平衡障碍康复机器人对全膝关节置换术后患者早期步态分析的研究

李波，李开南，贾子善，龙涛，王郑浩，冯昱宁，袁博

1.遵义医科大学，贵州 遵义 563000；

2.成都大学附属医院骨科，四川 成都 610081；

3.中国人民解放军总医院301医院康复医学科，北京 100853

膝关节骨关节炎(knee osteoarthritis，KOA)是成人下肢活动受限的重要原因，影响全球超过2.4亿人，其中我国50 岁以上KOA 总患病率约为14.3%[1-2]。随着老龄化和肥胖问题的增加，KOA 人群日益增多，约30%的50岁以上人群有影像学表现，其患病率在过去70 年中翻了一倍[3-5]。全膝关节置换术(total knee arthroplasty，TKA)是治疗由晚期KOA 引起的疼痛和损伤的常用手术，使用寿命可以持续超过15 年，低于10%的TKA 须进行翻修[6-7]。但由于膝关节的结构特性，TKA 术后疼痛、肌力下降和关节僵硬的问题仍使超过20%的TKA 患者术后康复效果不满意[8-10]。而术后X 线、CT 等影像学检查不能动态评估患者膝关节功能，传统评分量表又具有较强主观性[11]。步态分析从生物力学角度，构建步态过程中的运动学参数、动力学参数和时空参数，对评估关节功能和康复具有重要指导意义[12]。目前采用的步态分析设备多为国外品牌，如英国Vicon 步态分析仪、美国AMTⅠ公司的三维步态分析系统和三维测力台等，国内步态分析设备报道较少[13-15]。对于TKA 术后步态分析多为术前和术后3 个月及1 年以上的康复后期TKA 患者与同龄健康人对比测试，关于早期康复阶段的术侧与健侧步态对比分析报道较少[16-18]。因此，本研究运用我国自主研发的平衡障碍康复机器人分析TKA 术后早期术侧与健侧的步态变化，从步态分析角度研究TKA 术后步态变化特点，以评估手术疗效。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取2021 年7 月至2022 年7 月于中国人民解放军总医院治疗且符合以下纳入和排除标准的68 例TKA 术后患者纳入研究。纳入标准：(1)诊断为单侧TKA，健侧无明显KOA症状，无明显或轻度KOA影像学表现患者；(2)年龄50～75 岁；(3)认知正常、情绪稳定，能配合测试。排除标准：(1)除单侧TKA 外，伴随其他的下肢关节脱位或骨折疾病患者；(2)其他脏器疾病不能耐受测试者；(3)身体质量指数(body mass index，BMⅠ)≥35 kg/m2；(4)合并有其他可能严重影响下肢功能状况疾病者。本研究已获中国人民解放军总医医院院伦理委员会伦理审批(伦理审批号：S2021-148-01)。所有患者均已告知测试目的及注意事项，并签署知情同意书。

1.2 试验设备 本研究中所采用的平衡障碍康复机器人为北京航空航天大学、浙江工业大学和中国人民解放军总医院共同合作研发的康复系统。平衡障碍康复机器人由测试康复平台智能反馈系统、姿态传感器系统、减重平衡测试防护装置系统组成。测试康复平台智能反馈系统包括：多模式运动平台、步行带、位置监控装置、位置警示装置、控制柜、软件组件等(图1)。姿态传感器系统包括12个9轴姿态传感器、接收基站、工控机等(图2)。姿态传感器通过左手笛卡尔坐标系，建立三维坐标，运用数学函数实现输入到输出的映射功能，解析运动学活动度参数、动力学力矩参数和时空步态参数。

图1 测试康复平台智能反馈系统Figure 1 Testing of the rehabilitation intelligent feedback system

图2 姿态传感器系统Figure 2 Attitude sensor system

1.3 测试方法 所有患者均为同一组手术人员采用同一手术方式进行手术，术后予以相同的传统康复方案进行康复治疗1 周，使患者基本能在术后1 周时进行步态测试。测试前完善术侧膝关节正侧位，确保膝关节假体无松动、脱位，同时测试时进行无减重模式的悬吊保护。测试前告知患者检测目的及过程，使患者放松。将12 个姿态传感器模块按顺序固定于12 个特定标记点，分别为1 号传感器固定于胸骨角；2号传感器固定于腹部正中处；3号传感器固定于左上臂外侧中点；4 号传感器固定于左前臂外侧中点；5 号传感器固定于右上臂外侧中点；6 号传感器固定于右前臂外侧中点；7 号传感器固定于左大腿前侧中点；8 号传感器固定于左小腿前侧中点；9 号传感器固定于左踝前侧；10 号传感器固定于右大腿前侧中点；11 号传感器固定于右小腿前侧中点；12 号传感器固定于右踝前侧。患者佩戴好传感器后，站于平衡障碍康复机器人测试平台进行姿态传感器进行姿态标定。标定完成后患者自主模式下在测试平台进行步态测试, 每例患者测试3 次，每次测试行走2 min，间隔休息10 min(图3)。

图3 患者步态分析过程Figure 3 Process of patient gait analysis

1.4 观察指标 (1)运动学指标：比较患者术侧和健侧在术后1 周时的矢状面活动度、冠状面活动度和水平面活动度。(2)动力学指标：比较患者术侧和健侧在术后1 周时的屈曲力矩、伸展力矩、内翻力矩、外翻力矩、内旋力矩和外旋力矩峰值。(3)时空参数指标：比较患者术侧和健侧在术后1周时的步长、步速、步频和单足支撑时间百分比。

1.5 统计学方法 应用SPSS25.0软件进行数据统计学分析。计数资料组间比较采用χ2检验；计量资料以均数±标准差(±s)表示，组间比较采用两独立样本t检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 患者术后的步态运动学参数比较 TKA患者术后术侧矢状面活动度、冠状面活动度和水平面活动度明显小于健侧，差异均有统计学意义(P＜0.05)，见表1。

表1 68例患者术后的步态运动学参数比较(±s，°)Table 1 Comparison of postoperative gait kinematic parameters in 68 patients(±s，°)

表1 68例患者术后的步态运动学参数比较(±s，°)Table 1 Comparison of postoperative gait kinematic parameters in 68 patients(±s，°)

组别术侧健侧t值P值矢状面活动度40.1±10.4 49.3±6.9-6.079 0.001冠状面活动度13.2±6.5 19.6±4.5-6.676 0.001水平面活动度10.6±4.3 12.9±3.4-3.460 0.001

2.2 患者术后的步态动力学参数比较 TKA术后患者的术侧屈曲力矩、伸展力矩、外翻力矩和外旋力矩峰值明显小于健侧，内翻力矩和内旋力矩明显大于健侧，差异均有统计学意义(P＜0.05)，见表2。

表2 68例患者术后的步态动力学参数比较[±s，(N·mm)/kg]Table 2 Comparison of postoperative gait kinetic parameters in the 68 patients[±s,(N·mm)/kg]

表2 68例患者术后的步态动力学参数比较[±s，(N·mm)/kg]Table 2 Comparison of postoperative gait kinetic parameters in the 68 patients[±s,(N·mm)/kg]

组别术侧健侧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内翻力矩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内旋力矩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 患者术后的时空参数比较 TKA患者术后术侧单足支撑百分比小于健侧，差异有统计学意义(P＜0.05)，而步长、步速和步频术侧与健侧之间比较差异均无统计学意义(P＞0.05)，见表3。

表3 68例患者术后的步态时空参数比较(±s)Table 3 Comparison of postoperative gait time-space parameters in the 68 patients(±s)

表3 68例患者术后的步态时空参数比较(±s)Table 3 Comparison of postoperative gait time-space parameters in the 68 patients(±s)

组别术侧健侧t值P值步长(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步频(step/min)91.7±16.6 92.4±15.8-0.252 0.802单足支撑时间百分比(%)31.3±8.4 35.7±5.6-3.594 0.001

3 讨论

TKA术后患者由于解剖结构相比术前KOA发生了变化，患者需要从长期膝关节骨关节炎病程中的关节磨损及力线改变造成的代偿步态模式，调整为新的步态模式[19]。临床中很多TKA 术后患者因为惧怕疼痛而不愿进行肌力、活动度以及步态康复锻炼，从而导致术后关节僵硬、功能恢复差、行走效果不满意等问题[20-22]。临床上TKA术后效果常用的评估包括影像学检查和功能量表评分。影像学检查是常用的静态观察TKA手术效果的方法，但不能反应与患者满意度最相关的运动能力，功能量表评分容易受测试者的熟知程度和被测试者的依从性影响，存在测试偏倚和主观性。步态分析则通过量化运动功能，可以客观准确地评价TKA术后效果。因此，本研究通过平衡障碍康复机器人测试系统对TKA 术后患者进行术侧与健侧的步态对比分析，从生物力学角度更客观地评估TKA术后早期步态特征，为TKA术后早期康复治疗提供更科学的理论指导。

本研究结果显示TKA 术后患者早期术侧的运动学参数矢状面活动度、冠状面活动度和水平面活动度均小于健侧，表明术侧活动度的减弱表明术侧膝关节稳定性还未达到健侧水平。TKA 术后股骨髁和胫骨平台的解剖结构相对于术前的KOA 的膝关节狭窄关节间隙发生了变化，KOA 导致的短腿步态得以改善，但患者还未适应下肢力线的改变，其稳定性减弱造成术侧步态活动度的减小。TKA 手术带来的疼痛会使患者通过减小步态中的膝关节角度，缓冲着地时的冲击力，以此减轻行走过程中的疼痛感。同时术侧步态活动度的减小也有利于增加膝关节的稳定性，提升下肢的平衡感。此外，患者惧怕膝关节假体在行走过程中松动或脱位，以及术后还未适应假体、膝关节周围肌力减弱等也会造成术侧步态活动度的减小。TKA术后的不稳定性和减痛步态造成术侧运动学活动度的减弱是影响术侧膝关节稳定性重要因素。由于膝关节矢状面的屈伸活动是主要运动形式，因此，后续康复方案需要重点加强膝关节屈伸活动度训练，提升膝关节的稳定性。

本研究结果显示TKA 术后患者早期术侧的动力学参数术侧屈曲力矩、伸展力矩、外翻力矩和外旋力矩峰值均小于健侧，内翻力矩和内旋力矩大于健侧，表明术侧的膝关节的平衡能力还未达到健侧水平。膝关节具有六个自由度，包括矢状面的屈伸运动、冠状面的内外翻运动和水平面的内外旋运动，但主要运动形式是矢状面的屈伸运动。膝关节屈曲运动时股骨髁的回滚机制，导致了胫骨相对于股骨的内旋运动；膝关节伸展运动时股骨髁的锁扣机制，导致了胫骨相对于股骨的外旋运动。因此，膝关节的屈伸运动是伴随着滚动的旋转运动，膝关节运动时力矩大小主要取决于膝关节肌力和运动时的力臂。膝关节肌力方面，一方面TKA手术会对膝关节周围肌群造成一定的损伤，术后伤口疼痛会使膝关节肌力有所下降。另一方面，KOA 患者长期的内翻畸形造成的内翻、内旋肌力增加，相应的外翻、外旋肌力减弱，以及膝关节屈伸活动受限导致屈伸肌力减弱在术后早期还未明显改善。膝关节力臂方面，由于个体下肢的长度是固定不变的，膝关节力臂主要受运动过程中活动范围的影响，由于TKA 术后行走时的步态活动度的减小，导致行走过程中的力臂减小，从而影响力矩的减弱。本研究中膝关节内翻力矩最大，屈伸力矩次之，上述分析是由于大多数KOA患者因疼痛造成屈伸活动减弱，长期内翻畸形导致的内侧肌肉代偿。因此，后续康复方案需要重点加强膝关节屈伸肌力训练，以及增加外翻、外旋动作使内外侧肌力达到平衡。

本研究结果显示TKA 术后患者早期术侧的时空参数中步长、步速和步频差异均无统计学意义，表明TKA 对下肢步行能力改善有积极作用。分析其可能的原因与全膝关节置换后患者膝关节的解剖结构已恢复，下肢的整体力线得到纠正，对髋关节和踝关节的活动也有改善，从而使术侧下肢步长、步频和步速与健侧无明显差异。而单足支撑百分比术侧与健侧差异有统计学意义，且术侧小于健侧，提示患者下肢的平衡能力还未恢复。在人体步态周期中可分为支撑相和摆动相，其中支撑相占了整个步态周期的60%，而在支撑相中一侧肢体在单足支撑时承载了大部分或全部的身体重量。患者术前习惯更多用健侧承重来减轻KOA带来的疼痛，加上术后的疼痛产生的畏惧心理使患者减小术侧在步态中的支撑时间，双侧单足支撑时间的显著性差异提示患者的平衡能力下降，行走过程中跌倒的风险较大。因此，后续康复方案需要加强术侧单足支撑时间训练，增加术侧单足支撑百分比，提升平衡能力。

综上所述，随着人工假体和手术技术的进步，TKA使患者的关节间隙狭窄在术后有明显改善，TKA术后步态分析中时空参数差异较小，其中步长、步速和步频术侧和健侧差异无统计学意义，单足支撑百分比术侧和健侧差异有统计学意义，表明TKA对下肢步行能力改善有积极作用，但TKA患者下肢的平衡能力还未恢复。而TKA 术后的运动学参数活动度和动力学参数力矩等差异有统计学意义，术侧膝关节的生物力学与健侧相差较大，是影响患者平衡能力重要因素。因此，后续康复方案需要重点加强屈伸肌力的训练，以及增加外翻、外旋动作来平衡内外侧肌力，通过针对性训练来平衡患者在步态中的单足支撑百分比，从而改善TKA术后膝关节的步态中的活动度、稳定性和平衡能力，进一步提升TKA术后患者早期的康复效果和满意度，对促进TKA手术效果和使患者早日康复具有重要意义。