踝关节活动范围限制对下肢步态生物力学的影响：基于外骨骼的定量研究

推荐：本研究通过开发可调节踝关节活动范围(RoM)的外骨骼装置，探究了健康成年人在平地行走时踝关节运动受限对步态生物力学的影响。研究发现即使将RoM限制在±15°仍会出现显著硬止点接触，但受试者未主动调整步态模式；仅在模拟关节融合(±0°)时观察到踝关节运动学不对称性(p<0.02)和踝关节正功显著降低(p<0.03)。该研究为踝关节辅助装置设计提供了重要生物力学依据。

　　

行走是人类最基本的运动形式，而踝关节在其中扮演着关键角色。健康成年人的踝关节可以实现71°的背屈/跖屈活动范围(range of motion, RoM)，但在平地行走时通常仅使用约30°。临床上，踝关节活动受限常见于踝足矫形器使用、关节融合术等治疗场景，但关于单纯限制踝关节RoM对步态影响的研究仍存在空白。现有研究多聚焦特定患者群体或复合干预措施，难以区分RoM限制的独立效应。为填补这一知识空白，美国加州大学洛杉矶分校的研究团队开发了一种可精确控制踝关节RoM的被动外骨骼，通过限制健康成年受试者的踝关节活动，系统评估了不同RoM限制对下肢步态生物力学的影响，相关成果发表在《Journal of Biomechanics》。

研究采用被动单自由度踝关节外骨骼，通过可更换的硬止点模块实现±15°、+15°/-10°、+10°/-15°、±10°和模拟融合(±0°)五种RoM限制条件。10名健康成年受试者在两种步行速度(自选速度和快速度)下完成测试，通过运动捕捉系统(200Hz)、测力跑台(2kHz)和表面肌电(2kHz)同步采集数据。关键分析技术包括：基于编码器的硬止点接触时间量化、OpenSim逆向动力学分析、关节功计算以及肌电信号包络分析。

在"踝关节RoM对硬止点接触的影响"部分，研究发现所有限制条件均出现显著硬止点接触，且受试者未主动调整步态以避免接触。接触时间随允许RoM减小而增加，例如在自选速度下，±15°到+10°/-15°条件的背屈接触时间显著增加(p=0.025)。"踝关节RoM对下肢运动学的影响"显示，仅在模拟融合条件下观察到显著的全局运动学不对称性(p<0.031)，而中间RoM条件仅引起局部踝关节运动学改变。"踝关节RoM对下肢动力学的影响"部分发现，RoM低于±15°时踝关节正功显著降低(p<0.03)，但仅在融合条件下出现髋膝关节的代偿性增加。肌电分析特别显示，融合条件下患侧比目鱼肌肌电峰值降低31%，且与总接触时间呈显著负相关(r=0.75, p<0.0001)。

这项研究首次系统量化了单纯踝关节RoM限制对步态生物力学的影响。关键发现表明，即使将RoM限制在±10°仍可保持整体步态对称性，这为临床权衡RoM限制与其他治疗获益提供了重要依据。特别值得注意的是，受试者倾向于接受硬止点接触而非改变步态模式，且背屈RoM可能比跖屈RoM更具功能价值。这些发现对踝关节辅助装置设计、康复策略制定具有重要指导意义，特别是为需要在稳定性/推进力与关节活动度之间取得平衡的临床决策提供了定量参考。未来研究可进一步探讨非平地行走条件下的RoM限制效应，以及这些发现在老年人群和患者群体中的适用性。