Analyse des Einflusses unterschiedlicher Sprunggelenksorthesenkonfigurationen auf die muskuläre Aktivität zur Fortbewegung
by Florian Mackes
Date of Examination:2025-02-24
Date of issue:2025-02-20
Advisor:Prof. Dr Arndt Schilling
Referee:Prof. Dr Arndt Schilling
Referee:PD Dr. Henning Dathe
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11065
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Name:Dissertation 25.02.2025online.pdf
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Format:PDF
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Abstract
English
Ankle foot orthoses (AFOs) can help to support the human gait. In this dissertation, the effect of different configurations of an AFO with different spring stiffnesses (5, 10, 15, 20 and 25 kN/m) on the muscular activity of the plantarflexor muscles (gastrocnemius muscle; GAS and soleus muscle; SOL) and their antagonist (tibialis anterior muscle; TA) was simulated and analysed using OpenSim. The findings of the simulation were then subjected to investigation in a real-life experiment involving eight physically unimpaired test subjects. For this purpose, an AFO was configured with three different distances to the axis of rotation of the ankle joint and five different spring stiffnesses. The subjects' gaits were analysed with the different orthosis configurations. The muscle activity of the GAS, SOL and TA, the ankle joint angle and shank angle were detected. In the simulation study, a reduction in the muscle activity of the plantarflexor muscles of up to 65 % was demonstrated with increasing spring stiffness. In our experiment, no significant influence of our AFO on muscle activity could be detected. However, wearing the AFO resulted in a change in the ankle joint angle compared to the control case without the orthosis. However, there is a high degree of inter-individual variability in the results, as some subjects showed a reduction, while others showed an increase in muscle activity. Limitations of the test set-up or the AFO model could be responsible for this. The results of this study suggest that a reduction in muscle activity can be achieved with an AFO. However, further experiments with individualised adaptation of an AFO to the patient (passive or active AFOs) are recommended in the future. With these AFOs, studies should be carried out with different gait speeds, everyday activities in healthy people and then in physically impaired people.
Keywords: AFO; gait analysis
German
Sprunggelenksorthesen (engl. ankle foot orthosis; AFO) können helfen den menschlichen Gang zu unterstützen. In dieser Dissertation wurde der Effekt verschiedener Konfigurationen einer AFO mit unterschiedlichen Federsteifigkeiten (5, 10, 15, 20 und 25 kN/m) auf die muskuläre Aktivität der Plantarflexormuskulatur (M. Gastrocnemius; GAS und M. Soleus; SOL) und deren Antagonist (M. Tibialis anterior; TA) mit Hilfe von OpenSim simuliert und analysiert. Anschließend wurden die Ergebnisse der Simulation durch ein Experiment mit acht körperlich unbeeinträchtigten Probanden in der Realität überprüft. Hierfür wurde ein AFO mit drei verschiedenen Abständen zur Rotationsachse des Sprunggelenkes und fünf verschiedenen Federsteifigkeiten selber konfiguriert. Es wurde der Gang der Probanden mit den unterschiedlichen Orthesenkonfigurationen analysiert. Dabei wurde die Muskelaktivität des GAS, SOL und TA, der Sprunggelenkswinkel und Unterschenkelwinkel detektiert. In der Simulation konnte bei steigender Federsteifigkeit eine Reduktion der Muskelaktivität der Plantarflexoren um bis zu 65 % nachgewiesen werden. In unserem Experiment konnte kein signifikanter Einfluss unserer AFO auf die Muskelaktivität nachgewiesen werden. Jedoch zeigt sich durch das Tragen der AFO eine Veränderung des Sprunggelenkswinkels im Vergleich zur Kontrolluntersuchung ohne Orthese. Es zeigt sich jedoch eine hohe interindividuelle Variabilität der Ergebnisse, da sich bei einigen Probanden eine Reduktion, bei anderen jedoch auch ein Anstieg der Muskelaktivität zeigt. Ursächlich könnten hierfür Limitationen des Versuchsaufbaus oder des Modells unserer AFO sein. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, dass eine Reduktion der Muskelaktivität durch eine AFO erreicht werden kann. Hierfür sind jedoch in der Zukunft weitere Experimente mit einer auf den Patienten individualisierten Anpassung einer AFO zu empfehlen. Mit diesen AFOs (aktiv oder passiv) sollten Untersuchungen mit verschiedenen Ganggeschwindigkeiten, Alltagaktivitäten bei gesunden Menschen und anschließend bei körperlich beeinträchtigten Personen durchgeführt werden.
Schlagwörter: Ganganalyse; Sprunggelenksorthese
