本研究由Jacquelyn R. Brokamp、Ryan S. Pollard、Iván E. Nail-Ulloa、Jacob S. Larson及Michael E. Zabala等人完成，主要作者来自奥本大学机械工程系及XO Armor Technologies公司。该研究发表于Journal of Biomechanics第206卷（2026年），文章编号113507，于2026年7月30日被接收，7月31日在线发表。
踝足矫形器（ankle-foot orthoses，AFOs）广泛用于改善神经肌肉及骨骼肌肉损伤患者的步态功能，但至今缺乏标准化的力学性能表征方案，尤其是疲劳寿命（fatigue life）的测试方法。尽管角偏转（angular deflection）已被确定为AFO力学测试的关键边界条件，但决定AFO在体内（in vivo）变形的生物力学因素仍不清楚。本研究旨在表征健康成人在行走及日常活动（activities of daily living，ADLs）中AFO角偏转与踝关节功率（ankle-joint power）的关系，探究用户-器械交互如何影响矫形器变形，从而为生理相关的疲劳测试条件提供依据。研究者假设：步行推进期（push-off）更大的踝关节功率生成与AFO更大的跖屈（plantarflexion）偏转相关。
研究招募了9名健康成年人（4男5女，年龄27.9±13.2岁，身高169.4±15.3 cm，体重85.9±29.4 kg），均无下肢损伤史。研究方案经奥本大学机构审查委员会批准，所有参与者签署知情同意书。样本量敏感性分析显示，在α=0.05、统计功效0.80的条件下，该样本量可检测到较大的效应量（dz=1.07）。
研究分为两个阶段。第一天进行人体测量学数据采集，随机选取一侧下肢进行3D扫描，使用XO Armor® 3D扫描技术获取足底和小腿后侧点云数据，踝关节保持在解剖中立位。基于扫描数据，采用XO-Austere标准设计制造定制化刚性3D打印AFO——该装置为无机械踝关节的一体打印结构，厚度3 mm，采用熔融沉积成型（fused-deposition modeling）和聚乳酸（polylactic acid）材料（弹性模量3580 MPa）制成。踝部修剪线位于踝骨后方，足板从跟骨延伸至跖骨头，近端修剪线位于腓骨头远端约3.8 cm处。该设计在既往研究中的体内AFO-踝复合体准刚度范围为4.98至15.31 Nm/deg。
第二天进行生物力学测试。参与者在有AFO和无AFO两种条件下完成三次约五米的水平地面行走试验，采用自选步速，并在佩戴AFO时完成坐站转换（sit-to-stand）、站坐转换（stand-to-sit）及上楼梯（stair ascent）各三次随机顺序试验。采用10摄像头Vicon运动捕捉系统（采样频率100 Hz）采集79个反光标记点轨迹，两台AMTI测力台（采样频率1000 Hz）采集地面反作用力。为考虑AFO与小腿之间可能的分离，在AFO后壳添加了三个额外标记点。在Visual3D中进行四阶巴特沃斯双向低通滤波（运动学数据截止频率6 Hz，动力学数据15 Hz），建立了无AFO和含AFO两个生物力学模型。AFO角偏转通过AFO节段相对于足部的运动计算，并以静态标定试验为解剖中立位参考。踝关节功率通过逆向动力学（inverse dynamics）分析获得，并按体重×身高标准化。
关键事件的提取包括：对照组步行中的最大跖屈角和最大功率生成；AFO步行中承重反应期（loading response）最大跖屈、足尖离地（toe-off）时跖屈、承重反应期最大功率吸收和推进期最大功率生成；坐站转换中离心期最大背屈和最大功率吸收、向心期最大跖屈和最大功率生成；站坐转换中最大背屈和最大功率吸收；上楼梯中最大背屈和最大功率生成。功率值按公式进行标准化以消除体型差异影响。统计分析采用重复测量方差分析和Holm校正配对t检验比较不同活动的AFO偏转差异，采用Pearson相关分析检验功率与偏转之间的关系，并进行重复测量相关分析检验个体内效应。
行走产生最大AFO形变。 重复测量方差分析显示，活动类型对最大跖屈偏转有显著主效应（F(3,24)=44.15，p<0.001，η²p=0.38）。Holm校正事后比较表明，行走产生的最大跖屈角显著大于坐站转换、站坐转换和上楼梯（图5a）。然而，最大背屈偏转在不同活动中无显著差异（F(3,24)=2.91，p=0.055，η²p=0.06；图5b）。表1显示，行走时AFO承重反应期平均最大跖屈为−5.64±2.72度，足尖离地时平均最大跖屈为−0.62±3.72度，而对照组最大跖屈为−18.41±5.77度。这些结果表明步行承载了最极端的变形幅度，为疲劳测试采用步态导出变形曲线提供了依据。
AFO显著降低踝关节功率生成和最大跖屈。 与无AFO对照组相比，佩戴AFO行走显著降低了标准化最大功率生成（p<0.001，Cohen’s d=2.26）和最大跖屈角（p<0.001，Cohen’s d=2.83）。这一结果与既往研究一致，表明刚性AFO增加了踝关节复合刚度，限制了关节活动范围和角速度，从而减少推进期的功率输出。
最大跖屈在AFO步行中发生相移。 在AFO辅助行走中，承重反应期最大跖屈（θ^lr^_pf,max）显著大于足尖离地时跖屈（θ^to^_pf,max）（p<0.001，Cohen’s d=1.54；图6）。这与正常步态中最大跖屈发生在足尖离地附近的预期模式不同，提示刚性AFO改变了峰值变形的时序，使变形峰值提前至承重反应期。虽然该研究未明确报道，但研究者指出在其他临床人群的AFOi步态分析中也可见类似的模式。
承重反应期功率吸收与最大跖屈无显著相关。 Pearson相关分析显示，承重反应期最大功率吸收与同期最大跖屈偏转之间无显著线性关系（r=0.17，95% CI [-0.56, 0.75]，p=0.665；图7）。这一发现表明，早期站立相的AFO变形不能仅由离心负荷需求解释，而是可能受到多种因素的共同影响。结合既往研究关于AFO刚度与人体测量学参数对最大跖屈无显著影响的结果，承重反应期变形可能是撞击相关机制主导的多因素过程。
推进期功率生成与足尖离地跖屈偏转显著相关。 与假设一致，足尖离地时最大跖屈与推进期最大功率生成之间存在显著正相关（r=0.75，95% CI [0.17, 0.94]，p=0.020；图8）。由于踝关节功率已按体重×身高标准化，该相关性不太可能仅由个体体型差异解释。重复测量相关分析进一步证实了这种耦合在个体内跨试验中持续存在（r=0.60，95% CI [0.2, 0.83]，p=0.007），表明踝关节功率生成是晚期站立相矫形器变形的关键力学贡献因素。
本研究通过对9名健康成人佩戴刚性定制3D打印AFO进行多种日常活动的运动捕捉分析，首次系统性地表征了AFO角偏转与踝关节功率之间的关系。研究核心发现包括：步行在所有测试活动中产生最大的AFO形变，支持使用步态导出变形曲线作为疲劳测试的保守边界条件；刚性AFO步行中最大跖屈发生相移至承重反应期，提示峰值变形可能与早期站立相撞击机制相关而非推进期功率；推进期功率生成与足尖离地跖屈正相关，而承重反应期功率吸收与同期变形无显著相关。
这些发现对AFO疲劳测试方案的设计具有重要意义。对于刚性AFO，疲劳测试协议应重点模拟承重反应期的冲击驱动加载曲线；而对于允许更大活动范围或提供被动推进辅助的设计，最大跖屈可能发生在站立后期，此时功率生成与变形的关系更为密切。因此，单一标准化疲劳协议可能无法全面反映所有AFO类型的负荷需求，疲劳边界条件应依据最大跖屈发生的时相确定。将步态导出、受试者特异性的变形曲线纳入台架测试（benchtop）和计算框架，可提高角偏转边界条件对刚性AFO疲劳测试的生理相关性。
本研究的科学价值在于揭示了用户-器械交互对矫形器变形的复杂影响机制，特别是发现了刚性AFO步行中峰值变形时相的意外偏移，挑战了将推进期功率作为疲劳测试位移边界条件主要驱动因素的假设。其应用价值在于为3D打印定制AFO的力学表征和疲劳寿命评估提供了具体的边界条件建议，对推动增材制造AFO从实验室走向临床应用具有直接的工程指导意义。
本研究的突出之处在于：（1）首次在健康人群中系统性地将踝关节功率与时相特异的AFO角偏转关联分析，发现了最大跖屈从足尖离地向承重反应期的相移现象；（2）同时考察了多种日常活动，确定了步行作为疲劳测试保守边界条件的合理性；（3）通过个体间和个体内重复测量相关分析双重验证了功率-变形关系，增强了结论的稳健性；（4）针对刚性3D打印AFO这一增材制造新兴领域提供了急需的力学表征数据。
研究者坦诚指出研究的若干局限性。首先，小样本量限制了对较小效应量的检测能力，相关分析结果的普适性需谨慎解读。其次，仅纳入健康个体，其典型足跟触地模式可能夸大了承重反应期变形，而临床人群中常见的扁平足或前足初始接触模式可能导致不同的变形曲线，因此研究结果在临床人群中的适用性需进一步验证。此外，踝关节功率通过逆向动力学计算，反映的是关节水平而非材料层面的负荷，未来可结合肌电图或个性化肌肉骨骼模型深入探究神经肌肉对矫形器变形的贡献。最后，研究仅针对刚性3D打印AFO，结果可能不适用于后侧板簧等其他设计类型。未来研究应整合步态力学、有限元建模和数据驱动优化，以增强定制AFO的性能和耐久性评估。