全膝关节置换术后足跟触地瞬变患者的足跟触地前后胫股运动学特征：基于力台与2D/3D配准的研究

《》：Tibiofemoral kinematics around heel strike associated with heel strike transient in patients after total knee arthroplasty

　　

背景：足跟触地瞬变（HST）是足跟触地（HS）后垂直地面反作用力（vGRF）的突然升高，已在全膝关节置换术（TKA）后患者中报道。然而，摆动相向站立相过渡期的胫股运动学对HST的贡献仍不清楚。本研究检验TKA后该过渡期胫股运动学与HST之间的关系。方法：采用测力板测量和经验证的二维/三维（2D/3D）配准分析17例接受TKA的患者。计算HS前后即刻的胫股运动学，包括膝屈曲角、旋转和前后（AP）平移。当HS后vGRF未逐渐上升，而是出现明显瞬态峰且峰值与随后最小值之比≥1.2时，定义为HST。结果：根据HST是否存在将患者分为HST组（n = 8）和非HST组（n = 9）。双因素方差分析显示，组别与步态相位对屈曲角存在显著交互作用（P < 0.01）。事后分析显示，HST组HS后屈曲角显著降低（P < 0.01）。对于外侧AP平移，观察到显著的组别主效应（P = 0.036）。内/外旋或内侧AP平移未见显著组间差异。结论：与非HST组相比，HST组在HS前后表现出更大的伸展方向屈曲角变化以及更靠前的外侧接触点位置。这些发现提示，HST与终末摆动相至早期站立相过渡期的一种独特胫股运动学模式相关。

全膝关节置换术（TKA，以人工关节替代病变膝关节以缓解疼痛和恢复功能的手术）后，胫股接触力在步行中可达约两倍体重，活跃患者每年可累积超过一百万次加载循环，因此步态力学的微小变化也可能影响植入物寿命。足跟触地（HS，摆动相向站立相转换的初始触地事件）后通常应出现逐渐加载并形成双峰一谷的垂直地面反作用力（vGRF，行走时地面作用于足部的垂直反力）模式；但部分个体在HS后立即出现vGRF骤升，即足跟触地瞬变（HST，HS后vGRF出现明显瞬态峰并随后下降的加载模式）。HST的快速加载速率和较高峰值可能增加关节结构与植入物部件的应力。既往在肥胖青年、膝骨关节炎、前交叉韧带重建后及健康成人中观察到HST；在TKA后患者中，HST更常见于非手术侧，已报道的危险因素包括较高体重和膝痛，但股四头肌功能的影响仍有争议，且TKA后双腿关节力矩不对称提示负荷分担策略改变可能参与HST。既往研究多依赖光学运动捕捉和逆向动力学，尚未检查摆动相向站立相过渡期在体胫股植入物运动学与HST的关系。因此，研究人员使用荧光透视同步测力板测量，研究TKA后患者该过渡期胫股植入物运动学与HST的关联，并假设出现HST的患者在HS前后具有不同的胫股植入物运动学。该研究得出，HST与非HST组相比存在更大的伸展方向屈曲角变化及更靠前的外侧接触点位置，提示HST与终末摆动相至早期站立相过渡期的独特胫股运动学模式相关；其意义在于识别了HS附近的一种运动学关联，但机制与临床相关性仍需确定。

关键技术方法概括（不超过250字）：研究纳入17例因膝骨关节炎接受TKA的患者，其中双交叉韧带保留（BCR）7例、后交叉韧带保留（CR）10例，平均术后12.6个月（范围6–22个月）；患者可独立步行、无影响步态的术后并发症，排除控制不佳的系统性疾病、既往膝手术及影响步行的神经或骨科疾病。采用平板荧光透视（7.5 Hz）与测力板（1000 Hz）同步采集终末摆动相和早期站立相数据，以LED信号及30帧/s视频进行时间对齐，采用经验证的二维/三维（2D/3D）配准计算HS前后膝屈曲角、内/外旋及内、外侧前后（AP）平移；以HS后vGRF出现明显瞬态峰且峰值/随后局部最小值≥1.2定义HST。

研究结果：（一）HST分组与基线特征。通过测力板vGRF波形将患者分为HST组8例（BCR 2例、CR 6例）和非HST组9例（BCR 5例、CR 4例）；两组性别分布（P = 0.294）和植入物类型分布（P = 0.335）无显著差异，身高、手术年龄、随访时间无显著差异；非HST组体重和体重指数（BMI）显著高于HST组（P < 0.05）；术后膝屈曲角和伸展角无显著组间差异。通过vGRF与步速、站立时间比较，峰值F_z（HST组1.03 ± 0.04 BW vs 非HST组1.01 ± 0.04 BW，P = 0.42）、估算步速（0.98 ± 0.15 m/s vs 0.91 ± 0.23 m/s，P = 0.71）和站立时间（0.70 ± 0.11 s vs 0.78 ± 0.17 s，P = 0.29）均无显著差异；HST组HST幅度为0.37 ± 0.01 BW。HS前荧光帧位于站立时间的?13.4 ± 2.3%和?11.4 ± 2.3%（P = 0.112），HS后帧位于3.1 ± 2.0%和4.3 ± 2.8%（P = 0.597），组间无显著差异。（二）胫股屈曲角。通过双因素混合设计方差分析（ANOVA）发现组别×步态相位对屈曲角存在显著交互作用（F(1,15) = 12.28，P = 0.003，偏η² = 0.450）；事后分析显示HST组HS后屈曲角显著降低（P < 0.001），由HS前13.26 ± 4.16°变为HS后0.00 ± 4.91°，非HST组由3.96 ± 11.71°变为1.86 ± 9.40°但无显著变化；HST组屈曲角变化为?13.26°（95%置信区间（CI），?16.96至?9.56；Cohen’s d_z = ?2.99），非HST组为?2.10°（95% CI，?8.22至4.02；Cohen’s d_z = ?0.26），组间变化差为?11.16°（95% CI，?17.95至?4.37；Hedges’ g = ?1.62）。（三）外侧AP平移。通过ANOVA未发现显著组别×相位交互作用，但存在显著组别主效应（F(1,15) = 5.29，P = 0.036，偏η² = 0.261），相位主效应不显著（F(1,15) = 2.21，P = 0.158，偏η² = 0.129）；提示HST组在两个分析帧中总体外侧接触点更靠前。（四）其他运动学参数。通过ANOVA未发现内/外旋或内侧AP平移的显著组别×相位交互作用、组别主效应或相位主效应（内/外旋F(1,15) < 0.47，P > 0.50，偏η² < 0.030；内侧AP平移F(1,15) < 2.45，P > 0.13，偏η² < 0.141）。

讨论总结与结论翻译：研究讨论指出，既往研究已识别TKA后HST相关机械因素，但HS前后胫股运动学尚不清楚，尤其既往工作主要关注对侧关节力矩，未阐明终末摆动向早期站立过渡时膝如何运动；TKA后步态分析曾报道终末摆动期屈曲角控制降低，且向早期站立转换时下肢协调不同于正常膝，提示初始接触附近运动学控制改变。该研究中HST组HS前后出现更大的伸展方向屈曲角变化，而峰值vGRF无显著组间差异，提示该屈曲角变化并非伴随更高垂直峰力；外侧AP平移的组别主效应表明HST组外侧接触点总体更靠前，属于组间位置差异而非HS前后差异。讨论还指出，步速无显著组间差异；非HST组体重和BMI更高，与非TKA人群既往报道相反，因样本量小且无多变量调整，不能确定BMI与HST的独立关联或交互。局限性包括：每例仅一次成功步行试验且裸足自选速度，HST可重复性、频率及长期临床结局不明；样本量小、无先验样本量计算及多重比较增加I类和II类错误风险，其他运动学变量无显著差异不能解释为无差异；BCR与CR植入物混合且亚组小而不平衡，不能排除植入物设计混杂；7.5 Hz荧光采样及0.1–0.2 s显示延迟造成HS前后帧分配不确定性，但组间帧时序无显著差异；未直接评估肌肉激活、关节接触力、植入物接触应力、内侧膝稳定性及术前步态或地面反作用力特征，因此HST机制及HST是否术前已存在仍不清楚。结论翻译：TKA后HST与从HS前帧至HS后帧更大的伸展方向屈曲角变化以及跨这些帧更靠前的外侧接触点位置相关。这些发现识别了终末摆动相至早期站立相过渡期的一种运动学关联；其潜在机制和临床相关性仍有待确定。