a given condition (i.e.,

Vari

flex) were averaged (and variance calculated) to repre-

sent that condition for further analysis and comparison

across conditions and between groups. Descriptive statistics

were calculated (i.e., means, standard deviations) where

possible. Continuous data (i.e., OC time to completion)

were examined for normalcy and outliers using NCSS/

PASS

’s omnibus calculation of skewness and kurtosis

(2004 edition, Kaysville, Utah). A within subjects

’ repeated

measures analysis of variance model was used to reveal sta-

tistical differences in performance between prosthetic feet

conditions (dependent comparisons). Differences between

control and experimental subjects were independent com-

parisons and thus ineligible for comparison using the

repeated measures analysis of variance model. Therefore,

depending on their distribution, either independent samples

t tests (normally distributed data eligible for parametric

analyses) or the Mann

–Whitney U test was used to identify

statistically signi

ficant differences between TTA and non-

amputee controls (as independent comparisons per foot con-

dition). The protocol

’s a priori level of significance was

0.05. All comparative statistical analyses were performed

using SPSS 2012 v.20 (Armonk, New York). Finally, effect

size was calculated using Cohen

’s d

28

and interpreted as

d ≥ 0.20 represents a small effect, d ≥ 0.50 represents a

medium effect, and d

≥ 0.80 represents a large effect

FIGURE 4.

All subjects were instructed to complete the course as fast as

possible and as safely as possible. Subject is pictured traversing Angle Wall

instructed to ascend the angle wall and either climb down the ladder on the

back side or hop to the ground.

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

49

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

provided the related

finding was statistically significant.

Results were unmasked following all statistical analyses.

RESULTS

Subjects

A total of 28 participants provided informed consent and

completed the protocol (i.e., no missing data). Of these,

14 were TTAs and the other 14 were members of the local

Sheriff

’s SWAT team who served as nonamputee control

subjects. The 14 TTAs included 5 Army Veterans, 3 Marine

Corps Veterans, 3 accomplished civilian athletes, 2 active

duty Army soldiers, and 1 active duty Air Force airman.

TTAs lost their limbs 8.9 ± 10.5 (mean ± SD) years before

enrollment primarily because of exposure to blasts from

improvised explosive devices. Two of the civilian TTAs lost

their limbs because of trauma and one was a congenital

amputee. TTA subjects

’ mean age (31.4 years ± 5.9) was

signi

ficantly ( p ≤ 0.05) younger than controls (38.5 years ±

5.1). The TTA

’s body mass index was 28.4 ± 6.7 kg/m

2

compared to controls

’ 26.3 ± 2.9 kg/m

2

( p > 0.05).

Although 66.7% of TTAs rated themselves as highly active,

only 35.7% of controls rated themselves as highly active

( p > 0.05). Self-reported activity (years and no. of bouts/

week) was not signi

ficantly different between TTAs and

controls, however, duration/bout was ( p

≤ 0.05). Control

subjects reported physical training of 2 to 5 bouts per week

(3.1 ± 1.1) related to their work, whereas TTAs reported

3.5 ± 1.2 (range: 1.0

–5.0) bouts per week. TTAs reported

training duration of 62.7 ± 24.3 minutes compared to 42.5 ±

16.3 reported by controls.

Prosthetic Characteristics

TTAs reported using 0.9 ± 0.9 (range: 0

–3) additional rec-

reational prostheses for the following activities; cycling,

jogging/running, skiing, snowboarding, rock climbing, swim-

ming, kayaking, soccer, and cross-

fit exercise, which consti-

tuted much of the aforementioned physical training. Sagittal

and coronal alignment of prosthetic feet setup for the study

were to manufacturer speci

fication and were not signifi-

cantly different between conditions ( p > 0.05). In terms of

prosthetic suspension, 9 subjects used a sleeve and 5 used a

pin lock. Two of the subjects using pin suspension also used

auxiliary suspension (one suction pin and one sleeve). All

subjects used a total surface bearing socket design. Re-Flex

Rotate (1.92 kg ± 1.10) made prostheses signi

ficantly

heavier ( p < 0.05; without socks/shoes) than the Vari

flex

(1.67 kg ± 0.96) and the Elite Blade (1.52 kg ± 0.96).

OC Timing Data

The OC includes 18 tasks. During the preparation period,

the

fitting and accommodation week, it became clear during

OC practice that TTAs were greatly challenged by obstacle

no. 2, the rope climb (Fig. 2, OC map). There were numer-

ous potential reasons including an inability to move the

prosthetic ankle-foot system suf

ficient to use the feet to ele-

vate the body and assist the upper limbs during climbing.

Thus, SWAT operators determined the rope climb obstacle

required elimination from further practice and evaluation for

safety reasons. Removing the rope climb obstacle reduced

the total number of tasks from 18 to 17 for both the TTAs

and the control group. Following removal of the rope climb

obstacle, total OC completion times (mean ± SD) were simi-

lar ( p > 0.05) between prosthetic feet: Elite-Blade (419 sec-

onds ± 130), Vari

flex (425 seconds ± 144), and Re-Flex

Rotate (444 seconds ± 220). Controls

’ total OC completion

time was 287.2 seconds ± 58 which was less ( p

≤ 0.05)

than TTA times. In total, controls had signi

ficantly faster

completion times ( p

≤ 0.05) compared to all 3 prosthetic

feet conditions in 13 of 17 obstacles (Table I).

The Re-Flex Rotate had two additional obstacles that

were signi

ficantly different ( p ≤ 0.05) than controls. The

Elite Blade had one additional obstacle that required more

time to complete. In terms of per-obstacle completion time

differences between prosthetic feet, only two obstacles

yielded differences: (1) climbing the chain-link fence and

(2) the sprint

finish. Climbing the chain-link fence required

greater time with the Vari

flex than it did with the Elite Blade

(14.0 seconds ± 4.9 vs. 12.4 seconds ± 4.6; p

≤ 0.05). The

sprint

finish took significantly longer ( p ≤ 0.05) to complete

with the Re-Flex Rotate (6.6 seconds ± 1.7) than it did with

either the Vari

flex (5.9 seconds ± 1.1) or the Elite Blade

(5.9 seconds ± 1.4).

Perceptive Measures

Median RPE values were signi

ficantly lower ( p ≤ 0.05) for

controls (17; range: 14

–17) than TTA regardless of foot

condition (Vari

flex 18.5[15–20], Elite Blade 18.5[13–20],

and Re-Flex Rotate 18[15-20]). Finally, when asked to rate

their preference of foot for completing the OC, 7/14 sub-

jects (50%) preferred the Elite Blade, 5/14 (36%) preferred

the Re-Flex Rotate, and the remaining 2/14 (14%) preferred

the Vari

flex.

DISCUSSION

We hypothesized that the lightest weight foot would

outperform other prosthetic foot alternatives and be the most

preferred. We further hypothesized that nonamputees would

outperform TTAs in all physical performance measures. The

Elite Blade was the foot with the lowest mass, but it was not

signi

ficantly different than the Variflex.

TTA subjects in this study are representative of combat

injured military personnel and similar to TTAs from other

studies of persons who have lost limbs in military service,

in terms of demographic and anthropometric characteris-

tics.

1,2,4,6,29

Among the more obvious results from this

study were the differences in performance between TTA and

control. TTAs were younger than controls by approximately

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

50

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

7 years; however, controls had the advantage of familiarity

and routine training on the OC facility. This familiarity con-

trols had with the OC may account for some of the difference

in performance; however, large performance differences

between amputees and nonamputees are observed in multiple

other reports.

13,30

In 1995, approximately 2% of soldiers with major limb

amputation returned to duty. With regard to OEF/OIF, there

was an eight-fold increase (16%) of soldiers with amputation

returning to duty.

6,31

One means for a soldier with amputa-

tion to demonstrate function beyond basic ambulation may

be completing a military equivalent OC with performance

comparable to nonamputees. For military applications, OCs

are used to simulate impediments to tactical soldier move-

ment that might be found in urban or rural settings.

25,32

OC

completion speed may relate to

fitness components such as

upper and lower body aerobic and anaerobic power, muscu-

lar strength and endurance, and less quanti

fiable skill attri-

butes such as agility and technique.

23,25

In military training,

OCs have many intended functions including improving

fit-

ness, agility, con

fidence, and camaraderie.

23,25

Utilization of

timed OCs for military performance assessment is important

as multiple physiologic attributes contribute to overall per-

formance in these tests and a tactical unit can only move as

fast as it is slowest member.

17,21,25,32

Therefore, removing

the rope climb obstacle was a salient point in this study.

SWAT operators

’ safety decision to eliminate the obstacle

raised concern over the ability of TTAs, as a group, to com-

plete the course. During training and accommodation, a

small number of the TTA group were able to complete the

task largely as an exclusively upper limb activity. This was

not advised by the trainers because many of the remaining

obstacles require vigorous, reliable use of the upper limbs or

a combination of upper and lower limbs. Therefore, com-

pleting the rope climb exclusively with the upper limbs cre-

ated notable fatigue and compromised performance during

the remainder of the course while participants were training

and practicing. Hence, use of the feet to assist with the rope

climb was advised. Unfortunately, TTAs were unable to

oppose their prosthetic feet and ankles to create suf

ficient

friction to enable the lower extremities to assist the upper

limbs in lifting during the climb. This presented an obvious

limitation of existing feet and ankle systems for TTAs in this

task. It also prevented the TTAs, as a group to be able to

complete the course as originally designed. This, in addition

to the 31% to 35% difference in overall performance, further

highlights some of the impairment created by TTA. How-

ever, a few individuals in the TTA group were able to com-

plete the course as designed. Although group analyses were

necessary in order to meet study objectives, individual anal-

yses may reveal considerable differences between TTAs.

This observation that some individuals could complete the

course, supports individual assessment for making return to

duty determinations following injury related to combat or

other facets of military service.

The mean number of additional arti

ficial limbs used by

subjects in this study was lower than that reported else-

where.

33

In this study, TTAs reportedly used approximately

1 additional recreational prosthesis, thus having 2 prostheses

in service, whereas others have reported an average of

3 prostheses. Although these two studies disagree over one

additional prosthesis, the present study demonstrates an

TABLE I.

Time to Completion Data

Obstacle

Variflex

Elite Blade

Re-Flex Rotate

Control

Mean

SD

Mean

SD

Mean

SD

Mean

SD

Jacob

’s Ladder

32.9

12.8

31.8

15.6

29.6

10.2

22.0*

8.2

Balance Beam

11.6

3.7

11.3

3.3

10.9

2.7

8.4*

1.7

A-Frame

39.6

14.4

37.0

11.6

36.6

13.9

23.4*

5.7

Culverts

14.0

3.8

14.4

†

3.9

14.4

†

3.3

12.0

1.8

Fence

14.0

‡

4.9

12.4

4.6

13.2

4.0

8.6*

2.6

Rope Bridge

29.7

11.3

26.9

8.0

27.6

7.9

19.5*

5.2

Cargo Net

57.1

20.0

62.4

27.1

57.9

23.7

37.1*

6.9

High Step

13.9

5.5

12.4

2.9

12.1

2.4

9.8*

1.6

Angle Wall

11.7

4.8

11.1

3.5

14.9

17.0

7.0*

2.4

Slalom

14.2

3.5

13.6

3.0

14.5

3.2

13.8

1.6

Pete

’s Dragon

58.7

28.3

56.1

17.5

69.9

73.2

38.5*

7.6

Monkey Bars

20.7

8.4

20.9

7.2

21.7

8.4

14.5*

4.7

Over/Under Walls

20.9

11.4

19.5

6.6

19.4

8.3

14.3*

3.1

Angle Tube

17.1

9.9

16.6

7.4

21.3

†

23.5

11.5

3.2

Rope Traverse

36.8

15.0

41.4

22.0

44.5

26.6

26.3*

9.6

SWAT Ladder

25.9

12.7

25.1

9.4

29.0

20.5

15.5*

4.7

Sprint Finish

5.9

1.1

5.9

1.4

6.6

‡§

1.7

5.1

0.8

Total Time

424.7

143.9

418.9

130.2

443.9

219.9

287.2*

58.4

Time data are in seconds. Effect sizes (Cohen

’s d) was large (d ≥ 0.80) for all statistically significant comparisons between prosthetic feet conditions and

controls; small (d = 0.34) for signi

ficant comparisons between Variflex and Elite Blade; and medium (d = 0.53) for significant comparisons of Elite Blade

with Re-Flex Rotate. *p

≤ 0.05 compared to all prosthetic feet conditions. †p ≤ 0.05 compared to controls. ‡p ≤ 0.05 compared to Elite Blade. §p ≤ 0.05

compared to Vari

flex.

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

51

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

objective level of utilization of these additional recreational/

exercise prostheses and that their prescription appears to have

the bene

fit of permitting the maintenance of high functional

performance. That is, subjects in this study reported use of

exercise prostheses, as opposed to their daily function limb, is

what was used to maintain their

fitness such that they were

able to complete this rigorous OC with minimal modi

fication.

Prosthetic socket design (total surface bearing) was con-

sistent across all subjects, whereas suspension was not. That

is, 64% of study prostheses were suspended via sleeve and

the remaining 35% were suspended with a pin mechanism.

There were no skin issues or subjective complaints at any

point during the study to suggest suspension was a factor;