摆幅可调型足部康复机器人对踝关节骨折术后功能锻炼依从性及运动功能恢复的影响

肖洪岩,邓瑞晨,魏新运,杨伟胤,谢云港

踝关节骨折是一种骨科常见病、多发病,近年来,由于饮食不正常、缺乏运动锻炼、交通业、建筑业的迅速发展等因素的影响,踝关节骨折的发病率显著增高[1]。目前,临床对于踝关节骨折多采用内固定手术治疗,手术可及时恢复良好的解剖结构,但大部分患者由于术后康复锻炼不当或不及时,容易引起踝关节僵硬等并发症,降低手术治疗效果,对其身心健康造成严重不良影响[2-3]。常规康复治疗以抬高患肢、主动、被动活动踝关节、负重训练等为主,但治疗周期较长,整体疗效不理想[4]。摆幅可调型足部康复机器人通过表面肌电、运动捕捉、足底压力等手段可全面细微、客观量化评估踝关节运动控制能力及稳定性,从而更加精准、科学地指导临床展开康复锻炼,提高康复治疗效果,同时减轻了医务人员工作量。基于此,本文拟探究摆幅可调型足部康复机器人对踝关节骨折术后功能锻炼依从性及运动功能恢复的影响,报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选定本院2021年2月～2023年2月就诊的120例踝关节骨折患者研究。诊断标准:均经X线、MRI、CT等检查确诊“踝关节骨折”,存在不同程度踝部疼痛肿胀、功能异常、局部畸形、皮下瘀斑等症状。纳入标准:年龄在18～80周岁,男、女不限均为首次发生踝关节骨折,新鲜骨折;美国麻醉医师协会(american society of anesthesiologists,ASA)分级在I～II级;临床资料齐全、完整。生命体征平稳。视听、沟通能力正常,配合度良好;肾、肝等重大脏器功能无异常。排除标准:合并其他部位骨折或病理性、陈旧性骨折者;同期参与其他研究或中途因病情变化退出者。伴有同侧肢体损伤者;合并免疫缺陷性疾病者;处于哺乳、备孕、妊娠期女性;合并高血压、糖尿病等基础病者;存在药物依赖史、吸毒史、酒精成瘾史者;合并全身严重感染性疾病者;合并铁代谢异常等疾病者;伤口无法闭合,软组织损伤严重以及合并神经损伤者。医院伦理委员会已审批。根据术后康复治疗方法的不同将其分为2组,各60例,2组一般资料比较差异无统计学意义。见表1。

表1 2组一般资料比较

1.2 方法 对照组给予常规康复治疗,具体操作如下:①术后1～4d,指导患者屈伸跖趾关节,尽可能节律性、大范围地屈伸踝关节,不可做内外旋、内外翻动作,每次10～15min,每日2次。②术后第5～14d,指导患者进行直腿抬高训练,屈伸、内外翻踝关节,每次10～15min,每日2次,辅助拨、搓、揉、推等按摩手法,松解关节韧带,改善血液循环,保持力度释放,防止过度按压同一部位。③术后3～4周,在踝关节无压痛、肿胀症状的前提下,指导患者进行膝关节、趾关节拮抗肌、主动肌等张、等长运动,每次10～15min,每日2次,可结合自身情况,适当提高训练速率、力度。④术后第5周,复查X线,确认骨折端形成纤维性骨痂后,指导患者进行抗阻力踝关节运动及部分负重活动,逐渐过渡到完全负重,共计康复锻炼12周,需要注意的是,整个康复锻炼均以患者耐受为主,切不可过量运动[5]。观察组在对照组基础上术后第5天开始给予摆幅可调型足部康复机器人治疗,利用AnyBody软件对足部康复运动进行模拟训练,测量肌肉活动度、肌肉功率等参数,建立人机耦合模型,连接足部康复机器人,电动机转速(v)以及偏心距(R)决定足部康复机器人的运动速度、按摩踏板摆幅,耦合模型中v以及R是变量,v设置在(π/8-π)rad/s,1个间隔是π/8rad/s,R设置在30～38mm,1个间隔是1mm,当v∈[5/8π,π]rad/s,并且R∈[33,38]mm,提示肌肉活动度变化较大,且相关肌肉的活动量突然增大,肌肉被动拉力控制在130～142N,此范围内可有效训练肌肉拉伸性,且v以及R对肌肉力不会造成影响。以成年男子为例,体重70kg,身高175cm,输入体重与身高后,其他身体参数可自动修改,选择骨骼肌类型,对于踝关节骨折患者,运动肌肉主要涉及下肢,即腿部、足部,可将上肢去除,只保留头部、躯干、双腿,以达到提高运行仿真的运行速度,提高康复治疗效率,人体各项生理参数通过AngScript语言设置后,可获得人体模型,见图1,设定耦合模型中机器人的摆幅为最大时的状态,设定驱动函数中的v,v=π/2rad/s,仿真时间(s)=4s。进行仿真运动。从Solid Works2014建模软件中获得摆幅可调型足部康复机器人的三维模型图,见图2,包括倾斜式机架、按摩踏板、传动机构、电动机4部分,传动机构在电动机的辅助下,可带动按摩踏板进行人体踝关节外翻、内翻、背屈、跖屈等综合康复运动,根据患者实际情况调节按摩踏板摆动幅度,避免出现跳跃式运动量变化,对患者造成二次伤害。另外,可通过调整髋关节、膝关节弯曲角度、髋部位置坐标,保持患者在舒适的位姿。

图1 人体模型

图2 摆幅可调型足部康复机器人三维模型图

1.3 评定标准 2组均在治疗4周后进行效果评价,具体观察指标包括:①功能锻炼依从性:从锻炼主动性、动作、时间等多方面评价,总分是100分,完全依从>95分,依从是70～95分,一般依从是55～69分,不依从<55分,(完全依从+依从+一般依从)/组例数(60)×100.00%=总依从性[6]。②踝关节功能优良率:以Mazur(1979)踝关节评价分级系统对踝关节功能优良率进行评价,92～100分为优,87～92分为良,65～86分为可,<65分为差,(优+良)/组例数(60)×100.00%=总优良率[7]。③美国矫形外科足踝协会(american orthopaedic foot and ankle society,AOFAS)踝-后足评分:包括足部对线、踝-后足稳定性情况、内外翻活动情况、屈曲伸展受限情况、反常步态情况、地面步行情况、最大步行距离、支撑情况、功能和自主活动、疼痛程度等,总分100分,踝足功能越好,分值越高[8]。治疗前后由主治医师测评。④Olerud-Molander踝关节骨折评分系统:包括工作能力、行走、蹲、跳、跑、上楼梯、关节肿胀、关节僵硬、疼痛等,总分是100分,踝关节功能越好,分值越高[9]。治疗前后由主治医师测评。⑤步行相关参数:治疗前后告知患者赤足,穿着紧身衣裤,采用Vicon红外运动捕捉系统,在患者以平常状态步行时,检测标准化单支撑期时长、步速、步宽、步长,最终记录值是连续测量3次的均值。⑥下肢肌电标准化积分肌电:治疗前后采用表面肌电采集系统检查,以75%酒精消毒目标肌群,直至酒精挥发后放置电极,对于汗毛较多者,应做好剃毛处理,保持电极连接线无扭曲、交叉,通过敷料固定电极,避免中途脱落,医生告知患者测试过程中不可穿鞋袜,保持自然步态,检测最大等长收缩状态下比目鱼肌、腓肠肌内侧、腓肠肌外侧、腓骨长肌、胫骨前肌肌电信号,最终记录值是连续测量3次的均值。⑦并发症总发生率:统计踝关节僵硬、骨折未愈合、骨不连、下肢深静脉血栓(deep venous thrombosis,DVT)总发生率。

2 结果

2.1 功能锻炼依从性 治疗后,观察组功能锻炼依从性明显高于对照组(P<0.05),见表2。

表2 2组治疗后功能锻炼依从性比较 例(%)

2.2 踝关节功能总优良率 治疗后,观察组踝关节功能总优良率明显高于对照组(P<0.05),见表3。

表3 2组治疗后踝关节功能总优良率比较 例(%)

2.3 AOFAS评分、Olerud-Molander评分 治疗后,2组AOFAS评分及Olerud-Molander评分均较治疗前明显提高(P<0.05),且观察组均高于对照组(P<0.05),见表4。

表4 2组AOFAS评分及Olerud-Molander评分治疗前后比较 分,

2.4 步行相关参数 治疗后,2组标准化单支撑期时长、步速、步宽、步长均较治疗前明显提高(P<0.05),且观察组均高于对照组(P<0.05),见表5。

表5 2组步行相关参数治疗前后比较

2.5 下肢肌电标准化积分肌电 治疗后,2组比目鱼肌、腓肠肌内侧、腓肠肌外侧、腓骨长肌、胫骨前肌标准化积分肌电均较治疗前明显提高(P<0.05),且观察组均高于对照组(P<0.05),见表6。

表6 2组下肢肌电标准化积分肌电比较

2.6 并发症总发生率 治疗后,观察组并发症总发生率明显低于对照组(P<0.05),见表7。

表7 2组并发症总发生率比较 例(%)

3 讨论

踝关节是人体负重关节,主要活动方向是跖屈、背伸,在维持人体运动功能方面发挥着重要作用[10]。克氏针内固定、拉力螺钉内固定以及钢板螺钉内固定等手术治疗方案虽然取得了一定成效,但术后需要外固定石膏、支具等,才能确保骨折完全愈合,以上制动措施也诱发关节僵硬等并发症[11-12]。另外,由于踝关节解剖结构的复杂性、特殊性,损伤机制复杂,受解剖夹角、自身形态、踝关节微循环较差等因素的影响,术后出现踝关节功能障碍的发生率较高[13-14]。有学者提出,在踝关节骨折术后及早给予康复治疗,可促进骨折愈合,减少踝关节僵硬、DVT等并发症[15-16]。但目前尚未形成完全、统一的康复治疗方案。

摆幅可调型足部康复机器人利用人与机械的相互影响、交叉原理,分析人体在康复锻炼过程中最大肌肉群能量消耗以及肌肉活动量,结合个体差异性对康复训练速率、强度等做出调整,以达到最佳的康复治疗效果。本研究显示:观察组功能锻炼依从性高于对照组。提示摆幅可调型足部康复机器人康复锻炼过程中,患者的依从性相对较高,究其原因如下:摆幅可调型足部康复机器人通过带动踝关节运动,可减轻患者在康复过程中产生的疲劳感,从而达到提高康复锻炼依从性的目的。本研究显示:观察组踝关节功能优良率、治疗后AOFAS评分、Olerud-Molander评分均高于对照组。提示应用摆幅可调型足部康复机器人展开康复锻炼可提高踝关节骨折患者康复治疗效果。分析原因如下:摆幅可调型足部康复机器人是基于人体骨骼模型库应用AnyBody仿真软件研制,根据测试参数进行关节活动度和关节震动的活动,可有效活动踝关节,改善下肢血液循环,促进肌肉组织功能恢复[17]。摆幅可调型足部康复机器人中按摩踏板具有按摩足底的功能,可改善踝关节部位的血液循环,促进骨痂形成及骨折愈合。摆幅可调型足部康复机器人康复锻炼期间医生可结合患者的耐受程度调节训练强度,发挥维持踝关节稳定性、缓解肿胀、提高肌力、加快关节韧带再生、预防关节挛缩等作用。

步态分析是目前临床评估运动功能的重要方法,踝关节骨折患者由于关节功能受损,在步速、步长等多方面均存在异常。踝关节肌肉痉挛引发的关节功能障碍,会导致患者行走速率减慢,消耗能力增大,是引起患者行走能力、行走姿势步态异常的重要因素。本研究显示:观察组治疗后标准化单支撑期时长、步速、步长均高于对照组,观察组治疗后步宽低于对照组。提示应用摆幅可调型足部康复机器人展开康复锻炼可保持踝关节骨折患者步速、步长等运动平衡。分析原因如下:摆幅可调型足部康复机器人通过循序渐进的康复功能锻炼,可改善骨折断端局部血运,建立新生微循环,促进踝关节肿胀消退及局部炎症介质吸收,预防关节周围肌肉萎缩,加快骨折愈合,通过持续性的肌肉收缩,可产生纵向牵拉力,加快骨折部位骨质生长,恢复踝关节屈伸活动,有助于纠正患者步态异常。

本研究显示:观察组治疗后下肢肌电标准化积分肌电值均高于对照组。提示应用摆幅可调型足部康复机器人展开康复锻炼可改善踝关节骨折患者下肢肌肉活动。分析原因如下:踝关节及周边肌群运动的协调性会直接影响下肢步行能力、平衡能力、运动能力[18]。摆幅可调型足部康复机器人康复训练与传统康复训练相比,更有助于募集运动单位,可维持踝关节生理学连续性,有效提高下肢肌肉的收缩力、兴奋性,改善肌肉协调性,降低挛缩肢体的肌张力,最终达到改善下肢肌肉活动的目的。本研究显示:观察组并发症总发生率低于对照组。提示应用摆幅可调型足部康复机器人展开康复锻炼可有效降低踝关节骨折术后并发症发生风险,提高康复锻炼安全性。究其原因,考虑是摆幅可调型足部康复机器人通过牵动踝关节运动,可持续、温和的牵拉踝关节周边软组织,松解粘连组织,防止纤维挛缩,从而达到降低踝关节僵硬等并发症发生率的目的。

综上所述,踝关节骨折患者术后应用摆幅可调型足部康复机器人展开康复锻炼,可有效提高康复治疗效果,改善踝关节功能及下肢肌肉活动,降低踝关节僵硬等并发症发生率,提高治疗有效性、安全性,值得临床推广应用。