可穿戴惯性传感器在全膝关节置换术后步态分析中的应用进展

冯雨果，刘宇，周晋

（1.西华大学美术与设计学院，四川 成都 610039；2.重庆布瑞斯科技有限公司，重庆 401120；3.四川大学轻工科学与工程学院，四川 成都 610065）

前言

膝骨关节炎（Knee osteoarthritis，KOA）是一种常见的慢性退行性关节疾病，影响关节成分和组织，包括关节软骨、半月板、关节囊、韧带和肌肉[1]。世界上约有10%的60 岁以上的KOA 患者会发展成残疾，极大地降低了患者的生活质量[2]。人工全膝关节置换术（Total knee arthroplasty，TKA）是治疗终末期或严重KOA 最有效、最成功的手术之一[3]。在临床实践中，医护人员主要通过患者主观测量报告（Patient-reported outcome measures，PROMs）对TKA 前后膝关节的康复状况进行评估。但缺乏对患者术后客观功能的量化评价[4]。步行作为人类最常见的日常活动之一[5]，包含了大量的肢体运动和健康状态信息。因此，步态分析能够为KOA 的病因、进展和治疗提供有价值的客观功能定量评估信息[6]。

目前，光学分析系统是步态分析最常用的工具，但光学分析系统的复杂性和高成本限制了其使用范围[7]。相比之下，可穿戴惯性传感器（Wearable inertial measurement unit，WIMU）具有小型化和低成本的特点，可以对患者进行频繁的实时监测，并提供患者临床客观生物力学信息[8]。WIMU 利用一个或多个传感器（如加速度计、陀螺仪、磁强计）来进行步态分析，通过将其安全地附着在身体的各个部位，获得与光学系统相媲美的各种生物力学信息[9]。虽然，Small 等人[10]回顾了使用WIMU 对TKA 术后患者进行功能评估的文献，但并未对步态分析结果进行详细阐述。而Kobsar 等人[11]对使用WIMU 进行KOA 步态分析文献进行了综述，但多数结果是关于KOA 的报道，而非TKA。此外，有学者[12-13]报道了WIMU 应用于膝关节功能评估的文献，但均未聚焦于步态分析。因此，本文对WIMU 在TKA 术后成人步态分析方面的应用进展进行综述，并提出该领域亟需解决的关键问题和发展方向。

1 方法

1.1 合格文献标准

本文按照荟萃分析（Preferred reporting items for systematic reviews and meta-analyses，PRISMA）指南的首选报告项目进行范围审查[14]。纳入本综述的文献必须是使用WIMU 对TKA 术后患者进行的步态分析，而WIMU 的可行性验证研究和WIMU 用于机器人辅助康复或手术导航的研究被排除在外。此外，会议摘要、系统综述被也排除在外。纳入和排除标准见表1。

表1 纳入和排除标准Tab.1 Inclusion and exclusion criteria

1.2 文献检索方法及筛选流程

检索的英文数据库是PUBMED、EMBASE、MEDLINE 和Web of Science Core Collection。检索的中文数据库是中国知网、万方和维普。英文数据库的检索的策略是“Inertial Sensors”OR“Wearable Sensors”AND“Total Knee Arthroplasty”AND“Gait Analyses”，中文检索策略是“可穿戴设备”AND“全膝关节置换术”。此外，还检索了相关文章的参考文献，以寻找其他合适的研究。

在完成全面检索后，通过Endnote 软件自动删除重复文献，删除后由第一作者（冯）手动验证。题目和摘要筛选是由两名作者（冯和刘）根据文献排除标准通过Endnote 软件完成。在完成题目和摘要评审之后，冯和刘对剩下文献的全文进行详细评估，以确定纳入最终评审的文献。评估中的任何分歧由两位审稿人通过讨论解决，如果不能达成一致意见，由第三作者（周）解决分歧。在筛选完成之后，所有全文手稿的数据由第一作者（冯）进行收集和整理，然后由第二作者（刘）进行验证。任何不一致的地方都以协商方式解决。

1.3 文献质量评价

每个文献的质量评价由两名评分者（冯和刘）独立进行，文献质量评分采用Evidence-Based Rehabilitation: A Guide to Practice[15]。该指南包括12 个问题，每个问题的得分为0 到2，“0”表示不满意，“1”表示足够满意，“2”表示完全满意，12 个问题共计24 分。每个文献的评估得分除以总分可算出百分比，根据百分比将文献分为高质量（＞85%）、中等质量（70%～84.9%）、低质量（50%～69.9%）和极低质量（＜50%）。最后计算组内相关系数（ICC）以确定预两个独立评分者间可靠性。

2 结果

2.1 文献检索结果

按照本文的文献搜索方法，总共检索了255 篇文章，其中英文文献241 篇，中文文献11 篇，其他来源3 篇。删除重复文献后得到159 篇文献。然后进行题目/摘要层面筛选，得到34 篇文献。最后对这34篇文章进行全文筛选，最终得到16 篇文献[16-31]。PRISMA 流程图如图1。在全文筛选过程中，由于大部分文献是聚焦于膝关节炎研究，因此最常见的排除原因是“非TKA 研究”。

图1 PRISMA 流程图Fig.1 PRISMA flow diagram

2.2 文献质量评估

所有纳入研究的文献质量评估见表2。高质量研究只有1 篇，大多数研究为中等质量（n=10）和低质量（n=5）。两位评分者之间的ICC 值为0.779，表明两位评分者的评分可靠性良好。

表2 纳入研究的质量评估得分Tab.2 Quality assessment scores of included studies

2.3 样本和实验方案摘要

在本综述评估期间，一共有16 篇文献被纳入最终评审[16-31]，平均每年发表1～2 项研究，其中最多的一年是2021 年，发表了4 篇[16-17,19,21]。16 篇文献共使用WIMU 检查了444 名TKA 术后成人的步态，样本平均年龄62 岁，其中女性有273 名。实验方案设计中，大部分研究的步行长度不一致，其中10 项研究报道了步行距离[16,18,19,23,24,26-29,31]，2 项研究采用了6 min 步行测试方案[17,22]，4 项研究没有报道具体行走方案[20,21,25,30]。实验环境大多是受控的实验室（n=12）[16,18,19,22-24,26-29,30,31]，其次是无干扰的室外（n=3）[17,20,25]，实验环境既有受控的实验室也有无干扰的室外（n=1）[21]。另外，文献的研究方法多为纵向研究（n=13）[16-18,20,21,23-29,31]，其次横向研究（n=3）[19,22,30]。样本和实验方案摘要见表3。

表3 纳入研究的样本和实验方案摘要Tab.3 Summary of samples and protocols for included studies

2.4 传感器和步态参数

如表4 中所示，使用传感器的个数＞1 的文献占比68.8%[17-22,27-31]，4 篇文献[16,18,29,31]没有报告传感器采样频率，传感器采样频率范围为60～1 149 Hz，传感器最常见的放置位置是小腿（n=11）[17-22,26,27,29-31]，其次是背部/骨盆/躯干（n=7）[16,18,23-25,27,31]和大腿（n=5）[18,20,21,29,31]，只有1 篇文献没有提及传感器穿戴位置[28]。

表4 纳入研究的传感器摘要和步态参数1)Tab.4 Sensor summary and gait parameters for included studies

在步态参数方面，运动学参数的研究最常见，而动力学参数的研究较为少见。具体来讲，所有文献都报道了运动学参数[16-31]，其中时空（ST）参数的研究有13 项[16,18,19,21,23-31]，大部分是关于步长、步宽、步幅、步速以及其变异性和对称性的研究；膝关节活动度（ROM）的研究有7 项[17,18,20,21,26,29,30]；躯干/ 肢体加速度研究共有6项[17,22,23,25,27,30]；动力学参数研究只有2 项[26,30]，主要是关于力矩和下肢冲击负荷等的研究。

3 讨论

WIMU 可以捕获与传统光学技术测量类似的步态参数，其作为传统的临床评分的补充，可以提供额外的诊断价值或结果支持。此外，WIMU 还可以识别引起运动和补偿策略改变的疾病特异性机制。目前专门报道WIMU 评估TKA 术后步态方面的综述较少。本研究通过对相关文献进行梳理和分析，旨在总结WIMU 在评估TKA 术后步态方面的研究现状和发展趋势，并为该领域今后的发展提供借鉴。

在本综述评估期间，共有16 篇文献[16-31]被纳入最终评审，这些研究的步态参数主要集中在运动学研究，只有2 项涉及动力学研究[17,30]。尽管本综述涉及动力学研究文献相对较少，但动力学参数一直都是关节炎康复评估的重要组成部分[32]，也是步态训练[33]和手术干预[34]的关键结果之一。传统光学步态分析系统的高成本和不便性限制了运动学参数在TKA 临床中的应用。Emery 等[1]讨论了解决这一局限性的重要性，并强调了运用WIMU 创建更易于访问的可穿戴系统在生物力学研究临床转化中的重要性。最近，Bolam 等[17]指出术后第6 周与第2 周相比，患者的骨刺激、累积冲击负荷和冲击载荷不对称值具有显著差异，通过将WIMU 数据与PROM 量表相结合，可以更准确地了TKA 术后患者的恢复情况。此外，Youn 等[30]从加速度计中提取了11 个惯性步态变量，并成功预测了最大膝关节屈曲力矩、最大膝关节内收力矩、垂直地面反作用力和地面最大反作用力这四个动力学步态变量。尽管Youn 等[30]的研究并不是直接测量动力学参数，但其研究为通过运动学参数估算动力学参数提供了新思路。此外，Konrath 等[35]提出了一种基于WIMU 捕捉数据推导的肌肉骨骼模型，并成功估算了老年人在日常生活活动中膝关节内收力矩，结果表明基于WIMU 测量的膝关节内收力矩精度可与光学运动捕捉相媲美。He 等[36]开发了一种可穿戴式感知训练系统，以训练步态模式成功预测了老年KOA 患者在步行试验中膝关节内收力矩的变化。综上，上述研究推动了WIMU 衍生关节力矩方法和相关负荷的验证，今后的研究方向应继续拓展WIMU 在评估TKA 术后运动学方面的应用，以推动该领域的发展。

在本综述中，文献质量得分普遍较低，患者数量、传感器方案和实验方案在不同研究中有很大差异，这表明基于WIMU 的TKA 术后步态分析尚未建立标准的测试方法[11]。然而，在基于传统动作光学捕捉系统的步态分析中，反射标记物的位置和测试协议已建立，类似的方案也需要在基于WIMU 的测试中进一步完善，以提高不同研究结果之间的可比性并形成具有广泛认同的可靠结果。另外，本综述仅有2 篇文献[21,25]报道了室外无监督步态测量结果。Chapman 等[21]发现，在康复治疗师监督指导下的步态评估与无监督情况下存在差异，这一差异被归因于“白大褂效应”。Fransen 等[25]的研究同样指出，最佳临床环境下的步态测量与患者在日常生活中的实际行为之间存在差异。因此，为了充分捕获功能结果，需要采用更多的方法来测量患者TKA 术后的日常生活步态，WIMU 的一项显著优势就在于它允许医师在临床内外的整个康复过程中进行无监督式评估，从而体现了WIMU 全面阐释患者医疗效果方面的独特价值。未来的研究应进一步确定具体的康复模式对临床内外TKA 术后步态结果的具体影响。

运动学参数是本综述文献中最常用的参数[16-31]，主要包括ST 参数、ROM 和躯干/肢体加速度参数。Hiyama 等[26]比较了TKA 患者术前和术后1 周的步态参数，结果显示术后1 周患者的膝关节ROM 屈曲和行走速度显著低于术前，而步态变异性没有显著差异。Emmerzaal 等[23]指出，术后1 个月大多数运动学参数显著低于术前。类似的结果在Christiansen等[22]的研究中得到证实，他们认为在TKA 术后一个月，患者胫骨初始峰值加速度不对称性开始减小。此外，在Bolam 等[17]的研究中发现，术后第6 周与第2 周相比，最大屈曲角度无显著差异。Fransen 等[25]指出，患者术后3 个月的步态行为和步态质量没有得到改善，表明术后3 个月患者的步态没有恢复到正常水平，这种状态一直持续到术后6 个月才有所改善。Hiyama 等[26]指出，在术后6 个月大部分运动学参数与术前没有显著差异。Zhang 等[31]发现，在术前和术后6 周到6 个月期间，患病侧单支撑相时间和PROMs 得分之间存在显著差异，患病侧单次支撑时间可能是评估TKA 和康复效果的一个敏感定量指标。此外，一些研究[18,20]指出，术前和术后1 年之间并没有观察到显著的整体步态参数差异。但也有研究[20,29]指出，摆动期间的膝关节屈曲范围高于术前，而站立时膝关节屈曲范围是区分患者和对照组的关键变量。此外，摇摆期间膝关节屈曲范围也被认为是长期评估TKA 术后的膝关节功能质量的重要参数。综上，目前的研究已经证实了WIMU 在TKA术后步态评估中的潜力，但不同的研究在选取运动学参数方面存在差异。具体而言，在术后的不同阶段，各个运动学参数表现出不同的敏感性和异质性。但遗憾的是，目前尚未进行对这些运动参数的敏感性和异质性系统评估的研究。因此，为了真正加强WIMU 在步态分析中的研究质量，未来的研究必须重点关注运动学参数随时间的变化和发展。

本综述研究中多为纵向研究（n=13）[16-18,20,21,23-29,31]，仅有3 项为横向研究[19,22,30]。尽管纵向较多，但研究持续的时间和随访时间节点的选择却存在较大差异。研究结果显示，目前的研究大部分是术后6 周后，对早期康复的关注较少，只有1 篇文献报道了TKA 术后一周的结果[26]。另外，仅有1 项研究的术后随访时间节点超过3 次[23]，其余均为1～2 次。Chapman 等[21]指出，TKA 术后的康复是一个长期的过程，术后随访时间应持续1～2 年。综上，这些研究尚未深入探讨基于WIMU 的步态参数随疾病变化的规律。未来，基于WIMU 的TKA 术后步态测试方案不仅应延长随访时间，还应考虑评估步态参数与疾病进展之间的关联，从而全面揭示患者恢复正常活动和整体功能的情况。

4 结语

主要探讨了WIMU 在TKA 术后成人步态分析方面的研究现状和趋势。研究结果表明，大多数纳入分析文献的质量评分为中等和低质量，研究差异主要体现在实验方法等方面，其中短期纵向运动学参数研究是步态评估最主要的手段。尽管目前国内外学者已在基于WIMU 的TKA 术后步态分析领域取得了一定的成果，但仍存在以下挑战：1）需要建立一套可靠且可重复的WIMU 标准测量方法；2） 需要增加随访时间跨度，以利用WIMU 研究运动学和动力学参数随疾病变化的规律；3） 进一步确定具体康复模式如何影响临床TKA 术后步态结果。总之，WIMU 在TKA 术后步态分析中具有一定潜力，包括远程的身体活动静态监测、运动质量报告和日常生活中的步态评估等技术优势，有望减少患者的临床就诊次数和缩短康复时间。