本研究由Paul van Geffen、Peter H. Veltink和Bart F. J. M. Koopman合作完成，三位作者分别来自University of Twente的生物力学工程实验室、生物医学信号与系统部门和生物力学工程实验室。该研究发表于 *Journal of Biomechanical Engineering*，文章于2008年12月23日在线发表，并刊载于2009年3月第131卷第3期。

这项研究属于生物力学工程与康复工程领域，重点关注轮椅使用者坐姿控制中的骨盆角度监测问题。无法自主改变体位的轮椅使用者常常长期处于被动坐姿，容易引发压力性溃疡、下背部损伤、呼吸功能障碍、腰椎活动受限和关节僵硬等问题。由于骨盆排列直接影响坐姿质量，能够同时调整并监测骨盆角度的系统对于自动坐姿控制具有重要意义。然而，现有的骨盆角度监测方法如X射线、测角器、三维皮肤标记反射法等存在皮肤伪影或实验室设备复杂等问题，难以实现实时反馈。因此，本研究旨在从理论分析和实验验证两个层面探讨是否能够从座椅支撑力中预测骨盆角度。

研究采用等效“二力构件”（equivalent “two-force member”）加载原理来估计骨盆角度，即认为骨盆方向与等效接触力的方向一致。在方法上，研究首先进行模型仿真。研究建立了一个简化的刚性人体坐姿模型，包括头部、躯干、骨盆和大腿四个身体节段，以及座椅和背部支撑两个支撑区域。模型假设手臂和下肢不产生关节力，各节段通过单自由度铰链连接，头部保持垂直，骨盆旋转轴位于坐骨结节下方。模型引入了腰椎的被动关节刚度，并以一名平均男性为对象进行静态平衡方程求解。仿真中骨盆角度（β）在15度至55度范围内变化，躯干角度固定为24度，大腿角度（γ1-4）分别设置为0度、12度、24度和36度。研究计算了接触力ft的方向（ψ）和等效接触力feq,t的方向（ψeq），并分别从f1、f2和feq,t的方向推导骨盆角度估计值（β̂），以分析髋关节力、骨盆质量和腰椎扭矩对角度估计的单独影响。研究还推导了仅补偿骨盆质量或仅补偿髋关节力时的接触力f1和f2的表达式。

在实验验证阶段，研究招募了六名健康受试者，平均体重为75.6±10.3 kg，平均身高为181±9 cm。实验使用了一台经过改装的IBIS XC舒适型轮椅，椅背包含两个独立部件，分别用于在腰胸段和胸段支撑躯干；座椅分为前部和后部，以分别支撑大腿和骨盆。座椅下安装了两个多轴力传感器（ATI Mini 45），用于独立测量骨盆和大腿下方的支撑力及压力中心。受试者骨盆、大腿和躯干上贴有反射标记，通过Vicon红外运动捕捉系统获取二维椅面配置和身体节段方向。实验方案包括五次试验，每次试验对应不同的整体倾斜角度（分别为0度、5度、10度、15度和20度），并在每个倾斜角度下逐步调整腰胸支撑位置，使受试者从骨盆最大前倾和腰椎最大前凸状态过渡到最大后倾状态。试验过程中要求受试者双臂交叉、保持头部垂直并尽量被动放松。每次支撑调整后保持静态体位2分钟，数据采集仅在最后60秒进行。数据分析中，研究计算了骨盆角β、背靠角θ、大腿角γ和座椅角δ，以及腰椎关节净力和净扭矩，并将接触力方向ψ和等效接触力方向ψeq与实际骨盆角进行比较。

模型仿真结果显示，仅从接触力ft的方向无法直接估计骨盆角，因为ψ与恒等线之间存在较大差异。从f1的方向来看，大腿角度变化引起的髋关节力变化造成了偏移量的差异。从f2的方向来看，骨盆质量的影响表现为斜率上的较小偏差。而从等效接触力feq,t的方向来看，当腰椎扭矩为零时，恒等线与ψeq重合，此时骨盆角可以直接从ψeq预测。这表明腰椎扭矩是影响骨盆角估计的关键因素，而髋关节力和骨盆质量也需要通过适当补偿来减小误差。

然而，实验结果显示，无论是从ft的方向还是从feq,t的方向，实际骨盆角与预测骨盆角之间都没有清晰的关系。研究认为，健康受试者在所有坐姿条件下都产生了显著的腰椎扭矩，即使被要求放松并尽量减少肌肉活动，他们仍可能主动使用骨盆肌肉来调节腰椎负荷，以应对腰椎不适或疼痛。此外，模型没有考虑臀部组织变形和其他骨盆结构的特性，这些因素也可能影响预测准确性。

研究最终得出结论：在所描述的实验坐姿条件下，无法在健康个体中从座椅支撑力估计骨盆角度。研究的理论和实验工作表明，骨盆质量、髋关节力和腰椎扭矩对骨盆角度的预测有显著影响，其中腰椎扭矩的存在直接破坏了等效接触力方向与骨盆角之间的一致性。该研究的意义在于为坐姿控制中骨盆角度的非侵入式实时监测提供了一种力学原理上的探索，并揭示了该方法在临床应用中需要克服的关键限制。研究的亮点包括：提出了基于等效二力构件加载的骨盆角度估计方法，开发了可独立测量骨盆和大腿支撑力的仪器化轮椅，并通过模型仿真明确区分了髋关节力、骨盆质量和腰椎扭矩对估计误差的贡献。此外，研究还指出，针对功能障碍人群在不同坐姿条件下的进一步验证，以及考虑臀部组织特性和骨盆肌肉收缩的模型改进，可能改变目前关于该方法可行性的判断。致谢部分说明该研究由荷兰经济事务部SenterNovem部分资助，并感谢Bert Faber和Mireille Florijn的贡献。