壓力傳感器輔助全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)研究進(jìn)展

張羅飛 楊天 王晉東

膝關(guān)節(jié)炎是最常見(jiàn)的骨關(guān)節(jié)炎，會(huì)引起患者膝關(guān)節(jié)進(jìn)行性疼痛。雖然全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（TKA）是目前治療終末期膝骨關(guān)節(jié)炎最有效方法[1]，但也存在一些問(wèn)題，如術(shù)后對(duì)線不良、假體放置不準(zhǔn)確、軟組織失衡等[2-3]。這會(huì)導(dǎo)致術(shù)后關(guān)節(jié)不穩(wěn)定、僵硬和疼痛，是目前TKA翻修率較高的原因[4]。傳統(tǒng)的軟組織平衡是依靠術(shù)者的主觀感覺(jué)，利用試模塊、撐開(kāi)器和張力器等工具來(lái)實(shí)現(xiàn)，而壓力傳感器可實(shí)時(shí)反饋內(nèi)外側(cè)間室中脛股接觸點(diǎn)的負(fù)荷及運(yùn)動(dòng)學(xué)的信息，為術(shù)中實(shí)現(xiàn)軟組織平衡提供了較好的參考。

1 壓力傳感器發(fā)展歷史與簡(jiǎn)介

TKA中軟組織失衡會(huì)導(dǎo)致術(shù)后關(guān)節(jié)不穩(wěn)定、僵硬和疼痛[4]。以前臨床上引入了立體攝影測(cè)量法、染料注入法、硅橡膠法、3 s技術(shù)、負(fù)極壓敏模塊、壓電換能器、微壓痕換能器和計(jì)算機(jī)模型等技術(shù)來(lái)評(píng)估脛股假體接觸面積和間室負(fù)荷，并依據(jù)所獲得的信息進(jìn)行軟組織平衡[5]。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，壓力傳感器被用于TKA中以實(shí)現(xiàn)更好的軟組織平衡。目前可用于TKA的壓力傳感器主要有2種：VERASENSE系統(tǒng)和eLIBRA動(dòng)態(tài)膝關(guān)節(jié)平衡系統(tǒng)[6]。臨床上VERASENSE系統(tǒng)可以與Zimmer Biomet、Stryker和Smith & Nephew等 多 種假體相兼容，而eLIBRA系統(tǒng)僅與Zimmer Biomet假體兼容，且VERASENSE系統(tǒng)的使用更為廣泛，因此本文就VERASENSE系統(tǒng)展開(kāi)論述。

VERASENSE系統(tǒng)是一種配備壓力感受器的無(wú)線聚乙烯插入物，其厚度、大小與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)墊片植入物一致，它可以在試模期間及最終植入物放置后檢測(cè)和記錄內(nèi)外側(cè)間室的負(fù)載。在術(shù)中被動(dòng)屈伸膝關(guān)節(jié)的過(guò)程中，它不僅可以反映內(nèi)外側(cè)間室的壓力變化，還可以記錄有關(guān)脛股接觸點(diǎn)的空間定位及位移[7]。與傳統(tǒng)TKA依據(jù)術(shù)者感覺(jué)評(píng)估軟組織平衡不同，VERASENSE系統(tǒng)可以在多個(gè)屈曲角度下對(duì)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行間室負(fù)載測(cè)量，術(shù)者通過(guò)這些量化的數(shù)值與平衡膝關(guān)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，再?zèng)Q定是否需要行額外的處理如重新截骨、軟組織松解等來(lái)實(shí)現(xiàn)平衡[8]。這些在手術(shù)過(guò)程中為術(shù)者提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋較傳統(tǒng)TKA軟組織平衡僅依靠術(shù)者的感覺(jué)更加客觀。

2 VERASENSE系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

2.1 更好地實(shí)現(xiàn)軟組織平衡

軟組織失衡已被證明會(huì)導(dǎo)致術(shù)后膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定、疼痛、髕骨軌跡不良等一系列問(wèn)題[4,9]。壓力傳感器的使用可能可以解決這些問(wèn)題。Chow等[10]將傳統(tǒng)TKA與壓力傳感器輔助TKA的術(shù)后結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果顯示術(shù)后6個(gè)月，壓力傳感器輔助TKA組膝關(guān)節(jié)評(píng)分表（KSS）評(píng)分和牛津大學(xué)膝關(guān)節(jié)評(píng)分(OKS)均高于傳統(tǒng)TKA組，且壓力傳感器輔助TKA組膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度改善率也較傳統(tǒng)TKA組高。Gustke等[11]比較壓力傳感器輔助TKA中軟組織平衡組與軟組織不平衡組患者術(shù)后1年的臨床結(jié)果，軟組織平衡組KSS、西安大略和麥克馬斯特大學(xué)骨關(guān)節(jié)炎指數(shù)(WOMAC)評(píng)分以及膝關(guān)節(jié)平均活動(dòng)水平均高于軟組織不平衡組。Manning等[12]在尸體研究中也發(fā)現(xiàn)，壓力傳感器通過(guò)在多個(gè)屈曲角度測(cè)定間室負(fù)荷，進(jìn)而引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)軟組織平衡，這解決了傳統(tǒng)張力器僅在2個(gè)屈曲角度下引導(dǎo)軟組織平衡所存在的平衡不充分問(wèn)題。這些研究表明，VERASENSE系統(tǒng)可以引導(dǎo)術(shù)者更好地實(shí)現(xiàn)軟組織平衡，從而減少術(shù)后并發(fā)癥，改善術(shù)后功能并提高患者滿意度。然而，有學(xué)者持不同意見(jiàn)。MacDessi等[13]在一項(xiàng)包含308例患者的前瞻性研究中，為評(píng)估外科醫(yī)生定義軟組織平衡的準(zhǔn)確性，將屈膝10°、45°和90°時(shí)術(shù)者對(duì)軟組織平衡的判定與在相同屈曲角度下壓力傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)與壓力傳感器數(shù)據(jù)相比，術(shù)者評(píng)估軟組織平衡的準(zhǔn)確率在10°、45°和90°時(shí)分別為63%、57.5%和63.8%。同時(shí)他們將隊(duì)列分成6個(gè)連續(xù)的組，隨著術(shù)者對(duì)壓力傳感器的連續(xù)使用， 6個(gè)組中術(shù)者評(píng)估膝關(guān)節(jié)平衡的準(zhǔn)確率并沒(méi)有顯著差異，因此認(rèn)為隨著壓力傳感器的使用，術(shù)者評(píng)估膝關(guān)節(jié)平衡的能力并沒(méi)有提高。Wood等[8]研究發(fā)現(xiàn)，雖然壓力傳感器的間室負(fù)荷定量反饋對(duì)軟組織平衡有指導(dǎo)作用，但沒(méi)有明顯改善臨床結(jié)果或提高患者滿意度。這些問(wèn)題可能與目標(biāo)平衡標(biāo)準(zhǔn)制定不合理[14]、隨訪時(shí)間較短等有關(guān)。因此，需要進(jìn)一步的研究及長(zhǎng)期隨訪，以確定壓力傳感器的臨床療效。

2.2 恢復(fù)生理性樞軸運(yùn)動(dòng)

恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的生理學(xué)運(yùn)動(dòng)是TKA后獲得較好臨床結(jié)果和功能的必要條件[15]。近年來(lái)“雙樞軸運(yùn)動(dòng)學(xué)”的理念被提出，即在膝關(guān)節(jié)早期屈曲（0°～45°）時(shí)為外側(cè)樞軸運(yùn)動(dòng)，在中后期屈曲（＞45°）時(shí)過(guò)渡到內(nèi)側(cè)樞軸運(yùn)動(dòng)。Deckard等[16]的回顧性研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于保留后交叉韌帶(PCL)的TKA，在早期屈曲過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)外側(cè)樞軸運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)因素，然而內(nèi)側(cè)間室負(fù)荷、外側(cè)間室負(fù)荷的增加分別是中期屈曲（45°～90°）、晚期屈曲（＞90°）的內(nèi)側(cè)和外側(cè)樞軸運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)因素；當(dāng) PCL被切除，早期屈曲（0°～45°）和中期屈曲（45°～90°）時(shí)外側(cè)間室負(fù)荷的增加導(dǎo)致了外側(cè)樞軸運(yùn)動(dòng)，表明利用壓力傳感器系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)術(shù)中膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模式，這也為今后利用該項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)TKA后更符合生理學(xué)的運(yùn)動(dòng)模式提供了研究方向。Cochetti等[17]研究發(fā)現(xiàn)，壓力傳感器輔助TKA組膝關(guān)節(jié)屈曲0°～45°時(shí)，外側(cè)間室負(fù)荷逐漸增高，但屈曲45°～90°時(shí)，外側(cè)間室負(fù)荷降低，內(nèi)側(cè)間室負(fù)荷增高，到屈曲90°時(shí)達(dá)到最高。雖然在該研究中壓力傳感器輔助TKA組與傳統(tǒng)TKA組術(shù)后臨床結(jié)果沒(méi)有顯著差異，但壓力傳感器輔助TKA有助于引導(dǎo)術(shù)者通過(guò)改變內(nèi)外側(cè)間室負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)自然生理性運(yùn)動(dòng)。一項(xiàng)尸體研究發(fā)現(xiàn)，壓力傳感器輔助 TKA組膝關(guān)節(jié)在屈曲10° 時(shí)內(nèi)、外側(cè)間室負(fù)荷無(wú)顯著差異，但在屈曲45° 和 90° 時(shí)內(nèi)側(cè)間室負(fù)荷更大，而傳統(tǒng)TKA組膝關(guān)節(jié)在屈曲10°時(shí)內(nèi)側(cè)間室負(fù)荷大，在屈曲45°和90 ° 時(shí)外側(cè)間室負(fù)荷大，因此認(rèn)為壓力傳感器輔助TKA可更好地實(shí)現(xiàn)術(shù)后膝關(guān)節(jié)生理性運(yùn)動(dòng)[18]。

3 VERASENSE系統(tǒng)的局限性

3.1 平衡標(biāo)準(zhǔn)不確定

引入壓力傳感器旨在更好地實(shí)現(xiàn)軟組織平衡，獲得平衡的膝關(guān)節(jié)，但目前對(duì)于“平衡”的定義仍不明確[19]。VERASENSE系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員所定義的平衡：①關(guān)節(jié)必須在矢狀面上保持穩(wěn)定；②膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)和外側(cè)間室負(fù)荷應(yīng)分別低于245 N和200 N，內(nèi)外間室負(fù)荷差小于67 N。這得到了Gustke等[20]的認(rèn)可。但Meneghini等[21]研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)外間室負(fù)荷與患者術(shù)后功能或滿意度評(píng)分無(wú)關(guān)，“內(nèi)外間室負(fù)荷差小于67 N”這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)可能并不準(zhǔn)確。 Risitano等[22]將穩(wěn)定的膝關(guān)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)定義為內(nèi)側(cè)間室壓力為（222±89） N，外側(cè)間室壓力為（156±89） N，以及內(nèi)外間室負(fù)荷差應(yīng)在（67±22） N以內(nèi)，認(rèn)為較高的內(nèi)側(cè)間室負(fù)荷可以引導(dǎo)膝關(guān)節(jié)恢復(fù)生理性內(nèi)側(cè)樞軸生物力學(xué)運(yùn)動(dòng)。而Zhao等[23]在研究中將膝關(guān)節(jié)平衡定義為任意屈曲角度下內(nèi)外間室負(fù)荷差為30 N，認(rèn)為應(yīng)該對(duì)患者進(jìn)行個(gè)性化的平衡，但對(duì)于每位患者的最佳目標(biāo)平衡仍然未知。未來(lái)應(yīng)基于確定更合適的參考標(biāo)準(zhǔn)、針對(duì)患者進(jìn)行個(gè)性化平衡以及不同負(fù)荷測(cè)量值對(duì)術(shù)后結(jié)果的影響等方面進(jìn)行壓力傳感器引導(dǎo)的膝關(guān)節(jié)平衡標(biāo)準(zhǔn)研究。

3.2 可能存在的誤差及過(guò)度的軟組織平衡處理

雖然理論上壓力傳感器可以在術(shù)中實(shí)時(shí)記錄內(nèi)外側(cè)間室負(fù)荷及脛股接觸點(diǎn)的空間定位和位移，從而幫助術(shù)者更好地完成軟組織平衡[7]，但有研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)負(fù)載發(fā)生在傳感器的感測(cè)區(qū)域之外時(shí)，測(cè)量誤差會(huì)增加，導(dǎo)致脛股接觸力和接觸位置測(cè)量不準(zhǔn)確[24]。壓力傳感器的感測(cè)區(qū)域約占間室面積的22%（圖1），這很大程度地限制了內(nèi)外側(cè)間室后內(nèi)側(cè)和后外側(cè)區(qū)域的負(fù)荷測(cè)量，特別是在膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí)股骨外旋，此時(shí)的脛股接觸位置可能就在感應(yīng)區(qū)域之外，造成測(cè)量誤差。此外，在超過(guò)最大負(fù)載（378 N）后重新調(diào)零設(shè)備會(huì)使測(cè)量誤差增加，這與制造商“在超過(guò)最大允許負(fù)載后需重新調(diào)零設(shè)備以減小測(cè)量誤差”的說(shuō)明相矛盾。此外，使用壓力傳感器可能會(huì)使術(shù)者進(jìn)行一些不必要的軟組織松解以降低間室負(fù)荷[25-26]。雖然通過(guò)額外的軟組織處理可在術(shù)中獲得符合“標(biāo)準(zhǔn)”的平衡，但有研究表明，韌帶的應(yīng)力松弛常發(fā)生在圍手術(shù)期并導(dǎo)致韌帶松弛度增加[27]。因此，壓力傳感器的使用所引導(dǎo)的額外軟組織平衡步驟會(huì)改善術(shù)后功能還是導(dǎo)致醫(yī)源性韌帶損傷，仍有待進(jìn)一步研究。

圖1 傳感器的感測(cè)區(qū)域約占間室面積的22%

4 與機(jī)器人系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用

精確的對(duì)線和植入物定位及軟組織平衡可以大大減少術(shù)后并發(fā)癥，提高患者滿意度[28-29]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用可以優(yōu)化手術(shù)，取得較好的效果。壓力傳感器可以量化軟組織張力、評(píng)估膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，機(jī)器人輔助系統(tǒng)可以進(jìn)行更加精準(zhǔn)的假體植入和骨切除，從而真正實(shí)現(xiàn)個(gè)性化平衡且穩(wěn)定的膝關(guān)節(jié)[30]。為了確定膝關(guān)節(jié)屈伸間隙的對(duì)稱性能否預(yù)測(cè)均勻分布的負(fù)載，從而預(yù)測(cè)軟組織平衡，Allom等[3]探究膝關(guān)節(jié)屈伸時(shí)內(nèi)外側(cè)間隙差與內(nèi)外側(cè)間室負(fù)荷差的關(guān)系，利用Mako機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行術(shù)前計(jì)劃，包括植入物定位、肢體對(duì)線及虛擬間隙平衡，再通過(guò)模擬膝關(guān)節(jié)屈伸活動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行截骨與假體植入。他們對(duì)膝關(guān)節(jié)施加內(nèi)翻或外翻應(yīng)力以改變內(nèi)外側(cè)間隙差，同時(shí)利用壓力傳感器測(cè)量不同內(nèi)外側(cè)間隙差下的內(nèi)外側(cè)間室負(fù)荷差。該研究結(jié)果表明，內(nèi)外側(cè)間室負(fù)荷差和內(nèi)外側(cè)間隙差為軟組織平衡提供了類(lèi)似的評(píng)估，且兩者之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。Gordon等[31]的研究也表明，僅使用機(jī)器人系統(tǒng)得到的對(duì)稱屈伸間隙并不表示膝關(guān)節(jié)定量平衡，將機(jī)器人輔助技術(shù)與壓力傳感器相結(jié)合，才能獲得對(duì)線良好、平衡良好的膝關(guān)節(jié)。

Bardou-Jacquet等[32]的研究中將Mako機(jī)器人系統(tǒng)與VERASENSE系統(tǒng)聯(lián)合使用，29例患者被納入此研究，在術(shù)前對(duì)患者進(jìn)行膝關(guān)節(jié)CT掃描，所獲得的數(shù)據(jù)用于Mako機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行分析，擬定初步手術(shù)計(jì)劃，包括截骨與假體放置位置，術(shù)中再將實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與術(shù)前錄入數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，確定具體手術(shù)方案后進(jìn)行截骨，截骨完畢后插入試驗(yàn)假體試模，并使用壓力傳感器測(cè)試內(nèi)外側(cè)間室負(fù)荷，所得數(shù)值與“平衡”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，從而決定是否需要行二次截骨或韌帶松解，術(shù)中操作均使用Mako機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行；16例患者進(jìn)行了二次截骨后，再次使用壓力傳感器進(jìn)行測(cè)試，最終27例患者達(dá)到平衡標(biāo)準(zhǔn)，所有患者均未進(jìn)行軟組織松解；在術(shù)后1個(gè)月的隨訪中，19例患者可以脫離助行器行走，23例患者膝關(guān)節(jié)屈曲＞90°，平均可達(dá)103°，所有患者術(shù)后均無(wú)相關(guān)并發(fā)癥發(fā)生。這項(xiàng)研究表明，兩種新技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用可以在不松解關(guān)節(jié)周?chē)浗M織的情況下優(yōu)化韌帶張力，提高軟組織平衡的精度，這解決了傳統(tǒng)的軟組織松解技術(shù)不能確保精確性和可重復(fù)性的問(wèn)題[33]。雖然這項(xiàng)研究納入病例較少且長(zhǎng)期療效仍有待考證，但新技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用為外科醫(yī)生提供了新的選擇，也提高了手術(shù)的精準(zhǔn)度，相信通過(guò)未來(lái)的研究，這些技術(shù)會(huì)彌補(bǔ)目前傳統(tǒng)TKA存在的一些不足。

5 結(jié)語(yǔ)

VERASENSE系統(tǒng)可以為術(shù)者提供實(shí)時(shí)膝關(guān)節(jié)間室負(fù)載、脛股接觸點(diǎn)空間定位和位移以更好地實(shí)現(xiàn)軟組織平衡。雖然這項(xiàng)技術(shù)仍存在一些不足，但其處于初級(jí)階段，相信經(jīng)過(guò)未來(lái)的研究，這項(xiàng)輔助技術(shù)將會(huì)被不斷地改良和優(yōu)化，解決目前傳統(tǒng)TKA后患者滿意度差、翻修率高的問(wèn)題，通過(guò)高精度化、智能化的手術(shù)獲得真正個(gè)性化、完全平衡的膝關(guān)節(jié)。