Analys av muskelaktivitet i underbenet vid gång - Diva 1119292/FULLTEXT01.pdf · Analys av muskelaktivitet…

  • Published on
    29-Mar-2019

  • View
    212

  • Download
    0

Embed Size (px)

Transcript

INOM EXAMENSARBETE TEKNIK,GRUNDNIV, 15 HP

, STOCKHOLM SVERIGE 2017

Analys av muskelaktivitet i underbenet vid gngEn studie p tre olika fotledsortoser

DIDRIK NIMANDER

SIMON SDERLUND

KTHSKOLAN FR TEKNIK OCH HLSA

i

Detta examensarbete har utfrts i samarbete med Karolinska Institutet

Handledare p Karolinska Institutet: sa Frberg, Karolinska Institutet, Institutionen fr klinisk vetenskap, intervention och teknik, Enheten fr ortopedi och bioteknologi.

Analys av muskelaktivitet i underbenet vid gng -En studie p tre olika fotledsortoser

Analysis of muscle activity of the lower leg at walking

speed -A study on three types of ankle foot orthoses

D i d r i k N i m a n d e r S i m o n S d e r l u n d

Examensarbete inom medicinsk teknik Grundniv, 15 hp

Handledare p KTH: Tobias Nygren och Mattias Mrtensson Examinator: Mats Nilsson

Skolan fr teknik och hlsa

Kungliga Tekniska Hgskolan KTH STH

SE-141 86 Flemingsberg, Sweden http://www.kth.se/sth

2017

ii

Sammanfattning

Projektet syftade till att undersoka skillnaden pa tre olika utformningar av fotledsortoser nar det kommer till muskel-

aktivitet i underbenet vid gang. Det genomfordes pa grund av att det finns fa studier pa hur olika fotledsortoser

forhaller sig till varandra, darmed ar kunskapen begransad. Tillvagagangssattet var att skriva ett matlabskript som

manipulerade och analyserade all indata och levererade jamforbara resultat for de enskilda ortoserna.

Analysen skedde i fyra overgripande moment dar det forsta var att manipulera EMG:ts radata for att forenkla anal-

ysen av den, det andra momentet var att definiera stegtider utifran fotsuletrycksdata. Tredje momentet innefattade

att manipulera referensdata pa samma satt som i moment ett och det fjarde var att uttrycka EMG-data i procent

av referensdatan.

Efter att EMG-data analyserats sa jamfordes de olika ortoserna genom att medelvarden fran samtliga forsokspersoner

beraknades i Excel.

Resultaten visade att muskelaktiviteten i Triceps Surae overlag verkar minska med okad plantarflexion. Slutsatsen

fick delas upp muskel for muskel och har ingen genomgaende trend utan slutsatsen blev olika for varje muskel.

iii

iv

Abstract

The aim of this project is to investigate the differences in muscle activity of the lower leg between three types of ankle

foot orthoses. The reason behind the project is that there is little knowledge about differences between different

types of orthoses. The method used to tackle this task was to write a Matlab script that manipulated and anlyzed

all the data required to yield a result for each individual orthoses that then could be used to compare them to each

other.

This was done in four major steps, the first of which was to manipulate the EMG-data of the chosen file so that it

became easier to analyze, the second step was to use the data from a pressure sole to determine when steps started

and ended. Thirdly, the reference data was manipulated in the same way as in step one. The fourth and final step

was to express the chosen file in percent of the reference data. Finally, Excel was used to compare the different

orthoses by calculating mean values from the test subjects data.

The results showed that the muscel actvity in Triceps Surae seems to decrease with increased plantarflexion.

The conclussion had to be divided into one conclussion per muscle, the different conlussions differed for every muscle.

v

vi

Forkortningar

AW - Aircast walker

BF - Barfota

DB - Dorsal brace

DF - Dorsalflexion

EMG - Elektromyografi

FT - Fotsuletryck

GL - Gastrocnemius lateralis

GM - Gastrocnemius medialis

MVC - Maximum Voluntary Contraction

PF - Plantarflexion

ROM - Range of motion

RMS - Root Mean Square

Sol - Soleus

TA - Tibialis anterior

TS - Triceps Surae

vii

.

viii

Innehallsforteckning

1 Introduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 Mal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Avgransningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2 Bakgrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.1 Datainsamling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.2 Fysiologi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.3 Ortos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.4 Elektromyografi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3 Metod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

4 Resultat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

5 Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

6 Slutsats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

7 Kallforteckning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Bilagordddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddllll

Bilaga A Figurerddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddll

Bilaga B Tabellerdddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddlll

Bilaga C Matlabskriptdddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddlll

ix

x

1. Introduktion

Varje ar drabbas ungefar 2 600 personer i Sverige av

halseneruptur framst i aldern 40-59 och en del av dessa

behover i samband med det suturera halsenan(1,2).

Denna operation kraver lang rehabilitering och ett

vanligt behandlingsalternativ ar da att anvanda en

fotledsortos for att avlasta halsenan under

rehabiliteringstiden(3).

Det man stravar efter ar en fotledsortos som

immobiliserar fotleden pa ett sadant satt att man

tillater tillrackligt med rorlighet for att minska atrofi,

men motverka att halsenan utsatts for krafter som kan

motverka lakningsprocessen(4,5).

I dagslaget finns det begransat med kunskap om hur

olika fotledsortoser skiljer sig med avseende pa

muskelaktivitet. Med anledning av detta syftar det har

projektet till att analysera Elektromyografi(EMG)-data

fran vadmuskulaturen vid gang med tre olika

utformningar pa fotledsortoser som ar avsedda for att

immobilisera fotleden, samt vid barfotagang.

Resultaten fran detta projekt ar planerade att anvandas

i en mer omfattade, hittills, opublicerad studie dar man

aven anvander ultraljudsbilder pa halsenan for att

berakna hur mycket kraft den utsatts for. Data som

analyseras i detta projekt kommer fran denna, mer

omfattande studie som leds av Asa Froberg

(Specialistlakare, Ortopedkliniken, Karolinska

Huddinge).

1.1 Mal

Malet ar att undersoka skillnader i muskelaktivitet i

underbenet mellan tre olika fotledsortoser samt utan

ortos. Resultatet ska astadkommas genom analys av

erhallen EMG-data samt data fran

fotsuletrycksmatningar.

1.2 Avgransningar

Den EMG-data som erhallits innehaller matningar fran

fyra stycken muskler: Gastrocnemius lateralis (GL),

Gastrocnemius medialis (GM), Soleus (Sol) och Tibialis

anterior (TA). Det ar muskelaktiviteten i dessa muskler

som kommer att undersokas.

De data som anvands kommer fran atta man i aldern

40-50 detta pa grund av att det var mer relevant med en

homogen testgrupp for att jamfora ortoserna nar bara

halften av de tankta antalet forsokspersoner skulle

testas. Anledning till att man valdes framfor kvinnor ar

att halseneruptur i 90 % av fallen drabbar man och den

grupp med flest incidenser ar man i aldern 40-59(2,3).

1

2. Bakgrund

2.1 Datainsamling

I studien fran vilken data har erhallits har tre stycken

varianter av fotledsortoser anvants som alla har som

uppgift att immobilisera fotleden pa olika satt. De tre

sorterna som kallas Dorsal brace (DB, se figur

A.1),Aircast Walker (AW, se figur A.2) och Range of

motion (ROM, se figur A.3) gar alla att stalla in for att

modifiera i vilken position fotleden lases i, ortoserna har

testats for tva till tre olika installningar beroende pa

ortos (se tabell 2.1 nedan).

Tabell 2.1. Tabell over de olika installningarna och

ortostyperna som testades under forsoken.

Ortos Installning 1 Installning 2 Installning 3

Barfota 2 km/h 3 km/h 10 km/h

AW 3 kil 1 kil 0 kil

ROM 30 PF 10 PF 10 DF

DB 1 kil 0 kil

For varje installning som testades gjordes forsoken tre

ganger om. Forsoken planeras att goras pa 16 stycken

forsokspersoner i 40-55 ars aldern, varav atta stycken

ska vara man och atta ska vara kvinnor.

En del av projektet var att delta under nagra av dessa

forsok for att fa insikt i hur samtlig data har framtagits.

Matningarna gick till sa att forsokspersonen anlande till

labbet och fick borja med att gora en gipsavgjutning for

en av ortostyperna, namligen DB (se figur A.4). Nar

detta var avklarat paborjades uppkoppling av alla

matinstrument som kravdes for forsoken.

Forst applicerades EMG-elektroderna (se figur A.5).

Omradena dar elektroderna skulle fastas rakades och

tvattades sen med sprit for att forbattra haftning och

minska impedans. De tva elektroderna placerades mitt

pa respektive muskel och med tva centimeters avstand

fran varandra.

Nasta steg var att tejpa fast ultraljudsproben och

goniometern, ultraljudsproben applicerades pa halsenan

och goniometern pa sidan av foten (se figur A.6). Till

sist fick personen ta pa sig tryckfotsulor (se figur A.7),

dessa holls pa plats med strumpor.

Nar alla matinstrument var pa plats fick varje

forsoksperson genomga de olika testerna i en slumpvald

ordning. Detta for att minska effekterna av trotthet och

ovanhet.

2.2 Fysiologi

De muskler pa vilka matningar har gjorts ar Tibialis

anterior(TA) som ar belagen framfor tibialisbenet och

vars huvudsakliga funktion ar att dorsalflektera

fotleden(7). Utover den ar det de tre stora musklerna pa

vaden som utgor Triceps surae(TS) som matningar

genomforts pa, dessa tre ar Gastrocnemius lateralis(GL),

Gastrocnemius medialis(GM) samt Soleus(Sol)(7).

De tva Gastrocnemius musklerna ar belagna sa att

medialis ligger medialt, alltsa pa insidan av benet och

lateralis ligger lateralt d.v.s. pa utsidan av benet, under

de tva Gastrocnemius musklerna ar Soleus belagen(7).

Den huvudsakliga uppgiften for TS ar att boja fotleden

med PF(7).

2.3 Ortos

En ortos kan definieras som en produkt som appliceras

externt for att modifiera strukturen och den funktionella

karaktaren av neuro-muskel och skelettsystemen(6). De

tre utformningarna pa fotledsortoser som har anvants i

testerna har alla som uppgift att pa olika satt forhindra

fotleden fran att boja sig for langt uppat, alltsa

dorsalflexion (DF) eller for langt nerat , det som kallas

plantarflexion (PF) eller bade och, i fallet av

halseneruptur ar det framforallt dorsalflexion som vill

undvikas da detta stracker ut halsenan.

2

2.4 Elektromyografi

EMG kan definieras som en studie av muskelfunktion

genom insamling av elektriska signaler som uppstar nar

en muskel anvands(8). EMG-signalen ar baserad pa

aktionspotentialer i muskelmembranet fran

depolarisations- och repolarisations processer(8). Med

hjalp av EMG kan man ta reda pa vad muskeln gor vid

olika intressanta ogonblick(8). Det finns tva vanliga

sorters EMG, nEMG (needle EMG) och sEMG (surface

EMG)(8).

Dessa anvands for att studera muskelaktivitet, nEMG

anvands framst vid kliniska undersokningar for att

diagnostisera neuromuskulara sjukdomar och sEMG

anvands flitigare vid rehabiliteringsmedicin, ergonomi

och idrottsrelaterad forskning(9). Vid traditionell sEMG

anvands tva elektroder for att ta upp signalerna fran

muskeln(9).

Data som anvands i detta projekt har erhallits med

sEMG. Obehandlad EMG-data ar svartolkad, darfor sa

bearbetas ofta data som har samlats in.

Baslinjen hos EMG-data kan pa grund av amplifikation

vid insamling vara forskjuten bort fran nollnivan(8).

Om detta ar fallet sa maste det korrigeras sa att

baslinjen hamnar pa den sanna nollnivan, detta gors for

att berakningen med avseende pa amplitud inte ska bli

felaktig(8).

Radatat fran EMG har medelvardet noll eftersom de

negativa komponenterna tar ut de positiva, pa grund av

detta vill man omvandla de negativa amplituderna till

positiva amplituder(8). For att i fortsatt behandling

kunna berakna t.ex. medelvarde och maxvarde(8).

Bruset i en EMG-matning ar slumpmassigt vilket leder

till att radata hos de omraden med hog aktivitet som

uppstar periodiskt i samband med gang inte kan

reproduceras med exakt samma utseende(8). Det ar

darfor varje stegs data skiljer sig nagot fran de andra.

For att minimera brusets paverkan i detta avseende sa

utjamnar man ofta kurvan med hjalp av t.ex. RMS(8).

Nar EMG-data samlas in ar det viktigt att alla

matningar gors under samma tillfalle da en valdigt liten

skillnad i elektrodernas placering pa muskeln kan leda

till markbara skillnader i utdata(8). Pa grund av detta

och att EMG:ts radata i sig inte har nagot varde nar det

kommer till att jamfora flertalet forsokspersoner med

varandra, ar det vanligt att man utrycker all data i

procent av MVC (Maximum Voluntary Contraction)

for att gora dem jamforbara(8).

MVC ar det varde som uppnas under en maximal

isometrisk kontraktion av en muskel(10). I detta fall har

forsokspersonen uppmanats att mot ett motstand ta i

allt vad personen kunde i tre korta intervall med nagon

sekunds vila emellan. Personen gjorde tva olika

ovningar, en for TA-muskeln och en for de tre musklerna

i TS. Bada ovningarna gjordes en gang innan testerna

och en gang efter utan att flytta pa elektroderna. Vilket

da ledde till att det finns sex stycken prov pa MVC per

ovning.

Har har definitionen for ett steg bestamts vara tiden

fran halnedsattning till halnedsattning. Det finns ett

antal liknande studier som testat muskelaktivitet i

samband med ortoser, nagra av dessa pekar emot att

okad PF leder till sankt muskelaktivitet i TS(4,11,12).

Daremot finns det fa studier som jamfor flera olika

ortoser i samma studie.

3

3. Metod

MATLA...

Recommended

View more >