《Journal of Biomechanics》：Simulated gait training improves joint loading symmetry in unilateral transfemoral bone-anchored limb users
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骨锚定肢体用户经模拟步态训练可实现运动对称性，提升关节负荷对称性，验证优化控制与肌肉骨骼建模联合方法的有效性。
Nicholas W. Vandenberg|Benjamin B. Wheatley|R. Dana Carpenter|Cory L. Christiansen|Jason W. Stoneback|Brecca M.M. Gaffney
美国科罗拉多大学骨锚式肢体研究小组，科罗拉多州奥罗拉市
摘要
骨锚式肢体（BALs）是治疗与假肢socket相关疾病的有希望的替代方案，但证据表明，在股骨假肢植入12个月后，运动和关节负荷的不对称性仍然存在。针对生物力学对称性的步态训练是股骨截肢患者康复中的常见方法。然而，由于缺乏某些解剖结构，目前尚不清楚股骨BAL患者是否能够实现步态对称。我们的目标是确定股骨BAL患者是否可以实现步态对称，并通过最优控制和肌肉骨骼建模来研究强制对称性带来的生物力学效应。我们使用OpenSim Moco对11名股骨BAL患者进行了步态训练模拟，预测了目标步态模式（假设肌肉骨骼系统完好），然后使用针对个体的BAL模型进行跟踪。通过幅度和相位差指标以及皮尔逊相关系数评估了模拟训练后的运动模式变化，以评估对称性的改善情况。关节负荷与基线值进行了时间上的比较（使用统计参数映射）和离散比较（关节反作用力（JRF）脉冲、站立时间和相应的对称性）。训练后的结果显示出更同步的运动模式，并且与非截肢肢体的运动学高度相关，这表明临床目标是可实现的。截肢肢体的髋关节JRF负荷反应和终末站立期负荷增加（p = 0.020和p = 0.004），从而在模拟训练后改善了步态对称性（p = 0.003）。截肢肢体的关节负荷脉冲也有所增加（p < 0.001），而完整肢体的变化不大（p = 0.337），这进一步改善了关节负荷对称性（p = 0.001）。这些结果表明，在双侧肢体中可以实现运动对称性，而不会对关节造成有害影响。
引言
使用假肢socket的股骨单侧截肢（TFA）患者由于缺少关节以及socket适配不良等问题，会采用补偿性运动模式（Carse等人，2020年；Dillingham等人，2001年；Gilliss等人，2010年；Jaegers等人，1995年；Penn-Barwell，2011年）。这些补偿策略可能导致肢体负荷不对称，增加继发性并发症的风险（例如骨关节炎、腰痛）（Block和Shakoor，2009年；Devan等人，2017年；Felson，2013年；Highsmith等人，2019年；Morgenroth等人，2012年；Struyf等人，2009年）。骨锚式肢体（BALs）是一种替代方案，它通过骨整合植入物直接将假肢连接到残余骨骼上（Br?nemark等人，2001年）。研究表明，与使用socket假肢相比，BAL使用可显著提高患者满意度、活动能力、生活质量、平衡能力和多领域生物力学性能（运动和肌肉功能）（Davis-Wilson等人，2023年；Ekdahl等人，2025年；Gaffney等人，2023年；Hagberg和Branemark，2009年；Thomson等人，2019年；Tracy等人，2024年；Tranberg等人，2011年；Van de Meent等人，2013年）。然而，在BAL植入12个月后，关节负荷的不对称性仍然存在（Gaffney等人，2024a年；Thomsen等人，2024年；Vandenberg等人，2023年）。
BAL植入后的康复对于优化治疗效果至关重要，通常包括针对生物力学对称性的步态训练（Leijendekkers等人，2017年）。尽管尚未确定可接受的对称性标准，但康复实践中仍普遍追求步态对称性的改善。然而，BAL的康复方案尚未标准化，主要基于socket使用者的经验指南（Gailey等人，2020年；Sj?dahl等人，2001年；Sj?dahl等人，2002年；Sj?dahl等人，2003年）。此外，强制对称性对有肢体差异个体的潜在影响尚不明确（Cutti等人，2018年；Kline等人，2019年）。因此，目前尚无共识认为是否应以运动对称性为目标，因为尚不清楚这一群体是否能够实现运动对称性（Hisano等人，2021年；Kaufman等人，2012年；Schaarschmidt等人，2012年）。需要大规模随机临床试验来充分解决这一矛盾；然而，所需的时间、费用以及参与者和临床医生的投入都是重大障碍。因此，需要替代方法来研究强制临床对称性目标带来的生物力学效应，以指导未来的康复方案。
肌肉骨骼建模是一种强大的工具，可以在不给参与者带来物理压力的情况下模拟具有临床相关性的假设条件。这通常通过概率分析来实现（Gaffney等人，2021年；Myers等人，2019年；Valente等人，2013年；Williams等人，2019年），这些分析可以确定输入变化对输出的影响。之前的研究结合了概率分析和肌肉骨骼建模，以确定髋外展肌无力如何影响健康个体的关节负荷（Valente等人，2013年）。然而，先前概率分析的一个根本局限性是工作流程中未考虑输入变量之间的依赖性。例如，研究肌肉力量对关节生物力学影响的研究没有考虑运动模式的预期变化（Gaffney等人，2021年；Myers等人，2019年；Valente等人，2013年）。鉴于肌肉力量和运动模式的变化是相互依赖的（Esquenazi等人，2014年；Heitzmann等人，2020年；Persine等人，2022年；van Velzen等人，2006年），如果不考虑生物力学输入和输出之间的相互依赖性，可能会导致动态不一致的结果。
将最优控制理论与肌肉骨骼建模相结合，可以通过同时解决状态（运动学）和控制（肌肉活动）在优化过程中，以动态一致的方式模拟类似的临床相关假设条件（De Groote等人，2016年；Dorschky等人，2019年；Koelewijn等人，2018年）。此外，最优控制提供了预测元素，可以用来生成健康和病理人群的步态动力学数据集，而无需输入数据（Falisse等人，2019年；Tomasi等人，2020年）。OpenSim Moco通过直接配置将最优控制集成到肌肉骨骼建模中（Dembia等人，2020年）。之前的研究使用Moco研究了不同截肢程度如何影响步态期间的代谢成本（Miller等人，2024年；Miller和Russell Esposito，2021年），尽管最优控制问题中没有使用针对个体的数据。我们之前曾使用Moco来确定准确预测股骨BAL患者步态生物力学的可行性（Vandenberg等人，2024年）。据我们所知，这些方法尚未用于研究股骨BAL患者的步态训练干预。
本研究的主要目的是通过比较双侧肢体的运动情况（指示双侧对称性）与未截肢者的情况，来确定股骨BAL患者在行走时是否可以实现运动对称性。次要目的是确定强制运动对称性对股骨BAL患者的肌肉力量和关节负荷的影响。我们假设模拟步态训练是可行的，并且可以通过增加截肢肢体的负荷同时减少由于肌肉力量变化导致的肢体负荷来改善关节负荷对称性。
部分摘要
参与者与建模工作流程概述
共有11名股骨BAL患者参与了研究（表1）。在BAL植入12个月后，他们在自选速度下进行地面行走时收集了运动捕捉数据，使用了38个反射标记和8个红外摄像机来获取运动学数据（Vicon公司，科罗拉多州森蒂内尔，采样频率f_s = 120 Hz），以及6个嵌入式力平台来获取地面反作用力数据（Bertec公司，俄亥俄州哥伦布市，采样频率f_s = 960 Hz）。模拟和轨迹数据使用低通四阶巴特沃斯滤波器进行了过滤（截止频率f_c = 6 Hz和20 Hz）。
股骨BAL患者实现运动模式对称性的可行性
与观察到的关节角度相比（图2a），模拟步态训练使双侧肢体的运动学更加对称（图2b）。模拟训练后的运动模式也与双肢步态周期的正常人体运动学数据更为相似（Fukuchi等人，2018年）（图2b）。两组解决方案的幅度差异指标非常匹配（<0.2），在所有三次比较中都是如此（图3a）。步态训练后，相位差指标也较为匹配。
讨论
本研究的主要目的是确定针对股骨BAL患者进行步态训练以实现对称性的可行性。我们的结果表明，步态训练使运动更接近未截肢者的运动学特征，并且双侧肢体的对称性得到了改善。次要目的是确定运动对称性对股骨BAL患者的生物力学效应。
CRediT作者贡献声明
Nicholas W. Vandenberg：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学、研究、正式分析、数据管理、概念构思。Benjamin B. Wheatley：撰写 – 审稿与编辑、软件开发、方法学。R. Dana Carpenter：撰写 – 审稿与编辑、方法学、研究。Cory L. Christiansen：撰写 – 审稿与编辑、方法学、研究。Jason W. Stoneback：撰写 – 审稿与编辑、研究。Brecca M.M. Gaffney：撰写 – 审稿与
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：JWS从Revivo International、ReSenso和AQ Solutions获得版税；同时是Validus Cellular、Smith & Nephew和NuVasive Specialized Orthopedics的付费顾问。其他作者均声明没有利益冲突。
致谢
本项目得到了科罗拉多大学骨锚式肢体研究小组和美国国立卫生研究院（R03HD111012和UL1TR002535）的支持。
