下肢骨折術后早期負重訓練的研究進展

余 浩，張錦明

(哈爾濱醫科大學附屬第一醫院康復科，哈爾濱 150001)

下肢骨折是骨科最常見的疾病之一，科學指導下肢骨折術后早期負重訓練對促進恢復非常重要。下肢骨折后制動能夠減輕局部受損組織的疼痛和腫脹，促進受損組織的自然修復過程，降低病情不穩定時進一步發生損傷的風險，但是臥床制動也會帶來一系列不利影響。臥床制動會引起失用性肌萎縮、肌力減退，導致運動障礙，早期進行肢體活動訓練和肌力訓練有利于減輕此類障礙[1]。長期臥床制動還可能導致深靜脈血栓和骨質疏松等一系列并發癥，盡管臨床上有充分的理由應用制動措施，但是往往忽略其可能導致繼發功能障礙，影響治療和康復進程[2-3]。生物力學和動物研究表明，早期給予骨折部位適當的應力有利于骨折愈合[4]。早期負重訓練可以促進骨折愈合、改善患者步行功能、加快恢復速度[5-6]。研究顯示在目前的負重訓練方法下，患者負重訓練的依從性較差，如何在早期進行有效的負重訓練是臨床待解決的問題[7-8]?，F就負重促進骨折愈合的機制及早期負重訓練方法的研究進展進行綜述。

1 早期負重訓練促進骨折愈合的機制

1.1負重對骨折愈合的作用 骨折愈合是一個繁雜的生物修復過程，受血液供應、損傷程度、機械應力刺激等許多因素的影響，其中機械應力刺激是最重要的因素之一，而骨折骨痂的機械刺激最常見的作用方式是負重。生物力學研究表明骨折部位的局部機械環境在骨折愈合過程中起重要的調節作用[9]。正常骨骼處于不斷的重塑狀態，破骨細胞破壞骨基質，成骨細胞形成新骨。骨量是通過成骨細胞骨形成和破骨細胞骨吸收之間的動態平衡來維持的。骨重塑是一個連續的過程，其中由于成骨細胞和破骨細胞的相對活性導致骨物質被保留或丟失，而機械刺激是保持骨骼完整的關鍵。負重可以促進成骨細胞的功能，缺乏機械刺激，如太空飛行或長時間的臥床休息都可能導致骨質疏松，因此機械刺激對于保持骨骼完整和骨骼質量必不可少[10]。

1.2機械應力刺激促進骨折愈合的機制 研究表明應力刺激可以促進骨折的愈合，但促進骨折愈合的機制尚不十分清楚，機械應力刺激一方面可以刺激成骨細胞，促進成骨細胞的增殖、分化和分泌細胞外基質[11-12]，另一方面也可以作用于骨骼微環境，引起局部生長因子的釋放，促進骨折端血管的生成[13]。Schwarz等[14]研究應力對大鼠股骨骨折愈合的影響，將骨痂組織標本和對照組分別分為機械負荷組和無負荷組，機械負荷組手術后即刻開始體內加載，每周持續1次，每周1次，分別于術后2、4、6周用微型CT分別對新形成的骨痂組織進行定量評價，并于術后6周進行組織學分析。結果顯示在應力刺激下，術后6周組織學顯示機械負荷組骨折端新生骨組織量較無負荷組骨組織量明顯增多。Shadmehr等[15]研究機械應力對大兔骨折愈合的早期影響，實驗組術后1～3周施加機械應力刺激(0.5 Hz，每次15 min)，對照組動物不受機械應力刺激，結果顯示機械應力刺激不僅能夠促使骨痂的增長，而且能夠增強骨痂的質量。

1.2.1機械刺激對骨折端血管生成的影響 骨折愈合過程中機械環境影響組織血管化，機械刺激可以促進骨折端早期血管生成，對內皮細胞和血管生成有直接影響。血管生成被認為是治療骨折的關鍵。血管功能的損害與骨折愈合的失敗(例如骨不連、延遲愈合)之間有很強的相關性[16-18]。Hausman等[16]研究血管生成抑制劑TNP-470對骨折愈合的影響，用血管再生抑制劑復合物TNP-470作用于小鼠后導致小鼠骨折不愈合。Takeda等[17]研究不同類型應力刺激對大白鼠骨折愈合早期的影響，實驗將大白鼠分為實驗組(應力刺激組)和對照組(不加任何機械刺激)。在骨折后3 d，兩組均觀察到骨折間隙血腫和明顯的炎癥細胞聚集，7 d后實驗組的炎癥細胞聚集得更為明顯，骨折后14 d實驗組骨痂量明顯多于對照組。Boerckel等[18]以大鼠節段性骨缺損修復為背景，研究了體內機械負荷對新生血管生長及組織再生的影響，體內機械負荷對新生血管生長和組織形成有調節作用。分別在術后(早期組)與4周后(晚期組)給予應力負載，晚期應力組骨生成增加，且血管的量明顯多于制動組。這些數據共同顯示了新生血管網的機械敏感性，并突出了生物力學刺激調節新生血管生長和重建的能力。適當的應力刺激可促進毛細血管的生成，為骨折斷端修復提供所需要的營養物質，升高損傷局部組織氧含量。隨著毛細血管的生長，間充質干細胞在應力刺激和有氧環境下增殖分化為成骨細胞，進而促進骨折愈合[19]。

1.2.2機械信號在骨細胞中的傳遞機制 機械刺激可以調節成骨細胞的各種生理功能，并通過細胞內信號轉導和基因誘導增強成骨細胞的活性，包括基因誘導、蛋白質合成、增殖和分化，了解細胞水平的機制轉導是了解骨折愈合的關鍵。骨是一種動態的黏彈性組織，對機械應力刺激非常敏感，骨細胞的機械受體包括骨細胞膜和細胞骨架上的整合素，并且骨間隙的三維網狀結構可以直接或間接地感測到組織水平的應變。在成骨細胞及破骨細胞遇到應力刺激后，開始在骨細胞中進行機械信號轉化過程。將骨細胞接收的機械信號轉化為生化信號，誘導細胞生化效應，促進細胞增殖和分化[20]。在骨折愈合過程中，應力可以刺激骨細胞，使細胞外Ca2+內流，促進前列腺素E2及一氧化氮釋放。前列腺素E2促進成骨細胞的增殖和分化，增加堿性磷酸酶的活性和促進膠原纖維的形成。一氧化氮通過抑制破骨細胞活性減少骨吸收，并促進血管內皮細胞生成，增加骨折端的血液供應，從而促進骨折愈合[21]。

2 早期負重訓練的方法

早期負重訓練包括觸地負重和部分負重，觸地負重定義為體重0%～20%的負重量，部分負重定義為體重20%～50%的負重量[22]。早期負重訓練是下肢骨折術后康復階段的一項基本原則。一般在術后兩周即給予患者早期負重訓練，對于手術固定良好、身體條件允許的也可術后立刻開始進行部分負重訓練。根據患者手術處理情況及醫師判斷開始進行觸地負重并逐步增加負重量達到部分負重，最終達到完全負重?；颊叩牟糠重撝靥幏礁鶕钦垲愋?、損傷程度和臨床醫師的經驗不同而有差異[23]。雖然早期負重是骨折患者康復中的一項常見建議，但患者對早期負重訓練的依從性受到許多因素的限制，包括醫師或物理治療師指導患者的能力、準確評估患者安全負重的量及有效的負重訓練方法。

然而,在目前的負重訓練方法下，早期負重訓練的效果并不理想[24]。在負重研究中仍有兩個問題未得到解答：①負重處方問題。如何設計負重處方已獲得最佳臨床效果。②負重訓練方法問題。如何設計訓練方法以使患者遵守負重處方指示，達到有效的訓練效果。研究人員和臨床醫師一直在努力確定最佳的負重處方，但迄今為止，還沒有針對特定臨床條件下負重處方的大型標準化臨床試驗。這很可能與手術技術快速發展和手術材料的不斷更新，使得常規術后的康復程序發生改變,以及部分負重訓練方法也在不斷改進有關。

2.1傳統部分負重訓練方法 傳統部分負重訓練方法包括物理治療師口頭指導和使用電子秤訓練。口頭指導是物理治療師經常使用一種臨床訓練方法，也是最原始的方式，一般由治療師將手放在患者腳下來估測患者的負重量。由于易于應用，目前是最常使用的方式。另一種常用的訓練方式是利用電子秤訓練，醫師根據臨床經驗確定安全負重量，患者健側下肢站于等高(和電子秤等高)墊上，患側站于電子秤上，訓練開始前身體重心完全在健側，根據治療師指令緩慢將重心向患側移動，當達到安全負重量時，囑患者保持數秒，并同時感受足底壓力?；颊咦陨碛柧殨r，可根據壓力值決定重心的轉移程度。若訓練熟練后，可離開電子秤，拄拐自行行走，患肢支撐負重時，按照體重秤上訓練的感覺轉移重心讓足底壓力控制在安全范圍之內以避免過度負重產生損傷。在進行患肢步行訓練時單純依靠在電子秤上訓練的感覺來判斷，依然有很高的主觀性和不穩定性。相關研究也表明當使用口頭指導的方法和體重秤時，患者無法準確遵循部分負重的重量[25]。這種不確定性大大影響了患者對負重訓練的依從性及訓練效果，針對上述兩種訓練方法的缺陷，新的部分負重訓練方法及設備也在研究中。

2.2壓力平臺訓練方法 壓力平臺是生物力學實驗中最重要的測量設備，是一種價格昂貴、精度高的測量裝置。在步行過程中，壓力平臺可以準確測量外力，并在訓練患者遵守部分負重指示方面比體重秤或治療師的經驗估測更準確。然而，由于費用昂貴及不可移動，大多數壓力平臺僅限于實驗室研究使用，無法實現臨床廣泛應用[26]。

2.3反饋技術在負重訓練中的應用 為了克服傳統部分負重訓練方法的缺陷，保證負重訓練的安全有效性，研究者設計了足底壓力測量方法，該法屬于足底壓力的間接測量方法，利用智能拐杖，通過拐杖底部的壓力傳感器測量負重量，用自身的身體重量減去拐杖下的壓力值來間接測量出患側肢體的負重量。這種方法可以在行走時實時監測下肢的準確負重量，但是不夠直觀，使用起來不方便[27-28]。研究者設計了更好的動態情況下的足底壓力監測方法，利用智能足底壓力鞋墊，通過壓力鞋墊直接測量出下肢的具體負重量，該方法具有準確、直觀、方便的優點[29]。

下肢負重量測量和負重信息的即刻反饋對于負重訓練的安全有效性十分重要。為此在壓力測量的基礎上加入了負重信息反饋裝置，常用的反饋系統類型有視覺反饋(小型電子屏幕顯示負重值)、聽覺反饋(超過負重量發出警報聲)、觸覺反饋(超過負重量時反饋裝置震動)。負重信息反饋裝置和壓力測量鞋墊結合起來的智能足底壓力反饋系統是目前用于早期負重訓練研究的熱門。

智能足底壓力反饋系統使用方法是訓練前設定好患肢的具體負重量，患者通過穿上帶有足底壓力傳感器的步行鞋，使用雙杠或者拐杖幫助減輕患肢負重量進行負重行走，步行時足底壓力傳感器可以直接測量出患肢的具體負重量，然后信息處理元件會對負重信息進行處理，并通過特定的反饋(視覺、聽覺或者觸覺)元件對負重信息即刻反饋給患者及治療師。患者通過所反饋的信息及時調整患肢的負重量來保證負重訓練的有效性及安全性，治療師也能根據反饋的信息對患者進行明確的指導。

智能足底壓力反饋系統擁有可以動態負重、負重量客觀準確、負重量過量時即刻反饋的優點。相對傳統的負重訓練方式，智能足底壓力反饋系統能提供更可靠、準確和客觀的負重數據[30]。

智能足底壓力反饋系統相比體重秤和治療師手法估量有本質性的改進。為了確定反饋技術的相對有效性，研究人員也做了相關的臨床試驗來證實其有效性及安全性。結果顯示利用足底壓力反饋系統訓練能使患者更好地遵從部分負重的指導[31-32]。Braun等[33]通過一種新型的足底壓力測量鞋墊，持續監測各種下肢損傷患者術后負重是否符合標準的負重處方，并確定其可行性。結果顯示接受傳統的負重訓練方式患者對待負重處方的依從性較低，而基于測量鞋墊的足底壓力反饋系統用于提高術后各種下肢損傷的負重依從性是可行的。Raaben等[34]研究了視覺足底壓力反饋系統對下肢骨折患者負重的影響，發現無論是部分負重還是觸地負重，患者負重訓練的依從性都很低，使用視覺壓力反饋系統能顯著提高負重測量的準確性，并可提高患者負重訓練的依從性。Hershko等[35]將33例骨科手術患者隨機分為研究組(使用足底壓力反饋系統)和對照組(常規手法估計)，利用SmartStep系統(一種聽覺足底壓力反饋系統)完成10 d的康復治療，研究組能夠更好地遵從負重處方。當使用這種聽覺足底壓力反饋系統用于指導患者部分負重時，步態康復更加有效，它能夠測量患者在實驗室外行走時的負重量并記錄數據，在受傷肢體過度負重即時發出音頻警告，從而避免過度負重引起的損傷。這套系統操作簡單，使用方便，能夠更準確、有效地進行患肢負重訓練。Fu等[36]研究評估了一種觸覺足底壓力反饋系統，該系統有一條可以提供震動覺的腰部系帶與足底壓力墊相連接，在負重訓練時負重量在負重處方允許的范圍內時腰部的系帶會及時發生震動提醒患者。該研究選取30名健康、無癥狀的參與者，隨機分為治療師口頭指導組、電子秤訓練組和觸覺足底壓力反饋訓練組三組。參與者被指示利用拐杖減輕肢體負重量將下肢負重限制在25磅(1磅=0.45 kg)以下，設定可接受的范圍為15～35磅。三組參與者均安裝了鞋底傳感器和反饋系統，但只有觸覺足底壓力反饋組在超過設定的可接受范圍(15～35磅)時獲得腰帶振動觸覺信號。最終的評估結果顯示觸覺足底壓力反饋組對于提高下肢部分負重訓練的依從性方面大大優于傳統的訓練方法。上述研究證實了足底壓力反饋技術的有效性及實用性，具有用于臨床實踐的最大潛力。

3 結 語

早期負重訓練是下肢骨折及損傷后促進功能恢復的最有效的措施之一，如何選擇一種安全、有效、實用的技術來幫助患者科學進行早期負重訓練是臨床亟待解決的問題。目前的智能足底壓力反饋系統在某種程度上為早期負重的安全性提供了一定保障，隨著智能技術的發展，社會對醫療需求的變化，特別是分級診療的逐步推進，骨折及損傷患者的住院時間會不斷縮短，后續的功能恢復會在一級醫院或家庭中進行，而具有智能下肢負重監測、步態分析功能、借助手機APP可實現遠程控制的康復技術將是實現醫療同質化的理想載體。