固定平台后稳定型假体全膝关节置换术后的运动学研究

膝关节运动学研究不但有助于深人了解膝关节疾病发展的病理生理过程,而且可以为膝关节假体设计提供重要参考1书:.国外对正常膝关节以及全膝关节置换(TKA)术后膝关节的运动学特征进行了广泛而深人的研究,并且在其研究基础上不断推出新的理念,指导膝关节假体设计.国内膝关节的运动学研究目前还比较缺乏,由于种族和生活习惯的差异,国人膝关节的运动学特征尚不清楚.
    膝关节运动学研究方法包括尸体研究、MRI测量、步态分析、皮质骨螺钉定位测量和荧光透视分析阳21.荧光透视分析是准确性最高、应用最广泛的一种技术.文献报道其移位精度为0.5mm,旋转精度为0.5°[:].基本原理是模拟光源和成像平面,将三维模型置于二者之间,模拟投射Ⅹ线在成像平面上形成虚拟的二维图像,通过调整三维模型帘间位置来调整虚拟二维图像,直至与真实拍摄的二维Ⅹ线片图像完全一致,从而获得三维模型的空间位置ˉ.
    本研究利用荧光透视分析技术,比较正常国人和固定平台后稳定型膝关节假体TKA术后患者在负重下蹲时的膝关节运动,旨在:(1)认识国人膝关节运动规律;(2)分析固定平台后稳定型膝关节假体TKA术后负重下蹲的膝关节运动学特征"3)为设计更符合国人运动学特征的膝关节假体提供参考:
    资料与方法
    一、研究对象
    2010年6月至12月,招募20名志愿者加入本研究,对照组10名、TKA组10例.研究经四川大学医学与伦理委员会批准,志愿者均被详细告知研究日的及风险,并签署知情同意书c(—)对照组男女各5名,随机选择左膝或右膝进行研究.年龄"~29岁,平均(26±1)岁;身高156~178cm,平均(168±3)cm;体重,平均(61±3)kg.所有志愿者膝关节均无疼痛或外伤史,无腰部及下肢功能障碍,Ⅹ线片无明显股骨内、外髁发育不良、髌骨半脱位或低位髌骨等. (二)TKA组 TKA组10例,纳人标准为:(1)Sigma~PFC固定平台后稳定型假体(Press-stcondyle,强生,美国)初次TKA手术患者;(2)TKA术后膝关节活动度大于120°,无假体位置不良或假体松动,无膝关节不稳或疼痛;(3)无髋关节或踝关节疾病影响肢体活动;(4)术后美国特种外科医院(HSS)膝关节评分大于90分.
    10例患者中男6例、女4例;年龄38~75岁,平均(65±12)岁;身高154~172cm,平均(162±2)cm;体重61~83吒,平均(68±3)kg.对照组与TKA组年龄、身高、体重的差异均有统计学意义(P(0.O5).术前诊断为骨关节炎7例,类风湿关节炎3例.术前膝关节伸直-15°~0°,平均-6°±3°;膝关节活动度I00°~120°,平均108°±4°;H"膝关节评分31~54分,平均(42±3)分.随访13~26个月,平均(16.h3.6)个月.
    末次随访时膝关节仲直-4°~0°,平均0°±1°;最大屈膝120°~135°,平均⒓5°±2°;H"膝关节评分20~96分,平均(92±1)分.
    二、检查方法
    (—)三维模型制作
    对照组行双下肢CT扫描("排多层螺旋CT,飞利浦,荷兰).受试者平卧于检查床中央,双下肢保持旋转中立位.从髋臼顶上方2cm扫描至踝关节,图像矩阵1024×1m4,像素清晰度0.35×0.35,层厚1mm,层间距1mmc扫描后图像以"DICOM"格式储存于光盘,拷贝到个丿、计算机.采用Mimics软件(M乱cr讯⒃飞in~teractiⅤemedicalimagecolltmlsy虻em,Materiahse,比利日寸)进行股骨和胫腓骨的二维重建,重建范围包括膝关节间隙上、下各15cm.PFC膝关节假体通过激光扫描(0pticScan-D-Classic三维扫描仪,杭州先临二维科技股份有限公司,中国)获得三维模型,扫描精度0.01mm.
    (二)运动视频拍摄
    两组受试者按要求从自然负重站立状态开始缓慢下蹲,直至膝关节达到最大程度屈曲.下蹲过程中受试者可以手扶实验助手以确保安全.每个动作过程均使用"C"型臂脉冲式Ⅹ线机(AⅩI0MA⒒isⅤB31,s忆mens,德国)在矢状位拍摄,拍摄速度为20帧/秒,12英寸数字成像平板成像,像素10叨×1m4,通过"I,ICOM"格式保存.
    (三)二维图像校正与三维模型空问匹配拍摄的二维Ⅹ线图像通过制定的网格使用Matlab软件(CameracalibrationToolboxforMatlab,ThcMathworksInc.,美国)进行图像校正(图1a),将校正拉伸扭曲变形后的二维Ⅹ线图像及三维模型导人形态匹配软件JointTrack(UnhersityofFlorida,美国)进行二维图像与三维模型的空间匹配(图1b).
    手动调整三维模型的方向和空间位置,使之与二维Ⅹ线图像的假体轮廓基本重合(图1c),然后进行自动校准优化.自动校正运算法则根据Mahf.uz等报告的方法进行:I4∶,文献报道其旋转精确度0.3°,位移精确度0.1mm.即比较真实的Ⅹ线图像和基于已知假体形态、空间位置及成像方式的预测Ⅹ线图像的匹配主要通过密度值和边缘轮廓两项指标进行加权比较,反复迭代计算,减少真实Ⅹ线图形轮廓和预测Ⅹ线图像轮廓之间的欧式距离,直至达到最佳匹配(图1d-f),从而通过三维模型再现股骨和胫骨在体内的空间位置.
    (四)测量方法
    对每一个内、外髁进行测量,按Dennis等匚采用的方法,定义股骨内外髁与胫骨最接近点为股骨与胫骨假体接触点.矢状面上以胫骨平台中点为界将胫骨平台平分为两部分,接触点位于胫骨平台中点以前为正值、胫骨平台中点以后为负值.
    测量股骨和胫骨的轴向旋转角度,胫骨轴向内旋定义为正值、外旋为负值.
    关节面分离(liR-of)根据Mah.ney等ˉ采用的方法,股骨内外髁与胫骨假体最近接触点距离之差大于2.4mm即认为存在关节面分离c三、统计学处理采用SPSS17.0统计学软件(SPSS公司,美国)进行统计学处理.数据均用均数±标准差表示,对照组与TKA组膝关节股骨内、外髁前后移位的比较采用成组设计资料莎检验,检验水准α值取双侧0.05.
    结果
    一、股骨内、外髁前后移位
    从伸直位至最大屈膝位,对照组膝关节平均屈曲136°±4°,TKA组膝关节平均屈曲125°±2°,差异有统计学意义. 对照组10例均表现出股骨内、外髁后移,其中股骨内髁与外髁后移幅度的差异有统计学意义.
    TKA组8例膝关节(8/10,80%)表现出与正常膝关节类似的股骨内髁后移,9例(9/10,gO%)表现出股骨外髁后移运动,股骨内、外髁后移幅度的差异有统计学意义:TKA组股骨内、外髁移位均小于对照组(表1):
    对照组膝关节从伸直位至屈膝30°过程中,股骨外髁移动幅度最大,平均后移(10.5±1.2)mm,股骨内髁仅轻度后移,平均(3.2±0.8)mm,差异有统计学意义.随着屈曲角度增大,股骨外髁持续后移,股骨内髁在从伸直位至屈曲ω°过程中小幅度后移,在屈膝超过ω°日寸保持相对静止(图3~5).
    TKA组膝关节在属膝过程中首先表现为股骨内、外髁后移,之后出现矛盾性前移,随屈曲角度进一步增大,再次出现股骨内外髁后移(图3).从伸直位至屈膝30°,股骨内髁平均后移(1.3±1.5)mm,股骨外髁平均后移(53±0.7)mm,差异有统计学意义(r=6122.肚0032);屈膝30°-75°,股骨内、外髁表现出矛盾性前移,股骨内髁平均前移(-2.4±0.7)n1n⒈股骨外髁平均前移←1.8±0.4)mm,差异无统计学意义(r=~1,124,P=0.282);从75°至最大屈曲角度,股骨内、外髁表现为持续后移,股骨内髁平均后移(2,5±0.6)mm,股骨外髁平均后移(3.0±1.3)mm,差异无统计学意义(f=1.682).整个屈膝过程均未发现关节面分离现象.
    二、胫骨内外旋转对照组
    膝关节在屈膝过程中均表现出胫骨持续内旋(图6)c从伸直位至最大屈膝135°,胫骨平均内旋23.8°±3.4°.其中从伸直位至屈膝30°胫骨内旋程度最大,平均15.6±2.8°;屈膝30°-105°胫骨仅轻微旋转;屈膝超过105°后,胫骨内旋幅度再次增大.
    整个过程中均未发现关节面分离或股骨髁半脱位现象.TKA组9例膝关节表现出与正常膝关节相似的以内侧为轴心的持续内旋运动(图6),1例膝关节表现为与正常膝关节相反的以外侧为轴心的外旋运动,胫骨平均内旋8.5°±3.4°.与正常膝关节运动相似,TKA组膝关节胫骨内旋主要发生在屈膝30°内,胫骨平均内旋5.5°±1.9,内旋幅度明显小于对照组,差异有统计学意义(莎弱.312,∴0.OZI1).从~3O°至最大屈膝角度,胫骨缓慢内旋,平均内旋2.8°±1.0,内旋幅度小于对照组,差异有统计学意义.
    讨论
    一、正常人的膝关节运动
    本研究结果显示,正常国人膝关节在深屈曲过程中股骨内、外髁持续后移,其中股骨内髁后移幅度较小,股骨外髁后移幅度较大,表现为以内侧为轴心的胫骨内旋模式.同时,股骨髁后移及胫骨内旋随膝关节屈曲度增加而增大,主要发生在属膝30°以内,与国外研究中正常人膝关节运动模式相似等[16∶通过荧光透视分析研究正常膝关节运动,膝关节从伸直位到最大屈曲度,股骨外髁平均后移14.1mm,屈膝30°内股骨外髁后移幅度最大,平均达H.4mm;整个过程股骨内髁仅后移1.5mm;胫骨平均内旋16.8°,屈膝30°日寸胫骨内旋幅度最大,平均为14.5°.但他们的研究也证实屈膝过程中存在以外侧为轴心的胫骨外旋模式,即屈膝过程中股骨内髁接触点后移幅度大于股骨外髁c本研究中未出现这种现象,可能与志愿者选择有关.
    二、固定平台后稳定型假体
    TKA术后的膝关节运动本研究中固定平台后稳定型假体TKA术后膝关节在负重下蹲过程中同样出现股骨内、外髁后移及胫骨内旋现象,且与正常膝关节相似,股骨外髁后移幅度大于股骨内髁,表现为以胫骨内侧为轴心的内旋模式,同时股骨髁后移及胫骨内旋均主要发生在屈膝30°之内,与文献报道的结果相符.
    本研究中固定平台后稳定型假体TKA组屈膝30°叼5°过程中,股骨内、外髁出现与正常膝关节不同的矛盾性前移现象.其原因可能是TKA术后膝关节在中度屈曲时立柱一凸轮尚未撞击之前出现股骨前移现象.Ⅴictor等町在一项膝关节运动实验中同样发现,与后十字韧带保留型假体TKA术后一样,后稳定型假体在屈膝过程中也存在股骨矛盾性前移现象,说明模拟后十字韧带的立柱-凸轮设计并不能完全阻止股骨矛盾性前移cRanawat等D]对固定平台后稳定型假体负重下蹲运动进行研究,屈膝0°~90°过程中固定平台股骨外髁平均后移3.6mm、内髁平均后移⒍4mm,其最大屈膝角度仅⒇°.而亚洲人通常需要屈膝超过120°,如下蹲、跪拜、上厕所等.本研究得出了固定平台后稳定型假体TKA术后膝关节屈曲达125°时的股骨内、外髁后移及胫骨内旋幅度.Wolte等⒓2]
    分析PFC固定平台后稳定型假体在体内的运动时发现,屈膝6σ时胫骨以内侧为轴心内旋8.3°.本研究中TKA术后膝关节从伸直到屈曲75°胫骨平均内旋7.0;屈膝%°~⒓5°胫骨持续内旋,平均1.5.
    虽然股骨内、外髁后移及胫骨内旋均与正常膝关节相似,但移动幅度明显小于正常膝关节,且后稳定型假体TKA术后膝关节屈曲过程中存在反常的股骨髁前移及胫骨外旋现象,说明膝关节假体只是在一定程度上模拟了正常膝关节的运动.
    三、研究的局限性
    本研究的局限性表现在:第一,两组人群年龄差距较大,对照组为青壮年志愿者,而固定平台后稳定型假体TKA组为老年患者,其肌肉力量以及韧带张力等因素可能会影响膝关节运动[16·7,23],使结果产生偏倚.第二,只分析了负重下蹲时的膝关节运动,而平地行走、上下台阶等日常生活中膝关节运动是否不同尚有待进一步研究.第三,只对比分析了一种固定平台后稳定型假体与正常膝关节在体内的运动,由于假体设计特征会影响其在体内的运动Ι,因此该结论能否推广到所有固定平台后稳定型假体尚不清楚.
    参考文献
    1.Gandhi R,Tso P,Davey JR. High-flexion implants in primary total knee arthroplasty:a meta-analysis[J].Knee,2009,(01):14-17.
    2.Seon JK,Park SJ,Lee KB. Range of motion in total knee arthroplasty:a prospective comparison of high-flexion and standard cruciate-retaining designs[J].Journal of Bone and Joint Surgery-American Volume,2009,(03):672-679.
    3.Kelly MA,Clarke HD. Long-term results of posterior cruciatesubstituting total knee arthroplasty[J].Clinical Orthopaedics and Related Research,2002,(404):51-57.
    4.Moynihan AL,Varadarajan KM,Hanson GR. In vivo knee kinematics during high flexion after a posterior-substituting total knee arthroplasty[J].International Orthopaedics,2010,(04):497-503.
    5.Nakamura S,Takagi H,Asano T. Fluoroscopic and computed tomographic analysis of knee kinematics during very deep flexion after total knee arthroplasty[J].Journal of Arthroplasty,2010,(03):486-491.
    6.Dennis DA,Komistek RD,Mahfouz MR. In vivo fluoroscopic analysis of fixed-bearing total knee replacements[J].Clinical Orthopaedics and Related Research,2003,(410):114-130.
    7.Futai K,Tomita T,Yamazaki T. In vivo kinematics of mobile-bearing total knee arthroplasty during deep knee bending under weight-bearing conditions[J].Knee Surgery Sports Traumatology Arthroscopy,2011,(06):914-920.
    8.Benoit DL,Ramsey DK,Lamontagne M. In vivo knee kinematics during gait reveals new rotation profiles and smaller translations[J].Clinical Orthopaedics and Related Research,2007,(454):81-87.
    9.Dennis DA,Komistek RD,Mahfouz MR. A multicenter analysis of axial femorotibial rotation after total knee arthroplasty[J].Clinical Orthopaedics and Related Research,2004,(428):180-189.doi:10.1097/01.blo.0000148777.98244.84.
    10.Nakagawa S,Kadoya Y,Todo S. Tibiofemoral movement 3:full flexion in the living knee studied by MRI[J].Journal of Bone and Joint Surgery-British Volume,2000,(08):1199-1200.