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

study. J Orthop Trauma 2013; 27(1): 43

–8.

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

29

Improving Outcomes Following Extremity Trauma

MILITARY MEDICINE, 181, 11/12:30, 2016

The Prevalence of Gait Deviations in Individuals

With Transtibial Amputation

Christopher A. Rábago, PT, PhD*†; Jason M. Wilken, PT, PhD*†

ABSTRACT Individuals with a transtibial amputation (TTA) are at increased risk for developing secondary musculo-

skeletal disorders as a result of multiple gait deviations. These deviations are primarily characterized using group mean

comparisons, which do not establish if deviations are prevalent, of large magnitude, or both. In contrast, use of norma-

tive reference ranges and prevalence speci

fically identifies the percentage of individuals outside of a predefined accept-

able range. The purpose of this study was to identify and characterize gait deviations in service members with

unilateral TTA using group mean comparisons and normative reference ranges (able-bodied mean ± 2 SD). Temporal

spatial, kinematic, and kinetic data were collected during biomechanical gait assessments of 40 able-bodied males and

16 males with a TTA. Highly prevalent and statistically signi

ficant deviations were observed at the ankle and knee of the

prosthetic limb and hip of the intact limb in the TTA group. Approximately 20% of measures that were signi

ficantly

different between groups demonstrated 0% deviation prevalence. Deviations in the prosthetic limb were in agreement

with literature, although most intact limb deviations were not. Further study is needed to determine the exact etiology

of these deviations, and their association with the development of secondary musculoskeletal conditions.

INTRODUCTION

Individuals with lower extremity amputations are at increased

risk for developing secondary musculoskeletal disorders as a

result of persistent gait deviations associated with prosthetic

use.

1

Compared to age-matched peers without amputation,

World War II veterans with transtibial amputation (TTA)

showed an increased incidence of knee and hip osteoarthritis

later in life (mean age = 71.8 years); 30 to 35 years after their

amputation.

2,3

Individuals with a unilateral TTA were also

88% more likely to develop osteoporosis in the amputated

limb compared to the general population.

4

In addition, 60% of

individuals with a TTA reported the onset of back pain within

2 years of amputation and 63% categorized pain as moderate

to severe.

5

Gait deviations and compensations such as asym-

metric single limb stance time

1,6

and increased vertical ground

reaction forces at the intact limb

3,7

–9

are thought to exacerbate

these musculoskeletal degenerative processes. Early identi

fica-

tion of gait deviations and formal training of gait mechanics,

especially in young individuals with a TTA, could help pre-

vent a lifetime of poor gait mechanics and reduce the risk of

developing secondary musculoskeletal conditions.

Few studies have systematically determined the effect of

a TTA on temporal spatial, kinematic, and kinetic measures

on a per person basis. Gait deviations are often characterized

using group mean comparisons of individuals with a TTA

to able-bodied (AB) participants.

10

–17

However, individuals

with a TTA in these studies often vary considerably in age

(20

–77 years) and prosthetic experience (1–59 years),

11,12,15,16

which may reduce statistical power because of increased inter-

subject variability.

18

A reduction in statistical power lessens

the probability that signi

ficant differences (i.e., deviations) will

be detected. Further, many of these studies have fewer than

10 participants,

10,13

–17,19

which limits rigorous statistical anal-

ysis.

19

To achieve statistical signi

ficance using group mean

comparisons, a high proportion of values from the TTA group

must be consistently greater or less than the AB group mean;

or a few individuals with a TTA must have suf

ficiently large

deviations to bias their group mean. As a result, the reader

is often unable to determine if a given deviation is prevalent,

of large magnitude, or both.

An alternate approach for identifying gait deviations in

individuals with a TTA is to compare their data against nor-

mative reference ranges (NRR), which are calculated using

mean and variability data from an AB group.

20

A value from

an individual with a TTA that falls outside the NRR is con-

sidered a deviation in that speci

fic measure. Prevalence of

deviations in each measure can then be determined as the per-

centage of a population that functions outside the established

NRR.

20

–23

Deviations identi

fied using a NRR approach are

indicative of abnormal mechanics in each individual, which

may be missed when comparing the mean performance of a

patient population to mean performance of an AB group.

Further, prevalence provides an easy-to-understand metric,

which indicates the frequency of deviations, not described

using traditional group mean comparisons.

The prevalence of gait deviations, as identi

fied using a

NRR approach, has yet to be determined for a group of indi-

viduals with TTA. The combination of both group mean

comparisons and prevalence data could be used to identify

gait deviations most likely encountered when treating indi-

viduals with a TTA. Therefore, the purpose of this study

*Center for the Intrepid, Department of Rehabilitation Medicine, Brooke

Army Medical Center, 3551 Roger Brooke Drive, Joint Base San Antonio,

Fort Sam Houston, TX 78234.

†Extremity Trauma and Amputation Center of Excellence, 2748 Worth

Road, Suite 29, Joint Base San Antonio, Fort Sam Houston, TX 78234.

The view(s) expressed herein are those of the authors and do not re

flect

the of

ficial policy or position of Brooke Army Medical Center, the U.S. Army

Medical Department, the U.S. Army Of

fice of the Surgeon General, the

Department of the Army and Department of Defense, or the U.S. Government.

doi: 10.7205/MILMED-D-15-00505

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

30

was to determine the presence of gait deviations and their

prevalence in a group of service members with a TTA.

METHODS

Subjects

Data from 40 AB males and 16 male individuals with a TTA

are presented in this study. The AB group included service

members between the ages of 18 and 45 years with no pain

at time of data collection and no history of lower extremity

injury requiring surgery. The TTA group included service

members between the ages of 18 and 45 years who used an

energy-storing-and-returning ankle-foot prosthesis, were able

to ambulate without an assistive device, and had been ambu-

lating for approximately 4 months. In order to detect devia-

tions not associated with acute pain, the TTA group could

not have pain of greater than 4 out of 10 anywhere on their

body at the time of data collection. The TTA group was a

convenience sample of patients within a military treatment

facility who met the inclusion criteria without bias toward

their mechanism of injury or level of physical

fitness. All

participants provided written informed consent before partic-

ipating in this institutional review board

–approved study.

Procedures

Participants underwent a biomechanical gait assessment on

level ground at a prede

fined walking speed scaled to leg

length using a Froude number

24

of 0.16. A full-body, six-

degree-of-freedom marker set comprised of 57 retrore

flective

markers was placed on 13 body segments.

25

A 26 camera

motion capture system (Motion Analysis Corp., Santa Rosa,

California) recorded marker trajectories as participants walked

across a 10-m walkway embedded with eight AMTI force

plates (AMTI, Inc., Watertown, Massachusetts) operating at

1,200 Hz. Temporal spatial, kinematic, and kinetic data were

normalized to 100% step cycle using Visual 3D (C-Motion

Inc., Rockville, Maryland). Five representative strides from

each participant were exported into MATLAB (Mathworks,

Natick, Massachusetts). Key kinematic and kinetic measures

for the ankle, knee, hip, pelvis, and trunk were de

fined as pre-

viously described.

25

Joint range of motion (ROM) was de

fined

as the difference between the maximum and minimum joint

angle values during one gait cycle. On the prosthetic side,

ankle sagittal ROM was de

fined as the difference between the

maximum and minimum joint angle values during stance.

Temporal spatial measures were determined using kinetic

gait events and foot kinematics. Step length was de

fined as

the distance between the foot centers in the anterior-posterior

direction at heel strike. Step width was calculated as the

medial-lateral distance between the heel markers on each

foot during double-limb stance. Step time was quanti

fied as

the duration between heel strike of the ipsilateral limb and

heel strike of the contralateral limb. Stance time was deter-

mined as the duration between heel strike and toe off of

the same limb. Swing time was quanti

fied as the duration

between toe off and heel strike of the same limb. Stride

length was de

fined as the distance between the foot centers

in the anterior-posterior direction on successive heel strikes

of the same limb. Stride time was quanti

fied as the duration

between successive heel strikes of the same limb.

Statistical Analysis

SPSS v.19 (SPSS Inc., Chicago, Illinois) was used for all

statistical analyses. AB and TTA group means and standard

deviations were calculated for demographic, anthropometric,

temporal spatial, kinematic, and kinetic measures. Due to

differences in sample size, and a desire to retain all avail-

able data, Mann

–Whitney non parametric tests were used

to identify differences between AB and TTA groups for

demographic-anthropometric, temporal spatial, and kinematic-

kinetic measures. The AB group

’s right lower limb was

used in comparisons made to the TTA group

’s lower limbs

(e.g., AB vs. prosthetic limb and AB vs. intact limb).

Bonferroni

–Holm corrections were performed to correct for

multiple comparisons across all measures. The Bonferroni

–

Holm method uses a step-down approach to account for

multiple comparisons by arranging

p values from the smallest

to the largest and comparing them to sequential signi

ficance

cutoffs.

26

Signi

ficance was set at a p value of 0.05. Thus,

correction factors accounting for 6, 6, and 53 comparisons

yielded minimum

p-value cutoffs of 0.0083, 0.0083, and

0.0009 for demographic-anthropometric, temporal spatial, and

kinematic-kinetic measures, respectively.

Similar to the work of O

’Sullivan,

20

the NRR for each

measure was de

fined as two standard deviations greater than

and less than the AB group mean. Microsoft Excel 2007

(Microsoft Corp., Redmond, Washington) was used to deter-

mine the upper and lower bounds of the NRR for the AB

group and the prevalence of deviations in the TTA group.

The deviation prevalence for each measure was calculated as

the percentage of participants from the TTA group with indi-

vidual mean values outside the NRR. To facilitate visualiza-

tion of the data and ease of presentation, prevalence values

were categorized into three groups; high (>50%), moderate

(25

–49%), and low (<25%).

RESULTS

Participant demographics and anthropometrics including

age, height, weight, body mass index, leg length, walking

speed, and time since independent ambulation ( TTA group

only) are listed in Table I. Only age demonstrated a signi

fi-

cant difference between groups with the TTA group being

an average of 4 years older than the AB group (

p = 0.006).

Figure 1A provides an example of a measure that demon-

strates high deviation prevalence in the TTA group with sig-

ni

ficant between group difference; 5.4% of all measures

presented here were in this category. In addition, 7.1% of

measures showed moderate deviation prevalence in the TTA

group with signi

ficant between group differences (Fig. 1B)

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

31

The Prevalence of Gait Deviations in Individuals With Transtibial Amputation

and 12.5% showed moderate deviation prevalence in the

TTA group without signi

ficant between group differences

(Fig. 1C). Lastly, 17.9% of measures had low deviation

prevalence in the TTA group with signi

ficant between group

differences (Fig. 1D) and 57.1% had low deviation preva-

lence in the TTA group without signi

ficant between group

differences (Fig. 1E). Kinematic, kinetic, and temporal spa-

tial measurement means and SDs for the AB and TTA

groups are shown in Table II. The direction of signi

ficant

differences between the AB and TTA groups and prevalence

of deviations in the TTA group is detailed in Table III.

Temporal Spatial

In the TTA group, swing time was signi

ficantly decreased in

the intact limb and moderately prevalent. Intact limb step

time and step length measures had the greatest prevalence of

deviations among temporal spatial measures (37.5

–43.8%

respectively), but were not signi

ficantly different from the

AB group. In addition, 7 of the 16 individuals demonstrated

deviations of both step length and step time in the prosthetic

or intact limb. However, step length and step time did not

systematically increase or decrease relative to the AB group.

Ankle

Prosthetic ankle plantar

flexion during initial swing, sagittal

ROM, and power generation at terminal stance were signi

fi-

cantly decreased (

p ≤ 0.001) in the TTA group compared to

the AB group with 100, 81.3, and 50% prevalence, respec-

tively. With the exception of initial contact power absorption

(43.8% deviation prevalence,

p ≤ 0.001), all intact ankle

measures had less than 13% deviation prevalence in the

TTA group. Bilateral dorsi

flexion moments were signifi-

cantly different (

p ≤ 0.001) than the AB group, but only

with a 12.5% prevalent in the TTA group.

Knee

Midstance power generation at the intact knee of the pros-

thetic limb was signi

ficantly decreased ( p ≤ 0.001) with a

high prevalence of deviations in the TTA group. Deviations

of knee kinematic measures at the prosthetic limb ranged in

TABLE I.

Demographic and Anthropometric Measures for AB and TTA Groups

Mean (SD)

Age (years)

Height (m)

Weight (kg)

BMI (kg/m

2

)

Leg Length (cm)

Walking Speed (m/s)

Ambulation (weeks)

AB

24.1 (6.5)*

1.7 (0.1)

77.2 (10.8)

25.4 (3.1)

91.8 (5.9)

1.20 (0.04)

N/A

TTA

28.5 (5.4)*

1.8 (0.1)

86.6 (12.4)

27.4 (3.0)

93.3 (6.1)

1.21 (0.04)

16.6 (3.3)

BMI, body mass index; Ambulation, time since independent ambulation. *Signi

ficant between group difference after Bonferroni–Holm correction with

smallest

p-value cutoff of 0.0083.

FIGURE 1.

Graphical representation of the NRR for selected measures using the AB group mean value

♦

and 2 SD bars. The value for each individual

@ in the TTA group is plotted against the NRR for that measure. Five combinations of deviation prevalence level in the TTA group and signi

ficant group

mean differences (*) corresponding to values in Tables II and III are shown: (A)

“High” prevalence (>50%) with a significant group mean difference,

(B) Moderate prevalence (25

–49%) with a significant group mean difference, (C) Moderate prevalence without a significant group mean difference,

(D) Low prevalence (<25%) with a signi

ficant group mean difference, and (E) Low prevalence without a significant group mean difference

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

32

The Prevalence of Gait Deviations in Individuals With Transtibial Amputation

prevalence from 18.8 to 31.3% and were not signi

ficantly

different from the AB group; with the exception of sagittal

ROM (68.8% deviation prevalence,

p ≤ 0.001). Each of the

knee kinematic measures in the prosthetic limb, except ini-

tial contact

flexion, had values that were both greater and

less than the NRR, resulting in statistically similar means

between groups. Six of 14 knee kinetic measures in the

intact and prosthetic limbs were signi

ficantly different from

TABLE II.

Peak Joint Angles, Moments, and Powers for the Lower Extremities and Trunk. Sagittal ROM and Temporal Spatial Measures

are also presented. Values are Shown for the Right Limb of the AB Group and the Prosthetic and Intact Limbs of the TTA Group.

Signi

ficant Group Differences between the Prosthetic and Intact Limbs and the Right Limb of the AB Group are Highlighted in Bold.

For Each Peak Measure, the Timing of the Peak in the Gait Cycle is identi

fied

Mean (SD)

AB

Prosthetic

Intact

Mean (SD)

AB

Prosthetic

Intact

Ankle Angle (°)

Ankle Moment (Nm/kg)

Plantar

flexion: LR

5.3 (3.0)

2.1 (3.6)

3.3 (2.7)

Dorsiflexion: LR

0.23 (0.07)

0.31 (0.08)

0.28 (0.07)

Dorsi

flexion: TSt

14.1 (3.8)

16.3 (2.9)

14.1 (3.3)

Plantarflexion: TSt

1.38 (0.15)

1.28 (0.15)

1.38 (0.13)

Plantar

flexion: ISw

14.9 (5.0)

−4.7 (2.7)

15.8 (6.4)

Ankle Powers (BW/kg

)

Sagittal ROM

29.0 (3.9)

18.4 (3.2)

30.2 (5.0)

Absorption: LR

0.26 (0.11)

0.28 (0.09)

0.43 (0.18)

Absorption: TSt

0.77 (0.26)

0.94 (0.30)

0.87 (0.31)

Generation: TSt

2.38 (0.51)

1.39 (0.34)

2.51 (0.58)

Knee Angle (°)

Knee Moment (Nm/kg)

Flexion: IC

−5.7 (4.1)

−1.0 (6.3)

−5.8 (3.7)

Flexion: LR

0.41 (0.10)

0.30 (0.07)

0.51 (0.07)

Flexion: LR

10.9 (5.1)

7.8 (7.7)

9.2 (4.8)

Extension: MSt

0.46 (0.21)

0.22 (0.18)

0.39 (0.15)

Extension: TSt

0.3 (4.3)

2.5 (6.7)

−1.3 (3.2)

Flexion: TSt

0.34 (0.17)

0.20 (0.14)

0.40 (0.08)

Flexion: MSw

60.4 (4.4)

55.9 (6.7)

55.5 (5.2)

Extension - TSt

0.15 (0.07)

0.15 (0.06)

0.11 (0.03)

Sagittal ROM

68.9 (4.3)

58.0 (8.7)

63.6 (5.5)

Varus: LR

0.08 (0.05)

0.01 (0.04)

0.08 (0.06)

Valgus: LR

0.41 (0.11)

0.32 (0.10)

0.44 (0.14)

Knee Powers (BW/kg)

Generation: MSt

0.95 (0.29)

0.24 (0.12)

1.09 (0.39)

Absorption: LR

0.57 (0.34)

0.15 (0.18)

0.45 (0.26)

Generation: TSt

0.48 (0.23)

0.22 (0.15)

0.50 (0.15)

Absorption: TSt

0.78 (0.32)

0.76 (0.18)

0.52 (0.19)

Hip Angle (°)

Hip Moment (Nm/kg)

Flexion: LR

26.5 (5.5)

26.5 (6.7)

21.5 (6.0)

Extension: LR

0.82 (0.18)

0.64 (0.09)

1.00 (0.14)

Extension: PSw

9.4 (5.2)

13.1 (6.4)

15.0 (6.5)

Flexion: TSt

0.78 (0.20)

0.77 (0.21)

0.60 (0.15)

Flexion: TSw

29.6 (5.5)

27.9 (5.6)

21.8 (6.3)

Extension: Sw

0.30 (0.07)

0.37 (0.11)

0.40 (0.07)

Sagittal ROM

39.1 (3.0)

41.2 (3.8)

37.4 (1.9)

Abductor

0.76 (0.12)

0.74 (0.14)

0.89 (0.17)

Adduction

5.1 (2.4)

3.9 (2.6)

5.6 (2.1)

Adductor

−0.16 (0.06)

−0.08 (0.03)

−0.18 (0.06)

Abduction

8.1 (2.4)

6.0 (3.6)

2.7 (2.9)

Hip Powers (BW/kg)

Generation: MSt

0.44 (0.23)

0.67 (0.13)

0.51 (0.20)

Absorption: TSt

0.57 (0.18)

0.58 (0.23)

0.44 (0.16)

Generation: TSt

0.83 (0.20)

0.85 (0.22)

0.75 (0.16)

Pelvic Angle (°)

Trunk-Pelvic Angle (°)

Anterior Tilt

10.1 (4.4)

5.9 (5.9)

5.9 (5.9)

Sagittal ROM

3.45 (0.85)

4.44 (1.41)

N/A

Posterior Tilt

−7.0 (4.2)

−2.0 (5.9)

−1.8 (6.0)

Frontal ROM

13.57 (3.49)

8.97 (1.90)

N/A

Sagittal ROM

3.1 (0.7)

4.0 (0.9)

4.1 (1.0)

Transverse ROM

13.43 (3.32)

10.60 (2.51)

N/A

Contralateral Drop

3.7 (1.5)

1.0 (1.5)

3.6 (1.6)

Trunk-Lab Angle (°)

Contralateral Elevation

3.7 (2.1)

3.5 (1.6)

1.0 (1.5)

Sagittal ROM

3.52 (0.74)

3.76 (0.57)

N/A

Frontal ROM

7.4 (2.6)

4.5 (1.0)

4.6 (1.1)

Frontal ROM

5.27 (1.61)

6.99 (2.37)

N/A

Hip Forward

5.4 (2.8)

4.8 (2.7)

3.8 (2.8)

Transverse ROM

6.47 (1.98)

7.97 (2.02)

N/A