文献解读：髋部外骨骼如何通过步宽调控影响ML平衡
2026-02-24 来源:本站 点击次数:44
髋部外骨骼如何通过步宽调控影响 ML 平衡？
引言
人类行走时需持续控制内外侧（ML）与前后侧（AP）方向的平衡，其中 ML 方向需更主动的运动控制以避免失衡（如跌倒）。健康人群通常通过 “髋部策略”（调节躯干运动）和 “步宽调制” 维持 ML 步态平衡，但传感器运动整合受损或髋部肌肉力量下降人群（如老年人、截肢者、中风患者）的 ML 平衡能力常显著减弱，易引发跌倒风险。
此前研究已证实，内外侧主动式髋部外骨骼可调节健康人的步态，但尚未有研究明确其对额状面步态平衡的影响。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续 ML 扭矩对健康人 ML 步态平衡的作用，为后续残疾人外骨骼控制器设计提供依据。研究核心结论如下：髋部外骨骼施加的持续外展/内收扭矩，可通过显著改变步宽，进而影响健康人群额状面步态平衡相关指标（包括步宽、额状面净外力矩、躯干摇摆幅度及稳定裕度）；值得注意的是，若受试者主动抵抗外骨骼施加的扭矩以维持原有步宽，则上述各项平衡指标的变化幅度会显著降低。
额状面净外力矩：是作用于人体的所有外力（地面反作用力、重力等）对身体质心（CoM）产生的 “左右方向旋转力矩的矢量和”； 若没有身体肌肉的主动对抗，这个力矩会直接导致身体向一侧失衡跌倒 —— 因此，净外力矩的大小和变化，本质是 “平衡环境对身体的扰动强度” 与 “身体对抗扰动的调节效果” 的综合体现。
稳定裕度（MoS）：是人体质心（Center of Mass, CoM）的 “外推质心”（Extrapolated Center of Mass, XCoM）与支撑面边界之间的距离。行走时，人体的支撑面是 “当前着地的脚”（单腿支撑期）或 “双脚与地面接触的区域”（双腿支撑期）；MoS 越大，说明质心离支撑面边缘越远，失衡跌倒的风险越低；MoS 越小（或为负），说明质心接近 / 超出支撑面边界，平衡濒临崩溃，易发生跌倒。
外推质心：并不是实际存在的解剖结构，而是结合质心位置和质心速度计算的 “等效质心”。
支撑面边界：对于ML方向，支撑面边界是 “当前支撑脚的内侧 / 外侧边缘”（单腿支撑期）或 “双脚内侧与外侧边缘构成的范围”（双腿支撑期）。
步宽：指人体行走时，双脚在额状面（左右方向）上的水平距离—— 具体为 “一侧脚脚跟落地瞬间，左右两脚脚跟在内外侧方向的垂直距离”（即左右脚跟标记点在 ML 方向的直线距离）。
研究方法
本研究共纳入3名神经功能完整的健康成人（2名男性、1名女性）。实验核心设备采用2自由度（2-DOF）的内外侧（ML）主动式髋部外骨骼，该设备搭载编码器以实时测量髋部外展/内收角度，并配置力传感器精准采集人机交互扭矩；同时结合12相机运动捕捉系统（采样频率100Hz）获取人体运动学数据，搭配仪器化跑步机（采样频率1000Hz）同步采集地面反作用力（GRF），形成“外骨骼干预-运动学监测-力学数据采集”的完整实验体系。
本研究设置了5种步态测试条件，所有条件均采用随机顺序开展，每种条件单次测试时长为2分钟，且重复进行2次，具体条件如下：
1）零阻抗模式（Zero Impedance, ZI）：外骨骼不施加额外扭矩，全程模拟人体自然步态状态；
2）外展模式（Abduction）：外骨骼向受试者髋部施加持续外展扭矩；
3）内收模式（Adduction）：外骨骼向受试者髋部施加持续内收扭矩；
4）外展抵抗模式（Abduction w/ Res.）：外骨骼施加外展扭矩，受试者主动抵抗该扭矩以维持自身自然步宽；
5）内收抵抗模式（Adduction w/ Res.）：外骨骼施加内收扭矩，受试者主动抵抗该扭矩以维持自身自然步宽。
数据处理阶段，采用4阶巴特沃斯低通滤波器对原始数据进行降噪处理，其中运动学数据的滤波频率设为10Hz，地面反作用力（GRF）数据的滤波频率设为25Hz；随后通过8段逆动力学模型，对步宽、额状面净外力矩、额状面躯干摇摆及稳定裕度（MoS）四项核心平衡指标进行量化分析。
主要结果
步宽：外骨骼扭矩直接调控步宽，抵抗行为可抵消该效应
如图 2所示，与 ZI 模式相比，外展模式下受试者步宽平均增加 8.8cm（p<0.05），内收模式下平均减少 5.4cm（p<0.05）；而外展抵抗、内收抵抗模式下，受试者步宽与 ZI 模式无显著差异（p>0.05），证实健康人可通过主动抵抗扭矩维持自然步宽。
额状面净外力矩：步宽变化与抵抗行为均影响力矩方向
额状面净外力矩结果显示（图 3）：与 ZI 模式相比，内收模式力矩显著降低（-0.0231Nm/kg，p<0.05），外展模式显著升高（0.0947Nm/kg，p<0.05），内收抵抗模式亦显著升高（0.0186Nm/kg，p<0.05），外展抵抗模式无显著差异（p>0.05）。这提示：内收扭矩即使被抵抗，仍可能通过躯干传递引发力矩变化，而外展抵抗可完全抵消扭矩对力矩的影响。
躯干摇摆：仅步宽变化引发显著躯干位移
以 C7 颈椎标志物的额状面位移衡量躯干摇摆（图 4），线性混合效应模型（LMEM）分析显示（表 1）：外展模式下躯干最大摇摆较 ZI 模式增加 4.8cm（p=0.000042），内收模式减少 1.8cm（p=0.0175）；而两种抵抗模式下，躯干摇摆与 ZI 模式无显著差异（p>0.05）。这一结果与临床观察一致 —— 截肢患者因步宽控制异常常伴随夸张躯干摇摆，提示外骨骼若能精准调控步宽，或可改善此类人群的躯干稳定性。
表 1. 与 ZI 模式相比，其他步行模式下最大躯干位移的统计数据
稳定裕度：步宽扩大提升稳定裕度，缩小则降低
稳定裕度（MoS，衡量失衡前的 “安全冗余度”）结果显示（图 5）：外展模式 MoS 较 ZI 模式增加 1.6 cm（p<0.05），内收模式减少0.9 cm（p<0.05），两种抵抗模式无显著差异（p>0.05）。这进一步证实：步宽是 ML 平衡的关键调控因子，外骨骼通过改变步宽可直接影响平衡安全冗余。MoS 越大，失衡跌倒的风险越低。
结论与展望
本研究通过对 3 名健康受试者的初步探索，明确了髋部外骨骼持续额状面（ML）扭矩对步态平衡的调控作用：外骨骼可通过改变步宽这一关键参数，显著影响 4 项 ML 平衡指标 —— 外展模式下步宽扩大，额状面力矩、躯干摇摆幅度同步增加，平衡安全裕度（MoS）显著提升；内收模式下步宽缩小，各项指标呈现相反变化。若受试者主动抵抗扭矩以维持自然步宽，除内收抵抗模式的额状面力矩仍有波动外，其余指标无统计学差异，证实 “主动维持步宽稳定” 是抵消外骨骼平衡干扰的核心机制。
研究存在明显局限：样本量仅 3 人，作为初步探索性研究，结论暂不具备普适性，无法推广至更广泛人群。未来需优先扩大样本量以提升结论可靠性，并聚焦三方面深入研究：一是探究外骨骼在步态支撑期、摆动期等不同阶段施加扭矩的差异化效应；二是量化扭矩大小与平衡指标的剂量关系，为参数优化提供依据；三是拓展研究对象至截肢者、中风患者等残疾人群体，验证其临床应用价值。
在应用层面，本研究为 ML 主动式髋部外骨骼的控制器设计提供了关键支撑：针对老年人等需提升平衡安全性的群体，可施加适度外展扭矩，通过扩大步宽、提升 MoS 降低跌倒风险；针对康复训练等需维持自然步态的场景，可优化算法减少步宽干扰，或引导使用者主动抵抗扭矩以保持自然步态。同时，研究证实的 “ML 扭矩 - 步宽 - 平衡指标” 关联，也为临床评估外骨骼康复疗效提供了量化指标体系（如步宽变化率、MoS 提升幅度），可作为后续研究与临床转化的核心评估参数。
原文信息链接
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.
doi: 10.1109/EMBC53108.2024.10781824.
研究团队
本文作者包括Abbas Alili、Varun Nalam、Joshua R. Tacca和He (Helen) Huang，其中Abbas Alili隶属于美国北卡罗来纳州立大学电气与计算机工程系，Varun Nalam、Joshua R. Tacca与He (Helen) Huang均任职于美国北卡罗来纳州立大学生物医学工程系，同时关联美国北卡罗来纳大学教堂山分校。
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引言
人类行走时需持续控制内外侧（ML）与前后侧（AP）方向的平衡，其中 ML 方向需更主动的运动控制以避免失衡（如跌倒）。健康人群通常通过 “髋部策略”（调节躯干运动）和 “步宽调制” 维持 ML 步态平衡，但传感器运动整合受损或髋部肌肉力量下降人群（如老年人、截肢者、中风患者）的 ML 平衡能力常显著减弱，易引发跌倒风险。
躯体方向
此前研究已证实，内外侧主动式髋部外骨骼可调节健康人的步态，但尚未有研究明确其对额状面步态平衡的影响。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续 ML 扭矩对健康人 ML 步态平衡的作用，为后续残疾人外骨骼控制器设计提供依据。研究核心结论如下：髋部外骨骼施加的持续外展/内收扭矩，可通过显著改变步宽，进而影响健康人群额状面步态平衡相关指标（包括步宽、额状面净外力矩、躯干摇摆幅度及稳定裕度）；值得注意的是，若受试者主动抵抗外骨骼施加的扭矩以维持原有步宽，则上述各项平衡指标的变化幅度会显著降低。
文章信息
额状面净外力矩：是作用于人体的所有外力（地面反作用力、重力等）对身体质心（CoM）产生的 “左右方向旋转力矩的矢量和”； 若没有身体肌肉的主动对抗，这个力矩会直接导致身体向一侧失衡跌倒 —— 因此，净外力矩的大小和变化，本质是 “平衡环境对身体的扰动强度” 与 “身体对抗扰动的调节效果” 的综合体现。
稳定裕度（MoS）：是人体质心（Center of Mass, CoM）的 “外推质心”（Extrapolated Center of Mass, XCoM）与支撑面边界之间的距离。行走时，人体的支撑面是 “当前着地的脚”（单腿支撑期）或 “双脚与地面接触的区域”（双腿支撑期）；MoS 越大，说明质心离支撑面边缘越远，失衡跌倒的风险越低；MoS 越小（或为负），说明质心接近 / 超出支撑面边界，平衡濒临崩溃，易发生跌倒。
外推质心：并不是实际存在的解剖结构，而是结合质心位置和质心速度计算的 “等效质心”。
支撑面边界：对于ML方向，支撑面边界是 “当前支撑脚的内侧 / 外侧边缘”（单腿支撑期）或 “双脚内侧与外侧边缘构成的范围”（双腿支撑期）。
步宽：指人体行走时，双脚在额状面（左右方向）上的水平距离—— 具体为 “一侧脚脚跟落地瞬间，左右两脚脚跟在内外侧方向的垂直距离”（即左右脚跟标记点在 ML 方向的直线距离）。
髋关节动作
研究方法
本研究共纳入3名神经功能完整的健康成人（2名男性、1名女性）。实验核心设备采用2自由度（2-DOF）的内外侧（ML）主动式髋部外骨骼，该设备搭载编码器以实时测量髋部外展/内收角度，并配置力传感器精准采集人机交互扭矩；同时结合12相机运动捕捉系统（采样频率100Hz）获取人体运动学数据，搭配仪器化跑步机（采样频率1000Hz）同步采集地面反作用力（GRF），形成“外骨骼干预-运动学监测-力学数据采集”的完整实验体系。
本研究设置了5种步态测试条件，所有条件均采用随机顺序开展，每种条件单次测试时长为2分钟，且重复进行2次，具体条件如下：
1）零阻抗模式（Zero Impedance, ZI）：外骨骼不施加额外扭矩，全程模拟人体自然步态状态；
2）外展模式（Abduction）：外骨骼向受试者髋部施加持续外展扭矩；
3）内收模式（Adduction）：外骨骼向受试者髋部施加持续内收扭矩；
4）外展抵抗模式（Abduction w/ Res.）：外骨骼施加外展扭矩，受试者主动抵抗该扭矩以维持自身自然步宽；
5）内收抵抗模式（Adduction w/ Res.）：外骨骼施加内收扭矩，受试者主动抵抗该扭矩以维持自身自然步宽。
数据处理阶段，采用4阶巴特沃斯低通滤波器对原始数据进行降噪处理，其中运动学数据的滤波频率设为10Hz，地面反作用力（GRF）数据的滤波频率设为25Hz；随后通过8段逆动力学模型，对步宽、额状面净外力矩、额状面躯干摇摆及稳定裕度（MoS）四项核心平衡指标进行量化分析。
图 1. 基于导纳控制架构，在髋关节屈伸循环中施加外展 / 内收力矩时的内外侧髋关节外骨骼扭矩
主要结果
步宽：外骨骼扭矩直接调控步宽，抵抗行为可抵消该效应
如图 2所示，与 ZI 模式相比，外展模式下受试者步宽平均增加 8.8cm（p<0.05），内收模式下平均减少 5.4cm（p<0.05）；而外展抵抗、内收抵抗模式下，受试者步宽与 ZI 模式无显著差异（p>0.05），证实健康人可通过主动抵抗扭矩维持自然步宽。
图2. 箱线图展示了在五种不同步行模式下，髋关节外骨骼扭矩对步宽的影响。Add.: 内收，Add.w/Res: 内收抵抗，Abd.:外展，Abd.w/Res：外展抵抗，No Assist: 零阻抗模式(ZI)
*: p < .05额状面净外力矩：步宽变化与抵抗行为均影响力矩方向
额状面净外力矩结果显示（图 3）：与 ZI 模式相比，内收模式力矩显著降低（-0.0231Nm/kg，p<0.05），外展模式显著升高（0.0947Nm/kg，p<0.05），内收抵抗模式亦显著升高（0.0186Nm/kg，p<0.05），外展抵抗模式无显著差异（p>0.05）。这提示：内收扭矩即使被抵抗，仍可能通过躯干传递引发力矩变化，而外展抵抗可完全抵消扭矩对力矩的影响。
图 3. 柱状图描绘了五种步行模式下额状面净外部力矩的变化。Add.: 内收，Add.w/Res: 内收抵抗，Abd.:外展，Abd.w/Res：外展抵抗，No Assist: 零阻抗模式(ZI)，*: p < .05
躯干摇摆：仅步宽变化引发显著躯干位移
以 C7 颈椎标志物的额状面位移衡量躯干摇摆（图 4），线性混合效应模型（LMEM）分析显示（表 1）：外展模式下躯干最大摇摆较 ZI 模式增加 4.8cm（p=0.000042），内收模式减少 1.8cm（p=0.0175）；而两种抵抗模式下，躯干摇摆与 ZI 模式无显著差异（p>0.05）。这一结果与临床观察一致 —— 截肢患者因步宽控制异常常伴随夸张躯干摇摆，提示外骨骼若能精准调控步宽，或可改善此类人群的躯干稳定性。
图 4. 髋关节外骨骼使用者的平均躯干摇摆情况，由五种步行模式下 C7 标记点在额状面的位移来表示
表 1. 与 ZI 模式相比，其他步行模式下最大躯干位移的统计数据
加粗值表示 P ≤ 0.05
稳定裕度：步宽扩大提升稳定裕度，缩小则降低
稳定裕度（MoS，衡量失衡前的 “安全冗余度”）结果显示（图 5）：外展模式 MoS 较 ZI 模式增加 1.6 cm（p<0.05），内收模式减少0.9 cm（p<0.05），两种抵抗模式无显著差异（p>0.05）。这进一步证实：步宽是 ML 平衡的关键调控因子，外骨骼通过改变步宽可直接影响平衡安全冗余。MoS 越大，失衡跌倒的风险越低。
图 5. 参与者的稳定性裕度（Mos）反应示意图。Add.: 内收，Add.w/Res: 内收抵抗，Abd.:外展，Abd.w/Res：外展抵抗，Zero Imp: 零阻抗模式(ZI)，*: p < .05
结论与展望
本研究通过对 3 名健康受试者的初步探索，明确了髋部外骨骼持续额状面（ML）扭矩对步态平衡的调控作用：外骨骼可通过改变步宽这一关键参数，显著影响 4 项 ML 平衡指标 —— 外展模式下步宽扩大，额状面力矩、躯干摇摆幅度同步增加，平衡安全裕度（MoS）显著提升；内收模式下步宽缩小，各项指标呈现相反变化。若受试者主动抵抗扭矩以维持自然步宽，除内收抵抗模式的额状面力矩仍有波动外，其余指标无统计学差异，证实 “主动维持步宽稳定” 是抵消外骨骼平衡干扰的核心机制。
研究存在明显局限：样本量仅 3 人，作为初步探索性研究，结论暂不具备普适性，无法推广至更广泛人群。未来需优先扩大样本量以提升结论可靠性，并聚焦三方面深入研究：一是探究外骨骼在步态支撑期、摆动期等不同阶段施加扭矩的差异化效应；二是量化扭矩大小与平衡指标的剂量关系，为参数优化提供依据；三是拓展研究对象至截肢者、中风患者等残疾人群体，验证其临床应用价值。
在应用层面，本研究为 ML 主动式髋部外骨骼的控制器设计提供了关键支撑：针对老年人等需提升平衡安全性的群体，可施加适度外展扭矩，通过扩大步宽、提升 MoS 降低跌倒风险；针对康复训练等需维持自然步态的场景，可优化算法减少步宽干扰，或引导使用者主动抵抗扭矩以保持自然步态。同时，研究证实的 “ML 扭矩 - 步宽 - 平衡指标” 关联，也为临床评估外骨骼康复疗效提供了量化指标体系（如步宽变化率、MoS 提升幅度），可作为后续研究与临床转化的核心评估参数。
原文信息链接
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.
doi: 10.1109/EMBC53108.2024.10781824.
研究团队
本文作者包括Abbas Alili、Varun Nalam、Joshua R. Tacca和He (Helen) Huang，其中Abbas Alili隶属于美国北卡罗来纳州立大学电气与计算机工程系，Varun Nalam、Joshua R. Tacca与He (Helen) Huang均任职于美国北卡罗来纳州立大学生物医学工程系，同时关联美国北卡罗来纳大学教堂山分校。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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