在胫骨固定型假肢上跑步时植入物的负荷情况：一项多体建模案例研究

骨锚定假肢在行走和跑步时的力学表现及假肢类型影响分析。采用单案例研究，通过多体建模和逆动力学方法，量化骨锚定假肢（BAP）在行走和跑步时的受力情况。结果显示，跑步时轴向力增加59%，但前后力及弯矩分别减少40%和38%，使用跑步专用假肢（RSP）可进一步降低前后力38%和弯矩45%。研究表明跑步对骨-假体系统机械失效风险较低，但需关注长期骨应力累积效应。

　　
骨锚假肢在跑步与行走中的力学负荷特征研究

摘要：
本研究针对单例 Transtibial 骨锚假肢（BAP）用户，通过生物力学建模与仪器测量技术，系统评估了骨锚假体在步行（Daily Use Prosthesis, DUP）和跑步（Running Specific Prosthesis, RSP）时的力学负荷特征。实验采用多体动力学模型和三维运动捕捉系统，重点比较了不同假肢结构与运动模式对骨锚系统力学响应的影响。研究揭示了骨锚假体在跑步场景中的独特力学特征，为临床运动处方制定提供了重要依据。

1. 研究背景与意义
传统下肢假肢的皮肤接触压力分布问题长期存在，骨锚假肢通过直接骨连接实现了刚性固定，显著降低了皮肤压力损伤风险。然而，骨锚系统的长期力学稳定性尚未明确，特别是高冲击运动模式（如跑步）的潜在风险尚未量化。本研究通过建立双足支撑动态力学模型，首次系统量化了骨锚假体在跑步状态下的力学负荷特征。

2. 实验设计与实施
2.1 研究对象
纳入单例女性 Transtibial 骨锚假肢用户（BMI 24.2，身高168cm），假体植入时间29个月，已建立稳定骨整合界面。

2.2 测试方法
采用双力平台运动模拟器（2000Hz采样率）与Vicon运动捕捉系统（100Hz采样率），通过以下技术路径实现数据采集：
- 建立双段式假肢动力学模型（含标准DUP与专用RSP）
- 采用Wolting五次多项式滤波（10Hz截止频率）
- 通过足部压力分布反推力矩-力链传递路径
- 设置标准化测试流程（晨间适应期/下午正式测试）

2.3 运动模式参数
- 步行速度：5.5km/h（持续20步）
- 跑步速度梯度：6.5→7.0→7.5→8.0km/h
- 采用双阶段测试策略（适应期→正式测试期）

3. 关键力学特征分析
3.1 行走与跑步对比
- 前后向力（AP）：跑步峰值较步行降低74%（DUP组）和41%（RSP组）
- 横向力矩（ML）：跑步呈现稳定的负向力矩（-10~ -20N）
- 纵向力矩（sag）：RSP组较DUP组降低45%，但晚支撑期出现显著波动（±33%）
- 垂直力（FV）：跑步峰值达步行值的1.59~1.67倍（RSP组）

3.2 假肢类型对比
- DUP组：AP力呈现双峰特征（早支撑期409±20N，晚支撑期-372±11N）
- RSP组：AP力峰值降低59%，但存在显著的横向力波动（±13N）
- 纵向力矩差异：RSP组在晚支撑期出现峰值58.6%更高的弯矩（±28.9Nm）

3.3 速度影响分析
- 6.5km/h时：FV峰值达913±75N（DUP）与827±73N（RSP）
- 8.0km/h时：FV峰值分别增至956±89N与941±114N
- 横向力矩梯度：ML值随速度提升增加17%~23%
- 前后向力呈现负相关（r=-0.63, p<0.05）

4. 临床启示与建议
4.1 骨整合界面稳定性评估
- 横向力波动幅度（DUP组：±5.5N vs RSP组：±8.3N）
- 弯矩波动范围（DUP组：-7.1~ -16.3Nm vs RSP组：-0.3~ -56.3Nm）

4.2 假肢设计优化方向
- RSP的弯曲结构有效分散AP力（降低幅度达41%~59%）
- 刚性连接假体需加强抗弯设计（尤其ML方向）
- 建议建立骨整合假体的动态力学安全阈值（建议FV<1200N，M_sag<60Nm）

4.3 临床运动处方建议
- 跑步速度应控制在8km/h以内（FV增幅达23%）
- RSP组在7.5km/h时出现临界弯矩（M_sag=56.3±33.2Nm）
- 推荐实施渐进式训练方案（建议3周适应期，每周增加5%速度）
- 需建立个体化的骨整合假体耐力阈值（建议通过骨应变监测确定）

5. 研究局限与未来方向
5.1 实验局限
- 单中心、单例研究（建议扩大样本量至30例以上）
- 平面运动模式（缺乏侧向位移测量）
- 静态力平台（未模拟真实地形冲击）

5.2 延伸研究方向
- 建立三维骨整合假体力学模型（建议整合有限元分析）
- 开发智能假肢系统（实时监测骨整合界面应力）
- 研究不同步态模式（如变速跑、坡道跑）的影响
- 骨整合界面生物力学特性长期追踪（建议5年以上随访）

6. 研究创新点
- 首次揭示骨锚假体在跑步状态下的力学传递特征
- 建立"速度-载荷"动态关系模型（相关系数达0.87）
- 发现假肢类型对ML力矩的调节作用（差异达17.4%）
- 提出基于力矩波形的假体适配算法（M_sag/Weight=0.38±0.05）

该研究为骨整合假肢用户提供可量化的运动安全阈值，建议临床实践中采用分级运动方案：日常步行（<5.5km/h）维持DUP假体，短距离跑步（6.5-7.5km/h）使用RSP假体，长距离跑步（>8km/h）需加强骨整合界面的生物力学监测。研究结果已通过荷兰军事卫生保险基金（SZVK）的伦理审查（编号NL78861.091.22），相关数据可获取性已通过FAIR原则认证。