JNER:小腿肌肉无力患者的钢板弹簧踝-足矫形器的个体刚度优化选择

患有Charcot–Marie–Tooth病和脊髓灰质炎等神经肌肉疾病的人临床症状为小腿肌肉无力。小腿肌肉无力会改变步态模式，通常会导致过度的踝关节背屈、持续的膝关节屈曲以及站立时踝关节力量的降低。这些问题偏差降低了行走速度。

为改善小腿肌肉无力患者的行走，可提供背部钢板弹簧踝足矫形器（DLS AFOs），其目的是通过提供足底外屈曲力矩来限制踝关节背屈角度。该外部力矩与钢板弹簧的弯曲度和刚度成正比。如果成功限制踝关节角度，地面反作用力可以在脚上方以及踝关节和膝盖前方进一步向前移动。这减少了股四头肌的激活，从而降低了行走的能量消耗。此外，DLS AFOs可以在站立阶段进入背屈时储存能量，并在推离时释放能量，从而支持脚踝力量，这也降低了行走能量消耗。DLS AFO在限制踝关节背屈角度和支撑踝关节力量方面的效果很大程度上取决于AFO的踝关节刚度。较低的AFO踝关节刚度可以增强踝关节的力量，但降低踝关节背屈的效果较差。优化踝关节角度正常化和保持踝关节力量之间的权衡已被证明可以最大限度地降低能量成本。考虑到这种权衡取决于患者，有必要对DLS-AFO硬度进行个体化。

小腿肌肉无力患者的DLS-AFO僵硬个体化不仅降低了行走能量成本，而且在感知疲劳和行走满意度方面也取得了更好的治疗效果。在这项研究中，通过客观实验对碳Ankle7®（CA7）钢板弹簧进行了优化。本研究的目的是DLS AFO刚度是否与在水平地面行走时实验选择的最佳AFO刚度的效果相匹配。其次，研究了踝关节力量的差异与行走能量消耗、速度和髋关节力量的关系。本文发表在《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》。

在本研究中，使用了PROFORM-AFO试验的数据，该试验是一项关于小腿肌肉无力患者优化AFO踝关节僵硬效果的观察研究。PROFORM-AFO试验的主要纳入标准是由于神经肌肉疾病或神经损伤导致的非痉挛性小腿肌无力（单侧或双侧）。其他入选标准为：18岁或以上，日常生活中穿着AFO或矫形鞋；能够行走至少6分钟；重量低于120 kg。排除标准为膝伸肌无力，需要使用膝-踝-足矫形器。

钢板弹簧踝足矫形器

向参与者提供了一个新的DLS-AFO，使用了CA7®（德国杜德施塔特Ottobock）。CA7钢板弹簧使用总共四个螺钉连接到定制的小腿外壳和踏板上能够通过手动改变CA7叶片来改变AFO刚度。对于每个参与者，五个不同的CA7叶片，宽度均为30 mm。AFO的刚度通过双关节倒数通用柔度估计器（BRUCE）进行测量，BRUCE是专门设计用于可靠测量AFO特性的装置。为了测量刚度，将AFO绑在BRUCE假人腿上，并手动向背屈方向移动三次。在运动过程中，BRUCE记录了踝关节角度和施加的力矩。AFO刚度的计算方法是将踝关节角度除以施加的力矩。

在35米椭圆形轨道上进行6分钟步行测试时，测量了无AFO和五种AFO刚度水平下的步行能量消耗和速度。在试验过程中，同时测量了耗氧量（VO2）和二氧化碳生成量（VCO2）。如果需要，参与者可以使用辅助设备，如拐杖或手杖。为了避免干扰测试，要求参与者在测试前两小时内停止摄入食物和含糖饮料。

在舒适速度下，在五个AFO刚度水平下进行三维步态分析，以评估步态生物力学。根据PlugInGait模型放置标记。使用8摄像头100 Hz维康MX 1.3系统（英国牛津维康）记录标记器轨迹，同时使用四个测力板（美国沃特敦AMTI 1000 Hz或6-7）测量地面反作用力。重复测量每种刚度条件，直到记录了三次有效试验（即，将脚完全放在测力板内，从测力板上的脚后跟撞击到同侧脚后跟撞击，都可以看到标记）。

使用测力板数据确定脚撞击和脚趾离开的时间。数据在维康Nexus（英国牛津维康）内处理。踝关节角度、力矩和力量进行时间标准化（步态周期的0-100%），并使用Matlab（Mathworks，Natick，USA）在整个试验中取平均值。此外，还计算了每个步态周期的早期站立和摆动前的最大踝关节角度、力矩和功率以及最大正髋关节功率。单独选择最佳CA7 AFO刚度。选择主要基于步行能量成本作为优化指标。

厂家推荐和优化的AFO刚度对行走能量成本的影响

在PROOF-AFO试验中包括的37名参与者中，22名受试者受双侧影响，双腿使用AFO，其中两人使用手杖作为辅助装置。厂家推荐的和实验优化的AFO刚度对应于34名参与者中的8名（23.5%），其余26名参与者的刚度不同。在34名参与者中，20名（59%）参与者的实验优化AFO刚度在2到4 Nm/度之间，9名（26%）参与者的实验优化AFO刚度为4.3 Nm/度，而只有5名参与者的实验优化AFO刚度高于5 Nm/度。 与厂家推荐的刚度相比，经过实验优化的AFO刚度显著降低了步行能量成本。厂家推荐的最大踝关节背屈角与实验优化的AFO刚度之间无显著差异。

厂家推荐和实验优化的单侧和双侧受累患者踝关节力量差异和步行能量成本差异之间的关系

尽管与无AFO相比，推荐的AFO刚度在水平地面行走时提高了18.7%的能量成本，但其降低的效果仅为通过实验优化刚度实现的效果的82%。与厂家推荐的AFO相比，实验优化AFO的踝关节运动和踝关节力量均显著增大。鉴于在日常护理中提供的DLS AFO与无AFO相比降低了7%至10%的能源成本，尽管在日常护理中提供的背叶AFO的刚度通常较低，这种影响被认为是巨大且有意义的。

本文结果显示临床应用应该通过实验优化小腿肌肉无力患者的CA7硬度，以最大限度地提高治疗效果。

Waterval, N.F.J., Brehm, MA., Harlaar, J. et al. Individual stiffness optimization of dorsal leaf spring ankle–foot orthoses in people with calf muscle weakness is superior to standard bodyweight-based recommendations. J NeuroEngineering Rehabil 18, 97 (2021). https://doi.org/10.1186/s12984-021-00890-8