人類行走時(shí)需持續(xù)控制內(nèi)外側(cè)（ML）與前后側(cè)（AP）方向的平衡，其中 ML 方向需更主動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制以避免失衡（如跌倒）。健康人群通常通過 “髖部策略”（調(diào)節(jié)軀干運(yùn)動(dòng)）和 “步寬調(diào)制” 維持 ML 步態(tài)平衡，但傳感器運(yùn)動(dòng)整合受損或髖部肌肉力量下降人群（如老年人、截肢者、中風(fēng)患者）的 ML 平衡能力常顯著減弱，易引發(fā)跌倒風(fēng)險(xiǎn)。

軀體方向

此前研究已證實(shí)，內(nèi)外側(cè)主動(dòng)式髖部外骨骼可調(diào)節(jié)健康人的步態(tài)，但尚未有研究明確其對(duì)額狀面步態(tài)平衡的影響。基于此，《Exploring the Impact of Continuous Mediolateral Torque Application by Hip Exoskeleton on the Gait Balance of Non-Disabled Individuals》，研究探索了外骨骼施加的持續(xù) ML 扭矩對(duì)健康人 ML 步態(tài)平衡的作用，為后續(xù)殘疾人外骨骼控制器設(shè)計(jì)提供依據(jù)。研究核心結(jié)論如下：髖部外骨骼施加的持續(xù)外展/內(nèi)收扭矩，可通過顯著改變步寬，進(jìn)而影響健康人群額狀面步態(tài)平衡相關(guān)指標(biāo)（包括步寬、額狀面凈外力矩、軀干搖擺幅度及穩(wěn)定裕度）；值得注意的是，若受試者主動(dòng)抵抗外骨骼施加的扭矩以維持原有步寬，則上述各項(xiàng)平衡指標(biāo)的變化幅度會(huì)顯著降低。

文章信息

額狀面凈外力矩：是作用于人體的所有外力（地面反作用力、重力等）對(duì)身體質(zhì)心（CoM）產(chǎn)生的 “左右方向旋轉(zhuǎn)力矩的矢量和”； 若沒有身體肌肉的主動(dòng)對(duì)抗，這個(gè)力矩會(huì)直接導(dǎo)致身體向一側(cè)失衡跌倒 —— 因此，凈外力矩的大小和變化，本質(zhì)是 “平衡環(huán)境對(duì)身體的擾動(dòng)強(qiáng)度” 與 “身體對(duì)抗擾動(dòng)的調(diào)節(jié)效果” 的綜合體現(xiàn)。

穩(wěn)定裕度（MoS）：是人體質(zhì)心（Center of Mass, CoM）的 “外推質(zhì)心”（Extrapolated Center of Mass, XCoM）與支撐面邊界之間的距離。行走時(shí)，人體的支撐面是 “當(dāng)前著地的腳”（單腿支撐期）或 “雙腳與地面接觸的區(qū)域”（雙腿支撐期）；MoS 越大，說明質(zhì)心離支撐面邊緣越遠(yuǎn)，失衡跌倒的風(fēng)險(xiǎn)越低；MoS 越?。ɑ?yàn)樨?fù)），說明質(zhì)心接近 / 超出支撐面邊界，平衡瀕臨崩潰，易發(fā)生跌倒。

外推質(zhì)心：并不是實(shí)際存在的解剖結(jié)構(gòu)，而是結(jié)合質(zhì)心位置和質(zhì)心速度計(jì)算的 “等效質(zhì)心”。

支撐面邊界：對(duì)于ML方向，支撐面邊界是 “當(dāng)前支撐腳的內(nèi)側(cè) / 外側(cè)邊緣”（單腿支撐期）或 “雙腳內(nèi)側(cè)與外側(cè)邊緣構(gòu)成的范圍”（雙腿支撐期）。

步寬：指人體行走時(shí)，雙腳在額狀面（左右方向）上的水平距離—— 具體為 “一側(cè)腳腳跟落地瞬間，左右兩腳腳跟在內(nèi)外側(cè)方向的垂直距離”（即左右腳跟標(biāo)記點(diǎn)在 ML 方向的直線距離）。

髖關(guān)節(jié)動(dòng)作

本研究共納入3名神經(jīng)功能完整的健康成人（2名男性、1名女性）。實(shí)驗(yàn)核心設(shè)備采用2自由度（2-DOF）的內(nèi)外側(cè)（ML）主動(dòng)式髖部外骨骼，該設(shè)備搭載編碼器以實(shí)時(shí)測(cè)量髖部外展/內(nèi)收角度，并配置力傳感器精準(zhǔn)采集人機(jī)交互扭矩；同時(shí)結(jié)合12相機(jī)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（采樣頻率100Hz）獲取人體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，搭配儀器化跑步機(jī)（采樣頻率1000Hz）同步采集地面反作用力（GRF），形成“外骨骼干預(yù)-運(yùn)動(dòng)學(xué)監(jiān)測(cè)-力學(xué)數(shù)據(jù)采集”的完整實(shí)驗(yàn)體系。

本研究設(shè)置了5種步態(tài)測(cè)試條件，所有條件均采用隨機(jī)順序開展，每種條件單次測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為2分鐘，且重復(fù)進(jìn)行2次，具體條件如下：

1）零阻抗模式（Zero Impedance, ZI）：外骨骼不施加額外扭矩，全程模擬人體自然步態(tài)狀態(tài)；

2）外展模式（Abduction）：外骨骼向受試者髖部施加持續(xù)外展扭矩；

3）內(nèi)收模式（Adduction）：外骨骼向受試者髖部施加持續(xù)內(nèi)收扭矩；

4）外展抵抗模式（Abduction w/ Res.）：外骨骼施加外展扭矩，受試者主動(dòng)抵抗該扭矩以維持自身自然步寬；

5）內(nèi)收抵抗模式（Adduction w/ Res.）：外骨骼施加內(nèi)收扭矩，受試者主動(dòng)抵抗該扭矩以維持自身自然步寬。

數(shù)據(jù)處理階段，采用4階巴特沃斯低通濾波器對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，其中運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)的濾波頻率設(shè)為10Hz，地面反作用力（GRF）數(shù)據(jù)的濾波頻率設(shè)為25Hz；隨后通過8段逆動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)步寬、額狀面凈外力矩、額狀面軀干搖擺及穩(wěn)定裕度（MoS）四項(xiàng)核心平衡指標(biāo)進(jìn)行量化分析。

圖 1. 基于導(dǎo)納控制架構(gòu)，在髖關(guān)節(jié)屈伸循環(huán)中施加外展 / 內(nèi)收力矩時(shí)的內(nèi)外側(cè)髖關(guān)節(jié)外骨骼扭矩

步寬：外骨骼扭矩直接調(diào)控步寬，抵抗行為可抵消該效應(yīng)

如圖 2所示，與 ZI 模式相比，外展模式下受試者步寬平均增加 8.8cm（p<0.05），內(nèi)收模式下平均減少 5.4cm（p<0.05）；而外展抵抗、內(nèi)收抵抗模式下，受試者步寬與 ZI 模式無顯著差異（p>0.05），證實(shí)健康人可通過主動(dòng)抵抗扭矩維持自然步寬。

圖2. 箱線圖展示了在五種不同步行模式下，髖關(guān)節(jié)外骨骼扭矩對(duì)步寬的影響。Add.: 內(nèi)收，Add.w/Res: 內(nèi)收抵抗，Abd.:外展，Abd.w/Res：外展抵抗，No Assist: 零阻抗模式(ZI)

*: p < .05

額狀面凈外力矩：步寬變化與抵抗行為均影響力矩方向

額狀面凈外力矩結(jié)果顯示（圖 3）：與 ZI 模式相比，內(nèi)收模式力矩顯著降低（-0.0231Nm/kg，p<0.05），外展模式顯著升高（0.0947Nm/kg，p<0.05），內(nèi)收抵抗模式亦顯著升高（0.0186Nm/kg，p<0.05），外展抵抗模式無顯著差異（p>0.05）。這提示：內(nèi)收扭矩即使被抵抗，仍可能通過軀干傳遞引發(fā)力矩變化，而外展抵抗可抵消扭矩對(duì)力矩的影響。

圖 3. 柱狀圖描繪了五種步行模式下額狀面凈外部力矩的變化。Add.: 內(nèi)收，Add.w/Res: 內(nèi)收抵抗，Abd.:外展，Abd.w/Res：外展抵抗，No Assist: 零阻抗模式(ZI)，*: p < .05

 軀干搖擺：僅步寬變化引發(fā)顯著軀干位移

以 C7 頸椎標(biāo)志物的額狀面位移衡量軀干搖擺（圖 4），線性混合效應(yīng)模型（LMEM）分析顯示（表 1）：外展模式下軀干搖擺較 ZI 模式增加 4.8cm（p=0.000042），內(nèi)收模式減少 1.8cm（p=0.0175）；而兩種抵抗模式下，軀干搖擺與 ZI 模式無顯著差異（p>0.05）。這一結(jié)果與臨床觀察一致 —— 截肢患者因步寬控制異常常伴隨夸張軀干搖擺，提示外骨骼若能精準(zhǔn)調(diào)控步寬，或可改善此類人群的軀干穩(wěn)定性。

圖 4. 髖關(guān)節(jié)外骨骼使用者的平均軀干搖擺情況，由五種步行模式下 C7 標(biāo)記點(diǎn)在額狀面的位移來表示

表 1. 與 ZI 模式相比，其他步行模式下軀干位移的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

加粗值表示 P ≤ 0.05

穩(wěn)定裕度：步寬擴(kuò)大提升穩(wěn)定裕度，縮小則降低

穩(wěn)定裕度（MoS，衡量失衡前的 “安全冗余度”）結(jié)果顯示（圖 5）：外展模式 MoS 較 ZI 模式增加 1.6 cm（p<0.05），內(nèi)收模式減少0.9 cm（p<0.05），兩種抵抗模式無顯著差異（p>0.05）。這進(jìn)一步證實(shí)：步寬是 ML 平衡的關(guān)鍵調(diào)控因子，外骨骼通過改變步寬可直接影響平衡安全冗余。MoS 越大，失衡跌倒的風(fēng)險(xiǎn)越低。

圖 5. 參與者的穩(wěn)定性裕度（Mos）反應(yīng)示意圖。Add.: 內(nèi)收，Add.w/Res: 內(nèi)收抵抗，Abd.:外展，Abd.w/Res：外展抵抗，Zero Imp: 零阻抗模式(ZI)，*: p < .05

本研究通過對(duì) 3 名健康受試者的初步探索，明確了髖部外骨骼持續(xù)額狀面（ML）扭矩對(duì)步態(tài)平衡的調(diào)控作用：外骨骼可通過改變步寬這一關(guān)鍵參數(shù)，顯著影響 4 項(xiàng) ML 平衡指標(biāo) —— 外展模式下步寬擴(kuò)大，額狀面力矩、軀干搖擺幅度同步增加，平衡安全裕度（MoS）顯著提升；內(nèi)收模式下步寬縮小，各項(xiàng)指標(biāo)呈現(xiàn)相反變化。若受試者主動(dòng)抵抗扭矩以維持自然步寬，除內(nèi)收抵抗模式的額狀面力矩仍有波動(dòng)外，其余指標(biāo)無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，證實(shí) “主動(dòng)維持步寬穩(wěn)定” 是抵消外骨骼平衡干擾的核心機(jī)制。

研究存在明顯局限：樣本量?jī)H 3 人，作為初步探索性研究，結(jié)論暫不具備普適性，無法推廣至更廣泛人群。未來需優(yōu)先擴(kuò)大樣本量以提升結(jié)論可靠性，并聚焦三方面深入研究：一是探究外骨骼在步態(tài)支撐期、擺動(dòng)期等不同階段施加扭矩的差異化效應(yīng)；二是量化扭矩大小與平衡指標(biāo)的劑量關(guān)系，為參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)；三是拓展研究對(duì)象至截肢者、中風(fēng)患者等殘疾人群體，驗(yàn)證其臨床應(yīng)用價(jià)值。

在應(yīng)用層面，本研究為 ML 主動(dòng)式髖部外骨骼的控制器設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵支撐：針對(duì)老年人等需提升平衡安全性的群體，可施加適度外展扭矩，通過擴(kuò)大步寬、提升 MoS 降低跌倒風(fēng)險(xiǎn)；針對(duì)康復(fù)訓(xùn)練等需維持自然步態(tài)的場(chǎng)景，可優(yōu)化算法減少步寬干擾，或引導(dǎo)使用者主動(dòng)抵抗扭矩以保持自然步態(tài)。同時(shí)，研究證實(shí)的 “ML 扭矩 - 步寬 - 平衡指標(biāo)” 關(guān)聯(lián)，也為臨床評(píng)估外骨骼康復(fù)療效提供了量化指標(biāo)體系（如步寬變化率、MoS 提升幅度），可作為后續(xù)研究與臨床轉(zhuǎn)化的核心評(píng)估參數(shù)。

原文信息

Alili, V. Nalam, J. R. Tacca and H. H. Huang, "Exploring the Impact of Continuous Mediolateral Torque Application by Hip Exoskeleton on the Gait Balance of Non-Disabled Individuals," 2024 46th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), Orlando, FL, USA, 2024, pp. 1-4. 

研究團(tuán)隊(duì)

本文作者包括Abbas Alili、Varun Nalam、Joshua R. Tacca和He (Helen) Huang，其中Abbas Alili隸屬于美國(guó)北卡羅來納州立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系，Varun Nalam、Joshua R. Tacca與He (Helen) Huang均任職于美國(guó)北卡羅來納州立大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，同時(shí)關(guān)聯(lián)美國(guó)北卡羅來納大學(xué)教堂山分校。

關(guān)于維拓啟創(chuàng)

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