Влияние мощности протезной лодыжки и категории жесткости стопы на биомеханическую асимметрию и момент в колене при ходьбе на разных скоростях

Почему важно уравновешивать шаги

Для многих людей с утратой нижней части ноги ходьба с протезом — это повседневная победа, но одновременно она может увеличивать нагрузку на оставшуюся, целую конечность. Когда одна нога работает сильнее другой, дополнительные силы на здоровом колене и бедре со временем могут повышать риск боли в суставах и развития остеоартрита. В этом исследовании изучают, как точная настройка современных протезных стоп — путём регулировки их жесткости и добавляемой мощности при каждом шаге — может помочь людям ходить более ровно и потенциально защитить их суставы.

Два типа высокотехнологичных стоп

Большинство людей с ампутацией ниже колена используют пассивную стопу, подобную пружине, которая накапливает и отдает энергию, но не может активно отталкиваться от земли. Такие устройства обычно возвращают лишь около половины энергии биологической лодыжки, поэтому здоровая нога выполняет дополнительную работу. Более новая опция — активный лодыжечно-стопный протез BiOM, в котором есть встроенный мотор и пружина, способные подавать энергию при отталкивании. BiOM также использует стандартную пассивную стопу в качестве базы, которая продается в разных «категориях» жесткости, подобранных под вес и активность пользователя. Это позволяет клиницистам регулировать и жесткость стопы, и мощность мотора — то есть доступно много возможных комбинаций, но мало рекомендаций о том, какие настройки лучше защищают организм.

Как проводили исследование

Тринадцать опытных пользователей протезов с односторонней ампутацией ниже колена ходили по специальной беговой дорожке на скоростях от медленной прогулки (0,75 м/с) до энергичного шага (1,75 м/с). Каждый участник опробовал 16 разных конфигураций протеза: четыре категории жесткости стопы (от двух ступеней мягче рекомендованной до одной ступени жестче) и четыре режима мощности (пассивная стопа без мотора, а также BiOM, настроенный на рекомендованный уровень, на 10% выше и на 20% выше). Во время ходьбы исследователи измеряли, как долго каждая стопа находилась в контакте с поверхностью, насколько сильно каждая стопа давила на дорожку в первом и втором пиках силы, и какой крутящий момент возникал в здоровом колене — важный показатель, связанный с риском остеоартрита колена.

Что изменилось только от жесткости

Изменение жесткости пассивной стопы оказало удивительно небольшое влияние на равновесие при ходьбе. В пределах проверяемых категорий жесткости не наблюдалось явных изменений в том, как равномерно обе ноги делили время контакта с землей, и в симметрии первого пика вертикальной силы реакции опоры. Выделялся лишь один эффект: использование самой жесткой стопы уменьшало дисбаланс во втором пике силы по сравнению с самой мягкой стопой, но лишь чуть более чем на один процентный пункт. Нагрузки на здоровое колено также в основном не менялись при варьировании жесткости в тестируемом диапазоне. Эти результаты позволяют предположить, что при повседневном выборе среди схожих коммерческих стоп умеренные изменения жесткости вряд ли радикально повлияют на нагрузку на суставы или на баланс шагов.

Что может дать добавленная мощность — и когда

Включение мотора BiOM дало более заметные эффекты. Независимо от базовой жесткости стопы, использование активного устройства уменьшало различия во времени контакта между протезной и здоровой ногой по сравнению с пассивной стопой. Однако влияние на симметрию сил зависело от скорости ходьбы и уровня мощности. На скорости, для которой производилось тонкое подстроивание (1,25 м/с), работа BiOM на 10–20% выше рекомендованного уровня давала наиболее сбалансированную картину и по первому, и по второму пикам силы между ногами. На более медленных (0,75 м/с) и более быстрых (1,75 м/с) скоростях же увеличение мощности иногда ухудшало дисбаланс сил. Несмотря на эти изменения в распределении работы между ногами, исследование не выявило устойчивого снижения ключевого крутящего момента в здоровом колене при использовании активного устройства в каких-либо из протестированных режимов.

Что это значит для повседневной ходьбы

Для людей с ампутацией ниже колена и их клиницистов эти результаты рисуют нюансированную картину. Активный лодыжечно-стопный протез вроде BiOM может помочь сделать шаги более равномерными, особенно на скорости, для которой он настроен, а слегка более жесткие стопы могут улучшать один аспект баланса сил. Тем не менее в пределах протестированного диапазона ни изменения жесткости, ни повышенная мощность явно не уменьшали нагрузку на колено, связанную с риском остеоартрита. Авторы предлагают, что протезисты могут подбирать настройки мощности под типичную скорость ходьбы конкретного человека, а будущие устройства могли бы автоматически менять мощность при изменении скорости. Хотя тонкая настройка современных протезов способна улучшить симметрию, для полноценной защиты долговременного здоровья суставов, вероятно, потребуются дальнейшие усовершенствования в конструкции и управлении.

Цитирование: Tacca, J.R., Colvin, Z.A. & Grabowski, A.M. Effects of prosthetic ankle power and foot stiffness category on biomechanical asymmetry and knee moment during walking at different speeds. Sci Rep 16, 7207 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37225-3

Ключевые слова: протезная лодыжка, транстибиальная ампутация, активный протез, симметрия походки, остеоартрит колена