Anticipatory postural control emerges from a predictive and optimized strategy for movement preparation

预测与优化策略驱动的预期姿势控制机制

作者：

Tetsuro Funato^1,✉ , MihoOgawa¹, Akira Konosu¹ & Dai Yanagihara^2,3

期刊：Communications Biology

摘要：

人在面对可预测的向后地面倾斜时，会提前将身体质心（center of mass, COM）向前移动。这种预期性运动伴随着腓肠肌（gastrocnemius muscle, GC）的选择性激活，使踝关节产生向后的力矩，即使身体整体正在向前移动。

然而，控制身体质心前移与腓肠肌激活之间协调关系的神经机制仍未完全明确。本研究探讨了这种运动行为是否能够在预测性最优控制框架（predictive optimal control framework）下得到解释。

研究通过声音提示实验观察受试者的预期性质心移动和腓肠肌激活模式，发现人体能够利用向后作用的肌肉在向前运动过程中维持姿势稳定。

随后，研究团队建立了基于肌骨系统的模拟模型，并采用模型预测控制（model predictive control, MPC）方法进行控制。模拟结果成功复现了实验中观察到的运动模式：身体通过利用重力作用实现向前移动，而腓肠肌激活则负责稳定踝关节并防止身体失稳。

研究结果表明，预期姿势调节可能源于人体对未来运动状态的预测，并通过优化控制策略实现运动准备。这一发现进一步揭示了人体运动控制过程中预测机制与肌肉协调之间的关系。

DOI: 10.1038/s42003-026-10016-2

Associations of muscle coactivation patterns with gait, muscle strength, and symptoms across different stages of knee osteoarthritis

不同阶段膝骨关节炎患者肌肉共同激活模式与步态、肌力及症状之间的关联

作者：

lihang zhang¹, peiyao liang¹, hang yu¹, shaochen qu¹, liming liu², liufeng xiao¹, shiyi tong³, dianwei li¹, shibo xu¹, xing xing⁴ and lin guo^1，✉

期刊：Knee Surgery & Related Research

摘要：

目的：本研究旨在探讨不同阶段膝骨关节炎（knee osteoarthritis, KOA）患者的神经肌肉激活模式、症状、肌力和步态参数之间的关联。

方法：本横断面研究纳入 165 名单侧 KOA 患者和 32 名健康对照者。所有受试者接受同步步态分析、等速肌力测试、表面肌电测试，并完成 Western Ontario and McMaster Universities Osteoarthritis Index（WOMAC）问卷。研究将肌肉共同激活量化为步态周期和等速收缩过程中拮抗肌与主动肌的归一化肌电比值。组间比较采用单因素方差分析并进行 Bonferroni 校正；同时采用 Spearman 相关分析和多元线性回归模型，分析肌肉激活、生物力学参数与 WOMAC 评分之间的关系。

结果：与健康对照者相比，KOA 患者随着 K-L 分级升高，步态模式和肌力表现逐渐恶化。研究识别出一种明显的代偿性神经肌肉模式，其特征为腘绳肌，尤其是外侧腘绳肌，以及股外侧肌过度共同激活。该模式与膝关节屈曲力矩降低和膝关节内收力矩升高显著相关。这些变化从 K-L Ⅱ期开始出现，并在晚期 KOA（K-L ≥ Ⅲ）中更加明显，同时与更高的 WOMAC 疼痛、僵硬和功能评分相关。研究还观察到患侧与对侧肢体之间存在显著不对称。

结论：KOA 与一种适应性神经肌肉策略相关，其特征为腘绳肌过度共同激活。尽管这种模式可能有助于稳定关节，但也与生物力学效率下降、症状加重和功能衰退相关。该共同激活模式可能成为理解 KOA 表现的潜在生物力学标志物，并值得进一步作为潜在治疗靶点开展研究。

关键词：

Knee osteoarthritis, Muscle activation, Gait analysis, Muscle strength, Electromyography, Biomechanics, Neuromodulation

膝骨关节炎；肌肉激活；步态分析；肌力；肌电；生物力学；神经调控

DOI：

10.1186/s43019-026-00326-4

运动捕捉系统：Qualisys Arqus A5 运动捕捉系统

Comparison of marker-based and markerless motion capture systems to assess gait kinematics and kinetics in children with cerebral palsy

基于标记点与无标记运动捕捉系统评估脑瘫儿童步态运动学与动力学的比较研究

作者:

Raquel Costa^a, Ant´onio Veloso^b,

Filipa Joao^b,✉

期刊：Gait & Posture

摘要：

背景：脑瘫（cerebral palsy, CP）是儿童运动障碍的主要原因之一，临床中常通过基于标记点的运动捕捉系统进行步态分析。然而，该类系统存在标记点放置误差和软组织伪影等问题。无标记系统利用计算机视觉和深度学习算法，有望克服这些限制，为步态分析提供具有实践和技术优势的替代方案。

研究问题：在评估脑瘫儿童步态运动学与动力学时，基于标记点与无标记运动捕捉系统获得的关节角度、力矩和功率是否存在差异？

方法：15 名确诊脑瘫儿童接受临床步态分析，其中包括 11 名男孩和 4 名女孩，平均年龄为 13.66 ± 1.72 岁。研究使用标准基于标记点的运动捕捉系统和无标记运动捕捉系统采集数据。研究对两种系统获得的运动学与动力学变量进行平均，并采用均方根差（RMSD）和双尾配对样本 t 检验（α = 0.05）进行比较。

结果：两种系统在矢状面运动学方面表现出一致的波形和良好一致性，RMSD 小于 6.0°，尤其体现在膝关节屈曲指标上。然而，髋关节屈曲和骨盆倾斜表现出系统性偏差；横断面指标在两系统之间的一致性较差，除骨盆旋转外，RMSD 均大于 10.0°。

解释：无标记系统在临床步态分析中具有较大潜力。结果显示，矢状面关节运动学具有较高可比性。若要在临床中进一步应用该技术，仍需提高其他解剖平面估计的准确性，并进一步优化关节动力学相关指标。

关键词：

Neurological condition, Markerless systems accuracy, Pose estimation, Clinical gait analysis

神经系统疾病；无标记系统准确性；姿态估计；临床步态分析；步态生物力学

DOI：10.1016/j.gaitpost.2026.110213

Machine learning prediction of ACL loading during the wide lunge: a multifactorial coupling analysis based on kinematic and electromyographic signals

基于运动学与肌电信号的宽弓步动作中前交叉韧带负荷机器学习预测：多因素耦合分析

作者:

Minting Fang¹, Yuhang Zhu¹, Guanzhong Wang¹, Qingqing Ma¹, Yanyu Yin², Yanlong Zhang¹, Si Chen³

期刊：Frontiers in Bioengineering and Biotechnology

摘要：

引言：在羽毛球运动中，宽弓步是一种常见动作，并与前交叉韧带（anterior cruciate ligament, ACL）损伤高度相关。现有评估方法主要依赖主观观察、三维运动捕捉系统和表面肌电信号采集，难以快速揭示多关节耦合机制。本研究开发并比较了六种机器学习算法，包括极端梯度提升（XGBoost）、梯度提升决策树（GBDT）、随机森林（RF）、K 近邻（KNN）、核岭回归（KRR）和支持向量回归（SVR），用于预测羽毛球宽弓步动作中模型估计的 ACL 负荷，并以体重倍数（BW）表示。研究采用 SHAP 对特征重要性进行排序，并量化各特征贡献。

方法：研究共招募 237 名业余羽毛球运动员。受试者完成宽弓步动作时，研究使用 Qualisys 运动捕捉系统、AMTI 测力台和 Delsys 表面肌电系统，同步采集运动学和表面肌电数据。研究评估了六种机器学习算法对样本量敏感性和整体预测性能的表现。

结果：XGBoost 对样本量变化表现出最强稳健性，并取得最佳预测性能（R² = 0.94，RMSE = 0.07，MAE = 0.05）。在 XGBoost 模型纳入的 9 个输入特征中，SHAP 全局重要性排序依次为：膝关节屈曲角度（KFA）、腘绳肌/股四头肌比值（H/Q）、足进展角（FPA）、胫骨内旋角（ITR）、髋关节内收角（HAA）、踝关节背屈角（ADF）、躯干前倾角（TFA）、膝外翻角（KVA）和髋关节屈曲角（HFA）。其中，KFA（21.6%）、H/Q（16.4%）和 FPA（14.4%）贡献最大。

结论：XGBoost 能够有效捕捉生物力学变量之间复杂的非线性关系。结合 SHAP 可解释性分析，膝关节屈曲不足、股四头肌主导的神经肌肉控制以及异常足部对线，被识别为模型估计高 ACL 负荷的组合模式。这提示多关节协调与肌肉激活之间的异常耦合可能是损伤风险升高的重要机制。研究结果可为个体化训练和损伤预防提供依据。

关键词：

anterior cruciate ligament (ACL), badminton, explainable machine learning, wide lunge, XGBoost-SHAP

前交叉韧带（ACL）；羽毛球；可解释机器学习；宽弓步；XGBoost-SHAP

DOI：10.3389/fbioe.2026.1880448

Discrete Symmetry Metrics Mask Frequent Phase-Specific Lower Limb Asymmetry During Bilateral Countermovement Jumping in Youth Football Players

青少年足球运动员双侧反向跳中离散对称性指标掩盖频繁发生的阶段特异性下肢不对称

作者:

Mark G. L. Sayers, Chloe Keogh, Kelly S. Jensen, Bruno P. Couto

作者单位：

澳大利亚 阳光海岸大学 健康学院

期刊：Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports

摘要：

在反向跳（countermovement jump, CMJ）等双侧任务中，肢间不对称通常采用基于峰值的离散指标进行评估。然而，这类方法可能无法充分捕捉肢间协调复杂且随时间变化的特征。本研究在考虑优势侧肢体的基础上，同时采用离散评估和连续评估方法，考察青少年足球运动员 CMJ 过程中的肢间不对称。

43 名男子青训足球运动员（14 ± 1.1 岁）完成 3 次最大双侧 CMJ。研究使用双测力台和三维运动捕捉采集数据。肢间不对称通过离散对称指数进行量化，包括垂直地面反作用力峰值（GRFvert）、关节位移和关节力矩；同时采用统计参数映射（SPM1D）和归一化对称指数（SInorm）等时间序列方法进行分析。研究还评估了不对称阈值突破（±10% 和 ±20%）及其在整个动作周期中的持续时间，并比较优势侧与非优势侧肢体之间的差异。

离散指标显示，在群体层面肢间不对称程度较低，平均值通常位于 ±10% 阈值范围内。相比之下，时间序列分析揭示了个体试次中频繁出现的阶段特异性不对称，尤其体现在关节力矩上，尽管 SPM1D 未发现显著群体水平差异。每一次试验均出现 GRFvert 超过 ±10% 的不对称阈值突破。肢体优势性影响较小，除非优势侧肢体的 GRFvert 阈值突破持续时间更长外，其他方面影响有限。

研究表明，在使用时间序列方法评估时，双侧 CMJ 中肢间不对称较为常见，即使离散指标看起来较为对称。该结果提示，依赖基于峰值的对称性指标，可能会忽略重要的阶段特异性不对称，这对运动员监测和康复情境下双侧负荷解释具有重要意义。

关键词：

athlete monitoring, biomechanics, countermovement jump, inter-limb

asymmetry, statistical parametric mapping, symmetry index,time-series analysis, youth athletes

DOI：10.1111/sms.70350

How Does Manipulation of Advanced Running Shoe Midsole Compliance Influence Frontal Plane Kinematics and Kinetics?

先进跑鞋中底顺应性调控如何影响额状面运动学与动力学特征？

作者:

Thomas Norder¹, Patrick Mai¹, Maximilian Gruettner², Laura Healey³, Hannah Rice¹

期刊：Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports

摘要：

与传统长跑鞋相比，先进跑鞋技术（advanced footwear technology, AFT）长距离跑鞋已被证明能够在一定速度下减少跑步氧耗。这一效果至少部分可能来源于 AFT 中底具有顺应性和回弹性的特征。提高 AFT 中底顺应性可能进一步提升跑步经济性，但也可能增加额状面运动，从而降低稳定性。

本研究量化了一种先进跑鞋在三种不同中底特性条件下跑步时的额状面运动学与动力学特征。三种鞋类条件的 Asker C 顺应性值分别为 C-55、C-45 和 C-25。21 名男女跑者在每种鞋类条件下以两种速度在带测力仪跑台上跑步，同时同步记录运动学数据。研究比较了不同鞋类条件下额状面地面反作用力，以及后足、膝关节和髋关节的运动学与动力学指标。

结果显示，不同鞋类条件之间，后足外翻峰值角度和活动范围无显著差异；但与对照鞋和最低顺应性鞋相比，最高顺应性鞋的外翻峰值速度分别降低 12% 和 17%。在最高顺应性鞋条件下，膝关节和髋关节内收活动范围峰值均较低；外侧地面反作用力峰值和压力中心位移也较低。

研究表明，穿着高顺应性中底跑鞋跑步时额状面运动和受力的降低，可能与中底快速变形以及额状面后足关节刚度增加有关。

关键词：

advanced footwear technology, biomechanics, rearfoot, stability

先进鞋类技术；生物力学；后足；稳定性

DOI：10.1111/sms.70331

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