基于胫骨和胸骨惯性测量单元的跑步胫骨载荷评估：压力中心法的创新应用

本研究针对跑步中下肢关节力监测的实验室限制，通过胫骨和胸骨惯性测量单元(IMU)构建压力中心(CoP)物理模型，实现踝关节矢状面力矩(sagittal ankle moment)和胫骨载荷(TBL)的无标记估算。结果显示IMU方法与力板参考值高度相关(r≥0.90)，rRMSE≤12.9%，为运动损伤机制研究提供便携式解决方案。

　　

跑步作为全球普及的运动方式，其高发的过度使用性损伤一直是运动医学领域的难题。传统逆向动力学(inverse dynamics)分析依赖光学运动捕捉(OMC)和力板(FP)系统，这种实验室环境限制了真实场景下的生物力学研究。尽管压力鞋垫和机器学习方法有所突破，但存在成本高、数据黑箱等问题。荷兰特文特大学Robbert P. van Middelaar团队在《Journal of Biomechanics》发表的研究，开创性地利用胫骨和胸骨惯性测量单元(IMU)实现跑步中压力中心(CoP)的物理建模，为运动损伤预防提供新范式。

研究采用17名后足着地跑者在2.5-3.6 m/s速度下的数据，通过胫骨中心质量(CoM)与踝关节的矢状面距离替代CoP，结合IMU估算的垂直地面反作用力(vGRF)，建立简化2D逆向动力学模型。关键技术包括：1) 多IMU同步采集系统；2) 基于物理的CoP估算算法；3) 与实验室OMC/FP系统的交叉验证。

【CoP_IMU Vs. CoP_ref】
通过胫骨IMU方位估算的CoP与参考系统强相关(r≥0.90)，虽存在固定偏移但趋势一致。rRMSE维持在21.3-28.5%，证明IMU可有效捕捉CoP动态变化。

【Sagittal ankle moment estimation】
踝关节矢状面力矩估算精度达rRMSE≤12.9%，最大跖屈力矩无显著差异(p>0.05)。速度增加导致误差上升，反映动力学参数敏感性。

【Tibial bone load】
胫骨载荷(TBL)估算rRMSE≤10.2%，验证了IMU系统对骨负荷监测的可靠性，为应力性骨折风险评估提供新工具。

该研究突破性地证明：1) 仅需胫骨和胸骨IMU即可实现动力学参数估算，摆脱实验室限制；2) 物理模型相比机器学习更具解释性；3) 为个性化运动处方制定提供技术基础。未来需拓展多维CoP模型及非后足跑者验证。这项来自荷兰的研究标志着可穿戴生物力学从"描述运动"到"解析力学"的范式转变，为运动医学领域带来革命性突破。