不同机械特性假肢脚对小腿截肢者负重行走期间肌肉激活与运动模块控制的影响

《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》：Amputee motor control during loaded walking with stiffer and powered prostheses

　　

摘要

背景

小腿截肢者通常依赖具有固定机械特性的假肢脚，这可能在负重搬运等高难度任务中限制远端肢体的神经肌肉策略。尽管刚度更大的假肢脚和有源假肢脚据称有助于负重行走，但它们对负重行走期间运动控制的影响尚不明确。本研究探讨了在负重搬运期间改变假肢脚处方是否会改变肌肉激活以及运动模块的组成和复杂度。

方法

12名单侧小腿截肢者在无负重和携带13.6千克（30磅）负重的多种条件下（前侧、后侧、健全侧和假肢侧），以自身偏好速度行走。受试者分别使用临床处方的假肢脚、同一款假肢脚但硬度高一个等级，以及（在子集中，n = 7）有源踝足假肢。采集了八块健全侧肢体肌肉和五块残肢肌肉的表面肌电图；模块分析主要聚焦于健全侧肢体。量化了肌肉激活和共激活水平，并使用非负矩阵分解进行肌肉运动模块分析以量化运动控制。线性混合效应模型检验了不同假肢脚之间在肌肉激活和模块复杂度方面的差异，同时分别使用余弦相似性和一维统计参数映射评估模块相似性和激活时序。

结果

假肢脚类型影响了多种负重条件下多块健全侧肢体肌肉的激活。与处方假肢脚相比，有源假肢脚在无负重行走和健全侧负重行走期间将内侧腓肠肌激活提高了26–29%，在无负重行走期间将股直肌激活提高了46%；而更硬的假肢脚在健全侧负重行走期间将股内侧肌激活提高了37%。尽管存在这些肌肉水平的变化，模块复杂度基本保持不变，仅表现出有限的任务特异性差异。在大多数受试者中，三个模块解释了超过90%的肌电方差，仅在负重后侧和健全侧负重条件下，有源假肢脚使第一模块方差有轻微降低（约2–3%）。不同假肢脚之间的模块组成和激活时序相似。对残肢肌肉的探索性分析发现，在任何负重条件下，不同假肢脚之间在模块复杂度方面均无显著差异。

结论

尽管具有不同机械特性的假肢脚会改变负重行走期间的特定肌肉激活模式，但底层的模块组成和激活时序基本保持不变，而模块复杂度仅显示出小幅的、任务特异性的变化，并未导致所需模块数量的一致变化。这些发现表明，小腿截肢者适应假肢脚机械特性变化和附加负荷主要通过改变肌肉激活而非重组运动控制策略来实现。

试验注册 ClinicalTrials.gov, NCT07159490，注册日期：2022年6月1日。