下肢骨折术后早期负重训练的研究进展

余 浩，张锦明

(哈尔滨医科大学附属第一医院康复科，哈尔滨 150001)

下肢骨折是骨科最常见的疾病之一，科学指导下肢骨折术后早期负重训练对促进恢复非常重要。下肢骨折后制动能够减轻局部受损组织的疼痛和肿胀，促进受损组织的自然修复过程，降低病情不稳定时进一步发生损伤的风险，但是卧床制动也会带来一系列不利影响。卧床制动会引起失用性肌萎缩、肌力减退，导致运动障碍，早期进行肢体活动训练和肌力训练有利于减轻此类障碍[1]。长期卧床制动还可能导致深静脉血栓和骨质疏松等一系列并发症，尽管临床上有充分的理由应用制动措施，但是往往忽略其可能导致继发功能障碍，影响治疗和康复进程[2-3]。生物力学和动物研究表明，早期给予骨折部位适当的应力有利于骨折愈合[4]。早期负重训练可以促进骨折愈合、改善患者步行功能、加快恢复速度[5-6]。研究显示在目前的负重训练方法下，患者负重训练的依从性较差，如何在早期进行有效的负重训练是临床待解决的问题[7-8]。现就负重促进骨折愈合的机制及早期负重训练方法的研究进展进行综述。

1 早期负重训练促进骨折愈合的机制

1.1负重对骨折愈合的作用 骨折愈合是一个繁杂的生物修复过程，受血液供应、损伤程度、机械应力刺激等许多因素的影响，其中机械应力刺激是最重要的因素之一，而骨折骨痂的机械刺激最常见的作用方式是负重。生物力学研究表明骨折部位的局部机械环境在骨折愈合过程中起重要的调节作用[9]。正常骨骼处于不断的重塑状态，破骨细胞破坏骨基质，成骨细胞形成新骨。骨量是通过成骨细胞骨形成和破骨细胞骨吸收之间的动态平衡来维持的。骨重塑是一个连续的过程，其中由于成骨细胞和破骨细胞的相对活性导致骨物质被保留或丢失，而机械刺激是保持骨骼完整的关键。负重可以促进成骨细胞的功能，缺乏机械刺激，如太空飞行或长时间的卧床休息都可能导致骨质疏松，因此机械刺激对于保持骨骼完整和骨骼质量必不可少[10]。

1.2机械应力刺激促进骨折愈合的机制 研究表明应力刺激可以促进骨折的愈合，但促进骨折愈合的机制尚不十分清楚，机械应力刺激一方面可以刺激成骨细胞，促进成骨细胞的增殖、分化和分泌细胞外基质[11-12]，另一方面也可以作用于骨骼微环境，引起局部生长因子的释放，促进骨折端血管的生成[13]。Schwarz等[14]研究应力对大鼠股骨骨折愈合的影响，将骨痂组织标本和对照组分别分为机械负荷组和无负荷组，机械负荷组手术后即刻开始体内加载，每周持续1次，每周1次，分别于术后2、4、6周用微型CT分别对新形成的骨痂组织进行定量评价，并于术后6周进行组织学分析。结果显示在应力刺激下，术后6周组织学显示机械负荷组骨折端新生骨组织量较无负荷组骨组织量明显增多。Shadmehr等[15]研究机械应力对大兔骨折愈合的早期影响，实验组术后1～3周施加机械应力刺激(0.5 Hz，每次15 min)，对照组动物不受机械应力刺激，结果显示机械应力刺激不仅能够促使骨痂的增长，而且能够增强骨痂的质量。

1.2.1机械刺激对骨折端血管生成的影响 骨折愈合过程中机械环境影响组织血管化，机械刺激可以促进骨折端早期血管生成，对内皮细胞和血管生成有直接影响。血管生成被认为是治疗骨折的关键。血管功能的损害与骨折愈合的失败(例如骨不连、延迟愈合)之间有很强的相关性[16-18]。Hausman等[16]研究血管生成抑制剂TNP-470对骨折愈合的影响，用血管再生抑制剂复合物TNP-470作用于小鼠后导致小鼠骨折不愈合。Takeda等[17]研究不同类型应力刺激对大白鼠骨折愈合早期的影响，实验将大白鼠分为实验组(应力刺激组)和对照组(不加任何机械刺激)。在骨折后3 d，两组均观察到骨折间隙血肿和明显的炎症细胞聚集，7 d后实验组的炎症细胞聚集得更为明显，骨折后14 d实验组骨痂量明显多于对照组。Boerckel等[18]以大鼠节段性骨缺损修复为背景，研究了体内机械负荷对新生血管生长及组织再生的影响，体内机械负荷对新生血管生长和组织形成有调节作用。分别在术后(早期组)与4周后(晚期组)给予应力负载，晚期应力组骨生成增加，且血管的量明显多于制动组。这些数据共同显示了新生血管网的机械敏感性，并突出了生物力学刺激调节新生血管生长和重建的能力。适当的应力刺激可促进毛细血管的生成，为骨折断端修复提供所需要的营养物质，升高损伤局部组织氧含量。随着毛细血管的生长，间充质干细胞在应力刺激和有氧环境下增殖分化为成骨细胞，进而促进骨折愈合[19]。

1.2.2机械信号在骨细胞中的传递机制 机械刺激可以调节成骨细胞的各种生理功能，并通过细胞内信号转导和基因诱导增强成骨细胞的活性，包括基因诱导、蛋白质合成、增殖和分化，了解细胞水平的机制转导是了解骨折愈合的关键。骨是一种动态的黏弹性组织，对机械应力刺激非常敏感，骨细胞的机械受体包括骨细胞膜和细胞骨架上的整合素，并且骨间隙的三维网状结构可以直接或间接地感测到组织水平的应变。在成骨细胞及破骨细胞遇到应力刺激后，开始在骨细胞中进行机械信号转化过程。将骨细胞接收的机械信号转化为生化信号，诱导细胞生化效应，促进细胞增殖和分化[20]。在骨折愈合过程中，应力可以刺激骨细胞，使细胞外Ca2+内流，促进前列腺素E2及一氧化氮释放。前列腺素E2促进成骨细胞的增殖和分化，增加碱性磷酸酶的活性和促进胶原纤维的形成。一氧化氮通过抑制破骨细胞活性减少骨吸收，并促进血管内皮细胞生成，增加骨折端的血液供应，从而促进骨折愈合[21]。

2 早期负重训练的方法

早期负重训练包括触地负重和部分负重，触地负重定义为体重0%～20%的负重量，部分负重定义为体重20%～50%的负重量[22]。早期负重训练是下肢骨折术后康复阶段的一项基本原则。一般在术后两周即给予患者早期负重训练，对于手术固定良好、身体条件允许的也可术后立刻开始进行部分负重训练。根据患者手术处理情况及医师判断开始进行触地负重并逐步增加负重量达到部分负重，最终达到完全负重。患者的部分负重处方根据骨折类型、损伤程度和临床医师的经验不同而有差异[23]。虽然早期负重是骨折患者康复中的一项常见建议，但患者对早期负重训练的依从性受到许多因素的限制，包括医师或物理治疗师指导患者的能力、准确评估患者安全负重的量及有效的负重训练方法。

然而,在目前的负重训练方法下，早期负重训练的效果并不理想[24]。在负重研究中仍有两个问题未得到解答：①负重处方问题。如何设计负重处方已获得最佳临床效果。②负重训练方法问题。如何设计训练方法以使患者遵守负重处方指示，达到有效的训练效果。研究人员和临床医师一直在努力确定最佳的负重处方，但迄今为止，还没有针对特定临床条件下负重处方的大型标准化临床试验。这很可能与手术技术快速发展和手术材料的不断更新，使得常规术后的康复程序发生改变,以及部分负重训练方法也在不断改进有关。

2.1传统部分负重训练方法 传统部分负重训练方法包括物理治疗师口头指导和使用电子秤训练。口头指导是物理治疗师经常使用一种临床训练方法，也是最原始的方式，一般由治疗师将手放在患者脚下来估测患者的负重量。由于易于应用，目前是最常使用的方式。另一种常用的训练方式是利用电子秤训练，医师根据临床经验确定安全负重量，患者健侧下肢站于等高(和电子秤等高)垫上，患侧站于电子秤上，训练开始前身体重心完全在健侧，根据治疗师指令缓慢将重心向患侧移动，当达到安全负重量时，嘱患者保持数秒，并同时感受足底压力。患者自身训练时，可根据压力值决定重心的转移程度。若训练熟练后，可离开电子秤，拄拐自行行走，患肢支撑负重时，按照体重秤上训练的感觉转移重心让足底压力控制在安全范围之内以避免过度负重产生损伤。在进行患肢步行训练时单纯依靠在电子秤上训练的感觉来判断，依然有很高的主观性和不稳定性。相关研究也表明当使用口头指导的方法和体重秤时，患者无法准确遵循部分负重的重量[25]。这种不确定性大大影响了患者对负重训练的依从性及训练效果，针对上述两种训练方法的缺陷，新的部分负重训练方法及设备也在研究中。

2.2压力平台训练方法 压力平台是生物力学实验中最重要的测量设备，是一种价格昂贵、精度高的测量装置。在步行过程中，压力平台可以准确测量外力，并在训练患者遵守部分负重指示方面比体重秤或治疗师的经验估测更准确。然而，由于费用昂贵及不可移动，大多数压力平台仅限于实验室研究使用，无法实现临床广泛应用[26]。

2.3反馈技术在负重训练中的应用 为了克服传统部分负重训练方法的缺陷，保证负重训练的安全有效性，研究者设计了足底压力测量方法，该法属于足底压力的间接测量方法，利用智能拐杖，通过拐杖底部的压力传感器测量负重量，用自身的身体重量减去拐杖下的压力值来间接测量出患侧肢体的负重量。这种方法可以在行走时实时监测下肢的准确负重量，但是不够直观，使用起来不方便[27-28]。研究者设计了更好的动态情况下的足底压力监测方法，利用智能足底压力鞋垫，通过压力鞋垫直接测量出下肢的具体负重量，该方法具有准确、直观、方便的优点[29]。

下肢负重量测量和负重信息的即刻反馈对于负重训练的安全有效性十分重要。为此在压力测量的基础上加入了负重信息反馈装置，常用的反馈系统类型有视觉反馈(小型电子屏幕显示负重值)、听觉反馈(超过负重量发出警报声)、触觉反馈(超过负重量时反馈装置震动)。负重信息反馈装置和压力测量鞋垫结合起来的智能足底压力反馈系统是目前用于早期负重训练研究的热门。

智能足底压力反馈系统使用方法是训练前设定好患肢的具体负重量，患者通过穿上带有足底压力传感器的步行鞋，使用双杠或者拐杖帮助减轻患肢负重量进行负重行走，步行时足底压力传感器可以直接测量出患肢的具体负重量，然后信息处理元件会对负重信息进行处理，并通过特定的反馈(视觉、听觉或者触觉)元件对负重信息即刻反馈给患者及治疗师。患者通过所反馈的信息及时调整患肢的负重量来保证负重训练的有效性及安全性，治疗师也能根据反馈的信息对患者进行明确的指导。

智能足底压力反馈系统拥有可以动态负重、负重量客观准确、负重量过量时即刻反馈的优点。相对传统的负重训练方式，智能足底压力反馈系统能提供更可靠、准确和客观的负重数据[30]。

智能足底压力反馈系统相比体重秤和治疗师手法估量有本质性的改进。为了确定反馈技术的相对有效性，研究人员也做了相关的临床试验来证实其有效性及安全性。结果显示利用足底压力反馈系统训练能使患者更好地遵从部分负重的指导[31-32]。Braun等[33]通过一种新型的足底压力测量鞋垫，持续监测各种下肢损伤患者术后负重是否符合标准的负重处方，并确定其可行性。结果显示接受传统的负重训练方式患者对待负重处方的依从性较低，而基于测量鞋垫的足底压力反馈系统用于提高术后各种下肢损伤的负重依从性是可行的。Raaben等[34]研究了视觉足底压力反馈系统对下肢骨折患者负重的影响，发现无论是部分负重还是触地负重，患者负重训练的依从性都很低，使用视觉压力反馈系统能显著提高负重测量的准确性，并可提高患者负重训练的依从性。Hershko等[35]将33例骨科手术患者随机分为研究组(使用足底压力反馈系统)和对照组(常规手法估计)，利用SmartStep系统(一种听觉足底压力反馈系统)完成10 d的康复治疗，研究组能够更好地遵从负重处方。当使用这种听觉足底压力反馈系统用于指导患者部分负重时，步态康复更加有效，它能够测量患者在实验室外行走时的负重量并记录数据，在受伤肢体过度负重即时发出音频警告，从而避免过度负重引起的损伤。这套系统操作简单，使用方便，能够更准确、有效地进行患肢负重训练。Fu等[36]研究评估了一种触觉足底压力反馈系统，该系统有一条可以提供震动觉的腰部系带与足底压力垫相连接，在负重训练时负重量在负重处方允许的范围内时腰部的系带会及时发生震动提醒患者。该研究选取30名健康、无症状的参与者，随机分为治疗师口头指导组、电子秤训练组和触觉足底压力反馈训练组三组。参与者被指示利用拐杖减轻肢体负重量将下肢负重限制在25磅(1磅=0.45 kg)以下，设定可接受的范围为15～35磅。三组参与者均安装了鞋底传感器和反馈系统，但只有触觉足底压力反馈组在超过设定的可接受范围(15～35磅)时获得腰带振动触觉信号。最终的评估结果显示触觉足底压力反馈组对于提高下肢部分负重训练的依从性方面大大优于传统的训练方法。上述研究证实了足底压力反馈技术的有效性及实用性，具有用于临床实践的最大潜力。

3 结 语

早期负重训练是下肢骨折及损伤后促进功能恢复的最有效的措施之一，如何选择一种安全、有效、实用的技术来帮助患者科学进行早期负重训练是临床亟待解决的问题。目前的智能足底压力反馈系统在某种程度上为早期负重的安全性提供了一定保障，随着智能技术的发展，社会对医疗需求的变化，特别是分级诊疗的逐步推进，骨折及损伤患者的住院时间会不断缩短，后续的功能恢复会在一级医院或家庭中进行，而具有智能下肢负重监测、步态分析功能、借助手机APP可实现远程控制的康复技术将是实现医疗同质化的理想载体。