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

pathological human bone.

29

Further, when data from this cohort

of wounded warriors was limited to patients with no more than a

two-year period from injury to excision, and known correlates

(traumatic brain injury and nonsteroidal anti-in

flammatory drugs),

the MAR and recurrence severity were signi

ficantly related.

29

Research by Dr. Isaacson and his team will now focus on devel-

oping a translatable animal model to investigate combat-related

factors which have been associated with ectopic bone growth

(tourniquets,

34

wound vacuum usage, bioburden, and trauma).

RESEARCH FOCUS AREA 3: APPLICATION

OF NEW TECHNOLOGIES TO ADVANCE

REHABILITATION AND PERFORMANCE

CRSR supports and enhances existing clinical programs at the

MTFs by facilitating the use of new technologies for rehabilita-

tion and performance optimization. A strong partnership has been

forged with the MHS, VA, and EACE to help provide infrastruc-

ture and personnel support for research projects. Efforts within this

research area are led by a team of principal investigators, including

Drs. Erik Wolf, Brad Hendershot, Alison Pruziner, Jason Wilken,

Christopher Rábago, Elizabeth Russell Esposito, and Ms.

Marilynn Wyatt. Advanced evaluation and treatment techniques

are applied to help service members regain functionality after

physical and cognitive injuries and to understand the longer-term

implications of such injuries and rehabilitation processes.

Novel rehabilitation techniques applied in multisensory virtual

reality environments (VRE) promote resilience and recovery to

improve physical and cognitive skills in wounded service members.

4

There are four high-end VRE (Computer Assisted Rehabilitation

Environment, Motekforce Link, The Netherlands) used in the MHS

to provide a safe, interactive setting for clinicians to simulate com-

munity, recreational, or occupational tasks.

Dr. Wolf led a CRSR effort to determine the most bene

ficial bio-

mechanical and physiological feedback modalities within a VRE for

delivering physical therapy to injured service members. Preliminary

results indicate that a game-style application that provides feedback

to the patient in an indirect manner produces the most positive out-

comes. In collaboration with Dr. Wolf

’s efforts, Drs. Pruziner and

Hendershot are utilizing a VRE to identify how dual tasking with

increased cognitive demand affects walking ability for people with

unilateral lower limb amputation. Previous research has shown that

performing tasks requiring divided attentional resources result in

abnormal gait mechanics. Preliminary analyses suggest individuals

with amputations may differentially prioritize cognitive and motor

processes when walking. This study has potentially important impli-

cations regarding the ability to fully participate in a person

’s natural

environment after limb loss, and also may relate to an increased risk

of falling. Additional ongoing efforts are aimed at evaluating bio-

mechanical and cognitive responses to walking in more ecologi-

cally valid VRE, as opposed to game-style environments, which

will include additional challenges to working memory, decision-

making, and navigational skills.

Optimizing performance and maximizing functional outcomes

are critical components of a rehabilitation program and are synony-

mous with returning to active duty for many wounded service mem-

bers. Drs. Wilken and Rábago implemented an assessment battery

within a militarized VRE to identify functional and cognitive de

ficits

that emerge when performing military-speci

fic tasks. This study

incorporates load carriage, variable terrain negotiation, and quick

decision-making. Physiological and biomechanical data collected

during these tasks can guide future therapies and the prescription

of prosthetic or orthotic devices for service members with lower

extremity injuries. This study is the

first step in developing a

military-relevant assessment battery with objective performance

metrics that correlate to return to duty rehabilitation goal. Follow-

up studies supported by CRSR will incorporate the knowledge

gained from the assessment study into a VRE-based, military-

speci

fic treatment intervention aimed at returning injured service

members to duty and increasing military readiness.

In addition to VRE-based rehabilitation, other studies within this

focus area seek to understand secondary musculoskeletal complica-

tions of limb loss and the in

fluences of various technologies and reha-

bilitation paradigms. As noted, LBP is especially prevalent among

persons with amputation(s), perhaps related to altered gait and move-

ment patterns. To better understand these speci

fic risk factors,

Dr. Hendershot has performed several retrospective studies using the

large biomechanical database at WRNMMC to directly quantify how

gait deviations in

fluence trunk and spine motion among service mem-

bers with lower limb loss. Notably, larger and asymmetric trunk

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

23

Advancing the Rehabilitative Care for Service Members With Complex Trauma

motions with amputation were associated with increased loading at

the lower back during walking

35

and sit-to-stand movements.

36

Although these increases were of small-moderate magnitude, repeated

exposures over time may predispose these individuals to LBP onset

and recurrence.

37

Ongoing and future research will investigate the

origins of altered trunk motion and subsequently assess methods

or devices to minimize these loads in an effort to mitigate the preva-

lence of LBP among service members with lower limb amputation.

Another secondary musculoskeletal complication of unilateral

limb loss is osteoarthritis (OA) within joints of the intact limb. Per-

sons with unilateral lower limb amputation tend to preferentially use

their intact limb during gait and movement, which leads to larger and

more prolonged forces applied to the intact knee and/or hip joints.

CRSR has funded two retrospective studies to assess gait mechanics

in individuals with transtibial and transfemoral limb loss to deter-

mine how the intact limb is loaded at various time points during the

rehabilitative process. Excessive intact limb loads (relative to con-

trols) were only present at early time points among people with trans-

tibial amputation, but persisted through late rehabilitation for

persons with transfemoral amputation.

38

Such evidence suggests an

increased risk for early onset of OA and supports the development

and assessment of interventions to correct modi

fiable gait mechanics

in this population. A prospective evaluation of knee loading has

been initiated to begin to address this gap.

In order to assist with multisite efforts aimed at sharing and com-

bining commonly used biomechanical data across the MTFs, CRSR

supported a project to evaluate the intra- and interlab reliability

of gait data obtained at WRNMMC, CFI, and NMCSD.

39

Ten par-

ticipants traveled to each site to complete three biomechanical gait

evaluations according to each laboratory

’s standard operating proce-

dures. Data were analyzed by a third party to eliminate bias. Results

indicated that these measurements were highly reliable both within

and between laboratories, with mean kinematic errors less than

5 degrees across all joints and planes of motion, and mean kinetic

errors less than 10% for all joint moments. The ability to collect

reliable biomechanical data at these three major facilities will

support future multisite studies and data sharing.

RESEARCH FOCUS AREA 4: TRANSFER OF NEW TECH-

NOLOGY TO IMPROVE INDIVIDUAL PERFORMANCE

AND FUNCTIONALITY AFTER INJURYNovel devices, includ-

ing prosthetics and orthotics, help return service members with cog-

nitive and physical trauma to independent function. Previous

research supported by CRSR and USAMRMC compared passive

energy-storing and return (ESR) prosthetic feet with a powered ankle

foot prosthesis to determine, which novel technology could provide

the highest quality of life and expedite rehabilitation regimens.

40

Results indicated that the powered device had a larger range of

motion and generated more power during the preswing phase of

gait as compared to the energy storing and return,

40

demonstrating

how powered devices may assist those with limb loss improve

their gait. Ongoing studies continue to examine the effects of

advanced prosthetic components, including microprocessor and

power knee prosthetics.

In addition to examining prosthetic components, orthotic

devices are being evaluated to determine their ef

ficacy for improv-

ing gait in injured service members with extremity trauma and

limb salvage. Recent initiatives by Drs. Wilken and Russell

Esposito systematically modi

fied several mechanical parameters of

an ankle-foot orthosis to identify optimal design and prescription

criteria for various terrains.

41,42

Because of the high incidence of upper limb loss occurring in

combat casualties, focused research has been needed to improve

prosthetics and control strategies for individuals with upper limb

amputation. CRSR partnered with the Alfred Mann Foundation

(http://aemf.org) to conduct a clinical trial through the Food and

Drug Administration (FDA) entitled,

“First-in-man demonstration of

a fully implanted myoelectric sensors system to control an advanced

electromechanical prosthetic hand.

”

43

A signi

ficant limitation to cur-

rent myoelectric devices is their dependence on surface skin sensor

electrodes to control their actuation. Unfortunately, these sensors are

often unreliable, especially when individuals perspire or when their

prosthetic socket moves in different positions. In addition, surface

electrodes are limited in that they can only detect super

ficial muscle

activity and do not provide the user with enough intuitive control.

This collaborative study demonstrated the feasibility of implanting

wireless electrodes in the forearm of service members with trans-

radial amputation to control a 3-degrees-of-freedom prosthetic hand.

Future work will include expanding the use of this technology for

individuals with transhumeral level amputations.

Expanding on the

field of upper extremity prosthetics, CRSR is

also proud of its partnership with the Defense Advanced Projects

Agency (DARPA) to evaluate the performance of the DEKA arm

(http://www.dekaresearch.com/deka_arm.shtml). This revolutionary

multiple degrees-of-freedom prosthetic arm has received FDA

approval and is the

first of its kind to help pioneer the intersection

between robotics and improving human performance for individuals

with disabilities. CRSR also works with DARPA and other aca-

demic and industry groups to utilize novel neuroprosthetics to help

restore sensory/haptic feedback for prosthetic users. Our research

portfolio is bolstered by strong partnerships with teams, such as the

Human Engineering Research Laboratories (www.herlpitt.edu),

which have helped collectively develop a specialized patient-

controlled analgesia device adapter to improve postsurgical

pain, autonomy, and independence for patients who have lost the

use of their limbs, enabling them to participate in rehabilitation.

CONCLUSIONSThe clinical research community has an obliga-

tion to address the needs of these service members and veterans

with complex orthopedic and neurological injuries stemming

from recent con

flicts. Injuries to young military service mem-

bers, particularly those caused by blasts, pose unique challenges

to rehabilitation that require research programs and consortia to

help advance science and care. CRSR is dedicated to not only

identifying gaps in the research but also to aligning resources in

a synergized fashion to de

fine and validate the most effective

rehabilitation strategies for this patient population. CRSR

engages a broad group of interdisciplinary investigators from

medicine, biology, engineering, anthropology, and physiology

and connects them directly with clinicians, patients, and families

to help solve clinically relevant problems for our service mem-

bers, veterans, and their families.

ACKNOWLEDGMENTS

This work is supported by the Department of Physical Medicine and Reha-

bilitation, Center for Rehabilitation Science Research, USU, Bethesda,

Maryland, awards HU0001-11-1-0004 and HU0001-15-2-0003.

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

24

Advancing the Rehabilitative Care for Service Members With Complex Trauma

REFERENCES

1. Fischer H: A Guide to U.S. Military Casualty Statistics: Operation Inherent

Resolve, Operation New Dawn, Operation Iraqi Freedom, and Operation

Enduring Freedom. CRS Report for Congress 2014:1

–9. Available at https://

www.fas.org/sgp/crs/natsec/RS22452.pdf; accessed August 22, 2016.

2. Pasquina PF: DoD paradigm shift in care of servicemembers with major

limb loss. J Rehabil Res Dev 2010; 47(4): xi

–xiv.

3. Isaacson BM, Weeks SR, Pasquina PF, Webster JB, Beck JP,

Bloebaum RD: The road to recovery and rehabilitation for injured

service members with limb loss: a focus on Iraq and Afghanistan.

US Army Med Dep J 2010; Jul-Sep: 31

–6.

4. Isaacson BM, Swanson TM, Pasquina PF: The use of a computer-

assisted rehabilitation environment (caren) for enhancing wounded

warrior rehabilitation regimens. Spinal Cord Med 2013; 36(4): 296

–9.

5. Isaacson BM, Swanson TM, Potter BK, Pasquina P: Tourniquet use in

combat-injured service members: a link with heterotopic ossi

fication?

J Othopedic Research Rev 2014; 6: 27

–31.

6. Pasquina PF, Tsao JW, Collins DM, et al: Quality of medical care pro-

vided to service members with combat-related limb amputations: report

of patient satisfaction. J Rehabil Res Dev 2008; 45(7): 953

–60.

7. Robbins CB, Vreeman DJ, Sothmann MS, Wilson SL, Oldridge NB: A

review of the long-term health outcomes associated with war-related

amputation. Mil Med 2009; 174(6): 588

–92.

8. Modan M, Peles E, Halkin H, et al: Increased cardiovascular disease

mortality rates in traumatic lower limb amputees. Am J Cardiol. 1998;

82(10): 1242

–7.

9. Messinger SD: Incorporating the prosthetic: traumatic, limb-loss, rehabilita-

tion and re

figured military bodies. Disabil Rehabil 2009; 31(25): 2130–4.

10. Messinger SD: Rehabilitating time: multiple temporalities among mili-

tary clinicians and patients. Med Anthropol 2010; 29(2): 150

–69.

11. Messinger SD: Vigilance and attention among U.S. service members and

veterans after combat. Anthropology Consciousness 2013; 24(2): 191

–207.

12. Messinger SD: Sports, disability, and the reframing of the post-injury

soldier. In: Reframing Disability and Quality of Life, pp 163

–78. Edited

by Warren N, Manderson L. London, UK, Springer Verlag, 2013.

13. Heir T, Glosmaker P: Epidemiology of musculoskeletal injuries among

norwegian conscripts undergoing basic military training. Scan J Med

Sci Sports 1996; 6: 186

–91.

14. Taanila H, Suni J, Pihlajamaki H, et al: Musculoskeletal disorders in

physically active conscripts: a 1-year follow-up study in the Finnish

defence forces. BMC Musculoskelet Disord 2009; 10: 89.

15. Crow W, Willis D: Estimating cost of care for patients with acute low

back pain: a retrospective review of patient records. J Am Osteopath

Assoc 2009; 109: 229

–33.

16. Hogg-Johnson S, van der Velde G, Carroll LJ, et al: The burden and

determinants of neck pain in the general population: results of the bone

and joint decade 2000-2010 task force on neck pain and its associated

disorders. Spine (Phila Pa 1976) 2008; 33(4 Suppl): S39

–51.

17. Chiu TT, Leung AS: Neck pain in Hong Kong: a telephone survey on

prevalence, consequences, and risk groups. Spine (Phila Pa 1976) 2006;

31(16): E540

–4.

18. Janwantanakul P, Pensri P, Jiamjarasrangsri V, Sinsongsook T: Preva-

lence of self-reported musculoskeletal symptoms among of

fice workers.

Occup Med (Lond) 2008; 58(6): 436

–8.

19. Cohen SP, Hanling S, Bicket MC, et al; Epidural steroid injections compared

with gabapentin for lumbosacral radicular pain: multicenter randomized

double blind comparative ef

ficacy study. BMJ 2015; 350: h1748.

20. Cohen SP, Hayek S, Semenov Y, et al: Epidural steroid injections, con-

servative treatment, or combination treatment for cervical radicular

pain: a multicenter, randomized, comparative-effectiveness study. Anes-

thesiology 2014; 121(5): 1045

–55.

21. Ramachandran VS, Hirstein W: The perception of phantom limbs. The

D. O. hebb lecture. Brain 1998; 121 (Pt 9): 1603

–30.

22. Sunderland S: Nerve and Nerve Injuries. Edinburgh, UK, Churchill

Livingstone, 1978.

23. Sherman RA, Sherman CJ, Parker L: Chronic phantom and stump

pain among American veterans: results of a survey. Pain 1984; 18(1):

83

–95.

24. Sherman RA: Phantom Pain. New York, NY, Plenum Press, 1997.

25. Jackson JH: On thecComparative study of disease of the nervous sys-

tem. British Med J 1889; 2: 355

–62.

26. Katz J, Melzack R: Pain

‘memories’ in phantom limbs: review and clin-

ical observations. Pain 1990; 43(3): 319

–36.

27. Tung ML, Murphy IC, Grif

fin SC, et al: Observation of limb move-

ments reduces phantom limb pain in bilateral amputees. Ann Clin

Transl Neurol 2014; 1(9): 633

–8.

28. Isaacson BM, Brown AA, Brunker LB, Higgins TF, Bloebaum RD:

Clarifying the Structure and Bone Mineral Content of Heterotopic Ossi-

fication. Journal of Surgical Research 2011; 167: e163–e170.

29. Isaacson BM, Potter BK, Bloebaum RD, Epperson RT, Kawaguchi BS,

Swanson TM, Pasquina PF: Link Between Clinical Predictors of Heterotopic

Ossi

fication and Histological Analysis in Combat-Injured Service Members.

J Bone Joint Surg Am 2016 Apr 20; 98(8): 647

–57. doi: 10.2106/JBJS.15.00895.

30. Isaacson BM, Potter BK, Bloebaum RD, Epperson RT, Kawaguchi B,

Swanson TM, Pasquina PF: Determining the Mineral Apposition Rate

of Heterotopic Ossi

fication in Military Healthcare System Patients after

Total Joint Replacement: A Case Series. Bone and Tissue Regenaration

Insights 2016; 7: 1

–5.

31. Potter BK, Burns TC, Lacap AP, Granville RR, Gajewski DA: Hetero-

topic ossi

fication following traumatic and combat-related amputations.

Prevalence, risk factors, and preliminary results of excision. J Bone

Joint Surg Am. 2007 Mar; 89(3): 476

–86.

32. Potter B, Granville R, Bagg M, Forsberg J, Hayda R, Keeling J, Shrout J,

Ficke J, Doukas W, Shawen S, Smith D: Special surgical considerations for

the combat casualty with limb loss. In: Pasquina P, Cooper R, editors.

Rehabilitation of combat casualties with limb loss. Washington, DC:

Borden Institute, 2010. p. 153

–900.

33. Dudek NL, DeHaan MN, Marks MB: Bone overgrowth in the

adult traumatic amputee. Am J Phys Med Rehabil. 2003 Nov; 82(11):

897

–900.

34. Isaacson BM, Swanson TM, Potter BK, Pasquina PF: Tourniquet use in

combat-injured service members: a link with heterotopic ossi

fication?

Orthopedic Research and Reviews 2014; 6: 27

–31.

35. Hendershot BD, Wolf EJ: Three-dimensional joint reaction forces and

moments at the low back during over-ground walking in persons with

unilateral lower-extremity amputation. Clin Biomech (Bristol, Avon)

2014; 29(3): 235

–42.

36. Hendershot BD, Wolf EJ: Persons with unilateral transfemoral amputa-

tion have altered lumbosacral kinetics during sitting and standing move-

ments. Gait Posture 2015; 42: 204

–9.

37. Kumar S: Theories of musculoskeletal injury causation. Ergonomics

2001; 44(1): 17

–47.

38. Pruziner AL, Werner KM, Copple TJ, Hendershot BD, Wolf EJ: Does

intact limb loading differ in servicemembers with traumatic lower limb

loss? Clin Orthop Relat Res 2014; 472(10): 3068

–75.

39. Kaufman K, Miller E, Kingsbury T, et al: Reliability of 3D gait data

across multiple laboratories. Gait Posture 2016; 49: 375

–81.

40. Ferris AE, Aldridge JM, Rabago CA, Wilken JM: Evaluation of a

powered ankle-foot prosthetic system during walking. Arch Phys Med

Rehabil 2012; 93(11): 1911

–8.

41. Ranz EC, Russell Esposito E, Wilken JM, Neptune RR: The in

fluence

of passive-dynamic ankle-foot orthosis bending axis location on gait

performance in individuals with lower-limb impairments. Clin Biomech

(Bristol, Avon) 2016; 37: 13

–21.

42. Russell Esposito E, Choi HS, Owens JG, Blanck RV, Wilken JM: Bio-

mechanical response to ankle-foot orthosis stiffness during running.

Clin Biomech (Bristol, Avon) 2015; 30(10): 1125

–32.

43. Pasquina PF, Evangelista M, Carvalho AJ, et al: First-in-man demon-

stration of a fully implanted myoelectric sensors system to control an

advanced electromechanical prosthetic hand. J Neurosci Methods 2015;

244: 85

–93.

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

25

Advancing the Rehabilitative Care for Service Members With Complex Trauma

MILITARY MEDICINE, 181, 11/12:26, 2016

Improving Outcomes Following Extremity Trauma: The Need

for a Multidisciplinary Approach

MAJ Daniel J. Stinner, MC USA