《Journal of Biomechanics》：Paretic limb biomechanical response to hip exoskeleton limb assistance strategies during walking for individuals post-stroke
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本研究探讨脑卒中后偏瘫患者三种髋部外骨骼辅助策略（单侧偏瘫侧、单侧非偏瘫侧、双侧）对下肢关节生物力学的影响。结果表明：双侧辅助显著改善偏瘫侧髋屈曲角度和踝关节做功对称性，单侧偏瘫侧辅助提升膝关节屈曲角度，非偏瘫侧辅助效果不显著。研究为个性化康复策略提供依据。
Kristen M. Stewart | Gregory S. Sawicki | Aaron J. Young | Richard R. Neptune
德克萨斯大学奥斯汀分校沃克机械工程系，美国德克萨斯州奥斯汀市
摘要
中风后出现偏瘫步态的个体常常会遇到行动能力受损的问题，而动力外骨骼可以帮助恢复这种能力。具体来说，髋部外骨骼可以为腿部提供正向作用力，以帮助启动腿部摆动；然而，由于偏瘫步态的不对称性，目前尚不清楚哪种肢体辅助策略（例如单侧辅助或双侧辅助）最能改善行走表现。因此，本研究的目的是探讨不同髋部外骨骼辅助策略如何影响中风后个体的下肢关节生物力学。我们假设：双侧辅助最能改善站立末期瘫痪腿部的方向和摆动启动；单侧瘫痪肢体辅助可以改善肢体间的不对称性；而单侧非瘫痪肢体辅助则可以间接改善站立末期的运动学表现。研究结果表明，双侧辅助显著增加了瘫痪髋部的屈曲角度，从而改善了腿部摆动启动，并提高了踝关节的作用力对称性，表明推进机制得到了改善。单侧瘫痪肢体辅助显著增加了摆动过程中的膝关节屈曲角度，这是改善中风后患者僵硬膝关节步态的常见康复目标；同时，它还显著提高了肢体间的作用力对称性，这对依赖非瘫痪肢体的患者非常有益。单侧非瘫痪肢体辅助并未改善站立末期的运动学表现。这些结果为了解中风后个体的关节反应提供了见解，并有助于根据康复目标定制髋部外骨骼的辅助方式。
引言
中风后患者通常会出现偏瘫，超过80%的中风病例会导致运动功能障碍（Langhorne等人，2011年）。中风后的偏瘫表现为单侧肌肉无力，从而导致步态模式改变。肌肉无力通常表现为瘫痪侧的足底屈肌输出减少，进而导致推进力下降（例如Chen等人，2005年；Bowden等人，2006年）、摆动前瘫痪侧肢体的肌肉工作量减少（Peterson等人，2011年）以及行走速度减慢（例如Olney和Richards，1996年）。这种足底屈肌输出的减少需要其他关节进行补偿，例如摆动前瘫痪侧髋部的作用力增加（Peterson等人，2011年）以及摆动过程中瘫痪侧膝关节的屈曲减少（例如Chen等人，2005年；Dean等人，2020年）。此外，运动学和动力学的差异导致了步态的不对称性，患者更多地依赖非瘫痪侧肢体。肢体不对称性体现在肌肉功能（例如非瘫痪侧相对于瘫痪侧的肌肉贡献更大，Hall等人，2011年）、时空测量（例如步长不对称，Balasubramanian等人，2009年）以及动力学测量（例如瘫痪侧的推进力减少和肢体间机械功率不对称，Bowden等人，2006年；Roelker等人，2019年；Farris等人，2015年；Mahon等人，2015年）等方面。这些不对称性使得中风后患者的行走表现受损，从而限制了他们的日常活动能力。
动力外骨骼通过向目标关节提供外部作用力，有可能改善中风后患者的行动能力。踝部外骨骼通常旨在提高推进力（例如Awad等人，2017年），但这取决于站立末期腿部的位置，以便将外骨骼的作用力适当转化为前向推进力（McCain等人，2019年）。然而，中风后患者在站立末期往往存在腿部伸展能力下降的问题（Peterson等人，2010年），因此独立于腿部位置、能为腿部摆动提供正向髋屈肌作用力的髋部外骨骼可能更具优势。在健康成年人中，髋部外骨骼辅助可以减少髋部和踝部肌肉的活动（Lenzi等人，2013年）以及代谢成本（例如Seo等人，2016年），相对于无辅助行走而言。研究表明，髋部外骨骼辅助可以改善中风后患者的行走速度和时空参数（例如Lee等人，2019年；Pan等人，2023年；Livolsi等人，2025年）。尽管行走速度是一个与中风后运动恢复呈正相关的有价值的临床指标（Brandstater等人，1983年），但它可能反映了非瘫痪侧肢体的代偿作用，而非瘫痪侧肢体的功能改善。因此，目前尚不清楚这些患者在不同动力外骨骼辅助策略下如何改变其下肢关节的运动学和动力学表现。
为了改善行走表现，必须适当调整外骨骼的控制参数和辅助策略。实验研究已经优化了施加扭矩的时机和大小，以降低健康成年人的代谢成本（例如Galle等人，2017年；Young等人，2017年；Ding等人，2018年；Bryan等人，2021年）。然而，为健康成年人优化的辅助策略通常假设肢体间存在对称性，这可能不适用于临床人群。鉴于中风后肢体存在的显著不对称性，目前尚不清楚不同的肢体辅助策略（例如单侧辅助与双侧辅助）会对他们的行走力学产生何种影响。此外，根据瘫痪侧肢体的功能受损程度以及对非瘫痪侧肢体的依赖程度，也不清楚单侧瘫痪肢体辅助还是非瘫痪肢体辅助更为合适。
本研究的目的是探讨不同髋部外骨骼辅助策略如何影响中风后个体的下肢关节生物力学。我们假设：1）双侧辅助最能改善瘫痪侧肢体在站立末期的方向和摆动启动；2）单侧瘫痪肢体辅助最能改善肢体间的不对称性；3）单侧非瘫痪肢体辅助可以间接改善瘫痪侧肢体在站立末期的方向。
实验数据收集
实验数据来自五名患有慢性单侧偏瘫的中风患者（表1），每位参与者都签署了乔治亚理工学院机构审查委员会批准的研究同意书。有关方法的详细描述，请参见Pan等人（2023年）的研究。
受试者佩戴了三星步态增强和激励系统（Samsung Electronics，韩国水原），这是一种轻量级的双侧髋部动力外骨骼
瘫痪侧肢体的运动学
在所有动力辅助条件下，瘫痪侧髋部的最大屈曲角度均有所增加（P组：p = 0.004；NP组：p < 0.001；BI组：p < 0.001）（图2A），与无辅助组（UN）相比。然而，仅在P组中，最大髋部伸展角度有所减少（p = 0.002）（图2A），与UN相比。NP组和BI组的髋关节活动范围（ROM）均有所增加（p = 0.003；p = 0.001），与UN相比。
仅在P组中，瘫痪侧膝关节的最大屈曲角度有所增加（p = 0.002），且膝关节活动范围也仅在P组中有所增加（p < 0.001），与UN相比（图2B）。
讨论
本研究的目的是探讨不同髋部外骨骼辅助策略如何影响中风后个体的下肢关节生物力学。我们首先假设BI辅助最能改善瘫痪侧肢体在站立末期的方向和摆动启动，这一假设部分得到了验证，因为BI辅助虽然未能改善站立末期的方向，但改善了站立末期的髋部最大屈曲角度和踝关节作用力。其次，我们假设……
结论
本研究提供了关于中风后患者在不同髋部外骨骼辅助条件下行走时的运动学和动力学反应的见解。结果表明，瘫痪侧肢体的辅助可能改善僵硬膝关节的步态特征，并促进肢体间的关节作用力对称性，但双侧辅助可能更有利于减少推进力的不对称性。这些结果共同揭示了中风后患者复杂的生物力学反应，并强调了……
CRediT作者贡献声明
Kristen M. Stewart：撰写——原始草稿、可视化、验证、调查、正式分析、数据管理、概念化。
Gregory S. Sawicki：撰写——审阅与编辑、资源准备、方法论、调查、数据管理、概念化。
Aaron J. Young：撰写——审阅与编辑、资源准备、方法论、调查、数据管理、概念化。
Richard R. Neptune：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、方法论。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢Samsung Electronics提供外骨骼硬件。本研究部分得到了美国国立卫生研究院的资助（项目编号：R03HD097740-01）。
