李波，李開南，賈子善，龍濤，王鄭浩，馮昱寧，袁博

1.遵義醫(yī)科大學，貴州 遵義 563000；

2.成都大學附屬醫(yī)院骨科，四川 成都 610081；

3.中國人民解放軍總醫(yī)院301醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學科，北京 100853

膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎(knee osteoarthritis，KOA)是成人下肢活動受限的重要原因，影響全球超過2.4億人，其中我國50 歲以上KOA 總患病率約為14.3%[1-2]。隨著老齡化和肥胖問題的增加，KOA 人群日益增多，約30%的50歲以上人群有影像學表現(xiàn)，其患病率在過去70 年中翻了一倍[3-5]。全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knee arthroplasty，TKA)是治療由晚期KOA 引起的疼痛和損傷的常用手術(shù)，使用壽命可以持續(xù)超過15 年，低于10%的TKA 須進行翻修[6-7]。但由于膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)特性，TKA 術(shù)后疼痛、肌力下降和關(guān)節(jié)僵硬的問題仍使超過20%的TKA 患者術(shù)后康復(fù)效果不滿意[8-10]。而術(shù)后X 線、CT 等影像學檢查不能動態(tài)評估患者膝關(guān)節(jié)功能，傳統(tǒng)評分量表又具有較強主觀性[11]。步態(tài)分析從生物力學角度，構(gòu)建步態(tài)過程中的運動學參數(shù)、動力學參數(shù)和時空參數(shù)，對評估關(guān)節(jié)功能和康復(fù)具有重要指導(dǎo)意義[12]。目前采用的步態(tài)分析設(shè)備多為國外品牌，如英國Vicon 步態(tài)分析儀、美國AMTⅠ公司的三維步態(tài)分析系統(tǒng)和三維測力臺等，國內(nèi)步態(tài)分析設(shè)備報道較少[13-15]。對于TKA 術(shù)后步態(tài)分析多為術(shù)前和術(shù)后3 個月及1 年以上的康復(fù)后期TKA 患者與同齡健康人對比測試，關(guān)于早期康復(fù)階段的術(shù)側(cè)與健側(cè)步態(tài)對比分析報道較少[16-18]。因此，本研究運用我國自主研發(fā)的平衡障礙康復(fù)機器人分析TKA 術(shù)后早期術(shù)側(cè)與健側(cè)的步態(tài)變化，從步態(tài)分析角度研究TKA 術(shù)后步態(tài)變化特點，以評估手術(shù)療效。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2021 年7 月至2022 年7 月于中國人民解放軍總醫(yī)院治療且符合以下納入和排除標準的68 例TKA 術(shù)后患者納入研究。納入標準：(1)診斷為單側(cè)TKA，健側(cè)無明顯KOA癥狀，無明顯或輕度KOA影像學表現(xiàn)患者；(2)年齡50～75 歲；(3)認知正常、情緒穩(wěn)定，能配合測試。排除標準：(1)除單側(cè)TKA 外，伴隨其他的下肢關(guān)節(jié)脫位或骨折疾病患者；(2)其他臟器疾病不能耐受測試者；(3)身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMⅠ)≥35 kg/m2；(4)合并有其他可能嚴重影響下肢功能狀況疾病者。本研究已獲中國人民解放軍總醫(yī)醫(yī)院院倫理委員會倫理審批(倫理審批號：S2021-148-01)。所有患者均已告知測試目的及注意事項，并簽署知情同意書。

1.2 試驗設(shè)備 本研究中所采用的平衡障礙康復(fù)機器人為北京航空航天大學、浙江工業(yè)大學和中國人民解放軍總醫(yī)院共同合作研發(fā)的康復(fù)系統(tǒng)。平衡障礙康復(fù)機器人由測試康復(fù)平臺智能反饋系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器系統(tǒng)、減重平衡測試防護裝置系統(tǒng)組成。測試康復(fù)平臺智能反饋系統(tǒng)包括：多模式運動平臺、步行帶、位置監(jiān)控裝置、位置警示裝置、控制柜、軟件組件等(圖1)。姿態(tài)傳感器系統(tǒng)包括12個9軸姿態(tài)傳感器、接收基站、工控機等(圖2)。姿態(tài)傳感器通過左手笛卡爾坐標系，建立三維坐標，運用數(shù)學函數(shù)實現(xiàn)輸入到輸出的映射功能，解析運動學活動度參數(shù)、動力學力矩參數(shù)和時空步態(tài)參數(shù)。

圖1 測試康復(fù)平臺智能反饋系統(tǒng)Figure 1 Testing of the rehabilitation intelligent feedback system

圖2 姿態(tài)傳感器系統(tǒng)Figure 2 Attitude sensor system

1.3 測試方法 所有患者均為同一組手術(shù)人員采用同一手術(shù)方式進行手術(shù)，術(shù)后予以相同的傳統(tǒng)康復(fù)方案進行康復(fù)治療1 周，使患者基本能在術(shù)后1 周時進行步態(tài)測試。測試前完善術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)正側(cè)位，確保膝關(guān)節(jié)假體無松動、脫位，同時測試時進行無減重模式的懸吊保護。測試前告知患者檢測目的及過程，使患者放松。將12 個姿態(tài)傳感器模塊按順序固定于12 個特定標記點，分別為1 號傳感器固定于胸骨角；2號傳感器固定于腹部正中處；3號傳感器固定于左上臂外側(cè)中點；4 號傳感器固定于左前臂外側(cè)中點；5 號傳感器固定于右上臂外側(cè)中點；6 號傳感器固定于右前臂外側(cè)中點；7 號傳感器固定于左大腿前側(cè)中點；8 號傳感器固定于左小腿前側(cè)中點；9 號傳感器固定于左踝前側(cè)；10 號傳感器固定于右大腿前側(cè)中點；11 號傳感器固定于右小腿前側(cè)中點；12 號傳感器固定于右踝前側(cè)?；颊吲宕骱脗鞲衅骱?，站于平衡障礙康復(fù)機器人測試平臺進行姿態(tài)傳感器進行姿態(tài)標定。標定完成后患者自主模式下在測試平臺進行步態(tài)測試, 每例患者測試3 次，每次測試行走2 min，間隔休息10 min(圖3)。

圖3 患者步態(tài)分析過程Figure 3 Process of patient gait analysis

1.4 觀察指標 (1)運動學指標：比較患者術(shù)側(cè)和健側(cè)在術(shù)后1 周時的矢狀面活動度、冠狀面活動度和水平面活動度。(2)動力學指標：比較患者術(shù)側(cè)和健側(cè)在術(shù)后1 周時的屈曲力矩、伸展力矩、內(nèi)翻力矩、外翻力矩、內(nèi)旋力矩和外旋力矩峰值。(3)時空參數(shù)指標：比較患者術(shù)側(cè)和健側(cè)在術(shù)后1周時的步長、步速、步頻和單足支撐時間百分比。

1.5 統(tǒng)計學方法 應(yīng)用SPSS25.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計學分析。計數(shù)資料組間比較采用χ2檢驗；計量資料以均數(shù)±標準差(±s)表示，組間比較采用兩獨立樣本t檢驗。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 患者術(shù)后的步態(tài)運動學參數(shù)比較 TKA患者術(shù)后術(shù)側(cè)矢狀面活動度、冠狀面活動度和水平面活動度明顯小于健側(cè)，差異均有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)，見表1。

表1 68例患者術(shù)后的步態(tài)運動學參數(shù)比較(±s，°)Table 1 Comparison of postoperative gait kinematic parameters in 68 patients(±s，°)

表1 68例患者術(shù)后的步態(tài)運動學參數(shù)比較(±s，°)Table 1 Comparison of postoperative gait kinematic parameters in 68 patients(±s，°)

組別術(shù)側(cè)健側(cè)t值P值矢狀面活動度40.1±10.4 49.3±6.9-6.079 0.001冠狀面活動度13.2±6.5 19.6±4.5-6.676 0.001水平面活動度10.6±4.3 12.9±3.4-3.460 0.001

2.2 患者術(shù)后的步態(tài)動力學參數(shù)比較 TKA術(shù)后患者的術(shù)側(cè)屈曲力矩、伸展力矩、外翻力矩和外旋力矩峰值明顯小于健側(cè)，內(nèi)翻力矩和內(nèi)旋力矩明顯大于健側(cè)，差異均有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)，見表2。

表2 68例患者術(shù)后的步態(tài)動力學參數(shù)比較[±s，(N·mm)/kg]Table 2 Comparison of postoperative gait kinetic parameters in the 68 patients[±s,(N·mm)/kg]

表2 68例患者術(shù)后的步態(tài)動力學參數(shù)比較[±s，(N·mm)/kg]Table 2 Comparison of postoperative gait kinetic parameters in the 68 patients[±s,(N·mm)/kg]

組別術(shù)側(cè)健側(cè)t值P值屈曲力矩226.6±111.2 312.5±85.8-5.043 0.001伸展力矩215.1±90.7 352.8±105.4-8.166 0.001內(nèi)翻力矩492.7±146.5 383.5±115.6 4.825 0.001外翻力矩52.7±23.1 69.2±15.3-4.911 0.001內(nèi)旋力矩177.9±53.2 153.4±39.7 3.044 0.003外旋力矩9.4±3.6 12.3±2.5-5.456 0.001

2.3 患者術(shù)后的時空參數(shù)比較 TKA患者術(shù)后術(shù)側(cè)單足支撐百分比小于健側(cè)，差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)，而步長、步速和步頻術(shù)側(cè)與健側(cè)之間比較差異均無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，見表3。

表3 68例患者術(shù)后的步態(tài)時空參數(shù)比較(±s)Table 3 Comparison of postoperative gait time-space parameters in the 68 patients(±s)

表3 68例患者術(shù)后的步態(tài)時空參數(shù)比較(±s)Table 3 Comparison of postoperative gait time-space parameters in the 68 patients(±s)

組別術(shù)側(cè)健側(cè)t值P值步長(cm)42.4±13.4 40.9±14.9 0.617 0.538步速(cm/s)61.5±24.2 61.6±24.9-0.024 0.981步頻(step/min)91.7±16.6 92.4±15.8-0.252 0.802單足支撐時間百分比(%)31.3±8.4 35.7±5.6-3.594 0.001

3 討論

TKA術(shù)后患者由于解剖結(jié)構(gòu)相比術(shù)前KOA發(fā)生了變化，患者需要從長期膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎病程中的關(guān)節(jié)磨損及力線改變造成的代償步態(tài)模式，調(diào)整為新的步態(tài)模式[19]。臨床中很多TKA 術(shù)后患者因為懼怕疼痛而不愿進行肌力、活動度以及步態(tài)康復(fù)鍛煉，從而導(dǎo)致術(shù)后關(guān)節(jié)僵硬、功能恢復(fù)差、行走效果不滿意等問題[20-22]。臨床上TKA術(shù)后效果常用的評估包括影像學檢查和功能量表評分。影像學檢查是常用的靜態(tài)觀察TKA手術(shù)效果的方法，但不能反應(yīng)與患者滿意度最相關(guān)的運動能力，功能量表評分容易受測試者的熟知程度和被測試者的依從性影響，存在測試偏倚和主觀性。步態(tài)分析則通過量化運動功能，可以客觀準確地評價TKA術(shù)后效果。因此，本研究通過平衡障礙康復(fù)機器人測試系統(tǒng)對TKA 術(shù)后患者進行術(shù)側(cè)與健側(cè)的步態(tài)對比分析，從生物力學角度更客觀地評估TKA術(shù)后早期步態(tài)特征，為TKA術(shù)后早期康復(fù)治療提供更科學的理論指導(dǎo)。

本研究結(jié)果顯示TKA 術(shù)后患者早期術(shù)側(cè)的運動學參數(shù)矢狀面活動度、冠狀面活動度和水平面活動度均小于健側(cè)，表明術(shù)側(cè)活動度的減弱表明術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性還未達到健側(cè)水平。TKA 術(shù)后股骨髁和脛骨平臺的解剖結(jié)構(gòu)相對于術(shù)前的KOA 的膝關(guān)節(jié)狹窄關(guān)節(jié)間隙發(fā)生了變化，KOA 導(dǎo)致的短腿步態(tài)得以改善，但患者還未適應(yīng)下肢力線的改變，其穩(wěn)定性減弱造成術(shù)側(cè)步態(tài)活動度的減小。TKA 手術(shù)帶來的疼痛會使患者通過減小步態(tài)中的膝關(guān)節(jié)角度，緩沖著地時的沖擊力，以此減輕行走過程中的疼痛感。同時術(shù)側(cè)步態(tài)活動度的減小也有利于增加膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，提升下肢的平衡感。此外，患者懼怕膝關(guān)節(jié)假體在行走過程中松動或脫位，以及術(shù)后還未適應(yīng)假體、膝關(guān)節(jié)周圍肌力減弱等也會造成術(shù)側(cè)步態(tài)活動度的減小。TKA術(shù)后的不穩(wěn)定性和減痛步態(tài)造成術(shù)側(cè)運動學活動度的減弱是影響術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性重要因素。由于膝關(guān)節(jié)矢狀面的屈伸活動是主要運動形式，因此，后續(xù)康復(fù)方案需要重點加強膝關(guān)節(jié)屈伸活動度訓(xùn)練，提升膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。

本研究結(jié)果顯示TKA 術(shù)后患者早期術(shù)側(cè)的動力學參數(shù)術(shù)側(cè)屈曲力矩、伸展力矩、外翻力矩和外旋力矩峰值均小于健側(cè)，內(nèi)翻力矩和內(nèi)旋力矩大于健側(cè)，表明術(shù)側(cè)的膝關(guān)節(jié)的平衡能力還未達到健側(cè)水平。膝關(guān)節(jié)具有六個自由度，包括矢狀面的屈伸運動、冠狀面的內(nèi)外翻運動和水平面的內(nèi)外旋運動，但主要運動形式是矢狀面的屈伸運動。膝關(guān)節(jié)屈曲運動時股骨髁的回滾機制，導(dǎo)致了脛骨相對于股骨的內(nèi)旋運動；膝關(guān)節(jié)伸展運動時股骨髁的鎖扣機制，導(dǎo)致了脛骨相對于股骨的外旋運動。因此，膝關(guān)節(jié)的屈伸運動是伴隨著滾動的旋轉(zhuǎn)運動，膝關(guān)節(jié)運動時力矩大小主要取決于膝關(guān)節(jié)肌力和運動時的力臂。膝關(guān)節(jié)肌力方面，一方面TKA手術(shù)會對膝關(guān)節(jié)周圍肌群造成一定的損傷，術(shù)后傷口疼痛會使膝關(guān)節(jié)肌力有所下降。另一方面，KOA 患者長期的內(nèi)翻畸形造成的內(nèi)翻、內(nèi)旋肌力增加，相應(yīng)的外翻、外旋肌力減弱，以及膝關(guān)節(jié)屈伸活動受限導(dǎo)致屈伸肌力減弱在術(shù)后早期還未明顯改善。膝關(guān)節(jié)力臂方面，由于個體下肢的長度是固定不變的，膝關(guān)節(jié)力臂主要受運動過程中活動范圍的影響，由于TKA 術(shù)后行走時的步態(tài)活動度的減小，導(dǎo)致行走過程中的力臂減小，從而影響力矩的減弱。本研究中膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩最大，屈伸力矩次之，上述分析是由于大多數(shù)KOA患者因疼痛造成屈伸活動減弱，長期內(nèi)翻畸形導(dǎo)致的內(nèi)側(cè)肌肉代償。因此，后續(xù)康復(fù)方案需要重點加強膝關(guān)節(jié)屈伸肌力訓(xùn)練，以及增加外翻、外旋動作使內(nèi)外側(cè)肌力達到平衡。

本研究結(jié)果顯示TKA 術(shù)后患者早期術(shù)側(cè)的時空參數(shù)中步長、步速和步頻差異均無統(tǒng)計學意義，表明TKA 對下肢步行能力改善有積極作用。分析其可能的原因與全膝關(guān)節(jié)置換后患者膝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)已恢復(fù)，下肢的整體力線得到糾正，對髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的活動也有改善，從而使術(shù)側(cè)下肢步長、步頻和步速與健側(cè)無明顯差異。而單足支撐百分比術(shù)側(cè)與健側(cè)差異有統(tǒng)計學意義，且術(shù)側(cè)小于健側(cè)，提示患者下肢的平衡能力還未恢復(fù)。在人體步態(tài)周期中可分為支撐相和擺動相，其中支撐相占了整個步態(tài)周期的60%，而在支撐相中一側(cè)肢體在單足支撐時承載了大部分或全部的身體重量?；颊咝g(shù)前習慣更多用健側(cè)承重來減輕KOA帶來的疼痛，加上術(shù)后的疼痛產(chǎn)生的畏懼心理使患者減小術(shù)側(cè)在步態(tài)中的支撐時間，雙側(cè)單足支撐時間的顯著性差異提示患者的平衡能力下降，行走過程中跌倒的風險較大。因此，后續(xù)康復(fù)方案需要加強術(shù)側(cè)單足支撐時間訓(xùn)練，增加術(shù)側(cè)單足支撐百分比，提升平衡能力。

綜上所述，隨著人工假體和手術(shù)技術(shù)的進步，TKA使患者的關(guān)節(jié)間隙狹窄在術(shù)后有明顯改善，TKA術(shù)后步態(tài)分析中時空參數(shù)差異較小，其中步長、步速和步頻術(shù)側(cè)和健側(cè)差異無統(tǒng)計學意義，單足支撐百分比術(shù)側(cè)和健側(cè)差異有統(tǒng)計學意義，表明TKA對下肢步行能力改善有積極作用，但TKA患者下肢的平衡能力還未恢復(fù)。而TKA 術(shù)后的運動學參數(shù)活動度和動力學參數(shù)力矩等差異有統(tǒng)計學意義，術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)的生物力學與健側(cè)相差較大，是影響患者平衡能力重要因素。因此，后續(xù)康復(fù)方案需要重點加強屈伸肌力的訓(xùn)練，以及增加外翻、外旋動作來平衡內(nèi)外側(cè)肌力，通過針對性訓(xùn)練來平衡患者在步態(tài)中的單足支撐百分比，從而改善TKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)的步態(tài)中的活動度、穩(wěn)定性和平衡能力，進一步提升TKA術(shù)后患者早期的康復(fù)效果和滿意度，對促進TKA手術(shù)效果和使患者早日康復(fù)具有重要意義。