《Annals of Biomedical Engineering》：Above-Knee Amputees’ Balance and Recovery Strategies After Mediolateral Perturbations from a Cable-Driven System
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摘要
目的
本研究旨在分析大腿截肢者在受控内外侧扰动后的平衡反应和足部放置策略，并将这些反应与非截肢者进行比较。
方法
研究人员招募了八名大腿截肢者和八名非截肢者参与者，在 instrumented treadmill（测力跑步机）上行走，同时一个缆绳驱动
摘要
目的
本研究旨在分析大腿截肢者在受控内外侧扰动后的平衡反应和足部放置策略，并将这些反应与非截肢者进行比较。
方法
研究人员招募了八名大腿截肢者和八名非截肢者参与者，在 instrumented treadmill（测力跑步机）上行走，同时一个缆绳驱动系统向腰部施加内外侧扰动。研究人员在三个步态时相（heel strike，足跟着地；late swing，摆动后期；late single support，单支撑后期）、两个方向（假肢侧和健侧；非截肢者为左侧和右侧）以及两个力幅值（体重的7.5%和15%）施加扰动，共计十二种条件。每种条件在每次试验中施加一次，共记录五次试验。研究人员在每个试验中随机化扰动的顺序和时机，并记录全身运动捕捉数据以量化平衡和恢复行为。
结果
大腿截肢者在被拉向健侧时跌倒16次，被拉向假肢侧时跌倒29次，而非截肢者从未跌倒。两组的不稳定性均随扰动幅值增大和步态时相推迟而增加。在单支撑后期和高力牵引条件下，截肢者表现出显著高于非截肢者的不稳定性。他们的恢复策略在单支撑后期也出现分歧，且随牵引方向而变化。恢复平衡所需的时间和步数取决于方向和幅值。
结论
大腿截肢者表现出与非截肢者不同的恢复策略和更大的不稳定性。这些发现强调了改进辅助技术的必要性，以提高大腿截肢者的平衡能力并降低跌倒风险。
基于《Annals of Biomedical Engineering》论文的解读
一、研究背景与目的
下肢截肢成人跌倒的发生率远高于非截肢人群，超过半数每年至少跌倒一次，且大部分跌倒发生在行走过程中，这与内外侧方向的稳定性下降密切相关。尽管康复训练项目和假肢膝关节控制方面的研究已提出若干降低截肢者跌倒风险的干预措施，但即使完成了先进的跌倒康复项目，仍有33%的下肢截肢者每年经历多次跌倒。同样，配备微处理器控制膝关节的上述大腿截肢者尽管拥有绊倒恢复功能，跌倒率仍然较高，且该设备类别是否能持续降低跌倒风险尚不明确，六个月期间致伤性跌倒率为5.8%至14%。跌倒的高发生率表明当前康复策略和辅助技术存在明显不足。
为填补上述空白，需要深入了解大腿截肢者如何应对扰动并恢复平衡。已有研究开发了受控扰动方案来研究健康人群和平衡受损人群的平衡恢复策略，扰动可通过时机、幅值和方向进行定义。在步行步态周期的不同阶段施加扰动可诱发不同的恢复策略。然而，目前针对大腿截肢者恢复策略和生物力学响应的研究仍十分有限。与小腿截肢者不同，大腿截肢者失去了生物膝关节和踝关节，进一步限制了其活动能力和力量。此外，假肢侧的髋关节也因截肢手术中大腿肌肉被切断和重新排列而受损，多数大腿截肢者还存在髋关节外展挛缩。微处理器控制膝关节要求使用者执行特定动作并满足特定负载条件才能在站立相和摆动相之间切换，扰动后截肢者可能无法满足这些条件来实现假肢的锁定或解锁。由于上述复杂性，大腿截肢者可能采用不同于小腿截肢者或非截肢者的平衡恢复策略，这在当前研究中存在关键空白。本研究旨在分析大腿截肢者在受控内外侧扰动后的全身生物力学响应，分类其恢复策略，并与非截肢者进行比较。研究人员假设，由于假肢的特定运动模式和残肢功能障碍，大腿截肢者在扰动后比非截肢者经历更大的不稳定性，尤其是拉向假肢侧时，导致更多跌倒和更长恢复时间。
二、主要关键技术方法
本研究招募了八名大腿截肢者（均为K3或K4功能水平的社区行走者，使用先进的微处理器控制膝关节，截肢时间2至39年）和八名非截肢者。实验使用基于开源BumpEm机械设计的缆绳驱动扰动系统，在受试者行走于测力跑步机时对其腰部施加内外侧方向力控制牵引扰动。采用12摄像头Vicon运动捕捉系统采集三维运动数据，Bertec分体带测力跑步机和扶手记录地面反作用力。共施加十二种扰动条件，包括三个步态时相（足跟着地、摆动后期、单支撑后期）、两个牵引方向（假肢侧和健侧）和两个力幅值（约7.5%和15%体重）。数据分析使用Visual 3D软件进行全身角动量计算，通过积分全身角动量与稳定性分类方法量化不稳定性，采用线性混合效应模型和广义线性混合效应模型进行统计分析。
三、研究结果
跌倒发生情况：非截肢组在所有扰动条件下均未发生跌倒。截肢组在总计471次试验中发生45次跌倒，全部由高力牵引引起，其中42次发生在单支撑后期，1次发生在足跟着地，2次发生在摆动后期。仅在截肢组高幅值单支撑后期条件下的逻辑混合效应模型显示，牵引方向是跌倒发生的显著预测因子，拉向假肢侧比拉向健侧更容易导致跌倒。
iWBAM平衡响应：混合效应模型显示，步态不稳定性受扰动时机和幅值的显著影响。摆动后期和单支撑后期的牵引均与更大的不稳定性相关，高幅值扰动也显著增加不稳定性。组的主动效应不显著，但组与时机、组与幅值的交互作用显著，表明截肢者对扰动时机和幅值的变化更为敏感。单支撑后期时机存在显著的时机与方向交互作用，拉向健侧与此更大的不稳定性相关。
恢复时长：恢复时间受扰动幅值、方向和时机的显著影响。高幅值扰动与更长恢复时间相关，拉向假肢侧比拉向健侧恢复时间更长。组的主动效应不显著，但组与幅值、组与方向的交互作用显著，表明幅值和方向对恢复时间的影响在组间存在差异。恢复步数的泊松混合效应模型结果与此一致，拉向假肢侧需要更多恢复步数，截肢者对幅值和方向的变化更为敏感。
扰动恢复策略：足跟着地时，所有参与者均采用外侧跨步策略。摆动后期，非截肢者仅使用外侧跨步，截肢者主要使用外侧跨步，但高力拉向假肢侧时出现一次跳跃和一次交叉跨步，其中交叉跨步导致跌倒。单支撑后期，非截肢者根据扰动条件混合使用交叉跨步、后方交叉跨步、关节策略和跳跃策略。截肢者的策略选择则因拉向方向而显著不同：拉向假肢侧时，低力下采用交叉跨步、后方交叉跨步和关节策略，高力下仅使用交叉跨步和后方交叉跨步，两种策略的跌倒率分别达67%和62%；拉向健侧时，截肢者从不采用后方交叉跨步，高力下减少交叉跨步使用并大幅增加跳跃策略，跳跃策略的跌倒率仅为5.8%，而交叉跨步的跌倒率达100%。
四、讨论与结论
研究表明，大腿截肢者的跌倒风险显著高于非截肢者，其对特定扰动特征的失稳效应更为敏感。当前假肢设备的限制以及残肢生理状态的不足，可能大幅降低了截肢者在某些情况下可采用的恢复策略的有效性。值得注意的是，尽管单支撑后期拉向健侧时的iWBAM不稳定性更高，但拉向假肢侧时跌倒更多，这一矛盾可通过两组拉向不同方向时采用的不同恢复策略来解释。相对于非截肢者，大腿截肢者在拉向健侧时更依赖跳跃策略，该策略虽然跌倒率低，但会对健侧膝关节造成极大的肌肉骨骼负荷，而截肢者本身已面临更高的骨关节炎风险。物理治疗干预应侧重于改善最容易引起跌倒的扰动响应，特别是与内侧跨步策略相关的响应；髋部力量强化训练可能有助于截肢者在较高力扰动下使用关节策略。假肢制造商应改进绊倒恢复机制，例如微处理器控制算法可针对骨盆的突然侧向加速度自动增加伸展力矩输出。动力膝踝假肢和可穿戴髋部助力设备的开发有望扩展截肢者对重心扰动的响应范围。本研究的局限性包括：跑步机恒速行走和非线性路径与真实世界不同、手臂摆动受限、0.9 m/s的行走速度偏低、标准化假肢小腿惯性参数、仅纳入K3-K4级行走者、假肢型号不一等。未来研究应使用全向地面扰动系统评估无约束恢复策略，并更系统地考察不同假肢控制策略在复杂跨步恢复动作中的机械响应。
