健康人群下肢力線測(cè)量在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用*

孫茂淋 何銳 張穎 郭林 陳光興 楊柳

（中國(guó)人民解放軍陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院關(guān)節(jié)外科中心，重慶 400038）

根據(jù)人體生物力學(xué)特征，膝關(guān)節(jié)獨(dú)特的解剖結(jié)構(gòu)使人體的重力通過(guò)傳導(dǎo)可以經(jīng)過(guò)膝關(guān)節(jié)中心或稍偏內(nèi)側(cè)[1,2]。因此在進(jìn)行全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（total knee arthroplasty,TKA）時(shí)，應(yīng)遵循膝關(guān)節(jié)的力學(xué)軸線特點(diǎn)進(jìn)行術(shù)前計(jì)劃。下肢力線是一個(gè)集合概念，在三維空間中，下肢力線分為冠狀位力線、矢狀位力線及旋轉(zhuǎn)力線[3]。在冠狀位，下肢力線的遠(yuǎn)端表現(xiàn)為輕度內(nèi)翻，而在膝關(guān)節(jié)處呈現(xiàn)輕度外翻；在生物力學(xué)方面，下肢力線是為了保證膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)線更加平行于地面，使膝關(guān)節(jié)中心更加靠近人體重力線，最終實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)單位面積的壓力負(fù)荷最小。因此我們可以把下肢力線比作下肢的“生命線”。在TKA 術(shù)中，能否重建正常下肢力線決定手術(shù)成敗。通常認(rèn)為將髖-膝-踝角（hip-knee-ankle angle,HKA）矯正為180°，TKA術(shù)后會(huì)獲得良好的功能。有研究[4,5]表明，重建的下肢力線偏離標(biāo)準(zhǔn)（180°）內(nèi)翻或外翻超過(guò)3°以上，會(huì)造成術(shù)后髕骨軌跡不良、假體松動(dòng)、襯墊磨損等并發(fā)癥。有學(xué)者[6,7]對(duì)美國(guó)健康人群進(jìn)行調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，正常下肢力線并非是一條直線，而是表現(xiàn)為輕度內(nèi)翻。目前對(duì)國(guó)人下肢力線標(biāo)準(zhǔn)研究較少，本研究通過(guò)對(duì)中國(guó)健康人群負(fù)重位下肢全長(zhǎng)片進(jìn)行測(cè)量，比較中國(guó)健康人群男性與女性下肢力線的差異，同時(shí)與美國(guó)健康人群的下肢力線進(jìn)行比較。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象

納入標(biāo)準(zhǔn)：①雙側(cè)脛腓骨連接正常；②雙下肢無(wú)創(chuàng)傷史或手術(shù)史；③雙下肢無(wú)明顯畸形；④每日中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)量的健康人群。排除標(biāo)準(zhǔn)：①雙側(cè)脛腓骨連接異常；②雙下肢明顯畸形；③雙下肢有創(chuàng)傷史或手術(shù)史。

根據(jù)納入排除標(biāo)準(zhǔn)選取2017 年6 月于陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院進(jìn)行畢業(yè)入伍體檢男女學(xué)員各60例，男性年齡22～24 歲，平均（22.1±1.2）歲；女性年齡23～25 歲，平均（22.4±1.8）歲。所有受試者均于我院放射科拍攝負(fù)重位雙下肢全長(zhǎng)X 線片。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，提取Moreland[7]和Hsu[6]等對(duì)美國(guó)健康人群下肢力線研究中的相關(guān)數(shù)據(jù)。

本研究經(jīng)過(guò)陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，健康志愿者均簽署知情同意書(shū)。

1.2 定位點(diǎn)及參考線的選擇

股骨頭旋轉(zhuǎn)中心通過(guò)Mose圓法確定。膝關(guān)節(jié)中心由4 個(gè)參考點(diǎn)確定（圖1）：內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái)水平骨皮質(zhì)連線中點(diǎn)（a）、脛骨髁間棘中心（b）、股骨外髁水平骨皮質(zhì)連線中點(diǎn)（c）、髁間窩中點(diǎn)（d），這4 個(gè)參考點(diǎn)非常接近，相距不超過(guò)5 mm，可在四點(diǎn)附近選擇一點(diǎn)作為膝關(guān)節(jié)中心。踝關(guān)節(jié)中心通過(guò)2 個(gè)參考點(diǎn)確定（圖2）：脛骨遠(yuǎn)端骨皮質(zhì)連線中點(diǎn)（e）、距骨上關(guān)節(jié)面骨皮質(zhì)連線中點(diǎn)（f），這兩個(gè)參考點(diǎn)非常接近，相距不超過(guò)3 mm，可在兩點(diǎn)附近選擇一點(diǎn)為踝關(guān)節(jié)中心。

圖1 確定膝關(guān)節(jié)中心的參考點(diǎn)

圖2 確定踝關(guān)節(jié)中心的參考點(diǎn)

下肢力線由股骨機(jī)械軸和脛骨機(jī)械軸構(gòu)成，股骨機(jī)械軸為股骨頭旋轉(zhuǎn)中心與膝關(guān)節(jié)中心連線，脛骨機(jī)械軸為膝關(guān)節(jié)中心與踝關(guān)節(jié)中心連線；股骨解剖軸由股骨干髓腔內(nèi)2個(gè)中心點(diǎn)確定，股骨干髓腔中心Ⅰ（femoral shaft center Ⅰ,FSCⅠ）為股骨干中上段髓腔任意一中心點(diǎn)，其下方10 cm處的髓腔中心點(diǎn)為股骨干髓腔中心Ⅱ（femoral shaft center II,FSCⅡ），F(xiàn)SCⅠ與FSCⅡ兩點(diǎn)連線即為股骨解剖軸；脛骨解剖軸與脛骨機(jī)械軸基本重合；膝關(guān)節(jié)橫軸為經(jīng)過(guò)膝關(guān)節(jié)中心的股骨遠(yuǎn)端切線（圖3）。

1.3 測(cè)量指標(biāo)

應(yīng)用上海英飛達(dá)公司影像存檔與通訊系統(tǒng)（INFINITT PACS，V5.0）輸出圖像并對(duì)每一個(gè)樣本的雙下肢全長(zhǎng)片進(jìn)行測(cè)量。HKA為脛骨機(jī)械軸與股骨機(jī)械軸相交形成的內(nèi)側(cè)鈍角；脛骨平臺(tái)內(nèi)翻角（tibial plateau-tibial shaft angle,TP-TSA）為膝關(guān)節(jié)橫軸與脛骨機(jī)械軸相交形成的下方內(nèi)側(cè)角；股骨生理性外翻角（knee physical valgus angle,KPV）為股骨機(jī)械軸與股骨解剖軸相交形成的銳角（圖3）。其中，HKA與KPV反映下肢冠狀位力線，TP-TSA 反映下肢旋轉(zhuǎn)對(duì)線。每個(gè)樣本由同一研究者用同一方法在下肢全長(zhǎng)片上重復(fù)測(cè)量2次，并取2次測(cè)量的平均值。首先比較中國(guó)健康人群中不同性別間HKA、TP-TSA、KPV 3個(gè)角度的差異，然后將中國(guó)與美國(guó)健康人群進(jìn)行比較。

圖3 負(fù)重位下肢全長(zhǎng)片測(cè)量示意圖

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，兩組比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 中國(guó)健康人群不同性別HKA、TP-TSA、KPV比較

中國(guó)健康人群中，女性HKA小于男性，女性下肢力線比男性表現(xiàn)出更明顯的內(nèi)翻趨勢(shì)（t=7.013，P＜0.001）；男性TP-TSA小于女性，男性的脛骨平臺(tái)內(nèi)翻趨勢(shì)更明顯（t=25.546，P＜0.001）；男性KPV 大于女性，男性股骨比女性表現(xiàn)出更明顯的外翻趨勢(shì)（t=4.899，P＜0.001，表1）。

2.2 中國(guó)與美國(guó)健康人群HKA、TP-TSA、KPV比較

中國(guó)健康人群男性（t=4.983，P＜0.001）與女性（t=2.712，P=0.007）的HKA 均小于美國(guó)健康人群，下肢力線表現(xiàn)出更明顯的內(nèi)翻趨勢(shì)；中國(guó)健康人群男性（t=24.646，P＜0.001）與女性（t=10.713，P＜0.001）的TP-TSA均小于美國(guó)健康人群，脛骨平臺(tái)內(nèi)翻趨勢(shì)更加明顯；中國(guó)健康人群男性（t=3.151，P=0.002）與女性（t=3.068，P=0.003）的KPV 均小于美國(guó)健康人群，股骨外翻趨勢(shì)較小（表2）。

表1 中國(guó)健康人群不同性別HKA、TP-TSA、KPV比較（）

表1 中國(guó)健康人群不同性別HKA、TP-TSA、KPV比較（）

3 討論

熟悉下肢力線特點(diǎn)是TKA 的基礎(chǔ)，針對(duì)臨床上存在下肢力線畸形的患者，無(wú)論采用何種手術(shù)方式，其共同目的均應(yīng)包括重建正常的下肢力線[3]。對(duì)于臨床上各不相同的畸形類(lèi)型及畸形程度，需要詳細(xì)測(cè)量患者的下肢力線，制定具體的術(shù)前計(jì)劃及選擇不同類(lèi)型的假體。正常下肢力線就是健康人群的下肢力線。本研究納入的入伍體檢合格志愿者均為無(wú)膝關(guān)節(jié)疾患的健康成年人，男性與女性的樣本數(shù)量相同，年齡基本與先前研究中美國(guó)健康人群樣本一致，根據(jù)納入及排除標(biāo)準(zhǔn)篩選入組。志愿者負(fù)重位雙下肢全長(zhǎng)X線片未見(jiàn)異常，因此可以作為中國(guó)健康人群的代表與美國(guó)健康人群進(jìn)行比較。本研究通過(guò)在負(fù)重位下肢全長(zhǎng)片上測(cè)量中國(guó)健康人群HKA、TPTSA、KPV，直觀分析下肢力線特點(diǎn)，為T(mén)KA重建正常下肢力線提供參考標(biāo)準(zhǔn)。

TKA 是矯正下肢內(nèi)外翻畸形的有效治療方法，將患者下肢力線矯正至關(guān)節(jié)假體中央已成為公認(rèn)的觀點(diǎn)[8,9]。對(duì)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，其受力形式為重力矢量與肌肉合力矢量的合力，這個(gè)合力的方向經(jīng)過(guò)股骨頭旋轉(zhuǎn)中心和踝關(guān)節(jié)中心并指向膝關(guān)節(jié)中心周?chē)聪轮€。重建良好的下肢力線一直是TKA 的主要目的之一，TKA 術(shù)后滿(mǎn)意度和假體使用壽命在很大程度上取決于良好的術(shù)后力線[10]。正確的下肢力線可讓患者最大限度的保留伸膝裝置的運(yùn)動(dòng)功能，獲得理想的重力矢量傳導(dǎo)，也可避免假體和骨水泥界面因受力不均衡而導(dǎo)致早期失敗。本研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)與美國(guó)健康人群的HKA均＜180°，下肢力線呈現(xiàn)不足2°的內(nèi)翻[11]。與美國(guó)健康人群比較，中國(guó)健康人群下肢力線內(nèi)翻趨勢(shì)更加明顯，使膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室壓力負(fù)荷更大，這也許與中國(guó)人膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病率較高有關(guān)，但這仍需進(jìn)一步研究證實(shí)。TKA 術(shù)中將下肢力線矯正為輕度的內(nèi)翻（＜2°）可能會(huì)更加符合正常力線標(biāo)準(zhǔn)，將HKA 矯正為180°可能會(huì)導(dǎo)致矯枉過(guò)正。Fuchs等[8]認(rèn)為T(mén)KA應(yīng)將術(shù)后的下肢力線調(diào)整至膝關(guān)節(jié)假體中央偏內(nèi)側(cè)一點(diǎn)的位置，因?yàn)樵谡Ｈ梭w膝關(guān)節(jié)負(fù)重時(shí)，內(nèi)側(cè)間室承受的負(fù)荷大于外側(cè)間室。但是Chow 等[12]主張，TKA 術(shù)后殘留內(nèi)翻不能被接受，寧愿接受殘留輕度外翻也不允許存在內(nèi)翻畸形。經(jīng)過(guò)TKA幾十年的發(fā)展及臨床隨訪研究證據(jù)證實(shí)，如果TKA 術(shù)后殘留的內(nèi)翻＞3°，其術(shù)后出現(xiàn)短期或中遠(yuǎn)期失敗風(fēng)險(xiǎn)都會(huì)增加，而術(shù)后殘存輕度的外翻則不會(huì)增加早期失敗的風(fēng)險(xiǎn)[13]。

表2 中國(guó)與美國(guó)健康人群HKA、TP-TSA、KPV比較（,°）

表2 中國(guó)與美國(guó)健康人群HKA、TP-TSA、KPV比較（,°）

注：美國(guó)健康人群樣本量100例，測(cè)量單側(cè)下肢；中國(guó)健康人群樣本量120例，測(cè)量雙下肢

旋轉(zhuǎn)對(duì)線影響人工關(guān)節(jié)假體覆蓋、屈伸間隙平衡、伸膝裝置功能、髕骨關(guān)節(jié)功能等多個(gè)方面[14,15]。股骨假體的旋轉(zhuǎn)位置主要影響TKA術(shù)中屈曲間隙平衡及術(shù)后髕骨軌跡。如果膝關(guān)節(jié)假體旋轉(zhuǎn)對(duì)線不良，患者在屈膝過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)及生物力學(xué)的異常，使得術(shù)后療效不佳[16]。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)對(duì)線不良也可導(dǎo)致TKA 術(shù)后膝前區(qū)疼痛，對(duì)于這種旋轉(zhuǎn)對(duì)線不良患者進(jìn)行髕骨置換并不能解決患者的疼痛問(wèn)題，因?yàn)樘弁吹脑搭^不在髕骨而在旋轉(zhuǎn)對(duì)線[17]。因此，對(duì)于一些難以解釋的膝前區(qū)疼痛，可在CT 上對(duì)假體的旋轉(zhuǎn)對(duì)線進(jìn)行核實(shí)以尋找疼痛的真實(shí)原因。為了旋轉(zhuǎn)對(duì)線準(zhǔn)確，股骨假體必須外旋放置，股骨假體內(nèi)旋放置將會(huì)引起TKA術(shù)后早期失敗。膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)對(duì)線是由股骨遠(yuǎn)端的解剖形態(tài)決定的，但在一定程度上也受膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)軟組織情況的影響[18]。膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí)內(nèi)側(cè)副韌帶緊張而外側(cè)副韌帶松弛，若在股骨后髁進(jìn)行對(duì)稱(chēng)截骨，則會(huì)形成一個(gè)“梯形”間隙。假體安放后使膝關(guān)節(jié)屈曲位外側(cè)副韌帶更加松弛，最終導(dǎo)致屈曲間隙不平衡。如果以股骨后髁連線為參考進(jìn)行外旋截骨，使截骨線與通髁線平行則可形成一個(gè)“矩形”間隙，能對(duì)脛骨平臺(tái)內(nèi)翻角和屈曲位外側(cè)副韌帶松弛作出補(bǔ)償，使假體植入后內(nèi)外側(cè)間室受力均衡[19]。在安裝股骨假體時(shí)，其放置的外旋角度等于股骨后髁連線與通髁線的夾角，基本與TPTSA 大小相同。本研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)健康人群的TPTSA小于美國(guó)健康人群，因此在放置股骨假體時(shí)應(yīng)適度增加外旋角度以提高旋轉(zhuǎn)對(duì)線的準(zhǔn)確性。

下肢力線是多因素共同作用的結(jié)果。雖然中國(guó)健康人群男性TP-TSA小于女性，但男性的KPV大于女性，股骨外翻與脛骨內(nèi)翻共同作用，最終使得女性HKA 小于男性，導(dǎo)致女性下肢力線內(nèi)翻趨勢(shì)更加明顯。股骨遠(yuǎn)端截骨在髓內(nèi)導(dǎo)向桿輔助下進(jìn)行，為使股骨假體垂直于股骨機(jī)械軸，應(yīng)將截骨板外翻放置，外翻角度與KPV 相等。本研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)健康人群男性KPV略大于女性，但在數(shù)值上十分接近，因此實(shí)際術(shù)中外翻截骨角度基本相同。

本研究也存在以下局限性：首先，納入樣本量不足，從全國(guó)范圍內(nèi)納入健康志愿者，增加樣本量才能更客觀地反映國(guó)人的下肢力線特點(diǎn)；其次，本研究納入軍校學(xué)員年齡均在25歲左右，身材比例各不相同，不能客觀代表各個(gè)年齡段健康人的整體情況。

綜上所述，充分了解中國(guó)健康人群下肢力線特點(diǎn)非常必要，因?yàn)門(mén)KA 應(yīng)該個(gè)體化而非模板化。只有熟知本國(guó)人的下肢力線特點(diǎn)，才能更加準(zhǔn)確的重建冠狀位下肢力線及旋轉(zhuǎn)對(duì)線。由于目前使用的進(jìn)口假體是根據(jù)歐美人群膝關(guān)節(jié)解剖及下肢力線特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，尚未有專(zhuān)門(mén)針對(duì)國(guó)人設(shè)計(jì)的假體問(wèn)世。隨著TKA、術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)、3D打印個(gè)體化手術(shù)器械的發(fā)展，個(gè)體化的TKA 逐漸成為研究熱點(diǎn)[20,21]。未來(lái)可能實(shí)現(xiàn)根據(jù)每一個(gè)患者實(shí)際HKA、TP-TSA、KPV 大小，參照該地區(qū)正常下肢力線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)個(gè)體化手術(shù)器械、進(jìn)行個(gè)體化截骨、安裝個(gè)體化假體。通過(guò)分析國(guó)人下肢力線特點(diǎn)，通過(guò)靈活調(diào)整截骨及適度軟組織松解可適當(dāng)彌補(bǔ)假體設(shè)計(jì)方面的不足。因此，下肢力線特點(diǎn)的研究是TKA 的手術(shù)基礎(chǔ)，只有掌握下肢力線特點(diǎn)才能更好的完成TKA。