利用合成少数群体过采样技术和极端梯度提升进行中风预测

《Contemporary Nurse》：Stroke prediction using synthetic minority over-sampling technique and extreme gradient boosting

通过计算机模拟分析踝足矫形器（AFO）刚度对坐站转移（STW）运动学、动力学及能量消耗的影响，发现存在U型关系，最佳刚度取决于小腿肌肉无力程度和座椅高度。研究强调需在临床实践中综合考虑AFO刚度对日常活动的影响。

　　踝足矫形器（Ankle-Foot Orthoses, AFOs）在改善下肢肌肉力量不足人群的行走能力方面已得到广泛应用。然而，尽管AFOs对行走功能有积极影响，其对坐姿起立（sit-to-walk, STW）这一日常活动的影响却尚未得到充分研究。STW是许多下肢功能受限者日常生活中频繁进行的动作，因此，了解AFOs对这一动作的影响具有重要意义。本研究通过预测性模拟，探讨了不同AFO刚度对STW过程中运动学和动力学特征的影响，以及这种影响如何随肌肉力量减弱程度和座椅高度变化而改变。研究结果表明，AFO刚度对STW的运动和能量消耗有显著影响，并存在一个最佳刚度值，以最小化所需努力。这一最佳刚度值与肌肉力量减弱程度和座椅高度密切相关，强调了在日常活动评估中考虑AFO刚度的重要性。

### 背景

下肢肌肉力量不足，特别是小腿肌肉（如腓肠肌和比目鱼肌）的减弱，常见于多种神经肌肉疾病患者。这种肌肉力量的下降会导致无法有效控制踝关节的背屈力矩，从而影响行走能力与稳定性。为改善行走功能，通常会为这些患者提供AFOs，其设计旨在通过施加外部力矩来辅助肌肉力量不足的部位。然而，AFOs的刚度对行走的影响已经得到了广泛研究，其对STW的影响却较少被关注。

在日常活动中，STW是仅次于行走的第二大动作，每天可能重复数十次。对于小腿肌肉力量不足的患者，进行STW需要比健康人多30%-50%的肌肉努力。因此，理想的AFO设计不仅应在行走时提供支持，还应使STW更加轻松。然而，AFO的刚度在行走和STW中的作用可能有所不同。例如，当AFO刚度较高时，虽然可以更好地支持行走，但可能会限制踝关节的活动范围，从而增加STW时的肌肉负担。这种限制可能导致身体采取不同的补偿策略，如增加躯干前倾或使用更多的髋部肌肉力量，以维持运动的连续性。

为了更好地理解AFO刚度对STW的影响，研究者提出了一个假设，即随着AFO刚度的增加，STW所需的努力可能呈现U型关系，即存在一个最佳刚度值，使努力最小化。这种假设基于对行走过程中AFO刚度与肌肉努力之间关系的研究。此外，AFO刚度的最优值可能受到肌肉力量减弱程度和座椅高度的影响。例如，随着肌肉力量减弱程度的增加，需要更高的AFO刚度来支持身体的运动，而较低的座椅高度则可能需要较低的AFO刚度以避免过度限制踝关节活动。

### 方法

本研究使用了一个先前发表的神经肌肉模型和控制器，该模型基于健康成年人的实验数据，并已被验证用于模拟STW的补偿策略。模型的高度为1.80米，质量为75公斤，包含7个关节（每条腿的踝、膝、髋关节，以及腰椎关节），11个自由度（每个关节1个，以及骨盆与地面之间的3个自由度），以及每条腿10个Hill型肌肉（包括胫前肌、腓肠肌、比目鱼肌、股四头肌、股直肌、腘绳肌、短头股二头肌、臀大肌、髂肌和腰大肌）。这些肌肉的峰值等长力基于Delp等人的研究数据。

AFO被建模为一个无质量的线性旋转弹簧，其刚度范围为0.9 Nm/度（50 Nm/弧度）到8.8 Nm/度（500 Nm/弧度），以覆盖临床常用的AFO刚度范围。研究考虑了两种座椅高度：正常座椅（45厘米）和低座椅（35厘米），以反映不同生活场景下的需求。为了模拟小腿肌肉力量减弱的情况，研究者对模型中的腓肠肌和比目鱼肌的峰值等长力进行了调整，分别设置为严重肌肉无力和中度肌肉无力的条件。

为了优化模型的控制参数，研究使用了SCONE软件，该软件基于CMA-ES算法（一种协方差矩阵自适应进化策略）。优化的目标函数包括代谢能量消耗、肌肉激活程度和胸椎关节的扭矩，以评估身体在STW过程中的整体努力。优化过程持续进行，直到目标函数的变化小于0.01，表明模型已经收敛。

### 结果

研究结果显示，AFO刚度对STW的运动学和动力学特征有显著影响。随着AFO刚度的增加，踝关节的最大背屈角度、膝关节的最大伸展角度和髋关节的最大伸展角度均呈线性下降趋势，而躯干前倾角度则显著增加。这些变化表明，较高的AFO刚度虽然有助于支持行走，但在STW过程中可能会限制踝关节的活动范围，导致身体采取更多的补偿策略。

在能量消耗方面，AFO刚度与能量消耗之间呈现二次关系，表明存在一个最佳刚度值，使能量消耗最小化。研究发现，对于严重肌肉无力的模型，最佳AFO刚度为3.4 Nm/度，而中度肌肉无力模型的最佳刚度为2.6 Nm/度。这表明，随着肌肉无力程度的增加，所需的AFO刚度也会相应提高，以维持正常的运动模式。然而，当座椅高度降低至35厘米时，模型无法在AFO刚度超过1.7 Nm/度的情况下完成STW动作，这可能是因为较低的座椅高度增加了躯干前倾的需求，导致身体无法有效利用AFO的支持。

在肌肉激活方面，研究发现，最佳AFO刚度为3.6 Nm/度，此时肌肉激活程度最低。这一结果与行走时的最佳AFO刚度（通常在4-5 Nm/度）有所不同，表明AFO刚度的优化需要根据具体的活动类型进行调整。此外，研究还发现，某些肌肉（如股四头肌、腘绳肌、臀大肌和胫前肌）对AFO刚度的变化更为敏感，其能量消耗和激活程度随着刚度的增加而先减少后增加，呈现出明显的U型关系。

### 讨论

研究结果表明，AFO刚度对STW的运动学和动力学特征有显著影响，并存在一个最佳刚度值，以最小化所需努力。这一最佳刚度值不仅取决于肌肉无力的程度，还受到座椅高度的影响。对于严重肌肉无力的患者，需要更高的AFO刚度来支持STW，而较低的座椅高度则可能需要较低的AFO刚度以避免过度限制踝关节活动。然而，当座椅高度降低时，模型无法在较高的AFO刚度下完成STW动作，这可能是因为躯干前倾的需求增加，导致身体无法有效利用AFO的支持。

研究还发现，尽管肌肉无力的程度不同，AFO对STW的补偿效果相似。这表明，无论肌肉无力程度如何，AFO的使用都会导致身体采取相似的补偿策略，如增加躯干前倾和胸椎关节的扭矩。然而，这种补偿策略可能会增加身体的负担，特别是在需要频繁进行STW的日常生活中。因此，AFO的刚度优化应考虑患者的具体需求和活动环境，以减少疲劳和不适。

此外，研究中使用的模型是一个二维模型，没有考虑手臂的作用。虽然STW过程中主要的关节运动发生在矢状面上，但平衡问题往往涉及三维空间，因此模型可能低估了实际的运动复杂性。未来的研究应考虑将模型扩展为三维，并纳入手臂的作用，以更准确地模拟实际的STW过程。同时，模型基于一个相对较老且较弱的男性骨架，这可能影响结果的普遍性。因此，未来的研究应使用更符合不同人群特征的模型，以提高结果的临床适用性。

### 结论

本研究的结果表明，AFO刚度对STW有显著影响，并存在一个最佳刚度值，以最小化所需努力。这一最佳刚度值与个体特征（如肌肉无力程度）和环境因素（如座椅高度）密切相关。因此，在为患者选择AFO时，应考虑其日常活动的需求，而不仅仅是行走功能。未来的研究应进一步探索如何将这些发现应用于临床实践，开发更复杂的AFO刚度优化算法或可调节的AFO，以满足不同患者和环境下的需求。此外，研究还强调了在临床实践中评估和考虑AFO刚度对日常活动的影响的重要性，以提高患者的生活质量。