OpenSim环境下扁平足...步态支撑期踝周肌群肌力分析_赵虎.pdf

中国运动医学杂志2023年2月第42卷第2期 Chin J Sports Med，Feb.2023，Vol.42，No.2OpenSim环境下扁平足患者步态支撑期踝周肌群肌力分析赵虎1马晓子1霍洪峰1，2李晓璨1刘鑫玥1魏佳琳11 河北师范大学体育学院（石家庄 050024）2 河北省人体运动生物信息测评重点实验室（石家庄 050024）摘要目的：探讨扁平足步态支撑期特征与下肢肌力间的关系。方法：招募20名受试者，通过足弓高度指数将受试者划分为正常足组（n=10）和扁平足组（n=10）。采用步态测试和OpenSim模拟仿真，对两种足型受试者的步态周期运动学参数、支撑期地面反作用力和踝周肌群肌力进行对比分析。结果：扁平足行走时支撑期占比和足跟离地时间高于正常足（P0.05），踝关节在步态过程中表现出过度外翻（P0.05）；着地时髋膝关节屈曲角度高于正常足（P0.05）；扁平足支撑期地面反作用力两峰值F1和F3相对值低于正常足（P0.05）；扁平足步态支撑期胫骨前肌、胫骨后肌、腓肠肌、腓骨长肌、腓骨短肌、趾长屈肌、拇长屈肌最大肌力小于正常足（P0.05）。结论：OpenSim能够较好地模拟扁平足步态特征，扁平足通过着地时更大的髋膝屈曲角度来弥补踝背屈肌群肌力较弱造成的缓冲震荡能力不足。其较低的足弓使胫骨后肌、趾长屈肌、拇长屈肌在支撑中期具有较高的激活程度。扁平足比目鱼肌在蹬伸阶段表现出比正常足更高的推进贡献率，但整体推进能力仍低于正常足。关键词OpenSim；扁平足；步态；肌力Muscle Strength Analysis of Peri-ankle Muscles of Patients with Flat Feet during Gait Support Periodunder OpenSim EnvironmentZhao Hu1，Ma Xiaozi1，Huo Hongfeng1，2，Li Xiaocan1，Liu Xinyue1，Wei Jialin11 Hebei Normal University，Physical Culture Institute，Shijiazhuang 050024，China2 Hebei Provincial Key Lab of Measurement and Evaluation in Human Movement and Bioinformation，Shijiazhuang 050024，ChinaCorresponding Author:Huo Hongfeng，Email:Abstract Objective To study the relationship between the gait characteristics and lower-limb muscle strength in the stance period of patients with flat feet.Methods Twenty subjects were recruited andrandomly divided into a normal foot group（n=10）and a flat foot group（n=10）according to their archheight index.Gait test and OpenSim simulation were used to compare and analyze the kinematic parameters of the gait cycle，ground reaction force during the supporting period and peri-ankle musclestrength.Results In walking，the proportion of the support period and the time of heel off the groundof the flat foot group were significantly higher than the normal feet group（P0.05），and the anklejoints were of excessive eversion（P0.05）.Moreover，the flexion angles of the hip and knee on landing were significantly higher than the normal foot group（P0.05），and the relative values of F1 andF3 at the peak of ground reaction force were significantly lower than the latter group（P0.05）.Meanwhile，the maximum muscle strength of the tibialis anterior muscle，tibialis posterior muscle，gastrocnemius muscle，peroneus longus，peroneus brevis，flexor toe longus and flexor hallucis longus was smaller than the normal foot group in the gait support period（P0.05）.Conclusions OpenSim can well simu收稿日期：2021.12.15基金项目：河北省科技支撑项目（16275709）；河北省专业学位研究生教学案例建设项目（KCJSZ2020031）第1作者：赵虎，Email：；通信作者：霍洪峰，Email： 93DOI:10.16038/j.1000-6710.2023.02.013中国运动医学杂志2023年2月第42卷第2期 Chin J Sports Med，Feb.2023，Vol.42，No.2late the gait characteristics of flat feet，which make up for the weak strength of the dorsiflexor of theankle to cushion the shock through the larger hip and knee flexion angles when landing.The lowerarch of the foot results in higher activation of the tibialis posterior，flexor toe longus，and flexor hallucis longus during the metaphase of support.The soleus muscle of flat feet displays a higher contribution rate of propulsion than that of normal feet in the push and extension stage，but the overall propulsion capacity is still lower than the latter.Key wordsOpenSim;flat feet;gait;muscle strength扁平足是骨科常见的姿势性足部畸形，以足弓塌陷或消失为特征，具有距骨内旋、前足旋后和外展等特征。作为常见的足部结构异常，扁平足不仅影响步态中足支撑和推进功能，还可能与膝关节疼痛、足底筋膜炎、软骨损伤和胫骨应力综合征有关1，2。人体肌肉以协同的方式维持步态，正常步态周期中下肢肌群协同配合且具有周期性，当踝关节在单一平面运动时，背屈肌或跖屈肌控制踝关节活动，跖屈肌在支撑期活跃，背屈肌参与步态初始着地，降低跖屈速度，并在摆动相控制足部运动3。扁平足过度旋前导致下肢排列失调，使胫骨和股骨内旋增加4，5。Murley等6对扁平足步态肌电的研究显示，在足跟着地时刻，扁平足表现出胫骨前肌活动的增加，在蹬伸过程中扁平足表现出胫骨后肌活动增加和腓骨长肌活动减少的代偿模式。神经肌肉代偿可能为扁平足提供额外的足部支撑，从而补偿扁平足功能的缺失7。但肌肉的代偿能力有限，且足弓的改变与下肢受伤风险之间的联系可能源于肌肉的异常活动8。在人体动作的生物力学分析中，探究动作产生的机理，需要深入到肌肉层面的研究9。有研究10采用表面肌电测试来推断骨骼肌力量的产生模式，但其结果经常受到肌纤维类型、肌肉长度和肌肉收缩速度的影响，且难以确定单个肌肉对运动表现做出的具体贡献。Gabaldon等11也建议应谨慎使用肌电对运动过程中产生的力进行推断。OpenSim是美国斯坦福大学开发的对人体肌肉骨骼系统进行建模分析的多体动力学软件，其建模理论基于HILL肌肉结构力学模型，它能精准地构建、交换和分析肌肉骨骼系统，求解单个肌肉激活和肌力，实现人体运动的动态模拟12。Clark等13使用OpenSim研究表明，双关节腓肠肌比单关节比目鱼肌在增速步行蹬伸阶段中起着更重要的作用，对相关异常步态针对性治疗具有重要意义。因此，研究扁平足患者下肢肌力，可以了解扁平足对下肢肌肉活动的影响及两者之间的相互作用，为探究扁平足肌肉代偿机制提供帮助。鉴于上述，本研究借助 OpenSim肌骨建模软件对不同足型的受试者进行步态建模，分析扁平足患者步态支撑阶段踝周肌群的肌力特征，了解肌力和步态模式之间的联系，为扁平足患者的临床治疗提供理论依据。1 对象与方法1.1 研究对象研究对象选取20名普通男性大学生，正常足10名，扁平足10 名，足型通过足弓高度指数（arch height index，AHI）14判定（0.275AHI0.356 为正常足，AHI0.275为扁平足）（表1）。受试者在实验前近3个月无下肢损伤，且在实验前24小时无剧烈运动，所有受试者均了解实验流程。表1 研究对象基本信息组别正常足（n=10）扁平足（n=10）年龄（岁）22.75 1.8322.87 0.64身高（cm）176.62 4.53176.5 3.74体重（kg）68.91 5.6371.8 8.42足弓高度指数左0.312 0.060.246 0.06*右0.318 0.050.238 0.04*P0.05，与正常足比较。1.2 测试方案测试方案本研究采用BTS-SMARTDX运动捕捉系统，包含8台 SMARTDX 红外摄像机，采集频率为 250 Hz，2 块BTS6000三维测力台，采集频率为1000 Hz，用于记录26个反光Mark点的运动轨迹和受试者步态支撑期的地面反作用力（F1、F3代表两种足型步态支撑期反作用力的两个峰值，F2代表两种足型步态支撑期反作用力的谷值）；16通道的Delsys表面肌电测试系统，被用于收集受试者腓肠肌内侧、腓肠肌外侧、胫骨前肌三块肌肉 的 最 大 随 意 收 缩（maximal voluntary contraction，94中国运动医学杂志2023年2月第42卷第2期 Chin J Sports Med，Feb.2023，Vol.42，No.2MVC）及步态活动情况，频率设定为1000 Hz以供模型验证。运动捕捉系统、测力台、肌电通过BTS同步台进行同步。受试者首先热身5分钟，进行最适步频测试，并记录最适步频，进行皮肤表面处理后粘贴Mark点，受试者站立2s进行静态数据采集，随后粘贴表面电极，因为步态为周期性运动，本实验只对右腿肌电数据进行采集，粘贴完毕后依据所记录的最适步频，通过 Soundbren节拍器15控制，准确走过步道上的测力台，记录最适步频下的Mark 点运动轨迹和地面反作用力及肌肉的表面肌电活动情况，收集3次有效步态数据。1.3 肌骨模型构建及验证肌骨模型构建及验