《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Biomechanical Trade-offs in Knee Brace Stiffness: Dynamic Stability during Single-leg Lateral Landings in Young Males
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本研究针对单腿侧向落地这一高风险动作中非接触性前交叉韧带（ACL）损伤的预防难题，通过高速双平面荧光透视成像系统（DFIS）和表面肌电（sEMG）技术，精准探究了低刚度（Type-1）与高刚度（Type-2）膝关节支具对年轻男性在体膝关节运动学和神经肌肉控制的影响。研究发现，低刚度支具通过优化神经肌肉协调性（如提前激活股直肌RF和股外侧肌VL）实现了多平面动态稳定，而高刚度支具虽能增强矢状面和冠状面的机械约束（如降低峰值屈曲角加速度5.0 rad/s2），却以牺牲旋转稳定性（增加胫骨内旋加速度3.3 rad/s2）和延迟臀中肌（GMed）激活（23.9 ms）为代价。该研究为膝关节支具设计中机械支持与神经肌肉适应的协同优化提供了精准的生物力学证据。
在篮球抢篮板、排球拦网和羽毛球侧向移动等运动中，运动员常常需要完成单腿侧向落地这一高风险动作。该动作融合了快速减速、单腿支撑以及多平面复合运动（包括膝关节内翻/外翻和胫骨旋转），使其被广泛认为是非接触性前交叉韧带（ACL）损伤的典型力学场景。流行病学研究表明，超过70%的ACL损伤发生在非接触性的侧向或旋转运动中，其核心机制归因于异常关节运动学与受损的神经肌肉控制之间的相互作用。
膝关节支具作为一种常用的膝关节保护装置，广泛应用于运动员的日常训练和康复计划中。传统观点认为，支具主要通过提供外部机械支撑来限制异常关节位移，降低韧带应变和撕裂风险。然而，在支具提供的机械保护与其对神经肌肉系统的影响之间，可能存在一个未被充分认识的权衡。高刚度支具可能更有效地限制关节运动，从而减少韧带负荷，但其刚性外部支撑可能会无意中抑制或改变身体固有的神经肌肉控制策略，即所谓的“依赖现象”或“神经肌肉抑制”。相反，低刚度支具虽然提供的被动约束有限，但可能通过增强的本体感觉输入，更好地促进和协同身体的主动肌肉稳定机制，从而在确保足够保护的同时，潜在地维持更自然的运动控制模式。因此，理解支具刚度如何精确调节机械约束和神经肌肉适应之间的平衡，对于优化支具设计至关重要，但这方面的知识仍然相当有限。
为了精准回答这一问题，研究人员在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》上发表了一项研究，他们采用了一种先进的研究方法。该研究招募了14名健康的年轻男性运动员，让他们在三种条件下（无支具对照、低刚度支具Type-1、高刚度支具Type-2）执行单腿侧向落地任务。研究团队创新性地结合了高速双平面荧光透视成像系统（DFIS）和表面肌电（sEMG）技术，以亚毫米级的精度测量在体膝关节三维运动学，并同步记录七块下肢肌肉的激活情况。此外，还通过三点弯曲试验评估了支具本身的力学性能。
主要技术方法概述
本研究的关键技术方法包括：1) 利用高速双平面荧光透视成像系统（DFIS）精确捕捉膝关节在体骨骼运动，克服了传统光学运动捕捉系统中皮肤标记点带来的软组织伪影误差；2) 同步采集下肢关键肌肉（如股直肌RF、股外侧肌VL、股内侧肌VM、股二头肌BF、半腱肌ST、臀大肌GMax、臀中肌GMed）的表面肌电（sEMG）信号，分析肌肉激活幅度和时序；3) 通过三点弯曲试验量化两种支具（Type-1和Type-2）的力学性能（如力-位移曲线、峰值阻力）；4) 基于计算机断层扫描（CT）重建三维骨骼模型，并建立局部坐标系（LCS）来精确计算胫股关节的相对运动；5) 采用重复测量方差分析（ANOVA）等统计方法比较不同支具条件下的生物力学参数差异。
研究结果
A. 支具力学性能与压力校准
三点弯曲试验显示，尽管两种支具在力-位移曲线上的斜率（即结构刚度）相近，但在持续加载阶段（6-16秒），高刚度支具（Type-2）产生的峰值阻力（26.5 N）显著高于低刚度支具（Type-1, 19.1 N）。所有测压点的压力在实验前后保持稳定，确保了实验条件的一致性。
B. 在体膝关节运动学
两种支具均未改变膝关节的最大屈曲角度。但在冠状面，低刚度支具（Type-1）在站立中期至末期（27%-100% stance）显著降低了膝关节内翻角度，而高刚度支具（Type-2）仅在站立末期（60%-100% stance）表现出显著降低。在水平面，低刚度支具（Type-1）在站立中期和末期的胫骨内旋角度显著大于对照组，并且在站立末期也显著大于高刚度支具（Type-2）组。
C. 骨间相对角加速度
在初始接触（IC）时，低刚度支具（Type-1）组的胫骨内旋角加速度显著高于对照组。在峰值角加速度（PAA）时刻，两种支具干预均显著降低了矢状面（屈曲）、冠状面（内翻/外翻）和水平面（内旋）的角加速度。在最大膝关节屈曲（MKF）时刻，高刚度支具（Type-2）组在矢状面和冠状面表现出显著的减速效应，但在水平面，其胫骨内旋角加速度却比低刚度支具（Type-1）组显著增加了3.3 rad/s2。
D. 肌肉激活幅度
在初始接触（IC）时，低刚度支具（Type-1）增加了股二头肌（BF）和半腱肌（ST）的激活，但降低了股直肌（RF）和股外侧肌（VL）的激活。高刚度支具（Type-2）则显著增加了股内侧肌（VM）的激活。在峰值角加速度（PAA）时刻，两种支具对肌肉激活的影响模式不同，例如低刚度支具（Type-1）降低了股直肌（RF）、股外侧肌（VL）和臀大肌（GMax）的激活。在最大膝关节屈曲（MKF）时刻，低刚度支具（Type-1）组在半腱肌（ST）、股内侧肌（VM）、股外侧肌（VL）和臀大肌（GMax）的激活幅度上高于高刚度支具（Type-2）组。
E. 肌肉激活时序
高刚度支具（Type-2）使股内侧肌（VM）的激活时间比对照组提前了43.6 ms，但使臀中肌（GMed）的激活相对于低刚度支具（Type-1）组延迟了23.8 ms，并使臀大肌（GMax）的激活延迟（在初始接触后激活）。低刚度支具（Type-1）则使股直肌（RF）的激活比高刚度支具（Type-2）组提前了154.7 ms，并使股外侧肌（VL）的激活提前。
F. 时间积分肌电（iEMG）
高刚度支具（Type-2）组股二头肌（BF）的iEMG显著低于对照组。低刚度支具（Type-1）组臀大肌（GMax）的iEMG显著高于对照组。两种支具干预下臀中肌（GMed）的iEMG均显著高于对照组。
G. 相关性分析
肌肉激活时序与峰值角加速度之间存在显著相关性。例如，股内侧肌（VM）的激活与冠状面峰值内翻/外翻角加速度呈负相关。臀中肌（GMed）的激活与冠状面峰值角加速度在所有条件下均呈强负相关。
结论与意义
本研究通过结合精准的在体运动学测量和神经肌肉控制分析，揭示了膝关节支具刚度在动态稳定性中的生物力学权衡。研究结论指出，对于进行单腿侧向落地的年轻健康男性运动员，高刚度支具设计能提供即时的冠状面稳定性，但会破坏旋转运动学和神经肌肉协调性；而低刚度支具则与肌肉活动的选择性改变和动态稳定性的运动学特征相关。股内侧肌（VM）的活动模式与支具条件之间存在一致关联，提示其可能作为评估膝关节支具功能的潜在生物标志物。
这些发现挑战了“刚性支具=最佳保护”的传统生物力学假设，支持了一种新的“适应性稳定”范式：膝关节支具应调节而非取代肌肉-韧带系统的机械负荷分担通路。该研究为针对特定运动任务和人群特征（如年轻男性运动员）优化膝关节支具设计提供了精确的生物力学证据，强调了在机械支撑和神经肌肉适应之间寻求协同优化的重要性。未来的研究需要包括跨性别和临床人群（如骨关节炎、ACL重建术后）的纵向和随机研究，直接量化在体有效支具刚度，并评估针对特定任务的支具定制，以优化保护性支撑和功能表现之间的平衡。
