智能下肢机器人康复系统在全膝关节置换患者中的应用研究

随着我国人口老龄化的进展，膝关节骨关节炎（osteoarthritis，OA）的发病率逐年上升。抽样调查显示65岁以上的人群中膝关节OA的发病率高达60%以上^[1]。许多疼痛并伴有明显功能缺失的OA患者最后都不得不通过全膝关节置换术（total knee replacement，TKR）来缓解日益严重的步行功能障碍。随着人工关节置换术的广泛应用和迅速发展，围手术期的康复日益受到重视 ^[2]。人工智能在康复应用中目前方兴未艾，尤其是下肢机器人康复训练是近年来研究的热点。本研究选取临床上早期TKR术后患者，随机分配成传统康复训练和智能下肢机器人康复训练组，完成两周训练，旨在明确辅助机器人训练在全膝置换后康复疗效。浙江大学医学院附属邵逸夫医院康复医学科李建华

 

资料与方法

一、临床资料

本研究共纳入2008年12月-2010年5月间在我院骨科行全膝置换术的患者60例，其中男性19例，女性41例，平均年龄65+12岁。纳入标准：a. 无神经、肌肉系统疾患；b. 单侧膝关节OA，并且行TKR患者；c. 术前可实现独立安全步行，FAC大于等于3分。排除标准：a 发病前有精神病史、痴呆、智能损害和既往有脑器质性疾病及精神疾病患者（MMSE<23）;b心肺功能不稳定患者c严重心、肾功能障碍，血液病活动性消化溃疡患者;d其他可能导致出血的内外科疾病患者。60例患者随机分成三组。A组：常规全膝置换术后康复训练组；B组：低强度机器人辅助步行训练组；C：高强度机器人辅助步行训练组。

二、康复训练措施

    本研究纳入的患者均行全膝置换术，且在术后一周内开始康复训练。根据随机化原则分为传统康复训练组、低强度机器人辅助训练组、高强度机器人辅助训练组共三组（后两组统称机器人辅助训练组）。传统康复训练组主要进行膝关CPM训练(从可耐受范围开始，逐渐至全范围，1小时/天)、膝围肌群理疗（股内侧肌、股外侧肌、股直肌，TS-6000理疗仪，30min/次，2次/天）、股四头肌、?绳肌等长收缩练习及踝泵、床边辅助站立、扶助行器辅助室内步行训练等（运动训练合计30min/次，2次/天）。机器人辅助训练组患者前期CPM训练及膝周肌群理疗同对照组，运动训练主要进行机器人辅助下步行训练。机器人辅助设备采用的是广州章和电气有限公司生产的“AVATAR-M型智能辅助机器人运动系统”，其中低强度组减重程度为1/2自身体重，而高强度组减重程度为1/4自身体重。患者在机器人辅助训练模式下进行早期的康复训练，可模拟正常步行过程中下肢髋、膝、踝的周期性运动，其步行速度为患者所能耐受的、最舒适的步行速度。每天训练2次，每次30min，一周五次，训练周期为两周。

三、疗效及评定方法

在试验中，我们采集了手术前、开始训练后1周、2周、第1月、第3月、第6月、第12月共7次（分别标记为1-7）的HSS评分、膝关节运动觉评定、膝关节本体感觉评定、FAC评分、Berg平衡量表、十米坐站时间、六分钟步行距离这些数据以比较不同康复措施的效果差异。

 

四、统计学分析

   所有数据以X+s表示，使用spss14.0统计软件分析，采用t检验比较组间差异，p<0.05为差异有统计学意义。

结果

1. 机器人辅助康复训练和传统康复训练在全膝置换患者康复中疗效的比较

1) 对照组和机器人辅助训练组HSS评估比较。

两组患者在手术前HSS评估无明显差异，开始训练后一个月两组HSS评分开始显示出差别，在训练后第12个月差异最大（P<0.05）。

2）对照组和机器人辅助训练组Berg评估比较。

两组患者在手术前Berg评估无明显差异，开始训练后一周两组Berg评分即开始显示出差别，在训练后第3个月差异最大，并持续到研究结束（P<0.05）。

3）对照组和机器人辅助训练组十米坐站时间比较。

两组患者在手术前十米坐站评估无明显差异，开始训练后两周两组十米坐站时间即开始显示出差别，并持续到研究结束（P<0.05）。

4）对照组和机器人辅助训练组六分钟步行距离的比较。

两组患者在手术前六分钟步行距离评估无明显差异，开始训练后一周两组十米坐站时间即开始显示出差别，到训练后三个月时差异最大，并持续到研究结束（P<0.05）。

5）对照组和机器人辅助训练组膝关节运动觉评定、膝关节本体感觉评定、FAC评分比较：

对照组和机器人辅助训练组相比，膝关节运动觉评定、膝关节本体感觉评定、FAC评分均未显示出统计学差异（P>0.05）。   

               

2. 高、低强度机器人辅助训练在全膝置换患者康复中疗效的比较：

本研究机器人辅助训练组纳入患者40例，其中20例为低强度训练组（减重幅度为1/2体重），另20例为高强度训练组（减重程度为1/4体重），其他训练因素均不变。不同的减重程度和训练强度相对应，即减重幅度越少，患者下肢所承受的负荷越大，训练强度也就越高。研究结果如下:

1) 低强度和高强度机器人辅助训练组HSS评估比较。

低强度和高强度机器人辅助训练组HSS评估比较结果显示，在随访初期（一个月内），低强度组HSS评分要优于高强度组（HSS-2，57.9+3.6 VS 52.1+6.1，P<0.05），但是在后期随访中我们却发现高强度组HSS评分高于低强度组。

2）低强度和高强度机器人辅助训练组Berg评估比较。

两组患者在手术前Berg评估无明显差异，开始训练后直到随访结束，高强度组Berg评分似乎要高于低强度组，但是未显示出统计学意义（P>0.05）。

3）低强度和高强度机器人辅助训练组十米坐站时间比较。

两组患者在手术前十米坐站评估无明显差异，开始训练后两周两组十米坐站时间即开始显示出差别，高强度组要短于低强度组，这种趋势一直持续到研究结束（十米坐站时间-7，8.3+0.7 VS 9.7+1.6，P<0.05）。

4）低强度和高强度机器人辅助训练组六分钟步行距离的比较。

两组患者在手术前六分钟步行距离评估无明显差异，开始训练后一周两组十米坐站时间即开始显示出差别，并持续到研究结束（P<0.05）。

5）低强度和高强度机器人辅助训练组膝关节运动觉评定、膝关节本体感觉评定、FAC评分比较：

低强度和高强度机器人辅助训练组相比，膝关节运动觉评定、膝关节本体感觉评定、FAC评分均未显示出统计学差异（P>0.05）。

 

讨 论

随着我国人口老龄化的进展和老年人口的增加，膝关节骨关节炎（osteoarthritis，OA）的发病率逐年上升。抽样调查显示65岁以上的人群中膝关节OA的发病率高达60%以上^[1]。膝关节OA患者步态的基本特点是“逃避疼痛步态”^[3]。其步速、步长、患肢单支撑相、步频的降低,步行中受累关节活动度（ROM）减小，而其他非受累关节ROM增大^[4]。

随着人工关节置换术（total knee replacement，TKR）的广泛应用和迅速发展，围手术期的康复日益受到重视 ^[2]。目前大多数全膝关节置换术后患者早期康复治疗手段中多数采用CPM 机训练,对患者置换后的膝关节进行长时间的持续被动训练。CPM 训练的优点是一种可以控制的重复运动，但它的主要功能是维持关节活动度，减少术后粘连。过多依赖于CPM训练，势必会造成患者缺乏肢体活动的主动性以至于下肢肌力下降^[5-6]。况且CPM 训练主要采取卧位下训练,与患者今后实际的直立行走所需要的下肢力量要求有一定的差距,同时也缺乏直立行走所需要的本体感觉训练。TKR术后患者步行中存在明显的支撑相过短和摆动相延长的步态不协调^[7]。传统的康复训练也局限于关节活动度训练和单一肌肉的肌力训练，而忽视了本体感觉和膝关节周围整体肌力平衡^[8-9]对患者步行质量提高的重要性。目前康复治疗师手工康复训练的强度是否达到改善步态的要求一直是一个未知数，国内外相关文献也未发现有相关报道，患者由于关节损害，事实上这些深感觉障碍在行TKR术前就已经存在^[10]。而关节置换手术并不会使已经受损的本体感觉障碍得以恢复，传统的康复手段对下肢整体功能的改善也作用有限，膝周肌力不平衡依然存在^[11-13]。

机器人辅助康复训练，是近年来国内外学者研究的热点^[14-15]。下肢机器人辅助步行训练，通过模拟正常的步行生理周期以强化外周深浅感觉刺激输入，重新建立正常的步行的控制过程^[16-17]，以促进上运动神经元损害患者步行功能的恢复。该技术目前已经广泛的使用在脊髓损伤^[18]和脑卒中患者^[19]。现有的研究资料表明，下肢机器人辅助康复训练可以减轻治疗师的劳动强度,又可保证训练过程一致性和持续性;还可实现训练方案及康复评估定量化,使康复治疗变得科学高效。

本研究前期已经完成智能下肢机器人康复系统的初步设计和雏形制作。现选取临床上早期TKR术后患者，随机分配成传统康复训练和智能下肢机器人康复训练组，后者再以不同的外力减重幅度（partial body weight support）^[20]分成若干亚组，完成两周训练，并在手术前、开始训练后1周、2周、第1月、第3月、第6月、第12月共7次随访，系统评价训练前后患者膝关节功能评分（HSS评分表）、膝关节运动觉评定^[21]、膝关节本体感觉评定^[22]、下肢运动功能（FAC评分）、平衡能力(Berg平衡量表)、步行能力（十米坐站时间、六分钟步行距离），阐明不同运动参数的设置对TKR术后患者的治疗效果。为下肢机器人产业化推广和辅助步行训练的广泛应用奠定基础。

我们的研究发现，膝关节置换术后患者通过机器人辅助步行训练可以更好的改善患者膝周本体感觉，提高膝关节稳定性，从而改善患者步态。机器人辅助训练组HSS评分、Berg平衡量表、十米坐站时间、六分钟步行距离这些指标均优于对照组（结果有统计学差异），膝关节运动觉及本体感觉评定、FAC评分结果好于对照组，但是未显示出统计学差异。同时高强度机器人训练组HSS评分、Berg平衡量表、十米坐站时间、六分钟步行距离优于低强度组（结果有统计学差异）。

对照组和机器人辅助训练组在手术前十米坐站评估无明显差异，开始训练后两周两组十米坐站时间即开始显示出差别，并持续到研究结束（P<0.05）。有趣的是，对照组十米坐站时间在第三个月随访时出现延长，在研究终点时恢复到术前水平。而机器人辅助训练组十米坐站时间在三个月以后基本保持不变，可见其训练效果持续较久。我们推测机器人辅助训练组，因其HSS、Berg评估优于对照组，故其参加日常生活活动的能力提高，其有氧运动能力亦相应提高，从而使其十米坐站能力较对照组提高。同样，两组患者在手术前六分钟步行距离评估无明显差异，开始训练后一周两组十米坐站时间即开始显示出差别，到训练后三个月时差异最大，并持续到研究结束（P<0.05）。同样我们推测机器人辅助训练组，因其HSS、Berg评估优于对照组，故其参加日常生活活动的能力提高，其有氧运动能力亦相应提高，从而使其六分钟步行距离较对照组提高。

低强度和高强度机器人辅助训练组HSS评估比较结果显示，在随访初期（一个月内），低强度组HSS评分要优于高强度组（HSS-2，57.9+3.6 VS 52.1+6.1，P<0.05），但是在后期随访中我们却发现高强度组HSS评分高于低强度组。我们推测高强度组由于减重程度少，下肢负荷重，在早期容易造成膝周不适感，故其HSS评分要低于低强度组。但是高强度（负荷）训练下，膝周运动觉及本体感觉得到充分再学习、再适应，同时膝周肌力得到充分锻炼，故而在后期HSS随访中显现出获益（HSS-7，89.5+3.5 VS 82.6+4.9， P<0.05）。对于十米做站时间这一指标，两组患者在手术前十米坐站评估无明显差异，开始训练后两周两组十米坐站时间即开始显示出差别，高强度组要短于低强度组，这种趋势一直持续到研究结束（十米坐站时间-7，8.3+0.7 VS 9.7+1.6，P<0.05）。有趣的是，低强度组十米坐站时间在第三个月随访时出现延长，但在研究终点时仍低于术前水平。而高强度机器人辅助训练组十米坐站时间在三个月以后基本保持不变，可见其训练效果持续较久。我们推测机器人辅助训练组，因高强度组在研究终点时HSS评估优于对照组（P<0.05），Berg评分也从趋势上优于低强度组，故其我们有理由推测高强度组的患者参加日常生活活动的能力提高，其有氧运动能力亦相应提高，从而使其十米坐站能力较低强度组缩短。

    综合上述研究及分析，我们认为膝关节置换术后患者通过机器人辅助步行训练可以更好的改善患者膝周本体感觉，提高膝关节稳定性，从而改善患者步态与症状，提高其步行速度与距离，使其能更好的回归家庭与社会。同时，高强度机器人辅助训练组善患者的HSS评分、Berg平衡评定及十米坐站时间、六分钟步行距离优于低强度组。

参考文献(略）