国内外足踝步态模拟机的研究现状进展

足踝作为人体重要承重部分，先天性和后天性疾病较多，如拇外翻畸形，踝关节扭伤等，一旦生物力学偏离正常，则疾病呈进行性发展。由于足踝结构复杂，众多关节肌肉之间相互作用，目前虽然疾病的治疗方案众多，但是缺乏生物力学等基础理论支持。目前足踝基础研究方法主要有活体，数学建模和尸体研究。而开发足踝步态模拟机，结合尸体标本模拟人体步态走行方式，可以允许很多在活体上无法开展的侵入性研究方法，如在足部小骨块上打入钢针测量步态周期中小关节的运动，通过疲劳试验比较手术方案的优劣等，也克服了数学建模简化结构的缺点。本文总结国内外步态模拟机的研究现状，比较各大试验室的模拟方法，总结目前尚未突破的技术，推进步态模拟机的进一步研究改进。

步态模拟机的模拟要求：1.胫骨和足部整体的运动方式与活体相一致；2.足部跖侧三个方向的地面反作用力输出形状与真人一致，并且重复性好；3.测力板测得的压力中心和足底压力分布转移过程需要与实际步态吻合；4.胫骨的六自由度控制；5.地面反作用力和加载的肌腱力大小应与尸体体重相符合；6.整个步态时间要达到真人的0.6-0.7s。目前世界上步态模拟机的构建主要有两种方法，一是通过控制胫骨的运动和足部肌腱加载来模拟足部运动，而地面保持不动；另一种是足部接触的地面可以运动，以达到模拟要求。目前的步态模拟机几乎都可以达到前三项要求，有部分实验室可以达到第四项要求，最快的美国华盛顿大学通过控制测力板运动可以达到步态时间2.7s，且模拟性好，但是地面反作用力过小仍然有待解决。另一个始终困扰研究者的问题是肌腱加载力，由于目前实验采用的数据多是从活体EMG上分析得来，而EMG与相应肌力的大小关系无从得知，研究者只能根据地面反作用力的大小来调整肌腱力以达到模拟要求，因此在加载时有很大的主观随意性，虽然一些实验室通过闭环控制反馈系统予以改进，但是这会很大程度延长步态时间，而且也不具有直观性。另一个模拟难题是模拟机为了保证足踝以下结构完好，只对踝关节以上的9根肌腱加载，而踝关节以下的肌肉则处于无控制状态，并且外部肌腱加载时没有将肌腱分成9束加载，而是将邻近位置肌腱共同加载（如腓骨长肌和腓骨短肌）可能会导致实验结果误差，这也是模拟的缺陷所在。目前世界上领先的模拟机的形态学和地面反作用力模拟数据已经接近真人，已经可以对足部生物力学基础研究提供支持，未来步态模拟机将进一步加快步态速度，加大胫骨加载和肌腱拉力来消除速度和力量对模拟的影响，进一步控制足内部肌肉和分束加载肌腱提高模拟精度。