踝关节外骨骼辅助降低脑性麻痹患者行走时的膝关节接触力

《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Ankle Exoskeleton Assistance Reduces Knee Contact Force during Walking in Individuals with Cerebral Palsy

脑性麻痹（CP）患者常因步态障碍导致关节负荷增加、疼痛和退变。研究人员为探究踝关节外骨骼辅助能否减轻CP患者的关节负荷，开展了主题为“踝关节外骨骼辅助对脑性麻痹患者膝关节接触力影响”的研究。结果发现，与仅穿鞋（Shod）相比，踝关节辅助（Exo）可显著降低膝部伸肌（股四头肌）力量和膝关节接触力。这表明利用踝关节外骨骼进行辅助可能是减轻CP患者膝关节负荷、改善其骨骼肌肉健康的一种有效非侵入性干预策略。

　　

行走，本应是人类与生俱来的能力，但对于脑性麻痹（Cerebral Palsy, CP）患者而言，却可能是一场充满挑战的日常修行。这种常见的运动和姿势发育障碍，常常导致步态异常，表现为关节活动不协调、肌肉力量失衡等问题。更为严峻的是，这种异常的步态模式往往伴随着关节负荷的异常增加，久而久之，不仅加剧了行走时的疼痛感，还可能导致关节的过早退行性变，严重影响患者的身体功能和生活质量。如何有效改善CP患者的行走能力并保护其关节健康，一直是康复医学和辅助技术领域关注的核心议题。

近年来，可穿戴辅助设备，特别是下肢外骨骼，为改善行动能力障碍人群的行走功能带来了新的曙光。这些设备能够为使用者的关节提供额外的力矩辅助，从而弥补肌肉力量的不足，优化运动模式。然而，一个关键的科学问题悬而未决：这类外骨骼设备在帮助使用者“走得更轻松”的同时，是否也能减轻其关节内部所承受的负荷？换言之，外骨骼带来的运动学改善，能否转化为对关节生物力学的保护性效益？特别是对于膝关节——人体承重和运动的关键枢纽，其内部接触力的大小是评估关节软骨压力和退变风险的重要指标。遗憾的是，先前的研究大多关注于外骨骼对运动学（如步幅、关节角度）和能耗的影响，对其如何影响关节内部生物力学负荷，尤其是CP患者的膝关节接触力，仍知之甚少。

为了解答这个问题，一篇发表在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》上的研究，将目光聚焦于踝关节外骨骼。踝关节是行走时推进力的主要来源，对步态周期中力量的传递和分配起着至关重要的作用。研究人员提出假设：通过为CP患者提供踝关节辅助，可能会改变其下肢肌肉的发力模式，特别是减少膝关节伸肌（主要是股四头肌）的代偿性过度用力，从而最终降低行走过程中膝关节内部所承受的接触压力。这项研究不仅具有重要的科学探索价值，其结论也可能为开发更具针对性的康复辅助设备、制定更有效的关节保护策略提供直接依据。

为了开展这项研究，研究人员招募了11名患有脑性麻痹的儿童和青少年，他们构成了本研究的受试者队列。研究在实验室的跑步机上进行，设计了两种行走条件进行对比：一种是基线条件，受试者仅穿着自己的鞋子（Shod）；另一种是干预条件，受试者在穿着鞋子的基础上，穿戴并启用踝关节外骨骼设备以获得辅助（Exo）。

在技术方法层面，本研究巧妙地结合了实验测量与计算机建模，核心在于精确量化膝关节接触力这一难以直接测量的内部生物力学指标。首先，研究人员采集了受试者在下肢八个主要肌肉（包括股四头肌、腓肠肌等）活动时的肌电图（Electromyography, EMG）信号。随后，他们采用了一种先进的“肌电信息（EMG-informed）建模”方法。这种方法将实验测得的真实肌肉电活动（EMG信号）作为关键输入，用于约束和校准一个基于人体解剖结构的肌肉骨骼计算机模型中的肌肉激活水平。通过这种方式，模型能够更准确地估算出在行走过程中，每块肌肉所产生的实际力的大小。最后，基于这些估算出的个体肌肉力量，再结合膝关节的几何力学关系，模型便可以计算出在每一步的支撑期（stance phase）和摆动期（swing phase）中，通过膝关节传递的总的压缩性接触力。整个过程实现了从表面肌电信号到深层关节负荷的“可视化”转换，是研究关节生物力学的一项关键技术。此外，研究人员也同步记录了受试者的关节运动学（kinematics）数据，如膝关节和踝关节的角度，以分析运动模式的变化。

通过严谨的实验对比和数据分析，本研究得出了一系列揭示踝关节外骨骼辅助如何影响脑性麻痹患者行走生物力学的具体结果。

踝关节辅助降低了膝关节接触力

数据分析显示，与仅穿鞋行走相比，使用踝关节外骨骼辅助后，膝关节所受的压缩性接触力出现了显著下降。具体而言，在步态支撑期的后期（late-stance），膝关节接触力的峰值平均降低了9.3%（±7.3%）。而从整个支撑期来看，膝关节接触力的平均值也降低了7.2%（±4.6%）。这些差异具有统计学显著性（p ≤ 0.003），明确证实了踝关节辅助具有减轻膝关节负荷的效果。

踝关节辅助降低了股四头肌肌肉力量

进一步分析肌肉力量的变化发现，踝关节辅助的介入显著改变了特定肌肉的发力。在支撑期，主要负责伸展膝关节的股四头肌（quadriceps）肌肉力量平均降低了9.1%（±10.9%），这一降低同样具有显著性（p = 0.015）。这提示外骨骼可能部分替代了股四头肌维持膝关节稳定和伸展的功能。

股四头肌力量降低与膝关节接触力降低相关

为了探究膝关节接触力降低的原因，研究人员进行了相关性分析。结果发现，由外骨骼诱导产生的股四头肌力量减少程度，与膝关节接触力的降低程度之间存在显著的正相关关系（p < 0.001）。这意味着，当踝关节辅助让受试者的股四头肌“放松”得更多时，其膝关节承受的压力也减少得更多。这一关联强烈表明，踝关节辅助降低膝关节负荷的一个关键机制，在于减少了膝关节伸肌（股四头肌）的过度激活和发力。

其他生物力学因素与膝关节接触力的关联

尽管在整体上，外骨骼辅助并未引起腓肠肌（gastrocnemius）力量或关节运动学（如角度）的显著组间差异，但深入的关联性分析揭示了更有趣的规律。在个体层面分析所有数据时发现，更大的膝关节伸展角度、更大的踝关节跖屈（plantarflexion）角度以及更低的腓肠肌力量，均与更低的膝关节接触力相关联（p ≤ 0.022）。这说明，一个更接近“正常”的、伸直的膝关节姿态，一个更有力的踝关节推进姿态，以及小腿后侧主要肌肉（腓肠肌）的适度发力，共同构成了一个有利于降低膝关节负荷的生物力学模式。踝关节外骨骼的辅助，可能正是通过促进这些有利模式的实现来发挥保护作用。

综合以上研究发现，本研究的结论可以归纳为：踝关节外骨骼辅助能够有效降低脑性麻痹患者在行走过程中的膝关节接触力。其核心作用机制在于，辅助改变了行走时的肌肉协同模式，特别是显著降低了膝关节伸肌（股四头肌）的发力需求。股四头肌力量的减少是膝关节负荷降低的关键中介因素。此外，尽管在群体平均效应上不显著，但个体分析表明，辅助可能通过促进更优的关节对位（更大的膝伸展角度）和更有效的踝关节推进（更大的跖屈角度），同时减轻腓肠肌的某些代偿需求，共同营造出减轻膝关节负荷的生物力学环境。

这项研究的意义重大。它首次在实验层面量化并阐释了踝关节可穿戴辅助设备对脑性麻痹患者膝关节内部生物力学的积极影响，将外骨骼的效益从“改善动作外形”深入到了“保护关节健康”的层面。研究结果挑战了“局部辅助只影响局部关节”的简单认知，揭示了通过远端关节（踝）的干预，可以有效地影响近端关节（膝）负荷的生物力学连锁效应。这为理解外骨骼的人机交互原理提供了新视角。在实践层面，该研究为利用踝关节外骨骼作为脑性麻痹患者的一种非侵入性、针对性康复和关节保护干预措施提供了强有力的证据支持。未来，基于此类研究，可以进一步优化外骨骼的控制策略，实现个性化的力矩辅助，从而更精准、更有效地减轻患者的关节压力，延缓骨关节炎等继发性问题的发生，最终提升其长期的生活质量和行动自由度。