假肢踝部动力与足部刚度类别对不同速度行走时生物力学不对称性及膝关节力矩的影响

为何步态平衡重要

对于许多失去下肢的人来说，能使用假肢行走是一项日常的胜利——但这也可能增加健侧肢体的负担。当一条腿工作比另一条更吃力时，施加在健侧膝关节和髋关节上的额外力可能随着时间推移提高关节疼痛和骨关节炎的风险。本研究探讨通过微调现代假肢足部——调整其刚度和每一步提供的动力——如何帮助人们走得更均衡，从而可能保护他们的关节。

两类高科技假肢足

大多数胫下截肢者使用的是被动的类弹簧足，它能储能并释放能量，但不能主动推离地面。这类装置通常只能回馈生物踝部约一半的能量，因此健侧需要做额外的工作。一种较新的选择是 BiOM 有源踝足假肢，它内置电机和弹簧，可在离地推力阶段提供能量。BiOM 以一种标准的被动足为基座出售，该被动足有不同的刚度“类别”，与使用者的体重和活动水平匹配。这意味着临床人员可以同时调整假肢足的刚度和电机提供的动力——组合众多，但关于哪些设置最能保护身体的指导很有限。

研究如何进行

十三名有经验的单侧胫下截肢者在特殊的跑步机上以从慢步（0.75 m/s）到快步（1.75 m/s）不等的速度行走。每位参与者尝试了16种不同的假肢组合：四种足部刚度类别（从比推荐软两档到比推荐硬一档）和四种动力条件（无电机的被动足，以及 BiOM 在推荐功率、推荐功率上调10%和上调20%三种调节）。在行走时，研究者测量了每只脚接触地面的时间、两次垂直地面反作用力峰值时每只脚对跑步机的受力，以及健侧膝关节出现的扭转载荷——这是与膝骨关节炎相关的重要指标。

仅改变刚度时的变化

改变被动足的刚度对步态平衡的影响出乎意料地小。在所测刚度范围内，两腿在地面接触时间的均衡程度以及第一次垂直地面反作用力峰值的对称性都没有明显变化。只有一个模式显著：使用最硬的足相比最软的足能减小第二次力峰的不平衡，但幅度仅略高于一个百分点。健侧膝关节的载荷在测试的刚度变化范围内也基本不受影响。这些发现表明，对于临床上在类似商用足之间的日常选择，适度的刚度调整可能不会显著改变关节负荷或步态平衡。

额外动力能够做什么——以及在何时有效

开启 BiOM 的电机带来了更明显的影响。无论底层被动足的刚度如何，使用有源装置相比被动足都能减小假肢与健侧之间的接触时间差异。然而，力对称性的具体变化取决于行走速度和动力水平。在调节速度 1.25 m/s 时，将 BiOM 的动力设置为推荐值上调 10–20% 在两腿的第一次和第二次力峰上都产生了最均衡的模式。但在较慢（0.75 m/s）和较快（1.75 m/s）速度下，过度提高动力有时会使力不平衡加剧。尽管两腿分担工作方式发生了这些变化，研究未发现使用有源装置在任何测试设置下能持续降低健侧膝关节的关键扭转载荷。

对日常行走的意义

对胫下截肢者及其临床医师而言，这些结果描绘了一个复杂的画面。像 BiOM 这样的有源踝足假肢可在接近其调节速度时帮助步态更对称，略微硬一些的足可能改善力平衡的某一方面。然而在本次测试范围内，既未发现刚度变化也未发现更高动力能清楚地降低被认为会增加骨关节炎风险的膝关节载荷。作者建议，义肢师可能需要根据个体的典型行走速度来调整动力设置，未来的装置或许可以随速度自动调节动力。尽管对现有假肢的微调能改善对称性，但要真正保护长期关节健康，可能还需在设计和控制策略上做进一步改进。

引用: 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

关键词: 假肢踝部, 胫下截肢, 有源假肢, 步态对称性, 膝骨关节炎