《PLOS One》：Dissociation between muscle activation, spinal joint load, and subjective perception in passive back support exoskeleton use
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背部支撑外骨骼（BSE）的核心目的之一是减轻腰椎应力并缓解下背痛。然而，以往多数关于BSE的研究仅依据肌肉激活等易于测量的生理指标来论证其有效性。基于这一研究空白，研究人员考察了在使用被动式BSE进行负重搬运时，背部肌肉的肌肉激活是否能够如实反映估算的L5–S
背部支撑外骨骼（BSE）的核心目的之一是减轻腰椎应力并缓解下背痛。然而，以往多数关于BSE的研究仅依据肌肉激活等易于测量的生理指标来论证其有效性。基于这一研究空白，研究人员考察了在使用被动式BSE进行负重搬运时，背部肌肉的肌肉激活是否能够如实反映估算的L5–S1关节反作用力（joint reaction force）以及主观感知。一项涉及12名健康年轻成年人的实验显示，BSE在举升和放下负荷过程中均显著降低了胸段竖脊肌（TES）的平均肌肉激活，并在放下过程中显著降低了腰段竖脊肌（LES）的肌肉激活；同时，BSE还显著降低了放下过程中的胸段竖脊肌积分肌电（iEMG）。L5–S1关节反作用力亦被BSE显著降低（p?<?0.001）。参与者报告了较低的主观用力感等级（RPE）（p?<?0.05）。然而，所有指标之间均缺乏关联性，这表明在评估BSE效能时，由一项指标推断另一项指标的能力仍然有限。
论文解读：被动式背部支撑外骨骼的多维度效能评估及其指标间关联性研究
一、研究背景与问题提出
下背痛（LBP）是全球范围内导致残疾的首要原因，从事重体力劳动如人工物料搬运的工人面临显著更高的LBP发病风险。尽管LBP的确切病因尚不明确，但机械性负荷被认为是主要诱因之一，反复举升和弯腰动作所产生的过度脊柱负荷会提升椎间盘移位相关结局的风险。为减轻人工劳动中的机械负荷，背部支撑外骨骼（BSE）应运而生，并持续发展以降低LBP风险。
然而，BSE要在工业场景中广泛推广，必须先建立其有效性的明确证据。以往大多数评估依赖单一指标，尤其以肌肉激活水平的降低作为BSE效能的主要指示。但在动态运动任务中，肌肉活动的降低并不必然等同于肌肉力量或脊柱负荷的降低。此外，这种简化评估可能忽略不适感增加和活动受限等弊端，从而损害用户体验与安全性，最终限制BSE的实际应用。因此，多维度评估方法受到强调。尽管BSE的有效性已在受控实验室环境中得到较全面研究，真实世界评估仍较有限，且多依赖主观评估，其定量生物力学效能尚未明确。考察生物力学与主观指标之间的相关性，有助于弥补真实场景中可获取变量有限的不足。此前虽有少数研究探讨了肌肉激活复合指标与估算关节力之间的相关性，但仅限于客观生物力学结局；在BSE领域，既缺乏生物力学变量间的综合相关性分析，也极少考察其与主观评估的关联。鉴于主观评估在实际应用中的实用性，识别其与客观生物力学指标的相关性，对于BSE的合理解释与应用至关重要。
二、研究内容与结论
本研究旨在评估一款先前开发的被动式BSE（Angel X）在人工负荷搬运任务中的生物力学与主观效应，并探索各测量指标间的相关性。研究人员利用实验测量的地面反作用力（GRFs）驱动肌肉骨骼仿真，估算L5–S1关节反作用力，并建模BSE与人体间的接触力；同时考察了L5–S1关节反作用力、肌肉激活、主观用力感（RPE）和局部不适感（LPD）等指标间的关联。
研究结论表明，BSE降低了肌肉激活水平、下背部关节反作用力以及主观感知的工作强度。然而，各项测量指标之间均无显著相关性。这一结果凸显了生物力学与主观评估各指标各自捕捉BSE效能的不同侧面，不能由一项指标普遍推断另一项指标。
三、主要关键技术方法
研究对象为12名健康年轻男性（年龄23.8±2.8岁；身高177±4.1 cm；体重73.1±9.2 kg），样本量经G-power软件确定，招募15人以应对脱落，最终因地面反作用力数据污染排除3人，纳入12人。实验设备包括被动式BSE Angel X（Angel Robotics Co., Ltd.）及可安全承载15 kg负荷的轻量箱体。实验采用穿戴与不穿戴BSE交替的六组设计，初始条件随机分配，每组含10次从踝高至腰高桌面的举升与放下循环，以12 bpm声学提示标准化动作节律。数据采集方面，研究人员在胸段竖脊肌（TES）和腰段竖脊肌（LES）双侧共贴附4个表面肌电（EMG）传感器，并以9台红外摄像机以100 Hz记录三维运动学数据，力板嵌入式跑台以1000 Hz采集地面反作用力。数据处理中，EMG信号经20–400 Hz带通滤波、整流及2.7 Hz低通滤波后计算均方根（RMS）和积分肌电（iEMG），并以参考自主收缩（RVC）归一化。肌肉骨骼仿真采用OpenSim 4.4中的LFB模型，经模型缩放、逆运动学、静态优化和关节反作用分析，估算L5–S1关节压缩力和剪切力；BSE的三个主要部件以焊接关节附着于模型，接触力依据实测扭矩-角度曲线建模。主观评估采用Borg CR-10量表评定全身RPE，并评估下背部局部不适感（LPD）。
四、研究结果
肌肉激活：配对t检验显示，BSE显著降低了举升（p=0.005，Cohen's d=1.183）和放下（p<0.001，Cohen's d=1.935）阶段TES肌肉的EMG RMS；LES肌肉在举升阶段无显著差异，但在放下阶段显著降低（p=0.002，Cohen's d=1.385）。iEMG方面，BSE仅在放下阶段显著降低TES的iEMG（p=0.01，Cohen's d=0.99），对LES的iEMG在举升和放下阶段均无显著影响。
L5–S1关节负荷：BSE显著降低了举升阶段压缩力（从53.0 N/kg降至49.0 N/kg，p<0.001，Cohen's d=1.575）和放下阶段压缩力（从50.6 N/kg降至47.7 N/kg，p<0.001，Cohen's d=1.522）；剪切力降低幅度更大，举升阶段从11.8 N/kg降至6.5 N/kg（p<0.001，Cohen's d=9.029），放下阶段从11.3 N/kg降至6.2 N/kg（p<0.001，Cohen's d=8.819）。
主观评估：BSE对RPE有显著主效应（p=0.019，Cohen's d=0.903）；LPD平均降低约22%，但未达统计显著（p=0.272，Cohen's d=0.334）。
指标间相关性：Pearson相关分析显示，L5–S1关节负荷变化与EMG RMS变化之间无显著相关；主观评估变化与L5–S1关节负荷及竖脊肌肌肉激活变化之间亦无显著相关。
五、讨论与结论
讨论部分指出，BSE降低竖脊肌激活的结果与多项前期研究一致，放下阶段效果更明显可能归因于弹簧-凸轮模块固有的滞后效应，即屈曲时峰值扭矩（17.7 Nm）比伸展时（14.8 Nm）高约20%。iEMG与EMG RMS结果的差异可能源于穿戴BSE时执行时间延长。L5–S1剪切力的显著降低源于BSE辅助扭矩经胸部垂直接触力直接抵消重力产生的前向剪切负荷；压缩力降低则主要通过减少躯干伸肌需求介导。研究结果与Paexo Back外骨骼及Madinei等的研究一致。尽管BSE具有生物力学益处，但RPE显著降低而LPD未显著下降，提示主观感知并非仅取决于机械益处，其解释应限定于特定BSE、任务和人群。肌肉激活与关节负荷间缺乏线性相关可能归因于肌肉活动与肌肉力量间的非线性关系、屈曲-放松现象、主动与被动结构间负荷分配个体差异以及肌肉冗余导致的个体激活策略差异。主观评估与客观指标间无显著相关，提示仅依赖主观测量可能对BSE的生物力学效能产生误导性结论。研究局限性包括仅纳入健康年轻男性、任务代表性有限、接触力采用静态动力学建模以及仅聚焦腰椎区域。结论部分强调，BSE降低了肌肉用力并显著减轻了下背部关节负荷，参与者报告感知工作强度下降，但各测量指标间无显著相关，表明每项指标捕捉BSE效能的不同侧面，不能相互推断。
