科研报告

背景介绍

随着人口老龄化以及中风等神经系统和肌肉系统疾病的增加，步态障碍导致的绊倒和跌倒风险成为一个严重问题。研究表明，踝关节背屈在步态的摆动阶段对确保足部离地高度至关重要。然而，目前对于摆动阶段踝关节动力学和机械能量交换的研究较少。现有的研究主要关注正常行走时的踝关节背屈，而随着多种提供背屈辅助的设备的开发，有必要了解在这些设备中能量需求的最小要求。

近年来，踝关节背屈辅助技术的发展迅速，特别是运用了先进的致动器和能量回收装置以提高步态安全性和防止跌倒。然而，这些设备需要提供足够的机械功率，以确保踝关节在摆动阶段的背屈辅助。了解踝关节背屈的动力学需求，对设计轻便、低功率的助力设备尤为重要。

论文来源

这篇文章由Victoria University的Soheil Bajelan、W. A. (Tony) Sparrow和Rezaul Begg撰写，发表在2024年的Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation上。通讯作者为Soheil Bajelan（soheil.bajelan@vu.edu.au）。

研究工作介绍

研究流程

本研究通过实时的跑步机步态反馈技术，控制摆动阶段踝关节背屈，使脚-地面的清除高度增加4厘米。实验中，采用Anybody建模系统估计摆动阶段的踝关节力矩和背屈肌群力。研究假设通过仅使用踝关节增加脚-地面的清除高度至4厘米，所需的背屈肌力和力矩将明显高于正常行走条件。

实验步骤:

1. 参与者招募：招募8名健康、身体活跃的男性参与者（年龄35±4岁，高度175±5.6厘米，体重78±8.9千克）。所有参与者均签署知情同意书，并通过健康问卷筛查确认没有影响参与实验的健康问题。
2. 仪器设备：使用Vicon运动捕捉系统和AMTI双板力传感跑步机，记录身体姿态和足-地接触力。同步采集胫骨前肌（Tibialis Anterior, TA）和跖屈肌的肌电信号。
3. 实验设计：设定基线步态，要求参与者以自然速度行走，测定最小脚趾清除高度（Minimum Toe Clearance, MTC）。然后在每位参与者的MTC基础上增加4厘米，要求参与者在摆动过程中只使用踝关节背屈达到目标高度。
4. 肌肉骨骼建模与仿真：使用Anybody建模系统开发个体化的肌肉骨骼模型，进行反动力学分析，计算关节角度和动力学数据。

主要发现

结果显示，增加的踝关节背屈并未显著提高踝关节力矩。然而，胫骨前肌的力量确实显著增加，从起步后2 N/kg增至4 N/kg。这是由于胫骨前肌与腓肠肌的共同激活（coactivation）。为了确保额外的4厘米足-地最小清除高度，起步后立即需要释放约0.003焦耳/公斤的能量。

研究结论与意义

这项研究揭示了摆动阶段踝关节力矩、肌肉力量和能量需求的相互作用，说明外部辅助设备无需显著增加踝关节力矩，但需要提供较高的机械功率，以便在最小脚清除事件（Minimum Foot Clearance, MFC）之前快速实现背屈过渡。这对设计生物启发的踝部助力技术，如人工肌肉和人形机器人具有重要意义。理解踝关节背屈的动力学需求，有助于开发更加有效的踝部矫正器和外骨骼。

研究亮点

• 研究创新：实时步态反馈技术用于控制踝关节背屈。
• 系统方法：详细的肌肉骨骼建模与仿真分析。
• 实际应用：为踝关节辅助设备的设计提供了重要的动力学需求数据。

结论

本研究通过实验数据表明，增加摆动阶段的踝关节背屈无需显著增加踝关节力矩，但需要提供足够的机械能量。外部设备应专注于在关键的最小脚清除事件之前提供快速能量突发。这对于开发轻便、低功率的踝部辅助技术具有重要指导意义。研究结果将有助于改进步态辅助技术，提升步态安全性和步行能力。

以上分析和结论对未来更多研究开发具有很强的指导意义，特别是在个性化及特定需求的步态辅助技术的开发应用方面。