运动力学对线在全膝关节置换术中的应用

彭嘉斌 戴祝 廖瑛 陈志伟



·综述·

运动力学对线在全膝关节置换术中的应用

彭嘉斌 戴祝 廖瑛 陈志伟

全膝关节置换术(TKA)是治疗终末期膝骨关节炎最有效的方式。目前TKA主要参考机械力学对线，但常导致术后膝前疼痛、膝关节活动受限和不稳、假体早期磨损等并发症。近年来有学者提出运动力学对线TKA，旨在恢复膝关节正常生物力学状态。临床研究显示，运动力学对线TKA在提高术后膝关节功能评分、改善膝关节活动度及增加患者满意度等方面较机械力学对线TKA存在优势。该文就运动力学对线在TKA中的应用作一综述。

运动力学；对线；全膝关节置换

全膝关节置换术(TKA)是治疗终末期膝骨关节炎最有效的方式。目前TKA主要参考机械力学对线(即垂直于下肢的机械轴)进行截骨。虽然机械力学对线TKA(MA-TKA)取得了巨大的成功，但并不能完全模拟正常膝关节生物力学状态，临床随访发现6.67%～25%的患者对其效果不满意[1]。近年来Howell等[2-3]提出了运动力学对线TKA(KA-TKA)，即参考膝关节本身的运动轴进行截骨，尽可能恢复膝关节正常生物力学状态。临床研究[3-5]显示，KA-TKA在提高术后膝关节功能评分、改善膝关节活动度及增加患者满意度等方面优于MA-TKA。

1 基本原理

理想状态下，站立时股骨头中心与距骨顶中心的连线通过膝关节中心，称为中立力学轴即机械轴。MA-TKA选择垂直于该轴进行截骨，追求保持下肢力线中立位或成角小于3°。研究[6-7]表明，下肢力线随负重及屈膝程度呈动态改变，绝大部分人下肢力线并非中立位而呈稍内翻状态，男性较女性内翻角度大。因此，同一而论的MA-TKA只能简易模拟膝关节运动模式,不能完全恢复膝关节正常运动状态。Howell等[2-3]提出的KA-TKA力图最大程度地将膝关节恢复至病变前运动状态。正常膝关节胫骨平台内侧低于外侧，股骨内髁关节面较股骨外髁关节面偏下、偏后。相对于下肢力线，胫骨平台有约3°内翻，股骨髁关节面有约9°外翻，加上膝关节韧带的作用，使膝关节运动非常复杂，其中包括胫股关节屈伸、屈曲时胫骨相对股骨内旋及髌股关节运动。膝关节运动时形成胫骨屈伸轴、髌骨屈伸轴、胫骨内外旋轴等3条运动轴。KA-TKA力图重建此3条运动轴，术中股骨末梢、后髁及胫骨近端截骨厚度均与备用假体厚度一致，安置假体时参考6个自由度(前-后、近端-远端、内-外、屈-伸、内翻-外翻、内旋-外旋)，调整假体三维空间位置，参照膝关节病变前状态原位恢复关节面[3,5,8]。

2 手术技术

TKA对手术操作器械要求较高，手术操作器械导向不精准及术中选取骨性标志个体差异均会造成假体放置不良，从而引起膝关节线、下肢力线与预期标准存在差异，最终导致膝关节功能不良，患者满意度降低，甚至手术失败。目前KA-TKA通过定制截骨导向器、传统标准器械、术中计算机导航等3种途径来提高手术效果。

2.1 定制截骨导向器

Howell等[3]于2005年即开始研究定制截骨导向器(包括股骨远端模块、胫骨近端模块)，2006年首次应用于KA-TKA，至2009年在美国已完成23 000例手术。术前需完善患膝薄层MRI扫描数据，扫描时矢状面需与胫骨屈伸轴垂直。以MRI扫描数据为基础通过计算机软件系统重建患膝三维结构，在此基础构建正常膝关节生理结构。通过恢复关节面决定截骨方式，三维模拟假体置入，匹配最适假体型号。通过模拟数据设计定制截骨模块，该模块需确定术中假体放置的三维空间位置，因此模块包含1个锯槽及4个固定针孔，主要作用为限制旋转及平移。术中先清除骨赘，前侧以股骨皮质与股骨滑车为参考，股骨末梢以内外侧髁边缘为参考，中央放置导向器，通过模块4个固定孔分别固定。沿锯槽截骨，截骨后测量截骨厚度，根据需要进行矫正截骨。胫骨端去除半月板后，以胫骨平台前内侧皮质为参考安置胫骨模块，固定针固定后进行截骨。由于解剖差异，截骨后股骨及胫骨端均不使用髓内定位杆及力线杆检测力线，只需严格计算截骨厚度、检查屈伸活动度及关节稳定性，必要时进行补充截骨和关节囊、侧副韧带松解。然而，定制截骨导向器存在费用高、定制时间长等不足。

2.2 传统标准TKA器械

应用传统标准TKA器械进行KA-TKA同样能达到精准对线并取得良好临床疗效[3,9]。术前MRI扫描预估软骨及软骨下骨缺损，缺损评估标准为终末期内翻膝股骨内髁末梢缺损厚度2 mm，后髁末梢缺损厚度1 mm，终末期外翻膝股骨外髁与后髁末梢缺损厚度均为2 mm。术中均不使用髓内定位杆及力线杆校准。股骨端匹配假体厚度及型号后选择合适大小导向器，导向器前缘贴近髁间窝前缘，以无缺损侧为参考平放，缺损侧抬离2 mm，固定后截去股骨末梢骨块，游标卡尺复测，若内、外侧相差超过2 mm，则重新平行截骨。后髁截骨模块中立位放置，以无缺损侧为参考，缺损侧抬离1～2 mm作为补偿，截除后髁骨块，同样游标卡尺复测，若实际截骨与预期相差超过2 mm，则需重新调整导向器旋转角度补充截骨。完全暴露胫骨平台，补偿骨软骨缺损后，绘出外侧平台边界，作外侧平台前后轴，髓外定位杆定位准确后，调整胫骨端截骨导向器使其平行于补偿后的软骨面，内、外侧截骨厚度需相等且与胫骨假体厚度一致，放置胫骨假体试模，试模前后轴平行外侧胫骨平台前后轴。根据下肢力线及松紧度调整试模及衬垫厚度，进行内侧或外侧软组织松解，必要时进行补偿截骨。

2.3 计算机导航

术中定制截骨导向器及传统标准TKA器械均无法实时对截骨及假体植入进行反馈。随着技术的进步，计算机导航技术已广泛应用于外科手术中。Hutt等[10]将计算机导航技术应用于KA-TKA，并取得良好疗效。取髌旁入路，术中常规内侧副韧带松解，向外侧半脱位髌骨，术中采用计算机导航系统确定冠状面下肢运动力线，恢复患膝正常解剖力线及胫骨屈伸运动轴，股骨末梢及胫骨近端截骨厚度统一设定等同于假体厚度(9 mm)。术中补偿股骨末梢关节面缺损，标准设置为完全缺损补偿3 mm，部分缺损补偿1～2 mm，计算机导航系统重新调整冠状面截骨角度，截骨后游标卡尺测量骨块厚度，对比误差，重新测量力线，如下肢力线偏离预设“安全区”±3°或股骨(胫骨)力学轴偏离±5°则需重新截骨。后髁截骨采用传统标准器械进行，与传统方式无差异。

3 术后疗效优势

3.1 接近生理状态

恢复下肢力线是TKA的理想目标，假体对线不齐会造成局部接触应力增加、髌骨半脱位等，最终导致手术失败而需翻修[11]。MA-TKA为二维对线，标准为创造中立位下肢力线。正常膝关节负重位时，膝关节线基本平行地面[12]。研究[13]表明，MA-TKA取得中立位力线后，膝关节负重位时膝关节线平行于地面的关系被改变。KA-TKA为三维对线[5,14]，可模拟正常膝关节力线，它与MA-TKA在整个下肢力线及膝关节线与中立轴关系方面并无显著性差异，而术后膝关节线倾斜度与正常膝关节线接近，基本恢复正常膝关节状态[12]。

3.2 软组织平衡

MA-TKA中参照下肢机械轴截骨，内、外侧截骨量不一致，为求软组织平衡，常需较大范围松解侧副韧带及关节囊，但在膝关节屈伸状态下仍难以达到软组织平衡，究其原因可能为截骨后其与正常膝关节解剖不匹配。而在KA-TKA中膝关节伸直位时未发现双侧侧副韧带紧张，0°～90°屈曲过程中也没有因不当的软组织松解而导致膝关节不稳发生[13]。Delport等[15]研究发现，KA-TKA后侧副韧带张力接近正常生理状态，且假体放置位置在冠状面上存在±2°安全区，表明KA-TKA能基本恢复软组织平衡。

3.3 假体置入精准

MA-TKA常参考胫骨结节内缘或内1/3安装胫骨假体。研究[16]报道，胫骨结节宽度及位置个体差异较大，以胫骨结节内缘、内1/3作为定位参考，分别会导致70%、86%的胫骨假体5°以上旋转不良，理论上将造成假体边缘应力增加、假体磨损加速等风险。KA-TKA参考胫骨外侧平台前后轴确定胫骨平台旋转，术后CT扫描评估显示97%患者胫骨假体旋转偏离都控制在可接受范围内[17]。计算机导航技术则是根据术中测量数据，自动计算出最佳力线、胫骨旋转，引导术中假体植入，因此更为精确。Nedopil等[18]研究股骨、胫骨假体在水平面上旋转不良对KA-TKA后患者膝关节功能的影响，发现胫骨假体水平面上旋转不良程度大于股骨假体，但旋转不良程度与术后牛津大学膝关节评分(OKS)、西大略湖和麦克马斯特大学(WOMAC)骨关节炎指数并无显著联系。

MA-TKA常参考股骨后髁轴外旋3°线、股骨髁上轴、垂直于Whiteside线确定股骨旋转。研究[19]发现，胫骨固有屈伸轴较经股骨髁上轴约内旋4.6°。上述参考轴线均为虚轴，术中无法实际测量，在实际操作过程中偏差会较理论值更大。因此，MA-TKA并不能恢复胫骨生理屈伸运动状态。而KA-TKA主要参考股骨髁骨软骨缺损情况，根据假体厚度补偿截骨，原位恢复关节面，从而确定股骨旋转。Park等[20]通过影像学测量KA-TKA后股骨假体后髁轴与股骨后髁轴、股骨髁上轴、股骨滑车前后轴的关系，证实KA-TKA后胫骨屈伸轴基本接近正常生理状态。

3.4 术后功能及假体生存率

Howell等[8]对行KA-TKA的患者进行随访，用OKS评分和WOMAC骨关节炎指数评价膝关节功能及记录随访期内失败率，平均随访38个月，结果发现术后中立位、稍内翻和稍外翻的下肢力线对膝关节功能评分并无显著影响，随访期内未出现手术失败，术后膝关节功能评分较术前均显著提高。另一项研究[21]报道，对214例行KA-TKA的患者(219膝)平均随访6.3年，结果显示生存率为97.5%，每年仅0.4%患者需翻修，平均OKS评分为43分，WOMAC骨关节炎指数为91；KA-TKA组80%胫骨假体、31%膝力线和7%下肢力线稍内翻，其生存率及膝关节功能评分与标准组无统计学差异。研究[22]报道，KA-TKA后膝关节屈曲时无胫骨衬垫边缘负重的情况发生，且胫骨相对股骨外旋时，假体间的相对位移发生率较低。这在一定程度上意味着参考患者本身力线是安全的。大数据统计[3]显示，KA-TKA后最短住院时间为2 d，98%患者无需系统康复治疗；术后4～5周，80%患者行走不需拄拐，54%患者可正常驾车，88%患者膝关节功能较术前明显改善，94%患者自觉膝关节恢复正常或绝大部分恢复正常，98%患者对膝关节恢复满意，患者总体满意度得到提高。Dossett等[4-5]为比较KA-TKA与MA-TKA疗效，通过WOMAC骨关节炎指数、OKS评分、美国膝关节协会评分(KSS)、膝关节功能评分(KFS)、联合膝关节协会评分(CKSS)等评估膝关节功能，发现术后6个月及2年KA-TKA组膝关节功能评分优于MA-TKA组；KA-TKA组在膝关节屈曲活动度、疼痛缓解、离院前步行距离等方面也存在一定优势。但也有学者[23]报道，术后2年KA-TKA组与MA-TKA组OKS评分、WOMAC骨关节炎指数均无显著性差异。因此，KA-TKA与MA-TKA疗效对比还有待进一步研究。

4 并发症

目前临床上暂无针对KA-TKA设计的解剖型假体。在置入假体时，KA-TKA较MA-TKA股骨假体后倾约多5°，股骨假体外翻多2°，胫骨假体内翻多2°，水平面内旋多3°[4,9]。轴位稍后倾放置股骨假体能增加假体匹配度，减小假体型号并改善关节屈曲间隙平衡[24]。但膝关节屈曲运动起始，股骨滑车对髌骨的捕获延迟，可能增加髌股关节不稳风险[11]。Brar等[25]研究发现，股骨假体轴位0°、5°、10°、15°后倾置入时，KA-TKA组股骨滑车顶点向外及向下位移、假体型号缩减较MA-TKA组明显。另一项KA-TKA与MA-TKA的随机对照研究[9]报道，术后2年KA-TKA组与MA-TKA组髌骨相关并发症发生率均为4.5%，两组早期失败率也无显著性差异。因此，KA-TKA中假体滑车顶点位移增大的临床意义还有待探究。Ishikawa等[11]报道，KA-TKA时置入多半径假体，术后膝关节运动接近正常膝关节，但髌股关节及胫股关节接触应力明显增加，可能增加假体磨损风险。但目前尚无文献报道其远期磨损率。

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(收稿：2016-08-05; 修回：2016-09-18)

(本文编辑：卢千语)

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421001 湖南衡阳， 南华大学附属第一医院骨科

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10.3969/j.issn.1673-7083.2016.06.004