肿瘤膝关节假体置换术后患者坐立-起身的生物力学研究

朱正飞，宋依芯，康建峰，李涤尘，靳忠民，王航辉，尉萍萍

(1.西安交通大学机械工程学院机械制造系统国家重点实验室，陕西 西安 710054；2.西安交通大学附属红会医院关节外科，陕西西安 710054；3.英国利兹大学机械工程学院医学与生物工程研究所，英国 利兹 LS29JT；4.西安外事学院，陕西 西安 710077)

膝关节周围骨肿瘤的整体发病率较低，但多发于25岁以下青少年且致残率、致死率高，其发病率近年来亦呈上升趋势[1-2]。随着新成像技术、新辅助化疗、手术技术、骨重建等治疗方法的发展，截肢率最小化，骨肿瘤保肢手术治疗越来越受到患者青睐，全膝关节置换术(total knee arthroplasty，TKA)成为膝关节周围骨肿瘤重建的黄金标准和主要治疗方式[3，4]。坐立-起身(sit-to-stand，STS)是人们重要的日常活动，正常人平均每天完成约60次[5]。室内工作和学习的人完成这一活动的频率还要再提高20%[6]。生物力学研究表明，STS时膝关节峰值扭矩高达2.2 Nm/kg[7]，而自然行走时的峰值扭矩仅为0.615 Nm/kg[8]。由于人工关节不能产生扭矩和动力输出，所以STS转换是极具挑战性的。目前关于肿瘤膝关节置换术后患者的STS生物力学研究较少，而且其康复策略缺少实验室支持。本研究拟通过肿瘤膝关节置换术后患者的STS生物力学研究，为患者的个性化康复提供有效指导，并探索健侧肢体的预保护措施。

1 资料与方法

1.1 受试对象的STS采集

1.1.1 受试对象 试验组为2010年9月至2016年3月在空军军医大学附属西京医院接受骨肿瘤全膝关节置换手术的7例(7膝)患者(术后6个月)；5名健康成年个体作为对照组。纳入标准：患者除受累关节外其他关节无严重病变或进行过关节手术，可在无拐杖或他人协助下正常行走，没有神经缺陷、没有不可控制的高血压、无下肢严重麻木感、视力良好、行走耐力良好、身体质量指数<35 kg/m2。采集对象在进行步态采集前需签署知情同意书。术前患者按照TNM分期系统均为ⅡA(G2T1-2M0)：高度恶性，间室内、外病变，无转移。手术方式为：根治性截骨同时切除周围受累软组织。受试对象基本信息如表1所示，两组差异无统计学意义(P>0.05)。

表1 受试对象基本信息比较

1.1.2 桌椅的定制 参照桌椅尺寸相关的国家标准，结合受试对象日常生活中常见的坐立-起身场景，本研究制备了五种不同尺寸的带扶手椅凳和桌子，桌椅的详细参数(见表2)。

表2 桌椅尺寸

1.1.3 步态采集 采集对象STS的步态采集和分析用于模拟和分析生活中常见的坐立-起身过程的生物力学特征。采集开始前，采集对象上身挺直，目视前方，双脚赤足分别踩在两块相邻的测力台上。听从采集人员的口令，以自选速度完成指定高度/起身方式的STS运动。本研究采集了受试对象以三种起身方式(手撑扶手、双手叉腰、手撑720 mm高度桌面)以及五种椅面高度(380 mm、400 mm、420 mm、440 mm、460 mm)下的坐立-起身步态，拟对受试者完成坐立-起身步态的生物力学特征进行研究。

1.2 STS步态的完成时间 临床上常用个体完成STS过程的时间作为评价关节功能效率的指标。STS的步态起始/终止时刻的选择为[9]：粘贴于第7颈椎棘突处的标记小球在矢状面内开始运动(速度超过1 cm/s)设定为开始时刻；健康侧膝关节达到最小屈曲角(速度小于1 cm/s)为终止时刻。

1.3 STS结束时刻的膝关节屈伸角度 膝关节骨关节炎(knee osteoarthritis，KOA)常伴随不同程度膝关节屈曲畸形[10-11]。术中残留内翻畸形或完全矫正畸形的手术效果尚无定论。受试对象完成STS过程结束时刻的膝关节屈伸角度，按照生活中椅面高度的常见情况，将步态按照椅面高度分为三类(0.7～0.9 m；0.9～1.0 m；1.0～1.2 m)进行分类研究。

1.4 地面反作用力对称度 引入下肢地面反作用力对称度来描述受试对象在起立过程中双侧下肢受力的对称情况，用于描述受试对象完成坐立-起身行为过程中双侧下肢地面反作用力对称情况。对称度越接近1，表明双侧下肢受力越均衡，正常健康个体双侧下肢地面反作用力对称度介于0.9～1.1之间。下肢地面反作用力不对称度的计算方法为拟置换侧下肢地面反作用力峰值与非手术下肢地面反作用力峰值的比值[12]。

2 结 果

2.1 STS步态的完成时间

2.1.1 手撑扶手 结果如图1所示。对点云数据进行线性拟合，分别得到拟合直线的斜率与截距。斜率表示起身时间随椅面高度变化的快慢程度，即椅面高度对STS效率的影响程度，斜率越大，表明椅面高度对受试对象完成STS的效率影响越大；截距表示STS过程理论所需最长时间，截距越大，表明受试对象完成STS过程耗时越长，即效率越低。斜率与截距均与受试对象的关节功能和自身身体适应性有关。

受试对象完成STS的平均时间与理论耗时相对应：对照组STS过程耗时最短，仅需2.2 s；针对研究对象STS点云数据的ANOVA分析表明，骨肿瘤膝关节置换术后患者完成STS的耗时随椅面高度改变变化较为显著(P<0.05)，即随着椅面高度的增加，骨肿瘤膝关节置换术后患者完成STS的时间越来越短，差异具有统计学意义。

2.1.2 双手叉腰 结果如图2所示。骨肿瘤全膝关节置换术后患者所需时间最短，仅需2.5 s，表明骨肿瘤全膝关节置换术后患者以双手叉腰方式完成STS过程的效率最高；对点云数据的线性拟合结果表明，采集对象以手撑桌面起身方式完成STS的耗时都随椅面高度的增加而减少：骨肿瘤全膝关节置换术后患者完成STS的时间随椅面高度的变化改变的最慢(斜率为-0.5)，表明椅面高度为骨肿瘤全膝关节置换术后患者以双手叉腰方式完成STS过程效率的影响最不明显。

2.1.3 手撑桌面 结果如图3所示。骨肿瘤膝关节置换术后患者以手撑桌面起身时耗时减少到4.6 s，对照组耗时增加到3.6 s。ANOVA分析表明，研究对象以手撑桌面方式完成STS的耗时与椅面高度的变化差异均无统计学意义(P>0.05)。

图1 手撑扶手时椅面高度与耗时点云图图2 双手叉腰时椅面高度与耗时点云图图3 手撑桌面时椅面高度与耗时点云图

2.2 STS结束时刻的膝关节屈伸角度 以手撑扶手完成STS后双侧膝关节屈伸角度如图4所示。骨肿瘤膝关节置换术后膝屈伸角度随着椅面高度的增加呈现逐渐增大的趋势：健侧膝屈伸角度分别为-1.8°、5.4°、9.5°；置换侧膝屈伸角度分别为2.5°、6.1°、8.9°。

以双手叉腰完成STS过程后的膝关节屈伸角度如图5所示。骨肿瘤膝关节置换术后膝屈伸角度随着椅面高度的增加整体上呈现逐渐增大的趋势：健侧膝屈伸角度分别为1.3°、3.9°、8.5°；置换侧膝屈伸角度分别为8.9°、7.0°、9.9°。

以手撑桌面完成STS过程后的膝关节屈伸角如图6所示。骨肿瘤膝关节置换术后患者双侧膝屈伸角度随着椅面高度的增加呈现不同趋势，健侧膝屈伸角度逐渐增大，置换侧膝屈伸角度先减小后增大：健侧膝屈伸角度分别为0.7°、5.3°、12.6°；置换侧膝屈伸角度分别为10.5°、5.4°、14.8°。

2.3 地面反作用力对称度 手撑扶手时、双手叉腰、手撑桌面时，对照组双侧下肢受力均衡。骨肿瘤膝关节置换术后患者在STS过程中以健侧支撑为主。随着椅面高度的增加，手撑扶手时，健侧下肢受力先增大后减小，而患侧下肢受力逐渐减；双手叉腰时，健侧受力逐渐增大，患侧下肢受力先减小后增大；手撑桌面时，健侧下肢受力先增大后减小，患侧下肢受力急剧减小(见表3)。

表3 受试对象地面反作用力

3 讨 论

3.1 STS研究的重要性与必要性 STS是指从椅子上站起，是TKA术后生物力学恢复的重要指标。STS是一项艰巨的任务，因为它需要更大的肌肉力量和比步行和爬楼梯更高的关节联合力。与大多数其他的动力运动不同，从椅子上站起是双脚与地面接触的双向支撑任务。因此，补偿性运动策略有利于一条腿来完成任务，这使得STS成为评估单侧下肢病理个体运动不对称的敏感手段。

3.2 术前健侧受力研究 Duffell等人[13]设计了一台可测量椅子用于测量早期膝骨关节炎(无疼痛)的下肢对称性情况，在STS状态转换过程中早期膝骨关节炎患者会采用健康侧下肢进行代偿性支撑，且健康侧膝关节屈伸角度和外翻力矩比患侧更大。Christiansen等[14]研究了末期膝骨关节炎患者在完成STS行为时的下肢地面反作用力对称性，结果表明患者的地面反作用力对称性指数是健康对照组的2倍，即健康侧下肢承重是患侧下肢承重的两倍。Turcot等[15]研究了早期KOA患者在完成STS行为时的下肢生物力学变化，结果表明KOA患者会把多余10%重量转移到健康侧下肢，且躯干向健康侧倾斜。以上研究表明，在膝关节骨关节炎患者完成STS转换过程时，健康侧下肢需进行代偿性支撑，且下肢的承重大于患侧。与我们前期研究结果一致[16]。提示我们，手术前STS的不对称性就应该引起临床医师和患者的足够重视，尽早采用纠正走路姿势、双下肢佩戴矫形器、支具或个性化鞋垫等方法早期干预，从而延缓或阻断病情的进展。

3.3 术后受力情况 Yoshida等[17]应用运动学、动力学、股四头肌力量和功能的方法，发现没有膝关节病变的对照组患者与TKA术后3年的患者仍存在运动学、动力学和时空变量之间的差异。TKA术后3年的患者在关节运动学和动力学方面存在极少的临床差异，股四头肌强度的临界差异减小，伴随对侧肢体时间空间与动力学步态参数的对称性改善。这可能是由于非手术侧肢体恶化以及手术侧肢体改善所致。Yoshida与我们的研究均提示，健侧的生物力学参数和股四头肌强度会逐渐适应对侧的对称性改善，所以，TKA术后健侧的预保护至关重要。Christiansen等[18]研究了35例单侧TKA置换患者完成STS行为时的下肢对称性特征，患者分别在术前、术后1个月、术后3个月、术后6个月接受步态采集，采集、分析得到患者双侧下肢地面反作用力数值，结果表明患者术后下肢对称性先减小(疼痛、肌肉控制力减弱等)，随着时间的发展，3个月以后对称性已经与术前相差无几；术后6个月下肢对称性已经接近95%。Christiansen的研究与Yoshida和我们的结果存在争论，仍有待于进一步研究来论证。Boonstra等[19]借助步态系统研究全膝和全髋重建术后STS行为时双腿受力对称情况，受试者坐在没有扶手的椅子上，椅子高度和深度可调。研究表明，置换侧与健康侧的地面反作用力峰值比值为0.83，意味着17%的总负载被转移到健康侧下肢。Oludare等[20]研究发现，单侧肢体的不适会增加STS转换过程中对侧的负担。表明恢复运动个体的STS对称性是康复的重要目标，为辅助装置的使用提供了理论基础[22]。

Abujaber等[21]应用平衡板来评估STS的对称性。Wu等[22]用仿生的膝假肢控制器来获得自然的STS运动。我们的研究也表明，肿瘤膝关节置换术后患者STS转换过程中，健侧与置换侧呈不对称性，且健侧承载大于置换侧。以上研究表明，在TKA与肿瘤膝关节置换术后患者完成STS转换过程时，健康侧下肢仍需进行代偿性支撑。TKA与肿瘤膝关节置换术后患者的STS仍呈现为不对称性。故术后应尽早佩戴双下肢个性化矫形器或支具、加强双下肢的对称性功能康复等方法早期干预[23]。

3.4 椅面高度对地面反作用力对称度的影响 我们的研究发现，通过调整椅面高度来获得，以手撑扶手、双手叉腰完成STS过程，骨肿瘤膝关节置换术后患者膝屈伸角度随着椅面高度的增加呈现逐渐增大的趋势；而以手撑桌面完成STS过程，骨肿瘤膝关节置换术后患者双侧膝屈伸角度随着椅面高度的增加呈现不同趋势，健侧膝屈伸角度逐渐增大，置换侧膝屈伸角度先减小后增大。椅面高度能显著改变地面反作用力对称度。Kinoshita等[24-25]研究发现，通过调整扶手高度来获得，扶手高度影响关节运动和STS运动时的重心转移，建议选择扶手位置来匹配老年人功能障碍的状态。TKA与骨肿瘤膝关节置换术后患者完成STS过程中，不但要根据患者的实际情况调整椅面高度，还要调整扶手位置，才能有效实现STS的对称性[23]。该部分仍有待于进一步研究。

我们建议在肿瘤膝关节置换术或TKA术后，早期使用双下肢个性化矫形器或支具，一方面能促进患者膝关节功能的对称性康复[26-27]；另一方面能对健侧起到良好的预保护作用。康复过程中应严格贯彻双下肢对称性功能锻炼的策略[28-29]，实现患侧的有效快速康复与护理，避免长期依赖健侧代偿。

3.5 本研究的局限性 本研究的局限性如下：a)样本量少，由于膝关节周围骨肿瘤病种少，手术方式多样；b)术后时间点局限在6个月，术后1个月、3个月、6个月、1年、2年的动态生物力学特征的系统研究，有助于制定针对性的阶段性康复策略，肿瘤膝关节置换术前的生物力学特征有助于术前计划的精细化设计。

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