脛骨骨折術后行走應力相（單足）促愈擬步器的生物力學研究

徐純軼，陳燁華，石曉明，劉俊才，徐銀良，史秋實

（黑龍江省齊齊哈爾市第一醫院骨一科，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

骨折為臨床上的常見疾病，脛骨骨折在所有骨折類型中占比很高[1]，脛骨骨折目前的主要治療方法分為手術切開復位內固定治療和閉合復位外固定治療，而無論哪種治療方式，脛骨骨折的愈合都是困擾臨床醫生及科研學者的難題，脛骨骨折愈合困難的原因很多，其中包括：大多數脛骨骨折部位血運破壞較多，軟組織覆蓋較少及術后康復鍛煉效果不理想等。骨折斷端血運及周圍軟組織等問題目前尚無良好辦法解決，但術后康復鍛煉是可以控制的，并且為當前國內外學者研究的熱點。目前臨床脛骨骨折術后功能鍛煉均采用主動鍛煉方式，在生物力學角度，都會涉及一個不可忽略的問題，就是應力。根據Wolff定律：在行走全程中各下肢關節、腰椎和腰部肌肉都參與運動任何原因改變了上述一個或幾個條件，就引起步態的異常。常見的病理性步態：抗痛性步態、肢短性步態、強直性步態、剪刀式步態、搖擺步態、股四頭肌癱瘓步態、臀大肌癱瘓步態等。脛骨骨折術后因步態異常可能導致被動應力訓練中可能出現應力偏曲、應力失效等問題。研發脛骨骨折術后行走應力相（單足）促愈擬步器除具備提供安全可調縱向定量應力外，還具備模擬正常步態中“觸地相”應力矢變量曲線的功能，解決了應力偏曲、應力失效等問題。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 標本來源：實驗組人員取自于齊齊哈爾市第一醫院骨科單純脛骨骨折切開復位內固定術后患者，時間跨度為2017年12月—2020年10月。所有入組患者下肢肌力及關節活動功能均正常。60例脛骨骨折患者中，按康復鍛煉方式分為擬步器組20例（B），助步器組20例（C），單拐組20例（D）。正常對照組人員取自體檢中心行健康查體的健康人員20例（A）。全部患者及健康人員同意參與入組并簽署知情同意書。

1.1.2 主要儀器：脛骨骨折術后行走應力相（單足）促愈擬步器；壓力傳感器；高幀率攝像機。

1.2 實驗方法

1.2.1 正常對照組應力-時間曲線測定：實測觸地相應力-時間曲線，受試對象為正常對照組人體，測試行走中，單足足跟接觸地面（第一測試點）開始，過度到第五蹠骨頭（第二測試點），第一蹠骨頭（第三測試點）著地過程中三個連續的壓應力點局部壓力值，多次測試取平均值后，繪制應力變化曲線。

1.2.2 擬步器實驗組應力-時間曲線測定：依據實驗所得正常對照組應力變化曲線修正擬步器運動平臺形態及傾角，將擬步器測試的靜態數據及獲得的應力變化曲線調整至與正常對照組實測曲線匹配度達到90以上或完全匹配。患肢單足足跟接觸地面（第一測試點）開始，過度到第五蹠骨頭（第二測試點），第一蹠骨頭（第三測試點）著地過程中三個連續的壓應力點局部壓力值，多次測試取平均值后，繪制應力變化曲線。

1.2.3 助步器實驗組應力-時間曲線測定：受試對象為助步器實驗組人體，受試人員以助步器輔助行走，測試行走中，患肢單足足跟接觸地面（第一測試點）開始，過度到第五蹠骨頭（第二測試點），第一蹠骨頭（第三測試點）著地過程中三個連續的壓應力點局部壓力值，多次測試取平均值后，繪制應力變化曲線。

1.2.4 單拐實驗組應力-時間曲線測定：受試對象為單拐實驗組人體，受試人員以單拐輔助行走，測試行走中，患肢單足足跟接觸地面（第一測試點）開始，過度到第五蹠骨頭（第二測試點），第一蹠骨頭（第三測試點）著地過程中三個連續的壓應力點局部壓力值，多次測試取平均值后，繪制應力變化曲線。

1.3 統計學處理

實驗數據采用SPSS 12.0統計軟件進行統計學分析，采用Cox回歸法進行分析，以P＜0.05為差異具有顯著性，具有統計學意義。

2 結 果

對照組與各實驗組應力-時間曲線對比結果：擬步器實驗組應力-時間曲線與對照組應力-時間曲線契合度最高（P＞0.05），而助步器實驗組及單拐實驗組應力-時間曲線與對照組應力-時間曲線差異極大（P＜0.05），見圖1。

3 討 論

本研究是探索行走應力相（單足）擬步器與正常行走差異的研究，應力-時間曲線為我們研究的指標。我們使用擬步器實驗組、助步器實驗組及單拐實驗組與正常對照組的應力-時間曲線相比較，結果顯示擬步器實驗組的應力-時間曲線與正常對照組的應力-時間曲線契合度極高，較符合人在正常行走狀態下的生物力學。另一方面發現助步器實驗組及單拐實驗組的應力-時間曲線與正常對照組的應力-時間曲線相差極大，與人正常行走狀態下的生物力學嚴重不符。

本研究的結果表明，行走應力相（單足）擬步器在脛骨骨折患者術后康復過程中與傳統康復鍛煉的輔助工具相比，能夠更好的契合人體生物力學。wolff定律指出：骨骼的生長會受到力學刺激影響而改變其結構。實際臨床工作中，脛骨骨折術后康復時，多種原因可導致接受應力訓練時的步態異常，而異常步態可令骨折術后的康復受到不同程度的負面影響。我科選取脛骨骨折研發脛骨骨折術后行走應力相（單足）促愈擬步器，建立生物力學模型。大多數患者都是采取主動功能鍛煉的形式（如扶拐下地負重練習、觸壓體重秤、肌肉舒縮訓練、理療、電磁場局部作用等），這樣會造成不確切受控應力導致的疼痛、內固定斷裂及松動、原位再發骨折、甚至其他部位骨折（例如患者在扶拐鍛煉時跌倒）。在此基礎上，我科再次整合以上科研力量，研發了脛骨骨折術后行走應力相（單足）促愈擬步器。該機除具備提供安全可調縱向定量應力外，還具備模擬正常步態中“觸地相”應力矢變量曲線的功能，解決了因步態異常導致的被動應力訓練中可能出現的應力偏曲、應力失效等問題。至于擬步器在臨床應用中的實際效果，還需要大量的臨床試驗數據及進一步研究。