朱正飛，宋依芯，康建峰，李滌塵，靳忠民，王航輝，尉萍萍

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2.西安交通大學(xué)附屬紅會(huì)醫(yī)院關(guān)節(jié)外科，陜西西安 710054；3.英國(guó)利茲大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院醫(yī)學(xué)與生物工程研究所，英國(guó) 利茲 LS29JT；4.西安外事學(xué)院，陜西 西安 710077)

膝關(guān)節(jié)周?chē)悄[瘤的整體發(fā)病率較低，但多發(fā)于25歲以下青少年且致殘率、致死率高，其發(fā)病率近年來(lái)亦呈上升趨勢(shì)[1-2]。隨著新成像技術(shù)、新輔助化療、手術(shù)技術(shù)、骨重建等治療方法的發(fā)展，截肢率最小化，骨腫瘤保肢手術(shù)治療越來(lái)越受到患者青睞，全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knee arthroplasty，TKA)成為膝關(guān)節(jié)周?chē)悄[瘤重建的黃金標(biāo)準(zhǔn)和主要治療方式[3，4]。坐立-起身(sit-to-stand，STS)是人們重要的日?；顒?dòng)，正常人平均每天完成約60次[5]。室內(nèi)工作和學(xué)習(xí)的人完成這一活動(dòng)的頻率還要再提高20%[6]。生物力學(xué)研究表明，STS時(shí)膝關(guān)節(jié)峰值扭矩高達(dá)2.2 Nm/kg[7]，而自然行走時(shí)的峰值扭矩僅為0.615 Nm/kg[8]。由于人工關(guān)節(jié)不能產(chǎn)生扭矩和動(dòng)力輸出，所以STS轉(zhuǎn)換是極具挑戰(zhàn)性的。目前關(guān)于腫瘤膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者的STS生物力學(xué)研究較少，而且其康復(fù)策略缺少實(shí)驗(yàn)室支持。本研究擬通過(guò)腫瘤膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者的STS生物力學(xué)研究，為患者的個(gè)性化康復(fù)提供有效指導(dǎo)，并探索健側(cè)肢體的預(yù)保護(hù)措施。

1 資料與方法

1.1 受試對(duì)象的STS采集

1.1.1 受試對(duì)象 試驗(yàn)組為2010年9月至2016年3月在空軍軍醫(yī)大學(xué)附屬西京醫(yī)院接受骨腫瘤全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)的7例(7膝)患者(術(shù)后6個(gè)月)；5名健康成年個(gè)體作為對(duì)照組。納入標(biāo)準(zhǔn)：患者除受累關(guān)節(jié)外其他關(guān)節(jié)無(wú)嚴(yán)重病變或進(jìn)行過(guò)關(guān)節(jié)手術(shù)，可在無(wú)拐杖或他人協(xié)助下正常行走，沒(méi)有神經(jīng)缺陷、沒(méi)有不可控制的高血壓、無(wú)下肢嚴(yán)重麻木感、視力良好、行走耐力良好、身體質(zhì)量指數(shù)<35 kg/m2。采集對(duì)象在進(jìn)行步態(tài)采集前需簽署知情同意書(shū)。術(shù)前患者按照TNM分期系統(tǒng)均為ⅡA(G2T1-2M0)：高度惡性，間室內(nèi)、外病變，無(wú)轉(zhuǎn)移。手術(shù)方式為：根治性截骨同時(shí)切除周?chē)芾圮浗M織。受試對(duì)象基本信息如表1所示，兩組差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

表1 受試對(duì)象基本信息比較

1.1.2 桌椅的定制 參照桌椅尺寸相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合受試對(duì)象日常生活中常見(jiàn)的坐立-起身場(chǎng)景，本研究制備了五種不同尺寸的帶扶手椅凳和桌子，桌椅的詳細(xì)參數(shù)(見(jiàn)表2)。

表2 桌椅尺寸

1.1.3 步態(tài)采集 采集對(duì)象STS的步態(tài)采集和分析用于模擬和分析生活中常見(jiàn)的坐立-起身過(guò)程的生物力學(xué)特征。采集開(kāi)始前，采集對(duì)象上身挺直，目視前方，雙腳赤足分別踩在兩塊相鄰的測(cè)力臺(tái)上。聽(tīng)從采集人員的口令，以自選速度完成指定高度/起身方式的STS運(yùn)動(dòng)。本研究采集了受試對(duì)象以三種起身方式(手撐扶手、雙手叉腰、手撐720 mm高度桌面)以及五種椅面高度(380 mm、400 mm、420 mm、440 mm、460 mm)下的坐立-起身步態(tài)，擬對(duì)受試者完成坐立-起身步態(tài)的生物力學(xué)特征進(jìn)行研究。

1.2 STS步態(tài)的完成時(shí)間 臨床上常用個(gè)體完成STS過(guò)程的時(shí)間作為評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)功能效率的指標(biāo)。STS的步態(tài)起始/終止時(shí)刻的選擇為[9]：粘貼于第7頸椎棘突處的標(biāo)記小球在矢狀面內(nèi)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)(速度超過(guò)1 cm/s)設(shè)定為開(kāi)始時(shí)刻；健康側(cè)膝關(guān)節(jié)達(dá)到最小屈曲角(速度小于1 cm/s)為終止時(shí)刻。

1.3 STS結(jié)束時(shí)刻的膝關(guān)節(jié)屈伸角度 膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎(knee osteoarthritis，KOA)常伴隨不同程度膝關(guān)節(jié)屈曲畸形[10-11]。術(shù)中殘留內(nèi)翻畸形或完全矯正畸形的手術(shù)效果尚無(wú)定論。受試對(duì)象完成STS過(guò)程結(jié)束時(shí)刻的膝關(guān)節(jié)屈伸角度，按照生活中椅面高度的常見(jiàn)情況，將步態(tài)按照椅面高度分為三類(lèi)(0.7～0.9 m；0.9～1.0 m；1.0～1.2 m)進(jìn)行分類(lèi)研究。

1.4 地面反作用力對(duì)稱度 引入下肢地面反作用力對(duì)稱度來(lái)描述受試對(duì)象在起立過(guò)程中雙側(cè)下肢受力的對(duì)稱情況，用于描述受試對(duì)象完成坐立-起身行為過(guò)程中雙側(cè)下肢地面反作用力對(duì)稱情況。對(duì)稱度越接近1，表明雙側(cè)下肢受力越均衡，正常健康個(gè)體雙側(cè)下肢地面反作用力對(duì)稱度介于0.9～1.1之間。下肢地面反作用力不對(duì)稱度的計(jì)算方法為擬置換側(cè)下肢地面反作用力峰值與非手術(shù)下肢地面反作用力峰值的比值[12]。

2 結(jié) 果

2.1 STS步態(tài)的完成時(shí)間

2.1.1 手撐扶手 結(jié)果如圖1所示。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，分別得到擬合直線的斜率與截距。斜率表示起身時(shí)間隨椅面高度變化的快慢程度，即椅面高度對(duì)STS效率的影響程度，斜率越大，表明椅面高度對(duì)受試對(duì)象完成STS的效率影響越大；截距表示STS過(guò)程理論所需最長(zhǎng)時(shí)間，截距越大，表明受試對(duì)象完成STS過(guò)程耗時(shí)越長(zhǎng)，即效率越低。斜率與截距均與受試對(duì)象的關(guān)節(jié)功能和自身身體適應(yīng)性有關(guān)。

受試對(duì)象完成STS的平均時(shí)間與理論耗時(shí)相對(duì)應(yīng)：對(duì)照組STS過(guò)程耗時(shí)最短，僅需2.2 s；針對(duì)研究對(duì)象STS點(diǎn)云數(shù)據(jù)的ANOVA分析表明，骨腫瘤膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者完成STS的耗時(shí)隨椅面高度改變變化較為顯著(P<0.05)，即隨著椅面高度的增加，骨腫瘤膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者完成STS的時(shí)間越來(lái)越短，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.1.2 雙手叉腰 結(jié)果如圖2所示。骨腫瘤全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者所需時(shí)間最短，僅需2.5 s，表明骨腫瘤全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者以雙手叉腰方式完成STS過(guò)程的效率最高；對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的線性擬合結(jié)果表明，采集對(duì)象以手撐桌面起身方式完成STS的耗時(shí)都隨椅面高度的增加而減少：骨腫瘤全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者完成STS的時(shí)間隨椅面高度的變化改變的最慢(斜率為-0.5)，表明椅面高度為骨腫瘤全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者以雙手叉腰方式完成STS過(guò)程效率的影響最不明顯。

2.1.3 手撐桌面 結(jié)果如圖3所示。骨腫瘤膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者以手撐桌面起身時(shí)耗時(shí)減少到4.6 s，對(duì)照組耗時(shí)增加到3.6 s。ANOVA分析表明，研究對(duì)象以手撐桌面方式完成STS的耗時(shí)與椅面高度的變化差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

圖1 手撐扶手時(shí)椅面高度與耗時(shí)點(diǎn)云圖圖2 雙手叉腰時(shí)椅面高度與耗時(shí)點(diǎn)云圖圖3 手撐桌面時(shí)椅面高度與耗時(shí)點(diǎn)云圖

2.2 STS結(jié)束時(shí)刻的膝關(guān)節(jié)屈伸角度 以手撐扶手完成STS后雙側(cè)膝關(guān)節(jié)屈伸角度如圖4所示。骨腫瘤膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后膝屈伸角度隨著椅面高度的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)：健側(cè)膝屈伸角度分別為-1.8°、5.4°、9.5°；置換側(cè)膝屈伸角度分別為2.5°、6.1°、8.9°。

以雙手叉腰完成STS過(guò)程后的膝關(guān)節(jié)屈伸角度如圖5所示。骨腫瘤膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后膝屈伸角度隨著椅面高度的增加整體上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)：健側(cè)膝屈伸角度分別為1.3°、3.9°、8.5°；置換側(cè)膝屈伸角度分別為8.9°、7.0°、9.9°。

以手撐桌面完成STS過(guò)程后的膝關(guān)節(jié)屈伸角如圖6所示。骨腫瘤膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者雙側(cè)膝屈伸角度隨著椅面高度的增加呈現(xiàn)不同趨勢(shì)，健側(cè)膝屈伸角度逐漸增大，置換側(cè)膝屈伸角度先減小后增大：健側(cè)膝屈伸角度分別為0.7°、5.3°、12.6°；置換側(cè)膝屈伸角度分別為10.5°、5.4°、14.8°。

2.3 地面反作用力對(duì)稱度 手撐扶手時(shí)、雙手叉腰、手撐桌面時(shí)，對(duì)照組雙側(cè)下肢受力均衡。骨腫瘤膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者在STS過(guò)程中以健側(cè)支撐為主。隨著椅面高度的增加，手撐扶手時(shí)，健側(cè)下肢受力先增大后減小，而患側(cè)下肢受力逐漸減；雙手叉腰時(shí)，健側(cè)受力逐漸增大，患側(cè)下肢受力先減小后增大；手撐桌面時(shí)，健側(cè)下肢受力先增大后減小，患側(cè)下肢受力急劇減小(見(jiàn)表3)。

表3 受試對(duì)象地面反作用力

3 討 論

3.1 STS研究的重要性與必要性 STS是指從椅子上站起，是TKA術(shù)后生物力學(xué)恢復(fù)的重要指標(biāo)。STS是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)樗枰蟮募∪饬α亢捅炔叫泻团罉翘莞叩年P(guān)節(jié)聯(lián)合力。與大多數(shù)其他的動(dòng)力運(yùn)動(dòng)不同，從椅子上站起是雙腳與地面接觸的雙向支撐任務(wù)。因此，補(bǔ)償性運(yùn)動(dòng)策略有利于一條腿來(lái)完成任務(wù)，這使得STS成為評(píng)估單側(cè)下肢病理個(gè)體運(yùn)動(dòng)不對(duì)稱的敏感手段。

3.2 術(shù)前健側(cè)受力研究 Duffell等人[13]設(shè)計(jì)了一臺(tái)可測(cè)量椅子用于測(cè)量早期膝骨關(guān)節(jié)炎(無(wú)疼痛)的下肢對(duì)稱性情況，在STS狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中早期膝骨關(guān)節(jié)炎患者會(huì)采用健康側(cè)下肢進(jìn)行代償性支撐，且健康側(cè)膝關(guān)節(jié)屈伸角度和外翻力矩比患側(cè)更大。Christiansen等[14]研究了末期膝骨關(guān)節(jié)炎患者在完成STS行為時(shí)的下肢地面反作用力對(duì)稱性，結(jié)果表明患者的地面反作用力對(duì)稱性指數(shù)是健康對(duì)照組的2倍，即健康側(cè)下肢承重是患側(cè)下肢承重的兩倍。Turcot等[15]研究了早期KOA患者在完成STS行為時(shí)的下肢生物力學(xué)變化，結(jié)果表明KOA患者會(huì)把多余10%重量轉(zhuǎn)移到健康側(cè)下肢，且軀干向健康側(cè)傾斜。以上研究表明，在膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者完成STS轉(zhuǎn)換過(guò)程時(shí)，健康側(cè)下肢需進(jìn)行代償性支撐，且下肢的承重大于患側(cè)。與我們前期研究結(jié)果一致[16]。提示我們，手術(shù)前STS的不對(duì)稱性就應(yīng)該引起臨床醫(yī)師和患者的足夠重視，盡早采用糾正走路姿勢(shì)、雙下肢佩戴矯形器、支具或個(gè)性化鞋墊等方法早期干預(yù)，從而延緩或阻斷病情的進(jìn)展。

3.3 術(shù)后受力情況 Yoshida等[17]應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、股四頭肌力量和功能的方法，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有膝關(guān)節(jié)病變的對(duì)照組患者與TKA術(shù)后3年的患者仍存在運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和時(shí)空變量之間的差異。TKA術(shù)后3年的患者在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面存在極少的臨床差異，股四頭肌強(qiáng)度的臨界差異減小，伴隨對(duì)側(cè)肢體時(shí)間空間與動(dòng)力學(xué)步態(tài)參數(shù)的對(duì)稱性改善。這可能是由于非手術(shù)側(cè)肢體惡化以及手術(shù)側(cè)肢體改善所致。Yoshida與我們的研究均提示，健側(cè)的生物力學(xué)參數(shù)和股四頭肌強(qiáng)度會(huì)逐漸適應(yīng)對(duì)側(cè)的對(duì)稱性改善，所以，TKA術(shù)后健側(cè)的預(yù)保護(hù)至關(guān)重要。Christiansen等[18]研究了35例單側(cè)TKA置換患者完成STS行為時(shí)的下肢對(duì)稱性特征，患者分別在術(shù)前、術(shù)后1個(gè)月、術(shù)后3個(gè)月、術(shù)后6個(gè)月接受步態(tài)采集，采集、分析得到患者雙側(cè)下肢地面反作用力數(shù)值，結(jié)果表明患者術(shù)后下肢對(duì)稱性先減小(疼痛、肌肉控制力減弱等)，隨著時(shí)間的發(fā)展，3個(gè)月以后對(duì)稱性已經(jīng)與術(shù)前相差無(wú)幾；術(shù)后6個(gè)月下肢對(duì)稱性已經(jīng)接近95%。Christiansen的研究與Yoshida和我們的結(jié)果存在爭(zhēng)論，仍有待于進(jìn)一步研究來(lái)論證。Boonstra等[19]借助步態(tài)系統(tǒng)研究全膝和全髖重建術(shù)后STS行為時(shí)雙腿受力對(duì)稱情況，受試者坐在沒(méi)有扶手的椅子上，椅子高度和深度可調(diào)。研究表明，置換側(cè)與健康側(cè)的地面反作用力峰值比值為0.83，意味著17%的總負(fù)載被轉(zhuǎn)移到健康側(cè)下肢。Oludare等[20]研究發(fā)現(xiàn)，單側(cè)肢體的不適會(huì)增加STS轉(zhuǎn)換過(guò)程中對(duì)側(cè)的負(fù)擔(dān)。表明恢復(fù)運(yùn)動(dòng)個(gè)體的STS對(duì)稱性是康復(fù)的重要目標(biāo)，為輔助裝置的使用提供了理論基礎(chǔ)[22]。

Abujaber等[21]應(yīng)用平衡板來(lái)評(píng)估STS的對(duì)稱性。Wu等[22]用仿生的膝假肢控制器來(lái)獲得自然的STS運(yùn)動(dòng)。我們的研究也表明，腫瘤膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者STS轉(zhuǎn)換過(guò)程中，健側(cè)與置換側(cè)呈不對(duì)稱性，且健側(cè)承載大于置換側(cè)。以上研究表明，在TKA與腫瘤膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者完成STS轉(zhuǎn)換過(guò)程時(shí)，健康側(cè)下肢仍需進(jìn)行代償性支撐。TKA與腫瘤膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者的STS仍呈現(xiàn)為不對(duì)稱性。故術(shù)后應(yīng)盡早佩戴雙下肢個(gè)性化矯形器或支具、加強(qiáng)雙下肢的對(duì)稱性功能康復(fù)等方法早期干預(yù)[23]。

3.4 椅面高度對(duì)地面反作用力對(duì)稱度的影響 我們的研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整椅面高度來(lái)獲得，以手撐扶手、雙手叉腰完成STS過(guò)程，骨腫瘤膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者膝屈伸角度隨著椅面高度的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；而以手撐桌面完成STS過(guò)程，骨腫瘤膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者雙側(cè)膝屈伸角度隨著椅面高度的增加呈現(xiàn)不同趨勢(shì)，健側(cè)膝屈伸角度逐漸增大，置換側(cè)膝屈伸角度先減小后增大。椅面高度能顯著改變地面反作用力對(duì)稱度。Kinoshita等[24-25]研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整扶手高度來(lái)獲得，扶手高度影響關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和STS運(yùn)動(dòng)時(shí)的重心轉(zhuǎn)移，建議選擇扶手位置來(lái)匹配老年人功能障礙的狀態(tài)。TKA與骨腫瘤膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者完成STS過(guò)程中，不但要根據(jù)患者的實(shí)際情況調(diào)整椅面高度，還要調(diào)整扶手位置，才能有效實(shí)現(xiàn)STS的對(duì)稱性[23]。該部分仍有待于進(jìn)一步研究。

我們建議在腫瘤膝關(guān)節(jié)置換術(shù)或TKA術(shù)后，早期使用雙下肢個(gè)性化矯形器或支具，一方面能促進(jìn)患者膝關(guān)節(jié)功能的對(duì)稱性康復(fù)[26-27]；另一方面能對(duì)健側(cè)起到良好的預(yù)保護(hù)作用。康復(fù)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格貫徹雙下肢對(duì)稱性功能鍛煉的策略[28-29]，實(shí)現(xiàn)患側(cè)的有效快速康復(fù)與護(hù)理，避免長(zhǎng)期依賴健側(cè)代償。

3.5 本研究的局限性 本研究的局限性如下：a)樣本量少，由于膝關(guān)節(jié)周?chē)悄[瘤病種少，手術(shù)方式多樣；b)術(shù)后時(shí)間點(diǎn)局限在6個(gè)月，術(shù)后1個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月、1年、2年的動(dòng)態(tài)生物力學(xué)特征的系統(tǒng)研究，有助于制定針對(duì)性的階段性康復(fù)策略，腫瘤膝關(guān)節(jié)置換術(shù)前的生物力學(xué)特征有助于術(shù)前計(jì)劃的精細(xì)化設(shè)計(jì)。

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