Leg muscle fatigue could induce impaired control of human balance, walking, and a high risk of falls. This study aimed to investigate the effect of leg muscle fatigue on human balance under both static and dynamic conditions by combining different analysis approaches. Three tasks were assessed, including quite standing, unobstructed walking, and obstructed walking with obstacle crossing at two different obstacle heights.
Twenty young healthy subjects participated in this experiment, and they performed quiet standing, unobstructed walking, and obstructed walking over an obstacle with two different heights before and immediately after a leg muscle fatigue protocol. Center of Pressure (COP) trajectory during quiet standing was collected by a balance board to assess the static balance. Gait parameters derived from wearable inertial sensors data were evaluated during unobstructed walking trials and obstructed walking trials. Also, foot clearance distances were measured by an optical motion capture system during obstacle crossing. Squatting was chosen as the fatigue task to induce leg muscle fatigue. COP based body sway measures and unobstructed walking trials were analyzed by paired samples t-test to compare before fatigue and after fatigue trials. Two-way Analysis of Variance (ANOVA) repeated measures was used to assess the effects of fatigue state and obstacle height during obstructed walking.
Experimental results showed that all of COP based body sway measures (planar deviation, range in anteroposterior (AP) and mediolateral (ML) direction, mean distance, mean distance in ML and AP direction, path sway, RMS distance, RMS distance in ML and AP, mean velocity, and mean velocity in ML and AP direction and phase planar parameter) showed a statistically significant increase after fatigue, indicating higher body sway and impaired static balance. During Unobstructed walking trials, gait speed and stride length were affected after fatigue showing a significant decrease. When performing obstacle crossing trials, no significant interaction between fatigue state and obstacle height was found. However, after fatigue, gait speed and relative stance were affected, showing a decreasing trend. Obstacle height also affected stride length showing an increasing trend, while the number of strides decreased when the obstacle was higher. For foot clearances, participants tended to place the leading foot after crossing the obstacle closer due to fatigue but left a greater distance when the obstacle was higher. When crossing an obstacle, the trailing foot distance was affected by fatigue state, increasing when the obstacle was higher. All of the other distances remained unchanged.
These results show that fatigue affects static balance by increasing body sway with a more prominent movement in the anteroposterior direction. However, the relative increase of path sway larger than the MDIST has been interpreted as an effective postural control regulation. Therefore, even after fatigue, participants can compensate for motor and/or sensory deficiencies. From the dynamic balance perspective, participants adopted different strategies for gait pattern according to different scenarios (unobstructed and obstructed path), which furthermore was reflected in the foot clearances when performing obstructed walking trials. In conclusion, kinematic variables are affected by fatigue; however, the whole-body balance was maintained due to young healthy adults' ability to adapt their gait depending on the environment's complexity to preserve balance and guarantee safety. These findings could not only help us to understand better the fatigue effect on human balance and gait performance but also serve as a foundation for future research in human balance and assess gait adaptability programs that help improve obstacle avoidance and address fall prevention.
다리 근육 피로는 인간 균형 및 보행의 조절력 저하와 높은 낙상 위험을 유발할 수 있다. 본 연구는 정적 및 동적 조건에서 다리 근육 피로가 인간의 균형에 미치는 영향을 조사하는 것을 목적으로 하였다. 서 있는 동작, 장애물이 없는 보행, 두 가지 높이의 장애물을 통과하는 보행을 포함한 세 가지 과제를 대상으로 평가하였다.
실험은 20명의 건강한 젊은 피험자들을 대상으로 진행하였으며 피험자는 다리 근육 피로 상태 전과 직후 각각에서 서 있는 동작, 장애물이 없는 보행, 두 가지 높이의 장애물을 통과하는 보행을 수행하였다. 정적 균형 능력을 평가하기 위해 밸런스 보드를 통해 서 있는 동작 중 압력 중심 (COP) 궤적을 수집하였고, 웨어러블 관성 센서를 통해 장애물이 있는, 그리고 없는 보행 중 보행 매개 변수를 측정하였으며, 장애물을 건너는 동안 광학 모션 캡처 시스템을 통해 발 간격 거리를 측정하였다. 다리 근육 피로를 유도하기 위한 작업으로 스쿼트 동작이 선택되었다. COP 기반 신체 흔들림 측정치와 장애물이 없는 보행 테스트의 데이터는 대응 표본 T 검정을 통해 피로 전후를 비교하였으며, 장애물이 있는 보행 테스트의 데이터는 이원분산분석을 통해 피로 유무와 장애물 높이의 영향을 평가하였다.
실험 결과에 따르면 모든 COP 기반 신체 흔들림 측정치 (평면 편차, AP 및 ML 방향의 범위, 평균 거리, ML 및 AP 방향의 평균 거리, 전후측 및 중외측 범위, 평균 거리, 전후측 및 중외측 평균 거리, 경로 흔들림, RMS 거리, 전후측 및 중외측 RMS 거리, 평균 속도, 전후측 및 중외측 평균 속도, 위상 평면 매개 변수)이 피로 후에 통계적으로 유의한 증가를 보였으며, 이는 더 큰 신체의 흔들림과 낮은 정적 균형 능력을 나타낸다. 장애물이 없는 보행에서 피로 후에 보행 속도와 보폭이 유의하게 감소하였다. 장애물이 있는 보행에서는 피로 상태와 장애물 높이 사이의 유의한 교호작용은 발견되지 않았으나 피로 후에 보행 속도와 상대적 자세가 감소 추세를 보였다. 또한 장애물이 높을수록 보폭은 증가하였으며 걸음 수는 감소하였다. 발 간격의 경우, 피험자는 피로로 인해 장애물을 건넌 뒤 선두 발을 더 가까이 놓는 경향이 있었지만 장애물의 높이가 높았을 때 더 멀리 놓았다. 장애물을 건널 때, 후행 발 거리는 피로에 의해 장애물의 높이가 높을 때 증가하였다. 다른 모든 거리 수치에서는 차이가 없었다.
이러한 결과는 피로가 전후측 방향으로 신체의 흔들림 증가시켜 정적 균형에 영향을 미친다는 것을 보여주지만, MDIST보다 더 큰 경로 흔들림의 상대적 증가는 효과적인 자세 제어 규제로 해석되었다. 따라서 이는 피로 후에도 피험자는 운동 및/또는 감각의 결핍을 보충할 수 있다는 것이다. 동적 균형의 관점에서, 참가자들은 시나리오(장애물의 유무)에 따라 서로 다른 보행 패턴 전략을 채택했으며, 이는 장애물이 있는 보행에서의 발 간격에서도 나타났다. 결론적으로, 운동학적 변수는 피로의 영향을 받지만, 균형을 유지하고 안전을 보장하기 위해 환경의 복잡성에 따라 보행을 적응시키는 건강한 성인의 능력에 의해 전신 균형은 유지되었다. 본 연구의 결과물은 우리가 인간 균형과 보행 능력에 피로가 주는 영향을 더 잘 이해하는 데 도움을 줄 뿐만 아니라, 인간 균형에 대한 미래 연구의 기초가 되며 장애물 회피 능력의 향상과 낙상 예방을 돕는 보행 적응력 프로그램을 평가하는 데 활용될 수 있다.