这是一项关于膝关节矫形器在步行中产生的膝外翻矫正力矩的原创性研究。

本研究的主要作者为Kosuke Nakano，其隶属机构包括产业能率大学信息管理学院、东洋大学人类生活设计学部以及日本 Polytechnic University 福祉工学单元。其他作者包括Yasuhiro Mine、Junji Katsuhira、Kantaro Yamauchi、Masateru Kitashiro和So Nomoto，分别来自东洋大学福祉社会设计学部及Keiyu骨科集团。该研究发表于期刊《PLOS ONE》，文章于2026年8月26日正式刊出，DOI为10.1371/journal.pone.0337870。

这项研究属于生物力学与康复工程领域，聚焦于内侧膝关节骨性关节炎（medial knee osteoarthritis，简称内侧膝OA）患者的矫形器干预效果。膝OA是一种进行性退行性疾病，异常力学负荷被认为是疾病发生和进展的主要驱动因素。临床中常用膝关节矫形器来降低步行时的外部膝关节内收力矩（external knee adduction moment，简称EKAM）。然而，以往大多数研究仅通过逆向动力学方法比较使用矫形器与不使用矫形器时的EKAM变化，并未直接量化矫形器在步行过程中实际产生的膝外翻矫正力矩，也未能阐明该力矩与EKAM之间的直接关系。此外，现有研究未能充分探讨矫形器结构参数——尤其是内侧支柱长度——对矫正力矩及EKAM的影响机制。因此，本研究旨在利用集成于矫形器中的六轴力传感器直接量化步行中产生的膝外翻矫正力矩，并通过仅改变内侧小腿支柱长度来评估该结构参数对矫正力矩及EKAM的影响，从而揭示矫形器设计实现力学卸载的生物力学机制。

研究采用了实验室内的重复测量实验设计，在东洋大学运动分析实验室完成，并获得了伦理委员会批准。受试者为16例左侧内侧膝OA患者，其中男性7例、女性9例，Kellgren–Lawrence分级为II级或III级。所有受试者的对侧右膝均经影像学确认正常。研究在一款中心桥式膝关节矫形器（center bridge-type knee orthosis）中集成了一个六轴力传感器（Leptrino公司生产），该传感器安装于矫形器的外侧刚性关节部位，用于直接测量步行中大腿与小腿之间传递的相对力和内翻-外翻力矩。数据采集使用7台红外摄像机（Vicon MX T系列，采样频率960 Hz）和3块测力台（AMTI），同步获取三维运动学数据和地面反作用力。每位受试者在三种随机顺序条件下完成步行测试：不使用矫形器、使用152 mm内侧小腿支柱矫形器、使用192 mm内侧小腿支柱矫形器。每种条件进行4次步行试验，每位受试者共进行12次试验。测试前允许受试者进行5分钟步行熟悉期。运动学与动力学数据在Visual3D软件中处理，原始标记数据使用6 Hz低通Butterworth滤波器滤波，地面反作用力和六轴力传感器数据使用15 Hz低通滤波器滤波。步态数据按支撑期时间归一化至100%，并根据垂直地面反作用力将支撑期细分为承重反应期、站立中期与末期以及预摆动期。EKAM和矫正力矩均按受试者体重进行标准化，并计算各亚期的积分值。统计分析方面，由于部分变量不满足正态性假设，采用了非参数检验方法：步速、步幅及EKAM在三种条件下的比较采用Friedman检验，事后比较采用Conover检验并进行Holm校正；152 mm与192 mm矫形器矫正力矩的直接比较采用Wilcoxon符号秩检验；矫正力矩与EKAM的关系采用Spearman秩相关分析，并通过Bootstrap法计算95%置信区间，还进行了留一法敏感性分析。

研究结果显示，在步态表现方面，不佩戴矫形器时的平均步速为1.09±0.16 m/s，佩戴152 mm支柱矫形器时为1.10±0.12 m/s，佩戴192 mm支柱矫形器时为1.07±0.13 m/s。192 mm矫形器条件下的步速显著低于152 mm矫形器条件（p<0.05），而步幅在三种条件下无显著差异。在EKAM方面，承重反应期的EKAM在不使用矫形器时为0.022±0.012 Nm·s/kg，使用152 mm支柱矫形器时显著降低至0.019±0.013 Nm·s/kg（p<0.01），使用192 mm支柱矫形器时进一步降低至0.015±0.011 Nm·s/kg，且显著低于不使用矫形器及152 mm矫形器条件（均p<0.01）。然而，在站立中末期、预摆动期以及整个支撑期，三种条件下的EKAM积分值均无显著差异。这提示EKAM的降低效应仅集中在承重反应期，并未贯穿整个支撑期。在矫正力矩方面，192 mm支柱矫形器在整个支撑期的所有亚期均产生了显著大于152 mm支柱矫形器的膝外翻矫正力矩。具体而言，承重反应期矫正力矩分别为−0.0017±0.0007 Nm·s/kg和−0.0021±0.0009 Nm·s/kg（p<0.01）；站立中末期分别为−0.0063±0.0027 Nm·s/kg和−0.0097±0.0036 Nm·s/kg（p<0.01）；预摆动期分别为−0.0012±0.0008 Nm·s/kg和−0.0018±0.0009 Nm·s/kg（p<0.01）；整个支撑期分别为−0.0092±0.0037 Nm·s/kg和−0.014±0.0049 Nm·s/kg（p<0.01）。在矫正力矩与EKAM的关系方面，152 mm支柱条件下Spearman相关系数ρ=−0.512（p=0.048），192 mm支柱条件下ρ=−0.694（p=0.007），两者均呈显著负相关，且192 mm条件下的相关性更强。Bootstrap分析得到的95%置信区间分别为−0.873至−0.009和−0.910至−0.278，均未包含零，表明相关性稳定。留一法敏感性分析显示，所有迭代中相关系数始终保持负值，表明结果不受单个受试者影响。

基于以上结果，本研究得出以下结论：192 mm内侧支柱矫形器在整个支撑期产生的膝外翻矫正力矩显著大于152 mm支柱矫形器，提示延长内侧支柱可以增加力臂，从而在同等反作用力条件下增强矫正力矩。矫形器产生的矫正力矩与EKAM之间存在中等至强负相关关系，且192 mm支柱条件下的关联更强，说明个体在相同实验条件下产生的矫正力矩越大，承重反应期的EKAM积分值越低。然而，EKAM的降低仅限于承重反应期，整个支撑期的积分值无显著差异，表明矫形器的力学卸载效应具有时相特异性。步幅在三种条件下无显著差异，但192 mm矫形器条件下步速轻微降低，可能与较长支柱带来的更大动态约束及步频的调整有关，但步速未被纳入统计分析作为协变量，因此无法完全区分步速变化与矫正力矩增加各自对EKAM降低的贡献。

本研究的科学价值在于首次利用集成于矫形器中的六轴力传感器直接量化步行中产生的膝外翻矫正力矩，并在此基础上分析了该力矩与EKAM的关系。这突破了以往仅比较使用与不使用矫形器效果的局限，为理解矫形器结构参数如何影响生物力学功能提供了机制层面的证据。应用价值方面，研究表明内侧支柱长度是与矫正力矩和时相特异性EKAM降低相关的临床相关设计参数，提示矫形师可以通过调整支柱长度来优化矫形器的力学卸载效果，为内侧膝OA患者的个性化矫形器管理提供了定量依据。研究的高光之处包括：首次实现了步行中矫形器矫正力矩的直接量化；通过仅改变内侧支柱长度这一单一结构参数，实验性地揭示了该参数对矫正力矩及EKAM的影响；发现矫正力矩与EKAM之间存在显著负相关关系，且较长的支柱可增强该关联。研究也存在若干局限：仅纳入左侧单侧内侧膝OA患者，样本量较小；未完全控制既往支具使用经验和适应时间；仅考察了支柱长度这一结构参数，未对绑带张力、矫形器刚度、界面顺应性和对线精度进行定量控制；有效力臂未在体内直接测量；步速未作为协变量纳入分析。这些因素都应在未来研究中加以改进。