全膝关节置换术后坐立转移动作的运动学与肌肉功能变化研究：揭示持续功能缺陷的潜在机制

本研究针对全膝关节置换术(TKA)后患者持续存在的坐立转移(STS)功能缺陷问题，通过动态肌肉骨骼模拟技术，比较了7名患者术前和术后6个月的STS运动学特征、肌肉功能(肌肉力量和肌肉对质心加速度的贡献)及膝关节伸展力量变化。研究发现TKA术后6个月内患者的整体运动策略、肌肉功能和膝关节力量均未显著改变，揭示了患者通过持续的运动补偿策略来应对股四头肌持续无力的现象，为术后康复方案提供了重要依据。

　　

对于接受全膝关节置换术(TKA)的患者来说，从椅子上站起来(STS)这个看似简单的日常动作往往成为巨大挑战。尽管TKA手术旨在改善终末期膝关节骨关节炎(KOA)患者的功能限制，但令人困惑的是，约20%的患者术后仍不满意且持续存在活动能力受限。更具体地说，约31%的TKA患者报告在术后仍存在从椅子上站起来的困难。这种持续存在的功能障碍背后究竟隐藏着怎样的生物力学机制？来自俄亥俄州立大学(The Ohio State University)的研究团队通过创新的肌肉骨骼模拟技术，揭开了这一临床谜题。

以往研究表明，TKA患者在STS动作中表现出独特的运动补偿策略，包括更大的躯干前屈、更小的膝关节伸展活动范围、以及将重量从不涉及手术的肢体转移等。这些策略被认为是为了补偿股四头肌的无力，但实验技术难以全面解释单个肌肉在动态任务中的作用。这正是肌肉骨骼模拟技术大显身手的地方——它能够深入探究STS过程中单个肌肉力量产生的作用及其对质心(COM)加速度的贡献。

为了阐明TKA术后STS功能持续缺陷的潜在机制，研究人员开展了一项前瞻性观察队列研究。研究纳入了7名以内侧间室KOA为主、计划接受初次后稳定型TKA的患者。通过动态肌肉骨骼模拟技术，研究人员比较了这些患者术前和术后6个月的STS运动学特征、肌肉功能(包括肌肉力量和肌肉对COM加速度的贡献)以及膝关节伸展力量的变化。

研究采用了多项关键技术方法：使用10摄像头运动捕捉系统采集全身运动学数据；通过测力台记录地面反作用力；采用表面肌电图记录双侧下肢肌肉活动；基于OpenSim 4.4平台构建改良的肌肉骨骼模型；运用计算肌肉控制(CMC)算法确定单个肌肉力量；通过诱导加速度分析(IAA)量化肌肉对COM加速度的贡献。所有分析均针对STS动作的三个阶段(前倾阶段、动量转移阶段和伸展阶段)进行。

在运动学特征方面，研究发现TKA术后6个月患者的整体运动策略没有显著改变。虽然术后患者在STS第一阶段结束时表现出较小的踝关节背屈角度(术前32.1±4.4°，术后27.6±2.7°)，且初始骨盆后倾角度减小(术前19.0±7.8°，术后10.9±9.5°)，但关键的躯干前屈角度和足部位置等参数在术前术后保持稳定。这些发现表明患者维持了相对一致的运动补偿策略。

肌肉功能分析揭示了更深入的发现。在肌肉力量方面，术前术后均观察到相似的肌肉激活模式：髂腰肌、臀中肌、股内侧肌和外侧肌以及比目鱼肌产生最大的力量，而臀大肌和股二头肌产生的力量较小。特别值得注意的是，股外侧肌在第二和第三阶段产生的峰值力量最大(第二阶段术前1011.7±348.0 N，术后1025.6±177.5 N；第三阶段术前1078.7±285.3 N，术后992.0±195.6 N)。肌肉力量的不对称性在术前术后也未表现出显著差异。

在肌肉对COM加速度的贡献方面，研究发现了可能解释持续功能缺陷的关键证据。术前术后均观察到多个肌肉对加速度产生较大的制动贡献，而臀大肌对向前和向上加速度的贡献较小。具体而言，内侧腓肠肌是垂直COM加速度的最大贡献者(第三阶段术前2.33±0.86 m/s²，术后2.68±1.54 m/s²)，而比目鱼肌是前两个阶段垂直加速度和水平加速度的主要贡献者。同时，胫骨前肌、半膜肌、缝匠肌、趾长伸肌和髂腰肌等肌肉对垂直COM制动有较大贡献。

膝关节伸展力量测试显示，术前(1.24±0.38 Nm/kg)和术后(1.21±0.26 Nm/kg)的力量水平没有显著差异，这一发现与肌肉功能分析结果相互印证，说明患者确实存在持续的股四头肌无力现象。

这项发表在《Annals of Biomedical Engineering》的研究得出了几个重要结论：首先，TKA术后6个月内患者的整体运动策略(通过运动学和肌肉功能量化)和膝关节伸展力量没有显著改变；其次，患者表现出持续的肌肉功能补偿模式，包括较大的髂腰肌、臀中肌和比目鱼肌力量，以及较小的臀大肌和股二头肌力量；第三，较大的制动贡献和较小的臀大肌向前向上加速度贡献可能是导致TKA患者持续功能缺陷的原因。

这些发现具有重要的临床意义。研究结果表明，当前的术后康复方案可能需要调整，应更加注重改善臀大肌的激活和力量训练，同时针对观察到的制动贡献模式进行特异性训练。此外，研究建立的肌肉骨骼模拟方法为未来评估康复干预效果提供了可靠工具。这项研究不仅增进了对TKA术后功能恢复机制的理解，也为开发更有效的个性化康复策略奠定了科学基础。