平衡障礙康復機器人對全膝關節置換術后患者早期步態分析的研究

李波，李開南，賈子善，龍濤，王鄭浩，馮昱寧，袁博

1.遵義醫科大學，貴州 遵義 563000；

2.成都大學附屬醫院骨科，四川 成都 610081；

3.中國人民解放軍總醫院301醫院康復醫學科，北京 100853

膝關節骨關節炎(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，其患病率在過去70 年中翻了一倍[3-5]。全膝關節置換術(total knee arthroplasty，TKA)是治療由晚期KOA 引起的疼痛和損傷的常用手術，使用壽命可以持續超過15 年，低于10%的TKA 須進行翻修[6-7]。但由于膝關節的結構特性，TKA 術后疼痛、肌力下降和關節僵硬的問題仍使超過20%的TKA 患者術后康復效果不滿意[8-10]。而術后X 線、CT 等影像學檢查不能動態評估患者膝關節功能，傳統評分量表又具有較強主觀性[11]。步態分析從生物力學角度，構建步態過程中的運動學參數、動力學參數和時空參數，對評估關節功能和康復具有重要指導意義[12]。目前采用的步態分析設備多為國外品牌，如英國Vicon 步態分析儀、美國AMTⅠ公司的三維步態分析系統和三維測力臺等，國內步態分析設備報道較少[13-15]。對于TKA 術后步態分析多為術前和術后3 個月及1 年以上的康復后期TKA 患者與同齡健康人對比測試，關于早期康復階段的術側與健側步態對比分析報道較少[16-18]。因此，本研究運用我國自主研發的平衡障礙康復機器人分析TKA 術后早期術側與健側的步態變化，從步態分析角度研究TKA 術后步態變化特點，以評估手術療效。

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院治療且符合以下納入和排除標準的68 例TKA 術后患者納入研究。納入標準：(1)診斷為單側TKA，健側無明顯KOA癥狀，無明顯或輕度KOA影像學表現患者；(2)年齡50～75 歲；(3)認知正常、情緒穩定，能配合測試。排除標準：(1)除單側TKA 外，伴隨其他的下肢關節脫位或骨折疾病患者；(2)其他臟器疾病不能耐受測試者；(3)身體質量指數(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醫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 試驗設備 本研究中所采用的平衡障礙康復機器人為北京航空航天大學、浙江工業大學和中國人民解放軍總醫院共同合作研發的康復系統。平衡障礙康復機器人由測試康復平臺智能反饋系統、姿態傳感器系統、減重平衡測試防護裝置系統組成。測試康復平臺智能反饋系統包括：多模式運動平臺、步行帶、位置監控裝置、位置警示裝置、控制柜、軟件組件等(圖1)。姿態傳感器系統包括12個9軸姿態傳感器、接收基站、工控機等(圖2)。姿態傳感器通過左手笛卡爾坐標系，建立三維坐標，運用數學函數實現輸入到輸出的映射功能，解析運動學活動度參數、動力學力矩參數和時空步態參數。

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

圖2 姿態傳感器系統Figure 2 Attitude sensor system

1.3 測試方法 所有患者均為同一組手術人員采用同一手術方式進行手術，術后予以相同的傳統康復方案進行康復治療1 周，使患者基本能在術后1 周時進行步態測試。測試前完善術側膝關節正側位，確保膝關節假體無松動、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中點；4 號傳感器固定于左前臂外側中點；5 號傳感器固定于右上臂外側中點；6 號傳感器固定于右前臂外側中點；7 號傳感器固定于左大腿前側中點；8 號傳感器固定于左小腿前側中點；9 號傳感器固定于左踝前側；10 號傳感器固定于右大腿前側中點；11 號傳感器固定于右小腿前側中點；12 號傳感器固定于右踝前側?；颊吲宕骱脗鞲衅骱?，站于平衡障礙康復機器人測試平臺進行姿態傳感器進行姿態標定。標定完成后患者自主模式下在測試平臺進行步態測試, 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：比較患者術側和健側在術后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：比較患者術側和健側在術后1 周時的屈曲力矩、伸展力矩、內翻力矩、外翻力矩、內旋力矩和外旋力矩峰值。(3)時空參數指標：比較患者術側和健側在術后1周時的步長、步速、步頻和單足支撐時間百分比。

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

2 結果

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

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

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

組別術側健側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 患者術后的步態動力學參數比較 TKA術后患者的術側屈曲力矩、伸展力矩、外翻力矩和外旋力矩峰值明顯小于健側，內翻力矩和內旋力矩明顯大于健側，差異均有統計學意義(P＜0.05)，見表2。

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

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

組別術側健側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 患者術后的時空參數比較 TKA患者術后術側單足支撐百分比小于健側，差異有統計學意義(P＜0.05)，而步長、步速和步頻術側與健側之間比較差異均無統計學意義(P＞0.05)，見表3。

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

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

組別術側健側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術后患者由于解剖結構相比術前KOA發生了變化，患者需要從長期膝關節骨關節炎病程中的關節磨損及力線改變造成的代償步態模式，調整為新的步態模式[19]。臨床中很多TKA 術后患者因為懼怕疼痛而不愿進行肌力、活動度以及步態康復鍛煉，從而導致術后關節僵硬、功能恢復差、行走效果不滿意等問題[20-22]。臨床上TKA術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觀察TKA手術效果的方法，但不能反應與患者滿意度最相關的運動能力，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。步態分析則通過量化運動功能，可以客觀準確地評價TKA術后效果。因此，本研究通過平衡障礙康復機器人測試系統對TKA 術后患者進行術側與健側的步態對比分析，從生物力學角度更客觀地評估TKA術后早期步態特征，為TKA術后早期康復治療提供更科學的理論指導。

本研究結果顯示TKA 術后患者早期術側的運動學參數矢狀面活動度、冠狀面活動度和水平面活動度均小于健側，表明術側活動度的減弱表明術側膝關節穩定性還未達到健側水平。TKA 術后股骨髁和脛骨平臺的解剖結構相對于術前的KOA 的膝關節狹窄關節間隙發生了變化，KOA 導致的短腿步態得以改善，但患者還未適應下肢力線的改變，其穩定性減弱造成術側步態活動度的減小。TKA 手術帶來的疼痛會使患者通過減小步態中的膝關節角度，緩沖著地時的沖擊力，以此減輕行走過程中的疼痛感。同時術側步態活動度的減小也有利于增加膝關節的穩定性，提升下肢的平衡感。此外，患者懼怕膝關節假體在行走過程中松動或脫位，以及術后還未適應假體、膝關節周圍肌力減弱等也會造成術側步態活動度的減小。TKA術后的不穩定性和減痛步態造成術側運動學活動度的減弱是影響術側膝關節穩定性重要因素。由于膝關節矢狀面的屈伸活動是主要運動形式，因此，后續康復方案需要重點加強膝關節屈伸活動度訓練，提升膝關節的穩定性。

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

本研究結果顯示TKA 術后患者早期術側的時空參數中步長、步速和步頻差異均無統計學意義，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節置換后患者膝關節的解剖結構已恢復，下肢的整體力線得到糾正，對髖關節和踝關節的活動也有改善，從而使術側下肢步長、步頻和步速與健側無明顯差異。而單足支撐百分比術側與健側差異有統計學意義，且術側小于健側，提示患者下肢的平衡能力還未恢復。在人體步態周期中可分為支撐相和擺動相，其中支撐相占了整個步態周期的60%，而在支撐相中一側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前習慣更多用健側承重來減輕KOA帶來的疼痛，加上術后的疼痛產生的畏懼心理使患者減小術側在步態中的支撐時間，雙側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，后續康復方案需要加強術側單足支撐時間訓練，增加術側單足支撐百分比，提升平衡能力。

綜上所述，隨著人工假體和手術技術的進步，TKA使患者的關節間隙狹窄在術后有明顯改善，TKA術后步態分析中時空參數差異較小，其中步長、步速和步頻術側和健側差異無統計學意義，單足支撐百分比術側和健側差異有統計學意義，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。而TKA 術后的運動學參數活動度和動力學參數力矩等差異有統計學意義，術側膝關節的生物力學與健側相差較大，是影響患者平衡能力重要因素。因此，后續康復方案需要重點加強屈伸肌力的訓練，以及增加外翻、外旋動作來平衡內外側肌力，通過針對性訓練來平衡患者在步態中的單足支撐百分比，從而改善TKA術后膝關節的步態中的活動度、穩定性和平衡能力，進一步提升TKA術后患者早期的康復效果和滿意度，對促進TKA手術效果和使患者早日康復具有重要意義。