单侧经股骨截肢短跑运动员最大速度冲刺中全身角动量的步态特异性分布

《Journal of Biomechanics》：Step-specific distribution of whole-body angular momentum in unilateral transfemoral sprinters at maximal speed

　　

单侧经股骨截肢（transfemoral, TF）短跑运动员在假肢侧与健侧肢之间存在显著机械不对称。全身角动量（whole-body angular momentum, WBAM）提供全身旋转的力学描述指标，但在最大冲刺速度下，WBAM在假肢步与健侧步之间以及不同平面之间如何差异尚不清楚。研究人员在9名单侧TF短跑运动员使用跑步专用假肢（running-specific prosthesis）以最大速度跑时，研究其三维WBAM。对每一步，研究人员量化峰-峰WBAM范围（peak-to-peak WBAM-range）、净积分WBAM（net integrated WBAM, iWBAM），以及五个节段组的正向和负向角动量贡献：头–躯干–骨盆（head–trunk–pelvis）、支撑腿侧臂（stance-leg-side arm）、摆动腿侧臂（swing-leg-side arm）、支撑腿（stance leg）和摆动腿（swing leg）。在矢状面，健侧步的WBAM范围比假肢步大45%，净iWBAM负向多126%，表明更大的前旋偏倚。节段分析显示，这一健侧步偏倚主要与健侧支撑腿较大的前旋贡献相关。相反，头–躯干–骨盆以相反方向贡献，部分抵消腿驱动的向前旋转偏倚。在额状面，健侧步iWBAM负向多34%，表明从摆动腿侧向支撑腿侧的更大偏倚，尽管WBAM范围无显著差异。在横断面，健侧步WBAM范围大40%，而iWBAM无显著差异。两个平面均未显示节段贡献的显著步间差异。这些发现表明平面特异性旋转不对称不能仅由WBAM范围完全捕获。在尝试最小化躯干偏移或强制步间对称之前，应评估矢状面躯干运动及其潜在代偿作用。

论文解读：单侧TF短跑运动员最大速度冲刺中全身角动量的步态特异性分布

研究背景与问题：跑步使用经股骨（transfemoral, TF；即大腿截肢）假肢具有挑战性。仅有少数TF假肢使用者报告在康复后能跑甚至短距离，害怕跌倒是身体活动的常见障碍。即使是精英截肢短跑运动员，也可能在比赛中跌倒，例如Paris 2024残奥会女子T₆₃ 100 m决赛中，一名运动员在终点前数米跌倒并与另一名运动员相撞。这提示理解单侧TF短跑运动员在最大速度跑中如何管理全身平衡具有重要意义。运动中的全身平衡常通过全身角动量（whole-body angular momentum, WBAM）研究，WBAM汇总所有身体节段绕身体质心（center of mass, COM）的旋转贡献。较小的WBAM幅度常被解释为更稳定的运动。WBAM的时间变化率等于作用于身体COM的外部力矩，该力矩由地面反作用力（ground reaction forces, GRFs）的叉积决定。TF短跑运动员假肢侧与健侧之间GRF产生不对称，这可能直接导致步间WBAM幅度不对称。健全人跑步中，节段角动量在身体内大部分相互抵消，使每个步态周期中WBAM相对较小。单侧TF假肢跑步可能破坏这种抵消，因为假肢与健侧肢在质量分布、关节和肢体运动学方面不同。这些机械不对称可能改变节段角动量的抵消，并反映在步特异性WBAM模式中。然而，单侧TF短跑运动员在最大速度下如何在假肢步与健侧步之间分配WBAM，以及哪些身体节段对步间差异贡献最大，仍不清楚。两个互补指标可刻画这些模式：峰-峰WBAM范围（peak-to-peak WBAM-range）反映步内WBAM偏移；较大WBAM范围代表更大的旋转偏移，需要在一步中调控，可能给动态平衡带来更大挑战。净积分WBAM（net integrated WBAM, iWBAM）是步内WBAM的时间积分，反映正向和负向角动量的幅度与持续时间；较大绝对iWBAM表明旋转动量偏向一个方向，从而增加后续阶段或步中代偿调控的需要。由于WBAM是节段角动量之和，净iWBAM可分解为节段积分贡献，以识别哪些节段贡献于或对抗这种偏倚。因此，Genki Hisano、Helene Pillet、Xavier Bonnet、Romain Bechet和Hiroaki Hobara等研究人员的目标是研究最大速度冲刺时单侧TF短跑运动员的步特异性WBAM，作为全身旋转平衡指标。

关键技术方法概述：研究纳入9名单侧TF截肢短跑运动员（5男4女；年龄31.6±10.7岁，身高1.62±0.09 m，质量57.0±9.1 kg），均有官方100 m短跑比赛经验并规律训练（4.4±1.5天/周）。参与者使用同一类型液压膝关节（3S80, Ottobock）和跑步专用假脚（1E90 Sprinter, category 1、2或3, Ottobock），均带橡胶鞋底。实验经AIST Institutional Review Board批准，遵循Declaration of Helsinki，并获得书面知情同意。参与者在室内40 m直线跑道进行最大冲刺，59个反光标记置于身体标志、假肢膝关节和跑步专用假肢；用15台VICON MX摄像机以200 Hz在起跑线后22 m采集最大速度阶段。采用Visual 3D，以15节段生物力学模型计算瞬时WBAM；假肢组件质量采用制造商报告值，COM和惯性特性采用几何近似。识别步事件后，计算WBAM-range、净iWBAM及五节段组正负贡献。每名参与者分析5次成功冲刺，每次包含1个假肢步和1个健侧步，平均后进行配对t检验，采用Shapiro-Wilk检验、Bonferroni校正，显著性设为p < 0.05，并报告Cohen’s d。

研究结果：
3.1 矢状面：健侧步WBAM-range比假肢步大45%（p=0.022，Cohen’s |d|=0.941）；净iWBAM在健侧步更负126%，表明更大的前旋偏倚（p=0.008，Cohen’s |d|=1.162）。头–躯干–骨盆在健侧步的正向（后旋）贡献比假肢步大167%（p=0.002，Cohen’s |d|=1.926），负向（前旋）贡献小77%（p=0.022，Cohen’s |d|=1.312）。臂贡献经Bonferroni校正后无显著步间差异。支撑腿方面，健侧步中健侧腿的负向（前旋）贡献比假肢步中假肢腿大72%（p<0.001，Cohen’s |d|=2.339）；其他腿相关差异未达统计学显著。
3.2 额状面：WBAM-range无显著步间差异；净iWBAM在健侧步更负（摆动腿侧向支撑腿侧）34%（p=0.019，Cohen’s |d|=0.978）。经Bonferroni校正后，任何节段组正向或负向贡献均无显著步间差异。
3.3 横断面：WBAM-range在健侧步显著大40%（p=0.042，Cohen’s |d|=0.807），而净iWBAM无显著步间差异。经Bonferroni校正后，任何节段组正向或负向贡献均无显著步间差异。

讨论总结与结论翻译：讨论指出，矢状面结果支持假设，健侧步涉及更大旋转偏移和更大前旋偏倚，因此单侧TF短跑运动员在健侧步可能需管理更大的矢状面旋转需求，同时仍要产生维持最高速度所需的力量和全身运动。节段水平分析表明，矢状面净iWBAM差异与腿尤其是健侧支撑腿更大的负积分贡献强相关；假肢肢更轻、惯性更低，使节段角动量的自旋和轨道贡献降低，且假肢产生内部关节力矩能力降低可能改变肢体运动学，这些假肢相关限制可解释健侧支撑腿在蹬离时产生更大负贡献。头–躯干–骨盆似乎补偿腿驱动的矢状面角动量不对称，其步间变化与腿相反，符合代偿策略；该节段质量与惯性跨步相同，因此差异可能反映步依赖的躯干运动学，即假肢步前倾、健侧步后倾。既往也报告截肢者步行中骨盆和躯干运动改变，而冲刺可能因高速运动下更大全身旋转需求而放大这些适应。因此，教练和跑者在尝试最小化躯干偏移或强制步间对称前，应考虑躯干运动的潜在代偿作用。额状面中，WBAM-range假设未获支持，因为WBAM偏移不单由峰值GRF幅度决定，还依赖GRF相对身体COM的时变力臂；额状面iWBAM在健侧步更负，不支持原假设，但无单个节段组显示显著步间差异，提示没有单一节段被识别为差异的主要驱动因素。该差异突出仅靠WBAM-range不能捕获的不对称，教练和跑者可能需关注连续步间细微节段运动，并监测是否伴随额状面姿势偏差的渐进累积。横断面中，WBAM-range在健侧步更大，而iWBAM无差异，且无节段组显著差异，结果符合假设；横断面WBAM幅度远小于矢状面和额状面，因此从全身旋转平衡看，横断面WBAM偏移的步间差异可能不如其他平面重要。局限性包括样本量适中，且仅使用单一类型液压膝和跑步专用假肢，可能限制外推；假肢组件惯性参数来自制造商规格和几何近似而非个体化影像，可能影响WBAM绝对幅度，但步间相对比较仍有效；参与者仅在习惯假肢配置下进行最大努力冲刺，未系统改变跑步速度、假肢组件和对线，因此不能确定观察到的WBAM不对称和代偿性躯干贡献是否限制最大冲刺速度，也不支持具体假肢对线改变。未来研究应考察不同跑步速度下的这些模式，并通过控制性改变躯干运动或假肢配置包括对线，检验其对WBAM调控、平衡和最大冲刺表现的影响。结论翻译：单侧TF短跑运动员在最大速度冲刺中，假肢步与健侧步之间WBAM显示平面特异性差异。在矢状面，健侧步表现出更大WBAM-range和更大前旋偏倚，与健侧支撑腿更大负贡献相关，并部分由头–躯干–骨盆抵消。在额状面，健侧步iWBAM显示更大从摆动腿侧向支撑腿侧的偏倚，尽管WBAM-range无显著步间差异。相反，横断面WBAM-range在健侧步更大，而iWBAM无显著差异。这些发现突出步特异性旋转不对称不能仅由WBAM-range完全捕获。在尝试最小化躯干偏移或强制步间对称之前，应评估矢状面躯干运动及其潜在代偿作用。关注连续步间细微额状面节段运动和姿势，也可能有助于评估仅靠步内WBAM偏移不明显的对称性。