Effects of ankle-foot orthoses on muscle fatigue of the lower limbs

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.25.028

Abstract

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

全文链接：

Key words: orthopedic fixation devices, electromyography, muscle fatigue

CLC Number:

R318

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.

Figures/Tables 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"

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