تاثیر استفاده از ارتز مچ پا (AFO) بر سیستم اسکلتی عضلانی ورزشکاران در حین دویدن داخل سالن: مطالعه شبیه سازی
پذیرفته شده برای ارائه شفاهی
شناسه دیجیتال (DOI): 10.48308/ths.2024.9857
کد مقاله : 1174-THS
نویسندگان
1ارشد مهندسی ورزش گرایش ابزار دقیق دانشکده فنی مهندسی دانشگاه علوم و تحقیقات تهران
2Master's degree in sports engineering, precision instruments, Faculty of Technical Engineering, Islamic Azad University of Research Sciences, Tehran
چکیده
مقدمه: ارتزهای مچ پا (AFO) یک وسیله کمکی است که معمولاً برای بهبود راه رفتن پس از طیف وسیعی از مشکلات اسکلتی عضلانی استفاده میشود، که با طرحهای بسیاری برای پشتیبانی و همترازی، جبران ضعف عضلانی و کمک به جلوگیری از ناهنجاریهای ثانویه اسکلتی عضلانی در دسترس است. چالش بزرگ این است که تاثیر استفاده از ارتز مچ پا (AFO) بر عضلات اندام تحتانی و بیومکانیک مفاصل چیست. بنابراین، هدف اصلی این مطالعه بررسی سینماتیک و سینتیک اندام تحتانی در حین دویدن با مدلسازی اسکلتی عضلانی در نرم افزار OpenSim بود.
روش کار: 29 نفر (7/5±4/68 کیلوگرم، 7/8±173 سانتی متر، 5/7±5/28 سال) در این مطالعه شرکت کردند. هر آزمودنی با و بدون AFO در آزمایشگاه آنالیز حرکت دوید. دوازده دستگاه ضبط حرکت Vicon (Vicon MX، آکسفورد، انگلستان، 200 هرتز) و دو صفحه نیرو (Kistler Instrumente AG، Winterthur، سوئیس، نرخ نمونه برداری 2000 هرتز) استفاده شد. مدل تمام بدن OpenSim شامل مفاصل با 23 درجه آزادی و 92 عملگر عضلانی-تاندونی است که نشان دهنده 76 عضله در اندام تحتانی است، به عنوان یک مدل عمومی انتخاب شد. مدل عمومی با داده های جرم، قد، قدرت ایزومتریک و نشانگرها در موقعیت استاتیک مقیاس بندی شد. سینماتیک معکوس، دینامیک معکوس، بهینهسازی استاتیک و تحلیل واکنش مفصل برای ارزیابی رابطه بین پوشیدن AFO و بیومکانیک اندام تحتانی استفاده شد. از آزمون t برای مقایسه دو گروه (پابرهنه و AFO) در نرم افزار متلب استفاده شد.
یافته ها: نتایج سینماتیکی و سینتیکی اندام تحتانی نشان داد که بین پوشیدن AFO و پابرهنه تفاوت معنی داری وجود دارد (05/0>P). با پوشیدن عضله AFO (فلکسورها و اکستانسورهای زانو و فلکسورهای کف پا و فلکسورهای پشتی مچ پا) الگوهای فعالیت تغییر کرد و در نتیجه آنالیز واکنش مفصل مچ پا، زانو و مفاصل ران به طور کامل تغییر کرد. عضلات فلکسور پلانتار مچ پا به شدت توسط AFO ها تحت تاثیر قرار گرفتند، با جذب گاستروکنمیوس 19-81٪ کاهش یافت و با افزایش گشتاورهای خم کننده زانو ارتباط داشت (r2 = 0.26-0.87).
بحث: این یافتهها از استفاده بالقوه از AFO برای ورزشکاران پشتیبانی میکند و نشان میدهد که چگونه سینماتیک و سینتیک شخصی سازی شده ممکن است بر تقاضای عضله و به کار گیری عضله برای طراحی AFO تأثیر بگذارد. این اطلاعات ارزشمند ممکن است توسط مهندسان ورزش، مربیان و ورزشکاران استفاده شود.
روش کار: 29 نفر (7/5±4/68 کیلوگرم، 7/8±173 سانتی متر، 5/7±5/28 سال) در این مطالعه شرکت کردند. هر آزمودنی با و بدون AFO در آزمایشگاه آنالیز حرکت دوید. دوازده دستگاه ضبط حرکت Vicon (Vicon MX، آکسفورد، انگلستان، 200 هرتز) و دو صفحه نیرو (Kistler Instrumente AG، Winterthur، سوئیس، نرخ نمونه برداری 2000 هرتز) استفاده شد. مدل تمام بدن OpenSim شامل مفاصل با 23 درجه آزادی و 92 عملگر عضلانی-تاندونی است که نشان دهنده 76 عضله در اندام تحتانی است، به عنوان یک مدل عمومی انتخاب شد. مدل عمومی با داده های جرم، قد، قدرت ایزومتریک و نشانگرها در موقعیت استاتیک مقیاس بندی شد. سینماتیک معکوس، دینامیک معکوس، بهینهسازی استاتیک و تحلیل واکنش مفصل برای ارزیابی رابطه بین پوشیدن AFO و بیومکانیک اندام تحتانی استفاده شد. از آزمون t برای مقایسه دو گروه (پابرهنه و AFO) در نرم افزار متلب استفاده شد.
یافته ها: نتایج سینماتیکی و سینتیکی اندام تحتانی نشان داد که بین پوشیدن AFO و پابرهنه تفاوت معنی داری وجود دارد (05/0>P). با پوشیدن عضله AFO (فلکسورها و اکستانسورهای زانو و فلکسورهای کف پا و فلکسورهای پشتی مچ پا) الگوهای فعالیت تغییر کرد و در نتیجه آنالیز واکنش مفصل مچ پا، زانو و مفاصل ران به طور کامل تغییر کرد. عضلات فلکسور پلانتار مچ پا به شدت توسط AFO ها تحت تاثیر قرار گرفتند، با جذب گاستروکنمیوس 19-81٪ کاهش یافت و با افزایش گشتاورهای خم کننده زانو ارتباط داشت (r2 = 0.26-0.87).
بحث: این یافتهها از استفاده بالقوه از AFO برای ورزشکاران پشتیبانی میکند و نشان میدهد که چگونه سینماتیک و سینتیک شخصی سازی شده ممکن است بر تقاضای عضله و به کار گیری عضله برای طراحی AFO تأثیر بگذارد. این اطلاعات ارزشمند ممکن است توسط مهندسان ورزش، مربیان و ورزشکاران استفاده شود.
کلیدواژه ها
Title
Title: Effect of using the ankle-foot orthosis (AFO) on the musculoskeletal system of athletes during indoor running: a simulation study
Authors
Mina Hashempour, Nasim Ghasedi, Masoumeh Norouzi, Nafiseh Hajari, Mohadese Bayat
Abstract
Introduction: Ankle Foot Orthoses (AFO) is an assistive device commonly used to improve gait after a wide range of musculoskeletal problems, with many designs available to provide support and alignment, compensate for muscle weakness, and help prevent secondary musculoskeletal deformities. The big challenge is what is the effect of using ankle-foot orthosis (AFO) on lower limb muscles and joint biomechanics. Therefore, the main aim of this study was to evaluate the kinematics and kinetics of the lower limb during running by musculoskeletal modeling in OpenSim software.
Methods: Twenty-nine subjects participated in this study (68.4±5.7 kg, 173±8.7 cm, 28.5±7.5 years). Each subject ran with and without AFO in the motion analysis lab. Twelve Vicon motion captures (Vicon MX, Oxford, UK, 200 Hz) and two force plates (Kistler Instrumente AG, Winterthur, Switzerland, sampling rate 2000 Hz) were used. The full-body model of OpenSim consists of joints with 23 degrees of freedom and 92 muscle-tendon actuators to represent 76 muscles in the lower extremities and the torso was selected as a generic model. The generic model was scaled by mass, height, isometric strength, and markers data in the static position. The inverse kinematics, inverse dynamics, static optimization, and joint reaction analysis were used to evaluate the relationship between wearing the AFO and lower limb biomechanics. The t-test was used to compare the two groups (barefoot and AFO) in MATLAB software.
Results: The kinematics and kinetics results of the lower limb showed there are significant differences between wearing AFO and barefoot conditions (P<0.05). By wearing the AFO muscle (knee flexors and extensors and ankle plantar flexors and dorsi flexors) activity patterns changed and consequently, the joint reaction analysis of the ankle, knee, and hip joints completely changed. The ankle plantar flexor muscles were most heavily impacted by the AFOs, with gastrocnemius recruitment decreasing 19–81% and correlating with increasing knee flexor moments (r2 = 0.26–0.87).
Discussion: These findings support the potential use of AFOs for athletes and highlight how subject-specific kinematics and kinetics may influence muscle demand and recruitment to inform AFO design. This valuable information may be used by sports engineers, coaches, and athletes.
Methods: Twenty-nine subjects participated in this study (68.4±5.7 kg, 173±8.7 cm, 28.5±7.5 years). Each subject ran with and without AFO in the motion analysis lab. Twelve Vicon motion captures (Vicon MX, Oxford, UK, 200 Hz) and two force plates (Kistler Instrumente AG, Winterthur, Switzerland, sampling rate 2000 Hz) were used. The full-body model of OpenSim consists of joints with 23 degrees of freedom and 92 muscle-tendon actuators to represent 76 muscles in the lower extremities and the torso was selected as a generic model. The generic model was scaled by mass, height, isometric strength, and markers data in the static position. The inverse kinematics, inverse dynamics, static optimization, and joint reaction analysis were used to evaluate the relationship between wearing the AFO and lower limb biomechanics. The t-test was used to compare the two groups (barefoot and AFO) in MATLAB software.
Results: The kinematics and kinetics results of the lower limb showed there are significant differences between wearing AFO and barefoot conditions (P<0.05). By wearing the AFO muscle (knee flexors and extensors and ankle plantar flexors and dorsi flexors) activity patterns changed and consequently, the joint reaction analysis of the ankle, knee, and hip joints completely changed. The ankle plantar flexor muscles were most heavily impacted by the AFOs, with gastrocnemius recruitment decreasing 19–81% and correlating with increasing knee flexor moments (r2 = 0.26–0.87).
Discussion: These findings support the potential use of AFOs for athletes and highlight how subject-specific kinematics and kinetics may influence muscle demand and recruitment to inform AFO design. This valuable information may be used by sports engineers, coaches, and athletes.
Keywords
Open SIM software, Running, musculoskeletal model