穿戴塑料踝足矫形器对下肢肌肉疲劳性的影响

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.25.028

摘要/Abstract

摘要：

背景：目前尚未见到系统研究踝足矫形器对下肢肌肉影响的文献。
目的：提取正常人穿戴固定踝足矫形器时的下肢肌电信号，分析固定踝足矫形器对下肢肌肉疲劳性的影响。
方法：选择5名健康男性受试者参加试验，每名受试者分别进行3组试验：①第1组，在不穿戴任何矫形器的情况下以自然步态行走。②第2组，受试者穿戴平跟踝足矫形器以自然步态行走(此时矫形器踝部包裹超过踝中心1 cm，记1.0 cm)，穿戴同一矫形器但在踝部去掉1.0 cm、踝部塑料边缘刚好通过踝中心时采集(记 0 cm)，在踝部再去掉1.0 cm后以自然步态行走(记-1.0 cm)。③第3组，受试者穿戴1.5 cm正常跟高踝足矫形器以自然步态行走，穿戴同一矫形器，但跟高分别改为1.0，2.0 cm后以自然步态行走。行走中采用肌电采集仪检测受试者下肢股二头肌、股直肌、胫骨前肌、腓肠肌的表面肌电信号。
结果与结论：①正常不穿戴任何矫形器时，4块肌肉的肌电信号是最弱的。②对于任何一块肌肉，正常不穿戴矫形器时所对应肌电值比穿戴不同硬度矫形器时所对应的肌电值要小。③对于股二头肌，正常不穿戴矫形器时所对应的积分肌电值与穿戴正常跟高矫形器时所对应的值很接近，同时这两个值要比穿戴不正常跟高矫形器时所对应的积分肌电值小。表明固定塑料踝足矫形器会引起股二头肌、股直肌、胫骨前肌、腓肠肌的疲劳，当固定塑料踝足矫形器的跟高不合适时会进一步增加股二头肌的疲劳程度。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

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关键词: 生物材料, 踝足矫形器, 表面肌电信号, 肌电分析, 肌肉疲劳性

Abstract:

BACKGROUND: At present, there is no relevant systematic research about the effects of ankle-foot orthoses on lower limb muscles.
OBJECTIVE: To extract the main features of the surface electromyography signals of the lower limbs from normal people with ankle-foot orthoses and to analyze the effects of the fixed ankle-foot orthoses on lower limb muscle fatigue.
METHODS: Each of five male healthy young adults was respectively required to walk with and without special ankle-foot orthoses for three times. (1) Group 1, walking in a nature gait without orthoses. (2) Group 2, walking in a natural gait with ankle-foot orthoses (the ankle center was packaged over 1.0 cm by the orthoses that was recorded 1.0 cm); wearing the same orthoses but 1.0 cm in the ankle was removed and the ankle plastic edge was just through the ankle center to collect the data (recorded as 0 cm); after 1.0 cm was removed again in the ankle, walking in a natural gait (recorded as -1.0 cm). (3) Group 3, wearing 1.5 cm heel-height ankle-foot orthoses and walking in a natural gait; wearing the same orthoses but with 1.0 cm and 2.0 cm heel-height and walking in a natural gait. During walking, surface electromyography signals were collected from the biceps femoris muscle, rectus femoris muscle, tibialis anterior muscle, and gastrocnemius of the lower limbs.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Without orthoses, the surface electromyography signals were the weakest. (2) For any muscle, the electrical activity of subjects without orthoses was weaker than that of subjects wearing orthoses at different hardness. (3) For the biceps femoris muscle, the integral electrical value without orthoses was very close to that wearing orthoses with normal heel height. Meanwhile, these two values were lower than that wearing orthoses with abnormal heel height. These findings indicate that the fixed plastic ankle-foot orthoses could cause the fatigue of the biceps femoris muscle, rectus femoris muscle, tibialis anterior muscle, and gastrocnemius; and the orthoses with abnormal heel height can further increase the fatigue of the biceps femoris muscle.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

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Key words: orthopedic fixation devices, electromyography, muscle fatigue

中图分类号:

R318

熊宝林，周大伟，徐静. 穿戴塑料踝足矫形器对下肢肌肉疲劳性的影响[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(25): 4095-4100.

Xiong Bao-lin, Zhou Da-wei, Xu Jing. Effects of ankle-foot orthoses on muscle fatigue of the lower limbs[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(25): 4095-4100.

图/表（结果） 2

将得到的肌电图分为两组，第一组是不同踝部硬度下所得到的肌电信号图(图1)，第二组是不同跟高所对应的肌电信号图(图2)。

从图1可以看出，不同的踝部硬度下各肌肉肌电信号强弱不一样，说明肌肉活动强弱不一样，在不穿矫形器的情况下，肌肉肌电信号最弱，说明此时的肌肉活动最弱。从图2中可以看出不论踝足矫形器跟高是多少，也是在不穿任何矫形器的情况下，4块肌肉肌电信号是最弱的。因此，纵观这两组图，虽然不同条件下相应的肌肉活动各异，但正常不穿戴任何矫形器时，4块肌肉的肌电信号是最弱的，这说明此条件下它们的活动是最弱的，这是从肌电信号图中得到的直观反映。同时，可以通过表1，2发现，在4种情况下，穿戴不同硬度或跟高矫形器时对应4块肌肉的积分肌电值不一样，但正常不穿戴矫形器所对应4块肌肉的积分肌电值是最小的。积分肌电值可以反映肌肉活动的强弱，单位时间内积分肌电值越大，说明肌肉放电现象越强，肌肉中参与的运动单元就越多，肌肉活动就越强^[11-12]，因此，可以得出同样的结论，在4种情况下，不穿戴任何矫形器时4块肌肉的活动是最弱的。人体运动到一定的时候，肌肉出现疲劳及运动能力、身体功能暂时下降的现象，叫做运动性肌肉疲劳，造成运动性肌肉疲劳现象出现的原因，在学术上暂时还没有一个定论，只出现过各种学说来对其进行解释，其中比较流行的有“衰竭”学说^[13]、堵塞学说及“内环境稳态失调”学说^[14-15]。由此可见，随着穿戴踝足矫形器患者行走过程的进行，下肢主要肌肉长时间高强度的收缩会引起肌肉疲劳，所以塑料踝足矫形器对下肢4块肌肉的疲劳性是有影响的，它会引起下肢主要肌肉的疲劳。

踝足矫形器是康复工程技术应用于疾病康复的一个重要内容，赵正全、李哲等^[16-17]对62例脑卒中患者穿戴踝足矫形器的研究显示，踝足矫形器在改善患者偏瘫步态，使其重新站立和恢复步行能力，防止行走中足下垂内翻导致的异常步态，提高步行速度方面起着重要作用。动态式踝足矫形器对脑卒中患者步行能力的提高更有效^[18]，同时踝足矫形器在小儿脑瘫康复中有着积极的作用^[19]，黄月艳等^[20]发现踝足矫形器能够在踝足矢状面、冠状面、水平面3个平面提供合理的运动控制，保持关节的力线排列，促进肢体功能恢复，改善步态，是脑瘫患儿改善步态较为理想的矫形器。吕智海等^[21]发现踝足矫形器可降低痉挛型脑瘫患儿小腿三头肌的肌张力，提高其粗大运动能力。因此，很多矫形技师对于足部和踝关节的疾病(例如马蹄足、腓神经麻痹等)都给患者适配塑料固定式踝足矫形器或在塑料固定式踝足矫形器的基础上施加一定的矫正力，他们在给患者适配的同时也意识到塑料固定式踝足矫形器不光固定了踝关节，也对患者本身相关肢体的其他各关节运动角度和力矩产生一定影响^[22]。同时，通过上面的试验发现，塑料固定式踝足矫形器对下肢主要肌肉疲劳性会产生影响，这个结论为以后进一步研究不同类型塑料固定踝足矫形器对下肢主要肌肉疲劳性影响提供了一个理论基础，也为以后制作固定塑料踝足矫形器提供了一个参考。因为固定塑料踝足矫形器会引起下肢主要肌肉的疲劳，因此可以研究不同类型塑料踝足矫形器影响下肢主要肌肉疲劳性的程度，并找出对每块肌肉疲劳性影响最小的塑料踝足矫形器类型，为以后设计出更加理想的塑料踝足矫形器提供理论依据。

股二头肌是人体下肢主要的一块屈膝肌肉，同时在人体步行的跟触地时期，对人体膝关节稳定起很大的作用。人体步行时在步态周期的跟着地到支撑初期，人体膝关节都有一个屈曲的过程，屈曲角度在15°-25°之间，因此，这个期间作为膝关节主要屈曲肌肉—股二头肌会有一定的活动，这点从图2中可以看出，从图中还可以发现，当受试者穿正常跟高1.5 cm的矫形器时，其股二头肌的活动情况与不穿戴矫形器时类似，而跟高改为1.0 cm或2.0 cm时，股二头肌的肌电信号明显增强，这是因为当跟高减少0.5 cm或增加0.5 cm时，在跟着地初期，不正常的跟高对膝关节

屈曲及稳定性都有影响，从而使股二头肌的活动增强，增加其疲劳性，这与实际情况是相吻合的，当穿戴塑料踝足矫形器患者有一天穿了一双鞋跟偏高或偏低的鞋，走长路后常常很容易感觉到大腿酸痛，就是因为不正常的跟高引起股二头肌疲劳而导致的。因此，此结论也提醒了那些穿戴塑料固定踝足矫形器患者，平时穿鞋时一定要注意跟高的合适性。踝足矫形器常用于踝与后足部疾患^[23]，如骨关节炎^[24]、风湿性关节炎^[25]、关节不稳或扁平足^[26-27]。随着康复工程技术的发展，踝足矫形器目前有多种类型，金属材质踝足矫形器已逐渐被塑料材质的踝足矫形器所取代，因为前者较重且外观较笨拙。常规的塑料踝足矫形器主要是后置式，利用分层或真空技术在下肢石膏阳模上进行制作^[28]。而前置踝足矫形器由低温热塑板材制成，属前置式，这种设计更有利于在室内赤脚或穿鞋行走，因而在中国台湾地区受到广泛应用^[29]。踝足矫形器通过控制炎症关节前后向的相互运动而减轻炎症与疼痛，同时最大限度的减轻踝足矫形器总量与体积可以更好的维持患者的运动能，因此出现了后足踝足矫形器，即在常规踝足矫形器的基础上，去除了足地面跟骨前侧的部分，同时小腿后侧的部分也大大缩短。动态式踝足矫形器对脑卒中患者的步行能力的提高更有效。缓释力足踝矫形器有较好的肢体适应性，由于具有良好的透气性能，故穿戴舒适，能起到缓慢的小剂量持续牵引作用，对伴有腓肠肌和跟腱挛缩及踝关节纤维性粘连的足下垂有较好矫正作用^[30]。国内外近年来也有人开始对踝足矫形器进行改良设计，以期获得更好的临床效果。易南等^[31]观察了带楔鞋与硬踝足矫形器联合应用对膝屈曲挛缩脑性瘫痪儿童膝关节伸展能力和平衡功能的影响，发现其可提高患儿的站立平衡能力，增强膝关节的伸展能力。孟殿怀等^[32]在普通踝足矫形器小腿后侧的支撑板上附加可调节式胫骨推移板，观察了10例健康大学生穿戴后对其膝关节运动角度的影响，发现膝关节屈曲角度(支撑相早期、支撑相中期及最大值)明显增加。踝关节跖屈肌对步行时产生前向速度及支撑体重比较关键^[33]，因此Ferris等^[34-35]发明了一种简便的动力式踝足矫形器，可以在步行时辅助跖屈。有研究发明了一种液压减震器，它可以在支撑相初期对抗踝关节跖屈活动，且对抗强度可根据患者的实际情况进行个性化调节。在实际临床工作中疾病多种多样，足踝部功能障碍也是变化多端，所对应的踝足矫形器种类繁多，不同踝足矫形器对肢体会产生不同的影响，因此，这就需要临床医生与科研工作者继续不断的努力，为患者设计与装配最为合适的踝足矫形器。

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引言

矫形器是用于改变神经肌肉和骨骼系统功能特性或结构的体外装置，按矫形器应用的肢体部位分类，可分为上肢矫形器、脊柱矫形器、下肢矫形器^[1]。下肢矫形器是目前矫形器中应用最广泛的一类，而踝足矫形器又是下肢矫形器中比较重要的一种^[2]。下肢矫形器的基本功能是保护衰弱或疼痛的肌肉骨骼段^[3]；固定患有疾病的下肢关节，预防发生畸形，矫治已出现的畸形，代偿麻痹肌肉的功能，部分改善患者的行走步态；减轻患者肢体承重负荷，促进骨折部位骨痂形成，加快骨折愈合，巩固手术效果；改进并促进功能早期恢复等。踝足矫形器能够限制患者踝关节的运动范围，主要用于马蹄内翻足、外翻足，以及足下垂。矫形器对人体的作用一般是通过矫形器对身体某部位施加力的作用，构成一个矫形器—身体力系统，这个力系统与人体内力系统共同作用，使外力系统及地面—足力系统发生趋向于正常模式的改变，改变人体非正常的运动模式或承重模式^[4]。当使用固定踝足矫形器将踝关节固定后，通过三点力系统可以矫正踝足畸形。肌肉收缩是产生关节运动的原动力，当踝关节处于自由运动时，主要背伸肌—胫骨前肌和主要跖屈肌—小腿三头肌拮抗，使踝关节产生背屈运动和跖屈运动，同时踝关节的背屈和跖屈往往伴随着膝关节的伸展和屈曲，而股二头肌和股直肌分别是控制膝关节屈曲和伸展的主要肌肉。因此，当固定踝足矫形器矫正踝足畸形的同时，对下肢主要肌肉的收缩运动会产生影响。

目前对踝足矫形器的研究主要集中在其在各类疾病中的应用及影响，其中包括踝足矫形器在痉挛型脑瘫患儿术后康复治疗中的应用^[5]、踝足矫形器对脑卒中患者步行功能恢复的影响^[6]、踝足矫形器对骨关节炎患者踝足动力学的影响^[7]，这些研究使踝足矫形器的种类越来越多，功能越来越强。

近些年来，随着肌电信号处理方法的日益成熟，肌电信号已成为分析各类踝足矫形器必不可少的技术手段。2005年Romkes对比了脑瘫患儿穿戴与不穿戴踝足矫形器时肌肉活动性的不同反应。结果发现踝足矫形器在跟触地前期、支撑期及摆动前期能减少脑瘫患儿胫骨前肌的活动，穿戴踝足矫形器还能够改善步幅，减少步频，提高步速，在跟触地初期还能增加髋屈曲，在支撑期改善膝的动力学^[8]。

到目前为止，尚未见到有系统研究踝足矫形器对下肢肌肉影响的文献，前几年有学者研究固定式踝足矫形器对下肢的影响，但研究的着重点是步态和关节力矩方面^[9]，而没有涉及到下肢肌肉。试验研究正常人穿戴各种固定塑料踝足矫形器(不同硬度或同一硬度不同跟高)时下肢的主要肌肉肌电信号，使用matlab编程对肌电信号进行分析处理。

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材料方法

1 对象和方法 Subjects and methods

设计：正常人肌电信号采集临床试验。

时间及地点：试验于2014-03-17在北京社会管理职业学院步态分析室完成。

对象：5名健康男性志愿者参加了试验，年龄20-26岁，平均(23.1±2.13)岁；身高164-178 cm，平均(171.4± 4.33) cm，体质量54.0-69.5 kg，平均(61.0±5.9) kg。所有受试者均为在校大学生，身体健康，无上下肢神经及肌肉骨骼病史。参加试验期间，无任何影响实验结果的肌肉骨骼疾病。

材料：踝足矫形器，采用厚度4 mm的国产聚乙烯材料为志愿者制作普通固定塑料踝足矫形器。

方法：

测试方法：试验前，为每位受试者制作两种类型的固定塑料踝足矫形器，第一种类型为平跟踝足矫形器，其特点是踝部包裹较多(踝部包裹边缘超过内外踝最高点 1 cm)；第二种是跟高为1.5 cm的踝足矫形器，其特点是踝部包裹适中(踝部包裹边缘正好经过内外踝最高点)，同时为此类踝足矫形器制作1.0，1.5，2.0 cm的跟高垫各1个。制作完成后，先告知受试者整个试验过程，在征得受试者同意后，方可进行试验。整个受试过程都要求受试者以自然步态行走。安装好检测仪器后，每次开始试验之前，受试者穿戴矫形器后，首先要在5 m长的步道上行走0.5 h左右，以适应矫形器及试验环境，再休息0.5 h，便可开始试验。

试验分为3组：第1组，各位受试者不穿戴任何矫形器并进行数据采集；第2组，受试者穿戴平跟踝足矫形器进行采集(踝部包裹边缘超过内外踝最高点1 cm，记1 cm)，穿戴同一矫形器，但在踝部去掉1.0 cm、踝部塑料边缘刚好通过踝中心时采集(记0 cm)，在踝部再去掉1.0 cm后采集(记-1.0 cm)。此组试验中，工作人员在打磨踝足矫形器时只去掉踝部的宽度及足底内外侧的高度，踝部以上形状基本不变；第3组，受试者穿戴1.5 cm跟高踝足矫形器进行采集，穿戴同一矫形器，但跟高改为1.0 cm后采集，跟高再改为2.0 cm后采集。此组试验受试者每次采集过程中仅跟高不一样，其他外部条件及环境都一样。

主要观察指标：试验过程中，利用DE-2.1肌电采集仪(Delsys Inc.Boston，MA，USA)对表面肌电信号进行采集。在沿纵切肌腹的纤维方向上，双极性的肌电采集头被贴在穿戴踝足矫形器一侧下肢的4块主要的肌肉表面，它们分别是股二头肌、股直肌、胫骨前肌、腓肠肌。参考的电极被贴在脊柱上。其中腓肠肌、胫骨前肌、股二头肌及股直肌都被放大1 000倍。然后，通过PCI-DAS6402/16高速PCIA/D转换器对5 s的模拟信号进行离散处理，采样频率是1 800 Hz，并将数字信号输入PC机。同时在受试者的后跟粘贴标志点，利用Qualisis运动采集系统(Qualisis Medial AB,Sweden)对各组运动学数据进行采集，采样频率为180 Hz。

统计学分析：采用Matlab 5.0软件进行数据分析，组间均数差异比较采用单因素方差分析，以P < 0.05为差异有显著性意义。

在试验中，对于不同的矫形器所对应的每块肌肉而采集的每次数据，首先，在qualysis系统中找出一个完整的步态周期，将步态周期中的数据转化成C3D格式，并导入到V3D软件里面，根据步态周期提取肌电信号，然后将提取出来的肌电信号导入到Matlab 5.0中进行处理，求得其滤波后的数据,最后将数据导入到OriginPro 7.5中，得到所需要的肌电信号图。同时在matlab中根据肌电信号图求其积分肌电(integrate EMG，IEMG)。IEMG是指所得肌电信号经整流滤波求单位时间内曲线下面积的总和^[10]，它可以反映肌电信号的强弱变化，其计算公式为：

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