全膝关节置换术后下肢肿胀测量方法研究进展

杨 琳，阮 洪，李慧武，翟赞京，杨志英

1.上海交通大学医学院附属第九人民医院，上海 200011；2.上海交通大学护理学院

全膝关节置换术（total knee arthroplasty,TKA）是治疗终末期骨关节炎的有效手段，随着人们对生活质量的不断追求，TKA 手术量急剧增加[1]。因TKA 手术操作、围术期失血、应用抗凝药等综合作用，极易导致病人术后出现下肢肿胀[2]。术后肿胀呈现高发、持续时间久、多部位发生的特点，90.7%的病人在出院后2～3 周出现下肢肿胀[3]，至术后1 年仍有26.9%病人报告膝部肿胀，19.1%病人报告小腿肿胀[4]。肿胀后发生的关节源性肌肉抑制，导致股四头肌力量进一步下降[5-6]，不利于术后早期康复锻炼[7]，增加深静脉血栓、关节僵硬的风险。且肿胀引起的水疱、皮肤破损增加了术后感染的风险。肿胀带来的不适体验和对治疗结局的重要影响，使其成为医护人员和病人共同关注的焦点。但TKA 术后肿胀难以有效干预、肿胀机制分类不明，而测量TKA 术后下肢肿胀是探索相关机制、开展精准干预的基础。症状的持续提示监测需由院内延伸到院外居家情境，但传统的卷尺测量腿围法存在诸多局限性，需不断改进技术以满足研究和实践的需求。现对国内外TKA 术后下肢肿胀的测量方法进行综述，以期为临床实践研究提供参考。

1 卷尺测量腿围法

1.1 测量方法 下肢肿胀的传统测量方法为卷尺测量腿围。测量时，病人取仰卧位，臀部保持在中立位置，充分放松小腿肌肉，膝盖伸直，下肢稍外展外旋[8]。如果膝盖伸直角度小于0°，则在足后跟下方放置一个坚硬的圆柱体支撑。测量者站在靠近测量肢体的位置，可在测量位置处标记测量点，使用非弹性卷尺放置并紧贴在测量点上进行周径测量。为减少信息偏倚，即测量者主观因素对结果的影响，有研究者建议在测量时实施盲法，将面向测试者的卷尺一面设为无刻度面，当测试者认为卷尺对齐后，再从刻度面得出周径数据[9]。周径值精确到0.1 cm，可重复测量，取平均值。

1.2 应用情况 该方法是临床常用的下肢肿胀测量方法，广泛用于以TKA 术后下肢肿胀为结局指标的干预性研究中[2,10-12]。但不同研究者在选择测量位置时标准不统一，多数研究选择了以下位置：髌骨上10 cm[2,10-11]、髌骨上5 cm[2]、髌骨中心（膝盖周径）[2,10]、髌骨下10 cm[10,12-13]、胫 骨 结 节 下10 cm[2]、足 踝[12]。Bakar 等[14]在探索卷尺测量用于健康人下肢周径的信度评价时，选择了下肢的9 个测量点：跖骨、踝跟、脚踝、腓肠肌远端起点、腓肠肌最宽处、腓骨头、膝中、大腿中、腹股沟水平。由于下肢肿胀的卷尺测量通常不止1 个测量点，为缩短测量时间，赵丹等[15]改良普通卷尺，形成宽版双刻度测量尺，便于同时测出两处腿围，例如髌骨中心和髌骨上10 cm，方便临床应用。该测量方法的优点是便携、成本极低，但也存在诸多局限性：①肢体的测量平面难以重复准确定位[8]。部分研究者以体表标志作为参照点，再根据参照点定位测量平面时，由于体表参照点是一块区域（例如髌骨），导致每次测量难以定位到相同位置。测量时软尺下滑等造成不易与肢体纵轴垂直，导致测量不准确。而部分以肢体最肿胀或最细处作为平面的测量，因受视觉因素影响，难以在同一平面上重复测量，主观性强，致其准确性和可靠性不佳。对此，卓修建等[8]提出使用防水记号笔定位测量平面，每次测量均用软尺在记号笔位置重复测量，但研究仅针对小腿测量平面。②不同测量点的卷尺测量结果可靠性有差异，TKA 病人肿胀的测量点未统一。Bakar 等[14]研究中受试者下肢的9 个参照点由理疗师应用一种改进的卷尺装置（Leg-O-Meter）统一确定，并用记号笔标出，比较6 名观察者对58 名健康人下肢的各周径测量结果。结果显示，组内相关系数（intraclass correlation coefficient,ICC）为0.92～0.99（P<0.05），但不同参照点的可靠性存在差异。由于测量尺在足踝处会有滑落趋势，跖骨处在测量时会从骨突的不同侧面进行测量，而膝中的测量可靠度高，可能是由于软组织相对较薄。③多种因素影响测量信度。丹麦的一项研究显示，不同经验的理疗师对膝关节周径的测量结果差异有统计学意义[9]。有研究表明，测量肿胀时肢体摆放的不同位置会导致评估者间的信度降低[16]。TKA 术后病人的伤口处常贴有敷料，导致部分测量点的周径测量偏差无法避免。因此，卷尺测量腿围法在测量多部位肢体肿胀时，需要多次定位测量、耗时较长，且评估者间信度较差，在不同部位间存在差异，测量结果的准确性难以保障。病人住院期间，通过统一测量可减少部分误差，但对于出院后病人的肿胀监测，需要老年病人或家属实施，难以保障测量结果准确性。

2 生物电阻抗技术

2.1 评估原理 人体的细胞内液及细胞外液均具有导电性，在电流的激发下，生物组织会产生复杂的电阻抗[17]。生物电阻抗测量的原理是不同类型的组织、气体、血液和流体的电阻抗是不同的，通过置于体表的电极向待测部位注入微弱的安全电流，通过检测电极检测待测部位的电压信号，之后根据信号计算相应的阻抗值用于后续分析[18]。下肢肿胀时，体内流体体积增加，对电流的阻抗减小[19]。这一规律在膝关节积液生物阻抗检测模型中得以验证，膝关节积液程度加重将导致人体表面电势和阻抗值下降，局部积液导致该区域电势低于其他区域[20]。生物电阻抗测量技术因其有无创、安全、易用、便携、成本相对较低的优点在医疗领域广泛应用，如测量人体的水分含量、肥胖程度等，该技术设备类型包括单频生物电阻抗、多频生物电阻抗和生物电阻波谱设备[21]。

2.2 测量方法 不同生物电阻抗设备测量方法略有差异，主要体现在电极放置位置的不同，与其设备的工作原理不同有关。Loyd等[7]研究生物电阻抗测量的6个步骤：①病人平躺超过10 min，下肢不覆盖纱布或敷料。②放置电极。位置分别是大腿中线髌骨上20 cm、大腿中线髌骨上10 cm、内外踝中点、内外踝中点下方10 cm 处。③连接电极线。④打开设备，等待5 s，记录数值。⑤在另一侧肢体上重复上述操作。⑥使用公式[1-(肿胀肢体生物电阻抗值/未肿胀肢体生物电阻抗值) ×100%] 计 算 肿 胀 值。 Pichonnaz 等[19]应 用Impedimed SFB7 设备测量时按照上述步骤，采用四线测量方法，避免皮肤阻抗对测量结果的影响。放置电极前，首先测量胫骨内侧髁边缘与内踝顶端之间的胫骨长度。远端电流注入电极放置在内踝中间的位置，近端电流注入电极放置在远端电极上方1.25（补充单位）的胫骨长度处。远端测量电极放置在踝关节线正上方，近端测量电极放置在与近端电极相同水平的对侧肢体上[22]。电阻抗数值的记录均精确到0.1 Ω。

2.3 应用情况 国外学者已将生物电阻抗测量技术用于TKA 术后下肢肿胀的干预性研究和肿胀发生的影响因素研究[7,23]。Pichonnaz 等[19]对生物电阻波谱（bioelectrical impedance spectroscopy，BIS）测量TKA术后下肢水肿的信度进行评价，并与腿围周径测量法、下肢体积测量法进行比较，发现BIS 评价者内部和评价者间的可靠性非常好（0.96～0.99）。评估者内部和评估者间一致性均非常好，ICC 为0.89～0.99，95%一致性界限(95% limits of agreement,95% LoA)<5.2%，敏感性为0.96，特异性为0.96。BIS 在TKA 术后2 d、8 d 的测量区分度以受试者工作特征（ROC）曲线下面积（area under the curve,AUC）表示，分别为[0.99,95%CI(0.98,1.00)]、[1.00,95%CI（0.90,1.00）]，显 著优于腿围周径测量法和下肢体积测量法（P<0.01）。BIS 的测量结果与体积测量和腿围测量的相关系数分别为0.73,0.75。BIS 实际测量的肿胀程度高于腿围周径和下肢测量结果，是由于当细胞外液量加倍时，肢体的体积并不会成倍数增加，肿胀对于腿围周径只有很小的影响。因此，BIS 直接测量细胞外液的变化，可更敏感、准确地测量肿胀的变化[19]。Loyd 等[24]认为BIS设备价格昂贵，可选择同类原理的单频生物电阻抗（single frequency bioelectrical impedance assessment,SF-BIA）设备替代BIS，通过比较56例病人应用SF-BIA与腿围测量的结果，发现SF-BIA 测量的ICC 为0.99,95%CI(0.96,0.99)，远高于腿围周径测量法ICC 为0.69,95%CI(0.21,0.90)。测量的标准误差（SEM）为0.01,95%CI(0.01,0.01)，远低于腿围周径测量法SEM为0.03,95%CI(0.02,0.05)。MDC90指标可用于反映肿胀在何种水平时发生真正的变化。研究得出，SF-BIA测量时MDC90=2%，即临床医生可以将肿胀减少的百分比≥2%视为真正可检测的肿胀变化。而在腿围周径测量中，MDC90=6%～18%，提示数据的变化达到6%～18%时认为肿胀发生了变化。这样的差异同样提示SF-BIA 检测肿胀微小波动的能力更高，可更敏感地测量肿胀变化。随着远程医疗健康的发展，已有研究者将生物电阻抗测量膝关节或下肢肿胀的技术用于可穿戴设备的系统[18,25]。在Inan 等[18]开发的基于多模式传感技术支持的可穿戴膝关节健康系统中，下肢肿胀测量模块应用了生物电阻抗技术。通过集成于设备中的4 个干电极片（膝上前侧2 个、膝下后侧2 个）实现数据收集，但实践发现仍存在穿戴不适的局限性，提出未来需研制更舒适、灵活的纺织材质电极来改善穿戴体验。生物阻抗信号受膝盖位置和运动的影响，故需要受试者在处于相似位置时记录测量值，以便于纵向数据的直接比较。对此，开发了一种腿部位置识别算法来确定受试者是否处于最佳测量姿势（腿部完全伸直水平位），并实现了仅在受试者处于最佳位置时记录生物电阻抗数据，在保障数据有效性的同时减少电量损耗。该系统可用于各类需监测膝关节健康情况的人群，目前仅实现了单部位的肿胀测量，尚未报道其在TKA 术后病人中应用。国内学者在该领域的研究目前聚焦于构建基于生物电阻抗的下肢水肿测量系统，并通过建模解决如何根据电阻抗测量结果计算、预测积液量的问题，但尚未在TKA 人群中应用。王光景[26]设计了基于生物阻抗的下肢水肿测量系统，并在10 例水肿病人中测试应用，结果显示水肿程度高时细胞外液的阻抗变化率大，区别于非水肿状态，提示阻抗值变化率可作为水肿程度判断的指标，在临床中有很大的应用前景。王岑[17]构建了膝关节近似人体仿真模型，并模拟不同膝关节积液程度，运用生物阻抗进行测量，提出了基于生物阻抗的膝关节积液严重程度预测模型。研究结果进一步应用于大鼠膝关节积液模型，推导出积液含量与膝关节阻抗间的关系式，计算结果与实际液体含量的计算误差率低于10%，说明膝关节积液测量可通过生物电阻抗检测方法实现[27]。喻聪龙等[28]研制了基于生物电阻抗测量与蓝牙技术的水肿监护系统，可便携、实时地监测水肿情况，并将数据传送、显示、存储至移动电子设备，但该系统仅有在健康人群中试用的报道。国内外学者均尝试了生物电阻抗技术在下肢肿胀测量中的应用，获得了较好的效果，但测量只针对膝关节单部位，未探索多部位（大腿、小腿、膝关节、足踝）同时测量的技术，尚未见基于该技术的可穿戴设备在TKA 人群中应用。而TKA 术后下肢常存在多部位肿胀，仅针对单部位的肿胀测量难以实现症状的分类识别与精准管理，需进一步探索有效的测量方式。

3 彩色多普勒超声

3.1 测量原理 彩色多普勒超声技术在肢体肿胀测量时的目的不同，测量原理也不同。①诊断肿胀原因：对关节置换术后肢体肿胀部位的皮肤、皮下软组织、深筋膜及肌肉组织进行扫描，根据声像图所示的静脉管径粗细、管腔内回声情况、探头加压时管腔是否压瘪、血流信号等，对肿胀原因进行诊断分型[29]。②评价肿胀程度。通过测量表皮与筋膜间的距离作为皮肤厚度，包括表皮、真皮和皮下组织层[30]。

3.2 测量方法及应用情况 彭志平等[29]应用彩色多普勒超声诊断仪诊断关节置换术后下肢肿胀的原因时，使用探头频率为5～12 MHz，沿各段静脉解剖分布走形，自上而下检查下肢深静脉各段内径，管腔内有无血栓形成及血栓累及的部位、范围、活动度以及管腔内血液充盈情况，并结合探头加压及远端肢体挤压试验证实诊断。最终将肿胀的原因分为静脉性水肿（51%）、淋巴性水肿（24%）及其他未见异常者（25%），该研究未测量肿胀程度。彩超设备在使用时需要专业人员操作，对检查场所有一定的要求，较难用于术后病人居家测量。

4 3D 扫描

德国学者提出将光学3D 体积测量系统用于下肢周径和体积测量[31]。该方法已应用于关节镜术后肿胀干预的效果评价，测量时干预组病人脱去下肢弹力袜，等待30 min 让四肢血流恢复至正常状态，站在装有扫描装置的旋转测量平板上，扫描时间不到1 min。扫描时系统会生成3D 数字模型和下肢各部位的周径、下肢体积，具有较好的可靠性和准确度[32]。但上述装置需病人至设备所在的固定地点测量，便携性不佳。手持式3D 扫描仪可用于人体数据的测量，常用于3D 打印设备的数据收集，更具便携性。Pei 等[33]比较手动测量、手持式高精度3D 扫描仪（EVA Artec，13 700 英镑）和低成本手持3D 扫描仪（iSense，289 英镑）在膝关节3D 打印辅具应用中的测量结果显示，手持式高精度3D 扫描仪比手动测量的结果偏高2.5 mm，但一致性极好（ICC 为0.99～1.00），且测量的可重复性更好。低成本扫描仪与高级扫描仪的测量一致性也很好，ICC为0.99，但测量结果会高估周长的0.1%～1.5%，扫描时长比手持式高精度3D 扫描仪长97 s，但数据处理速度快9 倍。尚未报道3D 扫描技术用于TKA 病人术后肢体肿胀的测量，其便携、测量快速准确的优势值得关注，但对测量者及环境的要求尚需探讨，可在未来研究中进一步尝试探索其适用情境。

5 水置换容量法

水置换容量法是学界公认的测量肢体体积的金标准，常用于乳腺癌术后病人上肢水肿的测量。水置换容量法基于简单的物理原理，即当肢体浸入装满水的容器中，溢出水的体积则代表下肢的体积，可在校准的容器中称重或测量溢出水[34]。受试者将腿慢慢放入容器中，足跟放在靠近容器后侧的板上，使膝关节形成直角，该方法可用于静息病人的静态体积测量[35]。但其局限性是测量过程烦琐，测量结果无法体现肿胀的位置，且不适用于下肢有开放性伤口的病人，故难以用于TKA 术后早期肿胀的测量。

6 多技术交叉应用

英国学者提出了一项基于视频和人工智能技术的新型设备，可实现快速、非接触测量，适用于临床和居家环境下病人肢体体积测量[35]。应用3D 摄像头拍摄病人下肢，对数据进行复杂的处理和拟合过程，形成下肢成像模型。该设备基于计算机视觉方法，可自动识别病人在家中的状况，收集下肢肿胀的数据，并将其提交给监测中心，这一过程无需病人或临床医生的主动互动，可作为居家监测的工具。通过比较该设备与卷尺测量、水置换技术的结果，发现该设备的测量更准确，并与金标准（水置换容量法）结果呈现极高的相关性。未来会进一步优化产品成本，进行居家设备设计，减少数据处理时长[35]。多技术交叉应用的测量设备为TKA 病人术后居家测量肿胀提供了可能，目前国内尚未见同类技术报道，未来可研发相关工具实现居家情境下术后下肢肿胀的症状管理。

7 小结

随着新兴技术的发展，传统方法测量TKA 术后下肢肿胀的局限性在新方法的应用中逐渐得到弥补，但不同技术的应用各有利弊，研究人员可根据临床情境、可及性等进行选择。部分测量技术在不同评价者之间的差异可能影响测量结果，故研发一种病人接受度高、依从性高、测量准确度高的技术或方法是开展相关研究的基础。已有测量方法的进步展现出多学科交叉的重要价值，未来可通过学科交叉研发测量设备和数字化系统，实现居家测量与数据传输，进一步探索TKA术后下肢肿胀精准干预策略，为改善病人体验、改进临床实践提供参考。