朱正飛，宋依芯，康建峰，李滌塵，靳忠民，王航輝，尉萍萍

(1.西安交通大學機械工程學院機械制造系統(tǒng)國家重點實驗室，陜西 西安 710054；2.西安交通大學附屬紅會醫(yī)院關節(jié)外科，陜西西安 710054；3.英國利茲大學機械工程學院醫(yī)學與生物工程研究所，英國 利茲 LS29JT；4.西安外事學院，陜西 西安 710077)

膝關節(jié)周圍骨腫瘤的整體發(fā)病率較低，但多發(fā)于25歲以下青少年且致殘率、致死率高，其發(fā)病率近年來亦呈上升趨勢[1-2]。隨著新成像技術、新輔助化療、手術技術、骨重建等治療方法的發(fā)展，截肢率最小化，骨腫瘤保肢手術治療越來越受到患者青睞，全膝關節(jié)置換術(total knee arthroplasty，TKA)成為膝關節(jié)周圍骨腫瘤重建的黃金標準和主要治療方式[3，4]。坐立-起身(sit-to-stand，STS)是人們重要的日常活動，正常人平均每天完成約60次[5]。室內(nèi)工作和學習的人完成這一活動的頻率還要再提高20%[6]。生物力學研究表明，STS時膝關節(jié)峰值扭矩高達2.2 Nm/kg[7]，而自然行走時的峰值扭矩僅為0.615 Nm/kg[8]。由于人工關節(jié)不能產(chǎn)生扭矩和動力輸出，所以STS轉(zhuǎn)換是極具挑戰(zhàn)性的。目前關于腫瘤膝關節(jié)置換術后患者的STS生物力學研究較少，而且其康復策略缺少實驗室支持。本研究擬通過腫瘤膝關節(jié)置換術后患者的STS生物力學研究，為患者的個性化康復提供有效指導，并探索健側(cè)肢體的預保護措施。

1 資料與方法

1.1 受試對象的STS采集

1.1.1 受試對象 試驗組為2010年9月至2016年3月在空軍軍醫(yī)大學附屬西京醫(yī)院接受骨腫瘤全膝關節(jié)置換手術的7例(7膝)患者(術后6個月)；5名健康成年個體作為對照組。納入標準：患者除受累關節(jié)外其他關節(jié)無嚴重病變或進行過關節(jié)手術，可在無拐杖或他人協(xié)助下正常行走，沒有神經(jīng)缺陷、沒有不可控制的高血壓、無下肢嚴重麻木感、視力良好、行走耐力良好、身體質(zhì)量指數(shù)<35 kg/m2。采集對象在進行步態(tài)采集前需簽署知情同意書。術前患者按照TNM分期系統(tǒng)均為ⅡA(G2T1-2M0)：高度惡性，間室內(nèi)、外病變，無轉(zhuǎn)移。手術方式為：根治性截骨同時切除周圍受累軟組織。受試對象基本信息如表1所示，兩組差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

表1 受試對象基本信息比較

1.1.2 桌椅的定制 參照桌椅尺寸相關的國家標準，結(jié)合受試對象日常生活中常見的坐立-起身場景，本研究制備了五種不同尺寸的帶扶手椅凳和桌子，桌椅的詳細參數(shù)(見表2)。

表2 桌椅尺寸

1.1.3 步態(tài)采集 采集對象STS的步態(tài)采集和分析用于模擬和分析生活中常見的坐立-起身過程的生物力學特征。采集開始前，采集對象上身挺直，目視前方，雙腳赤足分別踩在兩塊相鄰的測力臺上。聽從采集人員的口令，以自選速度完成指定高度/起身方式的STS運動。本研究采集了受試對象以三種起身方式(手撐扶手、雙手叉腰、手撐720 mm高度桌面)以及五種椅面高度(380 mm、400 mm、420 mm、440 mm、460 mm)下的坐立-起身步態(tài)，擬對受試者完成坐立-起身步態(tài)的生物力學特征進行研究。

1.2 STS步態(tài)的完成時間 臨床上常用個體完成STS過程的時間作為評價關節(jié)功能效率的指標。STS的步態(tài)起始/終止時刻的選擇為[9]：粘貼于第7頸椎棘突處的標記小球在矢狀面內(nèi)開始運動(速度超過1 cm/s)設定為開始時刻；健康側(cè)膝關節(jié)達到最小屈曲角(速度小于1 cm/s)為終止時刻。

1.3 STS結(jié)束時刻的膝關節(jié)屈伸角度 膝關節(jié)骨關節(jié)炎(knee osteoarthritis，KOA)常伴隨不同程度膝關節(jié)屈曲畸形[10-11]。術中殘留內(nèi)翻畸形或完全矯正畸形的手術效果尚無定論。受試對象完成STS過程結(jié)束時刻的膝關節(jié)屈伸角度，按照生活中椅面高度的常見情況，將步態(tài)按照椅面高度分為三類(0.7～0.9 m；0.9～1.0 m；1.0～1.2 m)進行分類研究。

1.4 地面反作用力對稱度 引入下肢地面反作用力對稱度來描述受試對象在起立過程中雙側(cè)下肢受力的對稱情況，用于描述受試對象完成坐立-起身行為過程中雙側(cè)下肢地面反作用力對稱情況。對稱度越接近1，表明雙側(cè)下肢受力越均衡，正常健康個體雙側(cè)下肢地面反作用力對稱度介于0.9～1.1之間。下肢地面反作用力不對稱度的計算方法為擬置換側(cè)下肢地面反作用力峰值與非手術下肢地面反作用力峰值的比值[12]。

2 結(jié) 果

2.1 STS步態(tài)的完成時間

2.1.1 手撐扶手 結(jié)果如圖1所示。對點云數(shù)據(jù)進行線性擬合，分別得到擬合直線的斜率與截距。斜率表示起身時間隨椅面高度變化的快慢程度，即椅面高度對STS效率的影響程度，斜率越大，表明椅面高度對受試對象完成STS的效率影響越大；截距表示STS過程理論所需最長時間，截距越大，表明受試對象完成STS過程耗時越長，即效率越低。斜率與截距均與受試對象的關節(jié)功能和自身身體適應性有關。

受試對象完成STS的平均時間與理論耗時相對應：對照組STS過程耗時最短，僅需2.2 s；針對研究對象STS點云數(shù)據(jù)的ANOVA分析表明，骨腫瘤膝關節(jié)置換術后患者完成STS的耗時隨椅面高度改變變化較為顯著(P<0.05)，即隨著椅面高度的增加，骨腫瘤膝關節(jié)置換術后患者完成STS的時間越來越短，差異具有統(tǒng)計學意義。

2.1.2 雙手叉腰 結(jié)果如圖2所示。骨腫瘤全膝關節(jié)置換術后患者所需時間最短，僅需2.5 s，表明骨腫瘤全膝關節(jié)置換術后患者以雙手叉腰方式完成STS過程的效率最高；對點云數(shù)據(jù)的線性擬合結(jié)果表明，采集對象以手撐桌面起身方式完成STS的耗時都隨椅面高度的增加而減少：骨腫瘤全膝關節(jié)置換術后患者完成STS的時間隨椅面高度的變化改變的最慢(斜率為-0.5)，表明椅面高度為骨腫瘤全膝關節(jié)置換術后患者以雙手叉腰方式完成STS過程效率的影響最不明顯。

2.1.3 手撐桌面 結(jié)果如圖3所示。骨腫瘤膝關節(jié)置換術后患者以手撐桌面起身時耗時減少到4.6 s，對照組耗時增加到3.6 s。ANOVA分析表明，研究對象以手撐桌面方式完成STS的耗時與椅面高度的變化差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

圖1 手撐扶手時椅面高度與耗時點云圖圖2 雙手叉腰時椅面高度與耗時點云圖圖3 手撐桌面時椅面高度與耗時點云圖

2.2 STS結(jié)束時刻的膝關節(jié)屈伸角度 以手撐扶手完成STS后雙側(cè)膝關節(jié)屈伸角度如圖4所示。骨腫瘤膝關節(jié)置換術后膝屈伸角度隨著椅面高度的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢：健側(cè)膝屈伸角度分別為-1.8°、5.4°、9.5°；置換側(cè)膝屈伸角度分別為2.5°、6.1°、8.9°。

以雙手叉腰完成STS過程后的膝關節(jié)屈伸角度如圖5所示。骨腫瘤膝關節(jié)置換術后膝屈伸角度隨著椅面高度的增加整體上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢：健側(cè)膝屈伸角度分別為1.3°、3.9°、8.5°；置換側(cè)膝屈伸角度分別為8.9°、7.0°、9.9°。

以手撐桌面完成STS過程后的膝關節(jié)屈伸角如圖6所示。骨腫瘤膝關節(jié)置換術后患者雙側(cè)膝屈伸角度隨著椅面高度的增加呈現(xiàn)不同趨勢，健側(cè)膝屈伸角度逐漸增大，置換側(cè)膝屈伸角度先減小后增大：健側(cè)膝屈伸角度分別為0.7°、5.3°、12.6°；置換側(cè)膝屈伸角度分別為10.5°、5.4°、14.8°。

2.3 地面反作用力對稱度 手撐扶手時、雙手叉腰、手撐桌面時，對照組雙側(cè)下肢受力均衡。骨腫瘤膝關節(jié)置換術后患者在STS過程中以健側(cè)支撐為主。隨著椅面高度的增加，手撐扶手時，健側(cè)下肢受力先增大后減小，而患側(cè)下肢受力逐漸減；雙手叉腰時，健側(cè)受力逐漸增大，患側(cè)下肢受力先減小后增大；手撐桌面時，健側(cè)下肢受力先增大后減小，患側(cè)下肢受力急劇減小(見表3)。

表3 受試對象地面反作用力

3 討 論

3.1 STS研究的重要性與必要性 STS是指從椅子上站起，是TKA術后生物力學恢復的重要指標。STS是一項艱巨的任務，因為它需要更大的肌肉力量和比步行和爬樓梯更高的關節(jié)聯(lián)合力。與大多數(shù)其他的動力運動不同，從椅子上站起是雙腳與地面接觸的雙向支撐任務。因此，補償性運動策略有利于一條腿來完成任務，這使得STS成為評估單側(cè)下肢病理個體運動不對稱的敏感手段。

3.2 術前健側(cè)受力研究 Duffell等人[13]設計了一臺可測量椅子用于測量早期膝骨關節(jié)炎(無疼痛)的下肢對稱性情況，在STS狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中早期膝骨關節(jié)炎患者會采用健康側(cè)下肢進行代償性支撐，且健康側(cè)膝關節(jié)屈伸角度和外翻力矩比患側(cè)更大。Christiansen等[14]研究了末期膝骨關節(jié)炎患者在完成STS行為時的下肢地面反作用力對稱性，結(jié)果表明患者的地面反作用力對稱性指數(shù)是健康對照組的2倍，即健康側(cè)下肢承重是患側(cè)下肢承重的兩倍。Turcot等[15]研究了早期KOA患者在完成STS行為時的下肢生物力學變化，結(jié)果表明KOA患者會把多余10%重量轉(zhuǎn)移到健康側(cè)下肢，且軀干向健康側(cè)傾斜。以上研究表明，在膝關節(jié)骨關節(jié)炎患者完成STS轉(zhuǎn)換過程時，健康側(cè)下肢需進行代償性支撐，且下肢的承重大于患側(cè)。與我們前期研究結(jié)果一致[16]。提示我們，手術前STS的不對稱性就應該引起臨床醫(yī)師和患者的足夠重視，盡早采用糾正走路姿勢、雙下肢佩戴矯形器、支具或個性化鞋墊等方法早期干預，從而延緩或阻斷病情的進展。

3.3 術后受力情況 Yoshida等[17]應用運動學、動力學、股四頭肌力量和功能的方法，發(fā)現(xiàn)沒有膝關節(jié)病變的對照組患者與TKA術后3年的患者仍存在運動學、動力學和時空變量之間的差異。TKA術后3年的患者在關節(jié)運動學和動力學方面存在極少的臨床差異，股四頭肌強度的臨界差異減小，伴隨對側(cè)肢體時間空間與動力學步態(tài)參數(shù)的對稱性改善。這可能是由于非手術側(cè)肢體惡化以及手術側(cè)肢體改善所致。Yoshida與我們的研究均提示，健側(cè)的生物力學參數(shù)和股四頭肌強度會逐漸適應對側(cè)的對稱性改善，所以，TKA術后健側(cè)的預保護至關重要。Christiansen等[18]研究了35例單側(cè)TKA置換患者完成STS行為時的下肢對稱性特征，患者分別在術前、術后1個月、術后3個月、術后6個月接受步態(tài)采集，采集、分析得到患者雙側(cè)下肢地面反作用力數(shù)值，結(jié)果表明患者術后下肢對稱性先減小(疼痛、肌肉控制力減弱等)，隨著時間的發(fā)展，3個月以后對稱性已經(jīng)與術前相差無幾；術后6個月下肢對稱性已經(jīng)接近95%。Christiansen的研究與Yoshida和我們的結(jié)果存在爭論，仍有待于進一步研究來論證。Boonstra等[19]借助步態(tài)系統(tǒng)研究全膝和全髖重建術后STS行為時雙腿受力對稱情況，受試者坐在沒有扶手的椅子上，椅子高度和深度可調(diào)。研究表明，置換側(cè)與健康側(cè)的地面反作用力峰值比值為0.83，意味著17%的總負載被轉(zhuǎn)移到健康側(cè)下肢。Oludare等[20]研究發(fā)現(xiàn)，單側(cè)肢體的不適會增加STS轉(zhuǎn)換過程中對側(cè)的負擔。表明恢復運動個體的STS對稱性是康復的重要目標，為輔助裝置的使用提供了理論基礎[22]。

Abujaber等[21]應用平衡板來評估STS的對稱性。Wu等[22]用仿生的膝假肢控制器來獲得自然的STS運動。我們的研究也表明，腫瘤膝關節(jié)置換術后患者STS轉(zhuǎn)換過程中，健側(cè)與置換側(cè)呈不對稱性，且健側(cè)承載大于置換側(cè)。以上研究表明，在TKA與腫瘤膝關節(jié)置換術后患者完成STS轉(zhuǎn)換過程時，健康側(cè)下肢仍需進行代償性支撐。TKA與腫瘤膝關節(jié)置換術后患者的STS仍呈現(xiàn)為不對稱性。故術后應盡早佩戴雙下肢個性化矯形器或支具、加強雙下肢的對稱性功能康復等方法早期干預[23]。

3.4 椅面高度對地面反作用力對稱度的影響 我們的研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整椅面高度來獲得，以手撐扶手、雙手叉腰完成STS過程，骨腫瘤膝關節(jié)置換術后患者膝屈伸角度隨著椅面高度的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；而以手撐桌面完成STS過程，骨腫瘤膝關節(jié)置換術后患者雙側(cè)膝屈伸角度隨著椅面高度的增加呈現(xiàn)不同趨勢，健側(cè)膝屈伸角度逐漸增大，置換側(cè)膝屈伸角度先減小后增大。椅面高度能顯著改變地面反作用力對稱度。Kinoshita等[24-25]研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整扶手高度來獲得，扶手高度影響關節(jié)運動和STS運動時的重心轉(zhuǎn)移，建議選擇扶手位置來匹配老年人功能障礙的狀態(tài)。TKA與骨腫瘤膝關節(jié)置換術后患者完成STS過程中，不但要根據(jù)患者的實際情況調(diào)整椅面高度，還要調(diào)整扶手位置，才能有效實現(xiàn)STS的對稱性[23]。該部分仍有待于進一步研究。

我們建議在腫瘤膝關節(jié)置換術或TKA術后，早期使用雙下肢個性化矯形器或支具，一方面能促進患者膝關節(jié)功能的對稱性康復[26-27]；另一方面能對健側(cè)起到良好的預保護作用?？祻瓦^程中應嚴格貫徹雙下肢對稱性功能鍛煉的策略[28-29]，實現(xiàn)患側(cè)的有效快速康復與護理，避免長期依賴健側(cè)代償。

3.5 本研究的局限性 本研究的局限性如下：a)樣本量少，由于膝關節(jié)周圍骨腫瘤病種少，手術方式多樣；b)術后時間點局限在6個月，術后1個月、3個月、6個月、1年、2年的動態(tài)生物力學特征的系統(tǒng)研究，有助于制定針對性的階段性康復策略，腫瘤膝關節(jié)置換術前的生物力學特征有助于術前計劃的精細化設計。

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