Application value of a wearable precise rehabilitation system in treatment of elderly patients after total knee arthroplasty
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摘要:目的
探讨可穿戴式精准康复系统在老年全膝关节置换术后患者中的应用价值。
方法采用临床前瞻性病例对照研究方法，选取2019年3月—2021年3月行单侧人工全膝关节置换术的86例老年患者为研究对象。最终有81例患者完成随访，将其随机分为对照组40例和观察组41例。对照组出院后根据医嘱自行进行康复训练，观察组使用可穿戴式精准康复系统(东南大学研究团队自主开发，专利编号为202120211016.2), 2组均随访6个月。比较2组患者随访1、3、6个月时患侧主动膝关节活动度(AROM)、美国特种外科医院(HSS)膝关节功能评分、平均每日康复时间、康复依从率、满意度以及生活质量量表(SF-36)评分。
结果随访1、3、6个月时, 2组患侧AROM及HSS评分均逐步升高，观察组随访1、3、6个月的AROM及HSS评分均高于对照组，差异有统计学意义(P < 0.05)。观察组每日康复时间为(4.6±0.7) h, 长于对照组的(2.3±0.3) h, 差异有统计学意义(P < 0.05); 观察组总依从率、总满意率依次为90.2%、82.9%, 高于对照组的72.5%、62.5%, 差异有统计学意义(P < 0.05)。随访6个月时，观察组身体健康、心理健康和社会关系评分以及总评分均高于对照组，差异有统计学意义(P < 0.05)。
结论穿戴式精准康复系统能够显著改善老年全膝关节置换术后患者的康复质量，提高康复依从率和满意度。
Abstract:ObjectiveTo explore the application value of a wearable precise rehabilitation system in treatment of elderly patients after total knee arthroplasty.
MethodsA clinical prospective case-control study was adopted, and a total of 86 elderly patients with unilateral total knee arthroplasty from March 2019 to March 2021 were selected as research objects. Finally, 81 patients carried out the follow up, and they were randomly divided into control group with 40 cases and observation group with 41 cases. The control group carried out rehabilitation training according to the doctor′s instructions after discharge, while the observation group adopted the wearable precision rehabilitation system (independently developed by the research team of Southeast University, patent No.: 202120211016.2), and both groups were followed up for 6 months. The active range of motion (AROM) of affected side, knee joint function score of American Hospital for Special Surgery (HSS), average daily rehabilitation time, rehabilitation compliance rate, satisfaction degree and score of Short-form Health Survey (SF-36) were compared between the two groups at 1 month, 3 and 6 months of follow-up.
ResultsAt the 1 month, 3 and 6 months of follow-up, the AROM and HSS scores of knee joints of the affected side in both groups were gradually increased, and the AROM and HSS scores of the observation group at of 1 month, 3 and 6 months of follow-up were significantly higher than those of the control group (P < 0.05). The daily recovery time of the observation group was (4.6±0.7) h, which was significantly longer than (2.3±0.3) h of the control group (P < 0.05); the total compliance rate and total satisfaction rate of the observation group were 90.2% and 82.9%, respectively, which were significantly higher than 72.5% and 62.5% of the control group (P < 0.05). At 6 months of follow-up, the scores of physical health, mental health and social relations as well as the total score in the observation group were significantly higher than those in the control group (P < 0.05).
ConclusionThe wearable precision rehabilitation system can significantly improve the rehabilitation quality of elderly patients after knee arthroplasty, and improve the rehabilitation compliance rate and satisfaction degree.
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人工全膝关节置换术(TKA)已成为矫正膝关节畸形、改善膝关节运动功能的主要外科术式，而术后科学的、规律的康复训练是促进膝关节功能恢复的关键[1-3]。老年患者合并基础疾病较多，仅采用常规护理方法的效果较差[4], 而康复资源分布不均、缺乏有效的康复训练指导、患者自我约束力较差等也是导致总体关节康复训练质量不高的重要原因[5-6]。随着虚拟现实技术和物联网技术的不断发展，与医学相关的多种辅助器械不断被研发并应用于临床，丁芳等[7]报道了一款应用于TKA后康复训练的智能可穿戴康复系统，其由可穿戴智能脚环、医生端和患者端APP构成。一款由东南大学研究团队自主开发的可穿戴式精准康复系统(专利编号: 202120211016.2)针对TKA关节训练表现出较好的临床应用前景。该款康复系统主要特点是“可穿戴式”和“精准”，“可穿戴式”体现为具有较好的便携性，患者可携带回家进行关节功能训练，不影响正常生活和工作; “精准”体现为由医生制订各种个性化的关节训练方案，患者每日的训练参数记录在仪器上，并实时传输至医生后处理工作站。本研究探讨该款可穿戴式精准康复系统在老年TKA患者中的应用价值，现报告如下。
1. 资料与方法
1.1 一般资料
采用临床前瞻性病例对照研究方法，选择2019年3月—2021年3月行单侧人工TKA的老年患者86例为研究对象。纳入标准: ①年龄超过50岁者; ②首次接受单侧TKA, 手术顺利完成后康复出院者; ③患者签署研究知情同意书，临床和随访资料完整; ④能根据分组要求完成康复训练者。排除标准: ①合并脑卒中、脑肿瘤、下肢神经肌肉性疾病者; ②严重肝肾功能障碍、精神性疾病、不能配合训练者; ③自行更改训练方案者; ④随访丢失者。本研究获得医院医学伦理委员会批准。采用随机数字表法将86例患者分为对照组和观察组，每组43例，最终对照组中40例、观察组中41例完成随访。2组患者一般临床资料比较，差异无统计学意义(P>0.05), 具有可比性。见表 1。
表 1 2组患者一般临床资料比较(x±s)[n(%)]组别 n 男 女 年龄/岁 体质量指数/(kg/m2) 大专以上文化水平 高血压 糖尿病 心脑血管疾病 对照组 40 24 16 57.6±6.3 22.1±1.9 16(40.0) 13(32.5) 5(12.5) 6(15.0) 观察组 41 26 15 58.9±6.5 22.5±2.3 14(34.1) 15(36.6) 3(7.3) 7(17.1) 1.2 康复方法
待患者入组后，向其发放健康教育手册并普及相关疾病知识，随后办理住院手续，期间均由同一临床医生和护理团队指导患者术后康复训练，包括早期下地拄拐、负重下地活动，可佩戴支具，于每日早上和晚上进行锻炼，每次训练至少1 h, 逐渐进行功能性康复训练，如踝泵训练、直腿抬高、滑移屈膝、坐位屈膝及伸膝训练、静蹲等[8-9], 出院前评估关节功能，制订出院后康复方案。
对照组出院后根据医嘱自行进行康复训练，自行安排每日训练时间段和时长，出院前由护士发放训练手册，居家训练过程中有任何不适或者不理解之处可及时与护士联系，必要时可返院进行康复训练。观察组使用可穿戴式精准康复系统(图 1)，术前向患者及家属讲解系统的作用、原理、操作流程等，利用Kinect提供人体位置信息并连接无线通信系统，设计自由度关节驱动结构，替代护理人员对患者实施运动训练。该系统整体结构简单、轻便，方便患者随身穿戴，改变了传统康复物理治疗或者机器人的固定台式训练方式，康复训练不再受场地的限制，具有较好的临床应用性和可推广性。该款康复系统结合虚拟现实技术和物联网技术，可以实时捕捉并记录传输肢体康复训练动作参数信息，并进行可视化展示: 一方面，使用者可以观察肢体运动形态，利用多种方式实现肢体、关节自由运动，增强体验性; 另一方面，通信系统和各个传感器节点可以设定参数信息，各参数均结合人体解剖学在系统控制下合理设置，可以进行医学统计，用以量化外科手术质量以及肢体功能的恢复情况。同时，由于本系统利用上位机无线通信设备获取流通信息，在穿戴时可以采取各种活动姿势，但要注意通信设备的通畅，动作要符合电信号和传感设备可接收范围。此外，康复系统的关节调节范围不能超出人体正常活动关节，以确保行走平稳和穿戴安全。
由于TKA的手术应激反应强烈，除了帮助患者了解疾病发生机制、治疗方法及术后相关护理和康复措施外，还需给予一定的局部镇痛。术后密切关注并向主治医师反馈手术应激反应较大的患者，采取自控式镇痛泵进行镇痛，或口服镇静镇痛药物。此外，可指导患者用冰袋冷敷以消除局部肿胀，定期检查切口部位恢复情况，保持手术切口的干燥、清洁。
1.3 观察指标
2组均随访6个月，比较2组患者随访1、3、6个月时患侧主动膝关节活动度(AROM)、疼痛视觉模拟评分法(VAS)评分和美国特种外科医院(HSS)膝关节功能评分，平均每日康复时间、康复依从率、满意度，以及生活质量量表(SF-36)评分。AROM参考范围为屈曲0~135 °。HSS评分包括疼痛(30分)、功能(22分)、活动度(18分)、肌力(10分)、屈膝畸形(10分)和稳定性(10分)，总分100分，评分越高表示关节功能越好。依从率、满意度采用调查问卷的方法，采用Likert 4级评分法，分为非常好、一般好、较差和十分差，以非常好和一般好计算总依从率、总满意度。首先采用小样本(30例)进行试调查，经计算信度和效度均大于80%, 满足研究需要。SF-36主要分为身体健康、心理健康和社会关系3个维度，分别赋值40、30、30分，总分100分，分值越高表示生活质量越好。
1.4 统计学方法
采用SPSS 20.0统计软件进行数据分析，计量资料采用均数±标准差表示，组间比较采用独立样本t检验，随访多个时点数据的比较采用重复测量的方差分析; 计数资料采用[n(%)]表示，组间比较采用χ2检验。P < 0.05为差异有统计学意义。
2. 结果
2.1 2组患侧AROM以及HSS评分比较
2组出院前患侧AROM以及HSS评分比较，差异无统计学意义(P>0.05); 随访1、3、6个月时, 2组患侧AROM及HSS评分均逐步升高，观察组随访1、3、6个月时AROM及HSS评分均高于对照组，差异有统计学意义(P < 0.05)。见表 2。
表 2 2组患侧AROM及HSS评分比较(x±s)指标 时点 对照组(n=40) 观察组(n=41) AROM/ ° 出院前 102.3±11.4 100.6±10.8 随访1个月 104.9±13.5* 106.9±15.4*# 随访3个月 107.5±15.9* 110.2±16.6*# 随访6个月 119.8±18.2* 128.6±17.5*# HSS评分/分 出院前 81.8±10.1 80.6±9.5 随访1个月 82.0±9.9* 82.4±10.3*# 随访3个月 83.6±10.2* 86.4±9.3*# 随访6个月 86.4±9.7* 91.2±8.6*# AROM: 主动膝关节活动度; HSS: 美国特种外科医院。
与出院前比较, *P < 0.05; 与对照组比较, #P < 0.05。2.2 2组康复时间、总依从率、总满意度比较
观察组每日康复时间长于对照组，总依从率和总满意度高于对照组，差异有统计学意义(P < 0.05)。见表 3。
表 3 2组康复时间、总依从率、总满意度比较(x±s)[n(%)]组别 n 每日康复时间/h 总依从 总满意 对照组 40 2.3±0.3 29(72.5) 25(62.5) 观察组 41 4.6±0.7* 37(90.2)* 34(82.9)* 与对照组比较, *P < 0.05。 2.3 2组生活质量比较
随访6个月时，观察组身体健康、心理健康和社会关系评分以及总评分均高于对照组，差异有统计学意义(P < 0.05)。见表 4。
表 4 2组生活质量比较(x±s)分 组别 n 身体健康 心理健康 社会关系 总评分 对照组 40 32.9±5.4 23.6±5.8 24.2±4.9 80.7±9.3 观察组 41 36.4±6.3* 27.8±5.2* 26.9±4.8* 91.1±8.4* 与对照组比较, *P < 0.05。 3. 讨论
本款可穿戴式精准康复系统是在惯性无线动作捕捉传感器的基础上，联合东南大学研究团队开发出符合要求的高精度姿态传感器，并将其用于实现高精度动作捕捉技术，进而完成运动规律的基础研究。本研究课题组成员对入选患者进行康复功能评估和康复数据收集，与东南大学共同研究肢体康复训练动作的高精度分割技术，通过动作捕捉和传送，检测肢体动作的边界，依据边界分割动作过程并分别进行识别，提出针对不同康复动作类型的分割算法，并在康复科开展实验。
系统主要由无线通信设备、移动终端、传感器节点、传感器绑带等部件组成。无线通信设备、移动终端负责完成上机位和下机位的控制，实现人机交互、数据分析、康复评价、通讯以及指令下达等操作; 传感器节点、传感器绑带是与人体相连接处的可视化部分，包括双侧手臂、双侧下肢、腹胸等10个节点，完成髋关节、膝关节、肘关节等关节自由度动作，通过设定某些方向上的自由度和局限性设定康复训练动作，同时与上机位完成数据采集和分析工作。本研究结果表明，观察组随访1、3、6个月的患侧AROM及HSS膝关节功能评分高于对照组，差异有统计学意义(P < 0.05)。观察组每日康复时间长于对照组，总依从率和总满意度高于对照组, SF-36总评分也高于对照组，差异有统计学意义(P < 0.05), 提示在患者康复训练过程中，佩戴该款康复系统可实时采集和记录肢体运动参数以及生理参数，并根据采集的数据对患者进行科学的病情评价，得出治疗结论。此外，采用虚拟现实技术使运动参数可视化，可以提高骨伤患者对自身康复的主观认知水平，并提高医患之间的沟通效率。目前，研究[10-11]显示此类设备可实现三维空间内肢体动作参数信息的高精度收集，实现对动作完成情况作出诊断和指导的医学统计功能模块、康复训练动作参数信息的可视化反馈，实现肢体动作的实时成像技术。
膝关节是人体的主要负重结构, TKA后科学、规律的康复训练是提高手术疗效、改善患者肢体功能和生活质量的重要手段。传统关节康复训练在患者出院后易中断，患者无法及时获得正确的康复意见，而社区康复中心技术较薄弱，或者没有专业的康复中心。不完善的膝关节训练还可能导致关节受损，甚至出现严重的膝关节并发症，最终需要再次返院治疗[12-13]。通过佩戴该款康复系统，患者在出院后同样可进行与院内等效的训练，仪器能够实时跟踪、记录肢体的活动情况，将各类参数汇总后传输至后处理工作站，一方面通过可视化较强的人机界面，以浅显易懂的语言、视频或者图片方式向患者展示训练情况，另一方面还能够根据反馈的训练信息制订更加科学、人性化的康复方案，促进肢体功能的快速康复[14-15]。
综上所述，穿戴式精准康复系统能够显著改善老年TKA患者的康复质量，提高康复依从率和满意度。
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表 1 2组患者一般临床资料比较(x±s)[n(%)]
组别 n 男 女 年龄/岁 体质量指数/(kg/m2) 大专以上文化水平 高血压 糖尿病 心脑血管疾病 对照组 40 24 16 57.6±6.3 22.1±1.9 16(40.0) 13(32.5) 5(12.5) 6(15.0) 观察组 41 26 15 58.9±6.5 22.5±2.3 14(34.1) 15(36.6) 3(7.3) 7(17.1) 
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表 2 2组患侧AROM及HSS评分比较(x±s)
指标 时点 对照组(n=40) 观察组(n=41) AROM/ ° 出院前 102.3±11.4 100.6±10.8 随访1个月 104.9±13.5* 106.9±15.4*# 随访3个月 107.5±15.9* 110.2±16.6*# 随访6个月 119.8±18.2* 128.6±17.5*# HSS评分/分 出院前 81.8±10.1 80.6±9.5 随访1个月 82.0±9.9* 82.4±10.3*# 随访3个月 83.6±10.2* 86.4±9.3*# 随访6个月 86.4±9.7* 91.2±8.6*# AROM: 主动膝关节活动度; HSS: 美国特种外科医院。
与出院前比较, *P < 0.05; 与对照组比较, #P < 0.05。
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表 3 2组康复时间、总依从率、总满意度比较(x±s)[n(%)]
组别 n 每日康复时间/h 总依从 总满意 对照组 40 2.3±0.3 29(72.5) 25(62.5) 观察组 41 4.6±0.7* 37(90.2)* 34(82.9)* 与对照组比较, *P < 0.05。
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表 4 2组生活质量比较(x±s)
分 组别 n 身体健康 心理健康 社会关系 总评分 对照组 40 32.9±5.4 23.6±5.8 24.2±4.9 80.7±9.3 观察组 41 36.4±6.3* 27.8±5.2* 26.9±4.8* 91.1±8.4* 与对照组比较, *P < 0.05。
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