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        3D打印膝踝足矯形器改善早期腦卒中患者步行功能的研究

        2021-06-21 09:23:02邵明璐孟憲忠吳海博
        關(guān)鍵詞:矯形器步態(tài)步行

        邵明璐,孟憲忠,任 敏,吳海博

        上海市浦東新區(qū)人民醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科,上海 201299

        腦卒中是世界第2 大死亡原因,全世界每年約有1 500 萬人患病,也是成人運(yùn)動(dòng)功能和步態(tài)受損的最重要原因之一[1]。中風(fēng)偏癱患者存在步行速度降低、姿勢(shì)不對(duì)稱、平衡障礙等步態(tài)問題[2]。造成步態(tài)異常的原因很多,其中膝關(guān)節(jié)過度伸展可導(dǎo)致功能性活動(dòng)受限,并可以引起關(guān)節(jié)的病理改變,從而導(dǎo)致步行受限,影響患者的日常生活質(zhì)量[3]。常規(guī)踝足矯形器(ankle foot orthosis,AFO)通過限制腳踝的活動(dòng),糾正內(nèi)翻,提高了腦卒中后的整體機(jī)動(dòng)性,但對(duì)于膝關(guān)節(jié)過伸沒有糾正作用。膝踝足矯形器(knee ankle foot orthosis,KAFO)可以通過最小化膝關(guān)節(jié)過度伸展,糾正足部及踝關(guān)節(jié)的變形,改善對(duì)稱性和穩(wěn)定性,從而提高步態(tài)的節(jié)奏和速度[4]。研究表明,當(dāng)膝關(guān)節(jié)過伸超過20°,可以用KAFO 來控制膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)[5],但是常規(guī)KAFO 材質(zhì)笨重、貼合性差,導(dǎo)致穿戴困難、磨損皮膚,并且影響美觀,不被患者接受[6]。因此,KAFO 目前的臨床應(yīng)用尚不廣泛,臨床研究仍較少。

        3D 打印技術(shù)通過分層加工和疊加成型完成整個(gè)實(shí)體的構(gòu)建,可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自由,并根據(jù)個(gè)人生物力學(xué)要求進(jìn)行優(yōu)化,為患者提供更好的骨科功能和更好的外觀設(shè)計(jì)[7]。目前已有研究[8]將3D 打印應(yīng)用于AFO,結(jié)果表明3D 打印AFO 可提高患者滿意度、佩戴依從性和生活質(zhì)量,但相關(guān)研究仍較少,臨床并未真正應(yīng)用,且缺乏對(duì)膝關(guān)節(jié)有效控制的相關(guān)報(bào)道。本研究采用目前較為先進(jìn)的3D 打印技術(shù)制備KAFO(圖1),強(qiáng)調(diào)膝關(guān)節(jié)控制的重要性,對(duì)患者的身體結(jié)構(gòu)及生物力學(xué)特征進(jìn)行測(cè)量,進(jìn)行個(gè)性化定制,以便更好地匹配以提高擬合效果。此外,應(yīng)用特殊材料(尼龍等)制作KAFO,減輕了矯形器的重量,提高了強(qiáng)度及韌性,使佩戴更為輕便,從而改善下肢功能、提高耐力、延長(zhǎng)行走時(shí)間,取得了較為滿意的效果,現(xiàn)報(bào)道如下。

        圖1 3D 打印膝踝足矯形器

        1 資料與方法

        1.1.病例選擇標(biāo)準(zhǔn)

        1.1.1 納入標(biāo)準(zhǔn)

        符合中華醫(yī)學(xué)會(huì)全國(guó)第四次腦血管病學(xué)術(shù)會(huì)議的腦出血和腦梗死診斷標(biāo)準(zhǔn)[9],同時(shí)滿足以下6 條標(biāo)準(zhǔn):(1)年齡為40~70 歲;(2)首次發(fā)病,且發(fā)病時(shí)間為2 周~3 個(gè)月;(3)單側(cè)肢體活動(dòng)不利,Hoffer 步行能力分級(jí)為Ⅱ級(jí);(4)腦血管意外發(fā)生在頸內(nèi)動(dòng)脈系統(tǒng),經(jīng)CT 或MRI 證實(shí);(5)意識(shí)清醒,生命體征平穩(wěn)者;(6)簽署知情同意書(上海市浦東新區(qū)人民醫(yī)院倫理審查號(hào)為PDWJXK-1713)。

        1.1.2 排除標(biāo)準(zhǔn)

        (1)短暫性腦缺血發(fā)作,可逆性神經(jīng)功能缺 損(reversible ischemic neurologic deficit,RIND)等不伴有肢體功能障礙;(2)經(jīng)檢查證實(shí)神經(jīng)功能缺損由腦腫瘤、腦外傷、腦寄生蟲病、心臟病、代謝障礙等疾病引起;(3)發(fā)生在椎-基底動(dòng)脈系統(tǒng)的腦血管意外;(4)雙側(cè)或單側(cè)肢體有手術(shù)、外傷、感染、骨折、骨腫瘤、先天畸形、風(fēng)濕、類風(fēng)濕等病史或癥狀者;(5)有脊柱疾患,單側(cè)或雙側(cè)關(guān)節(jié)疾患;(6)伴有外周神經(jīng)疾患,產(chǎn)生疼痛并影響肢體活動(dòng)。

        1.2 病例及隨機(jī)分組

        納入2018 年1 月1 日—2020 年7 月31 日上海市浦東新區(qū)人民醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科收治的發(fā)病時(shí)間為2 周~3 個(gè)月、Hoffer 步行能力分級(jí)為Ⅱ級(jí)、存在足內(nèi)翻和膝過伸問題的腦卒中患者30 例。將符合病例選擇標(biāo)準(zhǔn)的患者按照入院順序依次編號(hào),采用隨機(jī)數(shù)字表法隨機(jī)分為3 組:對(duì)照組1(傳統(tǒng)AFO 組)、對(duì)照組2(傳統(tǒng)KAFO 組)、觀察組(3D打印新型復(fù)合材質(zhì)KAFO 組),每組10 例。3 組患者的性別、年齡、病程及腦卒中類型的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),見表1。

        表1 3 組腦卒中患者一般資料比較(n)

        1.3 研究方法

        3 組患者均經(jīng)中級(jí)以上內(nèi)科醫(yī)師評(píng)估后,根據(jù)個(gè)體差異,進(jìn)行高血壓、糖尿病、高脂血癥、高同型半胱氨酸血癥等基礎(chǔ)疾病治療,給予降壓、降糖、調(diào)脂及二級(jí)預(yù)防等藥物治療,并在接受相同的常規(guī)康復(fù)治療的基礎(chǔ)上,在站立及步行訓(xùn)練過程中全程佩戴相應(yīng)矯形器。對(duì)照組1 佩戴傳統(tǒng)AFO;對(duì)照組2 佩戴傳統(tǒng)KAFO;觀察組佩戴3D打印新型復(fù)合材質(zhì)KAFO。3 組均接受每周6 d 的康復(fù)治療,休息1 d 后繼續(xù)下一周的治療,共治療4 周。

        分別于治療前后對(duì)患者步行功能進(jìn)行評(píng)估。自研究開始至分析結(jié)束,根據(jù)單盲原則,分組、治療以及評(píng)估均由不同人員執(zhí)行。

        1.3.1 矯形器制備

        3 組矯形器均由上海會(huì)鼎科技有限公司制備。傳統(tǒng)矯形器制作采用石膏制模,新型復(fù)合材質(zhì)矯形器采用尼龍等材料制模。

        1.3.2 康復(fù)訓(xùn)練方案

        3 組均接受常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練。方案設(shè)計(jì)由科室副高以上職稱醫(yī)師及中級(jí)以上職稱技師聯(lián)合制定?;颊吲宕鞒C形器后進(jìn)行平衡訓(xùn)練,包括坐位平衡、站位平衡、坐位到站立位轉(zhuǎn)換訓(xùn)練20 min,再指導(dǎo)步行訓(xùn)練20 min??祻?fù)訓(xùn)練按照循序漸進(jìn)的原則,每次訓(xùn)練共4 0 min。

        1.4 觀察指標(biāo)

        在治療前及治療4 周后進(jìn)行評(píng)估及記錄。

        1.4.1 步行速度及耐力測(cè)試

        通過10 m 步行測(cè)試(10-meter walk test,10-MWT)和6 min 步行測(cè)試(6-minute walk test,6-MWT)評(píng)估步行速度和步行耐力[4]。10-MWT 要求受試者以舒適的速度步行10 m,記錄步行時(shí)間。6-MWT 要求患者以正常速度行走6 min,記錄6 min 內(nèi)的步行距離。2 次試驗(yàn)之間休息20 min。

        1.4.2 Fugl-Meyer 運(yùn)動(dòng)能力評(píng)估量表(下肢)

        應(yīng)用下肢運(yùn)動(dòng)功能量表來評(píng)估運(yùn)動(dòng)能力,共17 個(gè)項(xiàng)目,每項(xiàng)0~2 分,滿分34 分,分值越高表示下肢功能越好。

        1.4.3 Berg 平衡量表

        應(yīng)用Berg 平衡量表評(píng)估平衡能力,共14 個(gè)項(xiàng)目,每項(xiàng)0~4 分,滿分56 分,分值越高表示平衡能力越好。

        1.4.4 足間隙測(cè)定

        采用智能運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)和LAMB 步態(tài)分析協(xié)議[10]評(píng)估受試者下肢的三維運(yùn)動(dòng)學(xué)。主要測(cè)量足間隙,即在擺動(dòng)相時(shí)足底與地面之間的最小間隙距離。

        1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

        應(yīng)用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。組內(nèi)治療前后比較采用配對(duì)t檢驗(yàn),各組間計(jì)量資料的比較采用單因素方差分析,計(jì)數(shù)資料比較采用χ2檢驗(yàn)。P<0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

        2 結(jié)果

        2.1 3 組患者治療前后10-MWT 和6-MWT 的比較

        3 組患者治療前10-MWT 和6-MWT 的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.01);治療后,3 組患者10 m 步行時(shí)間均縮短,6 min 步行距離均較治療前延長(zhǎng)(P<0.01),其中觀察組明顯優(yōu)于對(duì)照組1(P<0.05)及對(duì)照組2(P<0.05);2 個(gè)對(duì)照組之間比較,對(duì)照組2 優(yōu)于對(duì)照組1(P<0.05),見表2。

        表2 30 例腦卒中后肢體障礙患者康復(fù)治療前后步行速度及耐力的比較()

        表2 30 例腦卒中后肢體障礙患者康復(fù)治療前后步行速度及耐力的比較()

        注:a治療前后組內(nèi)比較,P <0.01;b治療后與對(duì)照組1比較,P <0.05;c治療后與對(duì)照組2比較,P <0.05;d治療后與對(duì)照組1比較,P <0.05。

        2.2 3 組患者治療前后下肢運(yùn)動(dòng)能力及平衡能力的比較

        3 組患者治療前Fugl-Meyer 運(yùn)動(dòng)能力評(píng)分(下肢)、Berg 平衡量表評(píng)分以及足間隙的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表3)。治療后,3 組患者的Fugl-Meyer運(yùn)動(dòng)能力評(píng)分(P<0.05)和Berg 量表評(píng)分均較治療前提高(P<0.05),足間隙較前增加(P<0.05)。其中,觀察組均優(yōu)于對(duì)照組1(P<0.05)和對(duì)照組2(P<0.05);對(duì)照組2 均優(yōu)于對(duì)照組1(P<0.05)。

        表3 30 例腦卒中后肢體障礙患者康復(fù)治療前后下肢運(yùn)動(dòng)能力及平衡能力的比較()

        表3 30 例腦卒中后肢體障礙患者康復(fù)治療前后下肢運(yùn)動(dòng)能力及平衡能力的比較()

        注:a 治療前后組內(nèi)比較,P <0.05;b 治療后與對(duì)照組1 比較,P <0.05;c 治療后與對(duì)照組2 比較,P <0.05;d 治療后2個(gè)對(duì)照組之間比較,P <0.05。

        3 討論

        步態(tài)障礙是腦卒中后患者常見的運(yùn)動(dòng)功能障礙,其中膝關(guān)節(jié)過度伸展是一個(gè)經(jīng)常被忽視的因素。據(jù)統(tǒng)計(jì),40%~68%的腦卒中患者會(huì)出現(xiàn)膝過伸[11]。膝過伸一方面造成前交叉韌帶及膝關(guān)節(jié)后囊松弛,長(zhǎng)度-張力關(guān)系改變,導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)早期退行性改變、慢性膝痛以及膝關(guān)節(jié)伸展的本體感覺控制差[12];如果在初始階段不得到糾正,會(huì)導(dǎo)致進(jìn)行性、致殘性、獲得性畸形[13]。另一方面,膝關(guān)節(jié)過度伸展使膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí)難以在擺動(dòng)相獲得足夠的離地間隙,在行走時(shí)不僅增加了能量消耗,更打破力學(xué)平衡,強(qiáng)化異常步態(tài),進(jìn)而加重跌倒風(fēng)險(xiǎn),影響日常生活的獨(dú)立性[14]。目前對(duì)于膝過伸的治療,基于個(gè)體差異,多采用功能性電刺激、肌力及肌張力訓(xùn)練、感覺訓(xùn)練(特別是本體覺訓(xùn)練)、矯形器輔助康復(fù)訓(xùn)練以及傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練等[15]。隨著近年來康復(fù)工程的發(fā)展,康復(fù)輔具日益受到重視,人們對(duì)矯形器輔助訓(xùn)練也日益關(guān)注,尤其是針對(duì)膝過伸較為嚴(yán)重的患者[5]?!?019年中國(guó)腦血管病臨床管理指南》將下肢矯形器等輔助步行能力的恢復(fù)作為Ⅱa 類推薦、B 級(jí)證據(jù)[16]。當(dāng)膝關(guān)節(jié)過伸超過20°,可以用KAFO 來控制膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。KAFO 既能幫助患者盡早離床,提高獨(dú)立生活能力,增強(qiáng)恢復(fù)的信心,又避免了過早行走造成的膝、踝關(guān)節(jié)損傷。

        AFO 是一種下肢的外部裝置,用于穩(wěn)定關(guān)節(jié),產(chǎn)生力矩來調(diào)節(jié)下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。AFO 的使用通過糾正足下垂,改善下肢對(duì)稱性和穩(wěn)定性,來調(diào)節(jié)步行的節(jié)奏和速度[17]。傳統(tǒng)的AFO 能夠改善步態(tài)偏差,但也有其局限性[18]。一方面,AFO 雖然限制了腳踝的活動(dòng),但是也會(huì)降低肌肉的活動(dòng)和動(dòng)態(tài)平衡;另一方面,忽略了膝過伸造成的危害。經(jīng)過多年來AFO 模型和應(yīng)用的不斷發(fā)展,根據(jù)材料特性和放置在腳和小腿上的材料量,可以使用不同的材料,其剛度也不同[19]。KAFO 的出現(xiàn)彌補(bǔ)了膝過伸的控制問題,但是傳統(tǒng)的KAFO為了保證支撐力,需達(dá)到一定的剛度,因此材質(zhì)往往笨重,且貼合程度較差,不易被患者接受。因此,KAFO 的設(shè)計(jì)不僅需要設(shè)計(jì)師、物理治療師和矯形器醫(yī)師的參與,對(duì)材質(zhì)的要求也很高。目前。國(guó)外一些研究提出利用3D 打印技術(shù)進(jìn)行矯形器的制作[20]。3D 打印技術(shù)將各學(xué)科相融合,有效地解決了傳統(tǒng)工藝受限于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料特殊、難以加工的困境[21],可以定制個(gè)性化產(chǎn)品,迎合了矯形器量身定做的特點(diǎn)。隨著康復(fù)輔具的發(fā)展,相關(guān)領(lǐng)域越來越認(rèn)識(shí)到進(jìn)行康復(fù)輔助器具領(lǐng)域創(chuàng)新的重要性,3D 打印和人工智能等新技術(shù)在康復(fù)輔具領(lǐng)域開始受到關(guān)注[22],但目前國(guó)內(nèi)研究仍較少,臨床并未真正應(yīng)用[23]。

        本研究團(tuán)隊(duì)與專業(yè)設(shè)備團(tuán)隊(duì)合作,既考慮了AFO 治療中膝過伸損傷問題,又采取目前較為先進(jìn)的3D 打印技術(shù),利用粉末狀粘合材料,通過分層加工、疊加成型的方式完成KAFO 的實(shí)體構(gòu)建。這樣可以根據(jù)個(gè)體需求,設(shè)計(jì)出較為復(fù)雜的精細(xì)結(jié)構(gòu),既保證了貼合度和實(shí)用性,又實(shí)現(xiàn)了輕量、透氣性的設(shè)計(jì),并且設(shè)計(jì)開展了傳統(tǒng)矯形器治療的對(duì)照研究。研究表明,治療4 周后,觀察組患者10-MWT 及6-MWT 均得到改善,且優(yōu)于2 個(gè)傳統(tǒng)矯形器組,說明佩戴3D 打印KAFO可顯著改善患者步行的速度及耐力。為了評(píng)估不同矯形器對(duì)平衡和步態(tài)模式的影響,本研究對(duì)患者下肢動(dòng)力學(xué)變量及足間隙進(jìn)行了測(cè)定。經(jīng)過4周的訓(xùn)練,發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)矯形器組相比,3D 打印KAFO 組患者的下肢Fulg-Meyer 運(yùn)動(dòng)功能評(píng)分、Berg 平衡量表評(píng)分及足間隙均得到了改善,說明3D 打印KAFO 可以提高下肢運(yùn)動(dòng)能力,糾正腳的異常位置,避免足部過早接觸地面,進(jìn)而提高平衡能力,降低跌倒風(fēng)險(xiǎn)。

        綜上所述,3D 打印KAFO 可以增強(qiáng)下肢運(yùn)動(dòng)能力,改善平衡功能,進(jìn)而提高步行速度及耐力,優(yōu)化康復(fù)治療,是較為理想的矯形器,值得臨床推廣應(yīng)用。

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