《Annals of Biomedical Engineering》：Effects of Training with Hybrid Assistive Device on Motor Unit Behavior After Total Knee Arthroplasty: A Randomized Controlled Trial
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目的：利用单关节混合辅助肢体（single?joint Hybrid Assistive Limb, HAL?SJ）进行全膝关节置换术（total knee arthroplasty, TKA）后术后康复已被报道可促进早期功能恢复。本研究旨在阐明在HAL?SJ
目的：利用单关节混合辅助肢体（single?joint Hybrid Assistive Limb, HAL?SJ）进行全膝关节置换术（total knee arthroplasty, TKA）后术后康复已被报道可促进早期功能恢复。本研究旨在阐明在HAL?SJ辅助下TKA术后膝关节练习期间单个运动单位（motor unit, MU）的放电特性。方法：这项单盲随机对照试验纳入24例因膝骨关节炎接受初次TKA的参与者，随机分为HAL?SJ组（n＝12）与对照组（n＝12）。所有参与者遵循相同的术后康复方案；HAL?SJ组于术后第7天开始HAL?SJ训练。主要结局指标包括术前及术后3周通过高密度表面肌电图（high?density surface electromyography, HD?SEMG）记录股内侧肌（vastus medialis, VM）与股外侧肌（vastus lateralis, VL）获得的放电率（discharge rate, DR）。次要结局指标包括膝关节等长伸肌力矩与采用数字评分量表（numerical rating scale, NRS）评估的膝痛强度。结果：HAL?SJ组VL肌肉在60%最大自主收缩（maximal voluntary contraction, MVC）时的DR术后较术前显著升高（p＝0.001）。此外，在高阈值运动单位（higher?threshold MU, HTMU）中，HAL?SJ组VL肌肉的总体DR显著高于对照组（p＜0.001）。对照组与HAL?SJ组之间在膝关节伸肌力矩或静息痛NRS评分方面未观察到显著差异。结论：TKA后采用HAL?SJ康复诱导了VL肌肉的神经生理学改变，表现为高阈值运动单位放电率增加。尽管组间在膝关节伸肌力矩方面未观察到显著差异，这些发现提示HAL?SJ训练可能促进TKA后的早期神经适应。
研究背景方面，膝骨关节炎（knee osteoarthritis, OA）是一种常见的年龄相关性退行性疾病，以膝痛、僵硬和功能受限为特征，全膝关节置换术（total knee arthroplasty, TKA）是终末期膝OA最常用的手术之一。随着OA全球负担加重，TKA应用不断增加，其成功不仅依赖手术本身，也取决于术后康复与锻炼。早期术后康复虽与早期功能改善和满意度相关，但高达20%的患者仍存在长期疼痛与关节僵硬，因此需要创新康复策略进一步改善膝关节功能。单关节混合辅助肢体（single?joint Hybrid Assistive Limb, HAL?SJ）作为一种新型康复设备受到关注，不同于连续被动活动设备，HAL?SJ通过检测肌肉生物电信号实现主动辅助运动，促进自愿肌肉激活与神经肌肉控制，既往研究报道其在TKA后应用中可改善伸展滞后、步态功能并减轻膝痛，然而HAL?SJ辅助康复有效性背后的神经肌肉机制仍不明确。运动神经元是骨骼肌的最终共同通路，分析其活动可直接反映中枢神经系统变化，高密度表面肌电图（high?density surface electromyography, HD?SEMG）可无创研究运动单位（motor unit, MU）行为，评估可能先于肌力或功能表现变化的神经肌肉适应，因此研究人员开展这项单盲随机对照试验，旨在评价TKA后使用HAL?SJ进行膝关节练习期间单个MU的详细放电特性，以明确其神经机制。研究人员最终发现HAL?SJ康复可诱导股外侧肌（vastus lateralis, VL）神经生理学改变，表现为高阈值运动单位（higher?threshold MU, HTMU）放电率（discharge rate, DR）增加，提示HAL?SJ训练可能促进TKA后早期神经适应，该论文发表在《Annals of Biomedical Engineering》。
为开展研究，研究人员主要采用以下关键技术方法：研究为单盲随机对照试验，样本为单中心2023年8月至2025年1月接受机器人辅助初次TKA的女性终末期OA患者，采用区组分层随机化分为HAL?SJ组与对照组各12例。使用等速测力仪在膝关节屈曲45°位采集力数据与HD?SEMG信号，电极网格置于VM与VL，离线带通滤波10–500 Hz，采样率2000 Hz。实验协议包括最大自主收缩（maximal voluntary contraction, MVC）测定及10%、30%、60% MVC亚最大梯形收缩。HAL?SJ组术后第7天开始设备辅助训练，参数设为CVC?AutoEXT/AutoFlx模式、80%屈曲与100%伸展信号平衡、辅助增益20–40%、扭矩限制50%，每次5组10次重复。主要结局为术前与术后3周VM与VL的DR，次要为伸肌力矩与NRS疼痛评分。HD?SEMG信号采用卷积盲源分离法分解为单个MU放电时序，排除脉冲噪声比＜30 dB及放电间隔异常者，计算平均DR、招募阈值（recruitment threshold, RT）与去招募阈值（derecruitment threshold, DT），并按RT≤30% MVC与＞30% MVC分为低阈值运动单位（lower?threshold MU, LTMU）与HTMU。统计采用Shapiro?Wilk检验正态性，参数检验用非配对t检验，非参数用广义线性混合效应模型，重复测量相关分析DR与RT关系，Bonferroni校正多重比较，显著性设为p＜0.05。
研究结果如下：
参与者特征：共29例符合标准，5例因缺失数据或并发症退出，最终24例每组12例纳入分析。组间在膝伸肌力矩或静息痛NRS的交互作用无显著差异，力的变异系数（coefficient of variation, CoV）在各因素间也无显著交互。
MU分解：共识别1095个MU（对照组577，HAL?SJ组518），按RT分布显示各组、各肌肉及各收缩水平MU数量。
MU的特性：VM肌肉在各梯形收缩阶段组、收缩水平与时间无显著交互。VL肌肉在术后60% MVC平台期DR较术前显著升高（术前95% CI 8.176至11.102 pps，术后95% CI 9.153至14.058 pps；p＝0.001）。VM与VL的RT和DT在组间无显著差异。
重复测量相关系数：术后60% MVC平台期VL的RT与DR显著相关（rrm＝0.315；95% CI 0.109至0.495；p＝0.003），对照组术后VM与VL的RT和DR无显著差异。
放电特性：VM与VL的LTMU在组与梯形收缩无显著交互。VL的HTMU在组与梯形收缩存在显著交互（p＜0.001），术后在上升期（对照95% CI 8.241至11.102 pps；HAL?SJ 95% CI 9.900至11.202 pps；p＜0.001）、平台期（对照95% CI 9.303至10.858 pps；HAL?SJ 95% CI 10.324至11.076 pps；p＜0.001）与下降期（对照95% CI 7.861至9.724 pps；HAL?SJ 95% CI 9.397至11.446 pps；p＜0.001）HAL?SJ组DR均显著高于对照组。
讨论部分总结：研究人员指出TKA后HAL?SJ康复引起VL而非VM的MU行为显著改变，VL在60% MVC术后DR升高，HTMU在各阶段DR更高，提示HAL?SJ可增加高阈值MU放电，可能通过生物反馈环路影响神经激活策略，这种变化可能是早于临床肌力改变的神经适应。VM无显著变化可能与纤维架构、髌骨对齐功能及45°屈曲位贡献较低有关。识别MU数量低于健康人但与重度KOA报道一致，可能与疼痛、无力及信号质量有关。局限性包括仅纳入女性、随访仅3周、住院期间仅12次训练、未在HAL?SJ开始前即刻测量及未测对侧肢体。
结论部分原文翻译：总之，本研究表明TKA后采用HAL?SJ康复导致VL肌肉明显的神经生理学改变，具体而言，该干预与HTMU的DR增加相关，提示MU行为发生有意义改变，这些发现提示HAL?SJ训练可能促进TKA后的早期神经适应。
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