被动外骨骼辅助在下行步行过程中对胫股载荷及动态稳定性的生物力学影响

《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》：Biomechanical effects of passive exosuit assistance on tibiofemoral loading and dynamic stability during downhill walking

　　

摘要

背景

下坡行走时，膝关节需要大量的离心肌肉活动，这会增加胫股关节的接触力，并对步态稳定性构成挑战。不过，目前尚不清楚被动式外骨骼装置是否能在不影响动态稳定性的前提下降低下坡行走时的胫股关节接触力。本研究探讨了被动式躯干到大腿的软质外骨骼装置在降低胫股关节接触力方面的生物力学效果，以及其对下坡行走时动态稳定性的影响。

方法

14名健康男性参与者在倾斜角度为-15°、速度为1.0米/秒的带传感器跑步机上，在无辅助和有辅助两种条件下行走。通过针对个体设计的完整身体肌肉骨骼模型，来估算膝关节运动学数据、胫股关节接触力以及动态稳定性参数。对于连续波形数据则采用统计参数映射分析，而对离散指标则使用配对t检验进行分析。

结果

该外骨骼装置使生物性站立阶段的胫股关节接触力脉冲减少了约7%（轴向）和约6%（合力方向）。值得注意的是，佩戴该装置的参与者步伐变得更短、频率更高、步幅更宽，这说明负荷的减轻既是由于装置的直接支撑，也是因为使用者调整了步态。统计参数映射分析显示，在站立阶段的中期（步态周期的23%-29%），膝关节产生的功率显著下降。此外，内侧稳定性边界提升了7.4%，而前后方向的稳定性边界则没有变化。

结论

这些结果表明，目前的被动式辅助装置能够降低下坡行走时的胫股关节累积负荷。同时，稳定性边界向侧面扩展，反映出参与者采取了更为谨慎、步幅更大的步态策略。这些研究结果说明，该装置通过直接的机械阻力作用以及促使人们采取有助于保护关节的短步态策略，从而实现了减轻关节负荷的效果。因此，被动式可穿戴装置有望成为下坡行走时管理关节负荷的有效方法。