全膝關節(jié)置換術后關節(jié)線上移對臨床功能和運動學參數(shù)的影響

及松潔 ，姜 旭，王廣志，丁 暉，周一新*

(1.北京積水潭醫(yī)院 矯形骨科， 北京 100035； 2.清華大學 生物醫(yī)學工程系, 北京 100084)

近年來，膝關節(jié)運動學受到越來越多的關注，更符合生理的運動模式會帶來更好的術后功能。有研究比較了后穩(wěn)定(posterior stabilized,PS)假體和交叉韌帶保留(cruciate retaining,CR)假體在全膝關節(jié)置換(total knee arthroplasty,TKA)術后的膝關節(jié)運動軌跡，研究了膝關節(jié)屈伸活動時股脛接觸位置的移動，認為PS假體更接近正常膝關節(jié)運動學，并觀察到的CR假體TKA的“股骨反常前移”[1]。另有報道認為CR假體的運動模式更加接近生理[2]。目前，很難從文獻的現(xiàn)有數(shù)據(jù)中得出明確的結論。

保持TKA術后關節(jié)線在正常位置是TKA手術目標之一。關節(jié)線(joint line,JL)上移導致髕骨低位，造成關節(jié)活動度下降，影響臨床功能。目前尚無研究比較TKA術后關節(jié)線抬高對PS或CR 假體影響是否相同。

本研究對TKA術后的患者進行了觀察，隨訪時進行臨床功能評價，并使用透視技術和3D建模匹配技術進行運動學分析。本研究旨在討論TKA術后關節(jié)線上移對于采用PS或CR假體的患者臨床結果和運動學的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料

研究得到了倫理審查委員會的批準，并獲得了所有志愿者的知情同意。收集2013年1月至2015年12月在接受全膝關節(jié)置換術的患者的數(shù)據(jù)。納入研究滿足以下標準：1)采用Genesis Ⅱ(Smith & Nephew公司)假體(PS型或CR型)，未進行髕骨置換；2)術后關節(jié)線相對其術前水平升高4 mm以上。采用Hofmann的方法對術前和術后膝關節(jié)X線片進行測量[3], 從股骨內收肌結節(jié)至關節(jié)線的距離來表示關節(jié)線的位置，該距離在術前和術后的變化即為關節(jié)線位置的變化(圖1)。

The joint line (JL) was defined as the tangent of the articular surfaces of the medial and lateral femoral condyles; the pre- and postoperative distances between the adductor tubercle of the femur and the JL were measured; the difference in the location of the JL=(L1-L2)

研究期間總共有1 575例患者采用Genesis Ⅱ假體，其中PS假體982例，CR 593例。研究共納入57例患者均行單側全膝關節(jié)置換術，共57膝。其中，38人采用PS假體，19人采用CR假體。男性12例，女性45例，平均年齡(64.9±7.1)歲。根據(jù)所使用的假體分為PS組和CR組。兩組患者資料見表1。

表1 PS組和CR組術前各項評分Table 1 Pre-operative function of PS and CR group

1.2 研究方法

1.2.1 臨床評價：患者術前和術后1年接受臨床功能評估。臨床評估包括關節(jié)活動度(range of motion,ROM)、美國膝關節(jié)協(xié)會(American knee seciety,AKS)膝關節(jié)評分，AKS功能評分、髕骨評分。

1.2.2 運動學測量：在1年隨訪時進行運動學分析。膝關節(jié)從伸直到最大屈曲位，連續(xù)捕捉膝關節(jié)側位圖像。使用數(shù)字圖像透視系統(tǒng)進行記錄，連續(xù)圖像(1 024×1 024×12位/像素)儲存為DICOM。將透視數(shù)據(jù)上傳到計算機，校正畸變后，對股骨和脛骨的計算機輔助設計模型進行評估。2D-3D圖像配準技術進行金屬植入物組件的三維運動學分析(圖2)，以獲得運動學數(shù)據(jù)[4]。這種方法獲得的運動學數(shù)據(jù)的旋轉精度為0.5°，平移精度在0.4 mm以內[4-5]。

測量不同屈曲角度時股骨相對于脛骨的軸向旋轉，以及股骨脛骨內外髁接觸位置的移動(圖3)。膝關節(jié)完全伸直時，原始位置定義為0。股脛接觸點的前后移動分別定義為(-)或(+)。當脛骨完全伸直時，股骨假體相對于脛骨托盤組件的旋轉被定義為0°。脛骨相對于股骨的內旋被表示為(+)，外旋為(-)。在PS組中凸輪和立柱接觸時膝關節(jié)的屈曲角度(圖3)。

1.3 統(tǒng)計學分析

2 結果

2.1 臨床結果

PS組和CR組在術前AKS膝關節(jié)評分、，AKS功能評分、髕骨評分和ROM均無差異。所有患者術后1年進行隨訪檢查。未發(fā)生假體松動或感染等嚴重并發(fā)癥。

The 2D/3D registration technique used computer-assisted design models to reproduce the spatial position of the femoral and tibial components from single-view fluoroscopic images; A.anterior view of model; B.posterior view of model; C.lateral view of model; D.registration;E data during flexion

Schematic diagram showing the contact position between the femoral condyle and tibial plateau; red dots indicated the points at which the medial and lateral femoral condyles contact the tibial plateau; A.at 0° flexion; B.at 30° flexion; C.at 60°flexion; D.the flexion angle when cam and post engaged

術后PS和CR組的臨床功能均優(yōu)于術前。然而，CR組的術后臨床評分低于PS組。PS組和CR組之間，AKS膝關節(jié)評分、AKS功能評分、髕骨評分和術后ROM(P=0.003)差異有統(tǒng)計學意義(表2)。

表2 PS組和CR組術后評分比較Table 2 Post-operative function score of PS and CR group

2.2 運動學的結果

PS組和CR組運動學測量結果詳見表3，表4。

膝關節(jié)屈曲過程中，脛骨相對股骨發(fā)生內旋，6.7°±5.9°。膝關節(jié)屈曲0°～30°時，脛骨相對股骨發(fā)生內旋，屈曲30°～50°時，脛骨相對股骨發(fā)生外旋，屈曲超過50°時，脛骨相對股骨發(fā)生內旋。屈曲超過40°時，CR組的軸向旋轉與PS組的軸向旋轉有統(tǒng)計學差異(圖4)。在PS組的α角為43°±6°。在這個膝關節(jié)屈曲角度時，股骨凸輪和脛骨柱之間有接觸。

3 討論

保持關節(jié)線在生理位置是膝關節(jié)置換術成功的一個重要因素。股骨內收肌結節(jié)是一個測量膝關節(jié)線位置穩(wěn)定的解剖標志，不受膝關節(jié)屈曲或伸直的影響[6-7]。膝關節(jié)投照時內旋或外旋誤差不超過10°時，對關節(jié)線的測量結果沒有影響[8]。因此，本研究采用了Hofmann的方法進行測量。本研究收集了術后關節(jié)線上移超過4 mm的病例，982 例PS假體中有38例(3.9%)，593 CR假體中有19例(3.2%)。

表3 PS組和CR組股骨內髁的前后移動Table 3 AP translation of medial condyles in PS and CR n=38, n=19)

表4 PS組和CR組股骨外髁的前后移動Table 4 AP translation of lateral condyles in PS and CR n=38, n=19)

Axis rotation of the tibial component relative to the femoral component in the PS and CR groups during movement from full extension to maximum flexion of the knee; *P<0.01 compared with PS

大多數(shù)作者認為PS和CR假體術后功能沒有差異，但既往的研究沒有比較當關節(jié)線出現(xiàn)上移時兩者有無差別。CR假體中，關節(jié)線的升高會導致膝關節(jié)后交叉韌帶(posterior cruciate ligament,PCL)的張力高于正常[9]。膝關節(jié)屈伸活動時會過度牽拉的PCL。以前的研究發(fā)現(xiàn)，>4 mm的關節(jié)線抬高會影響膝關節(jié)生物力學[10]。本研究收集了人工全膝關節(jié)置換術術后關節(jié)線上移>4 mm的病例比較其術后臨床功能和運動學變化。

CR和PS 假體的墊片和股骨髁設計都有不同曲率以及形合度的變化，這些因素對膝關節(jié)冠狀位和矢狀位的穩(wěn)定性和運動學參數(shù)有著很大影響[11-12]。本研究比較了同一款假體，排除了假體設計造成的差異， 兩組在運動學上的差異主要歸因于是否保留PCL。與既往結果比較，兩組病例術后臨床功能均低于術后關節(jié)線正常的病例。兩組之間，PS組比CR組術后有更好的AKS膝關節(jié)評分(P<0.05)、AKS功能評分(P<0.05)、髕骨評分(P<0.01)和ROM(P<0.01)。術后關節(jié)線上移對CR假體的臨床功能影響比比PS假體更大。使用CR假體時更應該注意關節(jié)線的位置，關節(jié)線上移會使CR假體的臨床功能顯著下降。

很多運動學研究都表明TKA術后膝關節(jié)與正常膝關節(jié)相比軸向旋轉減少[13]。本研究關節(jié)線上移的病例中，PS 組股骨髁的移動和脛骨軸向旋轉比CR組更接近正常。PS TKA由于凸輪-立柱結構的引導出現(xiàn)股骨髁后滾和軸向旋轉，在本研究中，PS組股骨大部分后滾和脛骨內旋轉發(fā)生在膝關節(jié)屈曲超過40°后。膝關節(jié)從伸直位到40°屈曲時，后滾和軸向旋轉幅度都很小。屈曲超過40°后，股骨后滾和軸向旋轉明顯增加。研究觀察到股骨凸輪和脛骨立柱之間的接觸發(fā)生在膝關節(jié)屈曲43°±6°時，不對稱的股骨后滾和脛骨內旋主要發(fā)生在PS組的凸輪和樁之間的接觸之后。即使關節(jié)線有上移，凸輪和立柱仍可引導股骨回滾和脛骨內旋。CR TKA的股骨后滾和軸向旋轉時依靠PCL引導的。在本研究中，膝關節(jié)從伸直位到最大屈曲位，CR組的股骨后滾和軸向旋轉幅度比PS組更少。股骨后滾和脛骨旋轉的幅度也低于其他研究結果[14-15]。在CR組，膝關節(jié)30°至50°的屈曲時發(fā)生了前移，這可能是由于PCL功能不佳導致膝關節(jié)矢狀位不穩(wěn)定。運動學參數(shù)上的差距應該是CR組的髕骨評分和ROM比PS組差的主要原因 。

總之， CR假體關節(jié)線上移可能導致PCL功能障礙，術后超過4 mm的關節(jié)線上移可能導致PCL功能障礙，PCL無法復制正常的膝關節(jié)運動。