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1 148 中华骨科杂志 215 年 1 月第 35 卷第 1 期 Chin J Orthop, October 215, Vol. 35, No. 1 全膝关节置换中股骨外旋截骨对下肢动态力线的影响临床论著刘扬德赵宇驰王维光张树栋摘要目的通过计算机导航技术分析下肢动态力线的变化形式及其影响因素方法回顾性分析 213 年 7 月至 213 年 8 月接受计算机导航辅助下初次单侧人工全膝关节置换手术的 76 例膝关节骨关节炎患者病历资料, 男 46 例, 女 3 例 ; 年龄 64~78 岁, 平均 71 岁手术均由同一名熟练掌握计算机导航技术的关节外科医生主刀完成术中应用后稳定型旋转平台膝关节假体 (RP,Depuy, 强生公司, 美国 ); 计算机导航系统应用美国 Stryker Navigation System Ⅱ Cart 术前运用 CT 扫描测量股骨远端髁间轴线 (intraoperative transepicondylar axis,tea) 与后髁线 (posterior condyle axis,pca) 间的夹角, 即外旋角 (external rotation angle,era); 术中参考 CT 测量的 ERA 计算机导航系统测量的 TEA 及 Whiteside 线进行股骨远端外旋截骨, 假体骨水泥固定后记录膝关节在被动无张力情况下屈曲活动过程中的髋 - 膝 - 踝 (hip knee ankle,hka) 变化, 即下肢动态力线的变化数据, 并利用回归分析评价其影响因素结果与术前 CT 测量的 ERA 比较, 术中分别以胫骨的前后轴线 ( 股骨滑车最低点与髁间窝最高点之间的连线,AP 线 ) TEA 及 AP 线与 TEA 均值 ( 分别以 TEA 及 AP 线为参考进行股骨远端外旋截骨所得到 ERA 的平均值 ) 为参考, 由导航系统测量的 ERA 分别为 5.54 ±2.86,5.21 ±2.6,5.34 ± 2.38 ; 几种测量方法得到的结果并无统计学差异 TKA 术中膝关节由伸直至屈曲 9 的过程中下肢动态力线的变化与股骨远端外旋截骨密切相关根据股骨远端外旋截骨角度的不同, 下肢动态力线呈现出内翻外翻及中立位波动三种变化趋势结论膝关节在屈伸过程中下肢力线发生变化 ;TKA 术中股骨远端外旋截骨影响下肢动态力线的变化, 其数学模型为反正弦三角函数关键词关节成形术, 置换, 膝 ; 截骨术 ; 外科手术, 计算机辅助证据等级治疗性研究 Ⅳ 级 Femoral rotation influences dynamic alignment of the lower extremity in total knee arthroplasty Liu Yangde *, Zhao Yu chi, Wang Weiguang, Zhang Shudong. Taishan Medical School, Tai an 271, China Abstract Objective To evaluate the influences of femoral rotation on dynamic alignment of the lower extremity in TKA by computer assisted surgical technology. Methods From July 213 to August 213, 76 consecutive patients with knee osteoar thritis undergone primary single TKA in our hospital were enrolled, including 46 males and 3 females, aged from 64 to 78 years (average, 71 years). All surgeries were completed by the same professional doctor. The PFC (fixed bearing posterior stabilized) Sig ma rotating platform was selected for all patients, and computer navigation system (Stryker Navigation System II Cart(Stryker cor poration, Kalamazoo, Michigan, USA) was used. External rotation osteotomy of the distal femur during TKA was completed accord ing to the pre operative external rotation angle (ERA), intraoperative transepicondylar axis (TEA) and anteroposterior (AP) line. Passive dynamic alignment of the lower extremity during knee flexion was recorded. The variation trend of hip knee ankle (HKA) alignment and the influences of femoral external rotation osteotomy were analysed. Results ERA calculated by the computer navigation system according to Whiteside line, TEA and the mean of Whiteside line and TEA was 5.54 ±2.86, 5.21 ±2.6 and 5.34 ±2.38. Compared with the ERA measured by CT, no method was better than the other two. Postoperative deviation of HKA alignment from to 9 flexion was associated with the rotational alignment of the femoral component. Trend of HKA alignment during knee flexion tended to be varus, valgus or neutral according to different angles of external rotation osteotomy of the distal femur. Conclusion The HKA alignment changes during the knee flexions. External rotation osteotomy of the dis tal femur played a crucial role in determining dynamic HKA alignment in TKA. Key words Arthroplasty, replacement, knee; Osteotomy; Surgery, computer assisted 在我国社会逐步迈入老龄化的背景下, 膝关节疾病 ( 如风湿关节炎类风湿关节炎骨关节炎 ) 的 DOI:1.376/cma.j.issn 作者单位 :271 泰安, 泰山医学院 ( 刘扬德 ); 烟台市烟台山医院骨关节科 ( 赵宇驰王维光张树栋 ) 通信作者 : 张树栋,E mail: z @qq.com 发病率也逐年攀高由于病痛导致的蹲起及行走活动受限, 严重影响了老年人的日常起居, 致越来越多的人选择了全膝关节置换术 (total knee arthro plasty,tka) 据中国骨科年会(COA) 会议报道, 214 年约数十万患者接受 TKA 手术而术后力线的好坏一直是业内关注的焦点

2 中华骨科杂志 215 年 1 月第 35 卷第 1 期 Chin J Orthop, October 215, Vol. 35, No 目前,TKA 术后通常采用静态站立位下肢全长 X 线片测量下肢机械轴线来评价手术的成败 [1-8] ; 即使是经验丰富的医生, 也难以避免主观因素影响手术及测量的精确性 [9] 此外, 对膝关节畸形患者, 尤其严重的膝内翻或膝外翻, 均导致术前计划变得困难, 术中机械系统固有的局限性也导致胫股假体对线误差超过 3 的概率在 1% 以上 [1], 所以即使术后复查 X 线片提示良好仍对患者正常的康复训练抱有忧虑 [11] 但是采用计算机导航辅助下的 TKA 手 [12-15] [3] 术可以获得更高的精确度 Bäthis 等在对 8 例随机分组接受 TKA 手术的对照研究中发现导航组有 96% 的下肢力线偏差 < 3, 其误差较小 ; 而常规 [16] 组近 78%>3, 误差明显偏大 Hasegawa 等的研究证明计算机导航系统对术中截骨和假体安装时均有很大的指导意义, 结果表明应用计算机导航系统后力线角度的差异仅为.5 ~1. 既往文献中对 TKA 术后膝关节由伸直 ( ) 至屈曲 (9 ) 过程中的动态力线很少被提及, 虽然国内有 TKA 术后关于股胫关节运动轨迹的研究, 但是其需要患者接受 X 射线且存在一定误差 [17-18] 通过普通的 X 线片 CT 等检测手段, 也很难对下肢力线进行动态测量因此, 本研究采用计算机导航系统辅助下行 TKA 手术, 术中采用股骨远端外旋截骨 ( 即股骨远端前后髁截骨, 因截骨轴线与股骨后髁轴线呈一定的外旋角度, 故称为外旋截骨, 以便与股骨远端截骨相区别 ), 术中实时测量膝关节屈伸过程的运动轨迹, 并加以测量整合及记录, 可以得到膝关节运动过程的力线数据 [19], 目的在于 :(1) 分析膝关节在屈伸过程中下肢动态力线的变化形式 ;(2) 探讨股骨远端外旋截骨对下肢动态力线的影响 ; (3) 探讨软组织平衡对下肢动态力线的影响资料与方法一纳入及排除标准纳入标准 :(1) 术前骨关节炎确诊标准依据中 [2] 华医学会骨科学分会骨关节炎诊断标准 ;(2) [21] Kellgren Lawrerence 骨关节炎 X 线分级 Ⅳ 级 ;(3) 初次全膝关节置换, 术中未应用垫块延长杆及植骨 ;(4) 采用后稳定型旋转平台膝关节假体 (RP, Depuy, 美国 ) 排除标准 :(1) 既往有膝关节感染或手术史 ; (2) 既往有伸膝装置功能障碍 ;(3) 膝关节内翻或外翻畸形 > 2 ;(4) 严重骨质缺损患者二一般资料回顾性分析 213 年 7 至 8 月因膝关节骨关节炎在我院行计算机导航系统辅助下初次单侧人工全膝关节置换术患者的病历资料, 按照上述的纳入及排除标准, 共 76 例纳入本研究男 28 例, 女 48 例 ; 年龄 64~78 岁, 平均 (71.6±6.8) 岁 ; 左侧 38 例, 右侧 38 例所有患者患侧膝关节均有疼痛和内翻畸形, 术前疼痛视觉模拟评分 (visual analogue scale,vas) 为 3~1 分, 平均 (8.67±2.13) 分 ; 内翻畸形 1 ~28, 平均为 18.6 ±3.8 影像学均表现为单纯的膝关节骨性关节炎, 增生明显, 未进行严格分级 CT 检查只是测量股骨远端的外旋角度三动态力线的定义下肢动态力线定义为膝关节在任意屈曲角度时的下肢力线角度, 即此时的髋 - 膝 - 踝角度 (hip knee ankle,hka), 即胫骨解剖轴与人体矢状面所形成的夹角 ( 图 1) 股骨机械轴线 HKA 角 : 胫骨机械轴线与其在人体矢状面的投影所成角度胫骨机械轴线在人体矢状面的投影胫骨机械轴线图 1 下肢动态力线定义为膝关节在任意屈曲角度时的下肢力线角度, 即髋 - 膝 - 踝 (HKA) 角度, 即胫骨机械轴线与人体矢状面所呈的夹角

3 15 中华骨科杂志 215 年 1 月第 35 卷第 1 期 Chin J Orthop, October 215, Vol. 35, No. 1 四手术方法手术均由同一名熟练掌握计算机导航技术的关节外科医生 ( 本文通讯作者 ) 主刀完成所有患者均采用 Depuy PFC Sigma RP 假体 ( 强生公司, 美国 ) 计算机导航系统应用 Stryker Navi gation System Ⅱ Cart(Stryker 公司, 美国 ) 均采用全身麻醉, 患者均取仰卧位采用膝前正中切口, 髌旁内侧入路切开关节囊, 显露关节腔, 向外翻转髌骨去除关节边缘骨赘并进行周围软组织松解, 安装股骨胫骨示踪器, 进行截骨前注册, 在导航系统辅助下进行胫骨股骨截骨安放试模, 至膝关节屈伸活动, 满意后充气止血带, 常规放置后稳定型旋转平台假体, 骨水泥固定术中不置换髌骨, 只清除髌骨骨赘, 修整髌骨关节面骨水泥固化后松止血带在导航系统辅助下屈伸活动膝关节, 收集膝关节活动时下肢力线和软组织平衡的数据放置引流管, 关闭切口五术中股骨远端外旋截骨角度的选择术前股骨远端外旋截骨角度的测量应用飞利浦 64 排 CT, 扫描厚度 2 mm 患膝股骨远端髁间轴线 (transepicondylar axis,tea) 与后髁轴线 (posterior condyle axis,pca) 的夹角, 即外旋角 (external rota tion angle,era, 图 2) 计算机导航系统需要在截骨前分别注册股骨远髁 AP 线 ( 即 Whiteside 线 ) 与 TEA 轴线术中股骨远端外旋截骨角度的选择是综合参考术前 CT 扫描测量结果与术中导航注册结果 ( 图 3) 若术中导航系统测得的外旋角与术前 CT 扫描的结果不一致, 则按照术前 CT 测得的外旋角进行截骨六观察指标记录截骨前膝关节屈曲时的下肢力线数据记录股骨前后髁截骨完成后截骨外旋角度与计算机导航系统注册股骨实际外旋图 3 术中所用的截骨板因为手术器械中并无外旋 2 4 和 6 的截骨板, 所以若测得外旋角为 2 4 或 6 时只能选择外旋角度为 3 5 或 7 的截骨板角度的差异假体骨水泥固定后松开止血带, 记录膝关节在被动无张力状态下屈曲时的下肢力线和软组织平衡数据七统计学处理采用 SPSS 13.(SPSS 公司, 美国 ) 统计软件包进行统计分析不同外旋角测量方法的比较采用配对 t 检验 ; 股骨远端截骨胫骨近端截骨与标准截骨面的比较采用 t 检验 ; 动态力线的变化采用线性回归分析 ; 膝关节屈伸过程中下肢动态力线的变化及其影响因素采用线性回归模型分析, 检验水准 α 值取.5 结果一术前与术中 ERA 角的比较术前 CT 扫描测量的 ERA 平均为 5.7 ±1.55, 其分布如图 4 所示只有 1% 的骨性关节炎患者其 6 图 2 股骨远端外旋角 (ERA) 指股骨后髁连线与股骨髁间轴线的夹角

4 中华骨科杂志 215 年 1 月第 35 卷第 1 期 Chin J Orthop, October 215, Vol. 35, No 股骨远端的外旋角度为 3 术中对骨性标志进行注册后, 分别以 AP 线 TEA AP 线与 TEA 平均值为参考, 由导航系统测量的 ERA 分别为 5.54 ± 2.86,5.21 ± 2.6,5.34 ± 2.38 与术前 CT 测量的 ERA 比较, 几种测量方法结果的差异均无统计学意义 ( 图 5) 二截骨对动态力线的影响截骨前膝关节从到 9 屈曲过程中 HKA 角的变异为 4.21 ±4.31 安装假体后 HKA 角的变异为 1.1 ±2.49 下肢动态力线的变化得到了明显的改善 (P<.1) 股骨远端截骨与胫骨近端截骨与标准截骨面 ( 分别于股骨和胫骨的机械轴线垂直 ) 的平均偏差分别为.23 ±1.9 和 -.38 ±.89, 与标准截骨角度均无统计学差异 (P=.198,P=.126) 术中进行股骨远端外旋截骨时,33 例患者 (43%) 使用了 3 外旋截骨板,29 例患者 (38%) 使用了 5 外旋截骨板,14 例患者 (18%) 使用 7 外旋截骨板以 AP 线与 TEA 平均值为标准, 有 1 例患者 (13%) 的股骨远端外旋截骨为过度外旋 ( 外旋组, 较平均值有超过 1 的外旋 ), 有 38 例患者 (5%) 为中立位 ( 中立组, 较平均值有小于 1 的外旋或内旋 ), 有 28 例患者 (37%) 为内旋 ( 内旋组, 较平均值有 1 以上的内旋 ) 外旋组中, 在膝关节屈曲至 9 过程中, 下肢力线呈逐渐内翻的变化趋势 (r 2 =.992,P=.3); 内旋组中, 在膝关节屈曲至 9 过程中, 下肢力线呈逐渐外翻的变化趋势 (r 2 =.964,P=.8); 中立组中, 膝关节屈曲至 9 过程中, 下肢力线围绕着线波动 (r 2 =.11,P=.61, 图 6) 内旋组的线性回归方程为 Y=.488X-.9965, 百分比 (%) CT 测量的外旋角 (ERA) 分布 7 8 图 4 术前 CT 测量的 ERA 角分布图, 仅有 1% 的患者 ERA 角为 3,64% 的患者 ERA 为 5 ~7 8 7 外旋角 (ERA, ) ERA-CT ERA-Whiteside line ERA-TEA ERA-Mean 测量方式图 5 四种不同方法测量所得 ERA 的比较,CT 与计算机导航系统测量所得 ERA 值的差异无统计学意义 ERA-CT 为术前 CT 扫描测量的股骨远端外旋角 ;ERA-Whiteside line 为以 AP 线为参考导航系统测量的股骨远端外旋角 ;ERA-TEA 为以 TEA 为参考导航系统测量的股骨远端外旋角 ;ERA-Mean 为综合 AP 线与 TEA 导航系统测量的股骨远端外旋角的平均值

5 152 中华骨科杂志 215 年 1 月第 35 卷第 1 期 Chin J Orthop, October 215, Vol. 35, No. 1 中立位组的线性回归方程为 Y=.16X-.4955, 外旋组的线性回归方程为 Y=-.268X 三术中软组织平衡及其对下肢力线的影响膝关节内外侧软组织平衡对下肢力线的影响也随膝关节屈伸活动呈动态变化假体安装后内外侧软组织平衡的变化趋势分为两类 :21%(16/76) 的患者在膝关节由伸直到屈曲 9 的过程中, 内外侧软组织张力均呈对称平衡状态 ;79%(6/76) 的患者内侧软组织张力在膝关节伸直时紧张, 在屈曲至 9 的过程中逐渐松弛 ( 图 7,8) 讨论一膝关节在伸屈活动过程中下肢力线呈动态变化完美的术后站立位下肢力线不代表良好的动态力线本研究结果表明膝关节由完全伸直位到屈曲 9 的过程中, 下肢力线存在以下三种变化趋势 :(1) 如果外旋截骨角度超过股骨本身的外旋角度, 膝关节由伸直至屈曲的过程中下肢力线呈逐渐内翻的趋势 ;(2) 如果外旋截骨角度小于股骨本身的外旋角度, 膝关节由伸直至屈曲的过程中下肢力线呈逐渐外翻的趋势 ;(3) 如果外旋截骨角度恰好与股骨本身的外旋角度一致, 膝关节由伸直至屈曲的过程中下肢力线则在附近波动若不考虑股骨远端与胫骨近端的内翻或外翻畸形因素, 下肢力线的动态变化是由股骨外旋截骨角度所决定因此, 通过术前 CT 测量股骨远端 ERA, 以此为参考制定术前计划, 术中实时结合导航系统的数据指导截骨, 可以得到更好的结果二截骨影响下肢力线的变化术后假体旋转对位不良会导致髌骨轨迹异常髌骨弹响内 ( 外 ) 翻畸形屈曲不稳及股骨前方骨 [22-26] 皮质的损伤 (notching) 等问题需要补充的是, 股骨远端的旋转力线并不总是准确无误, 因为实际手术假体安装完毕后经常会出现下肢内外翻畸形 [27] 和膝关节曲屈位的不稳虽然旋转假体允许一下肢力线 (mm) 内旋组中立位组外旋组膝关节屈曲角度 ( ) 图 6 膝关节由到 9 的屈曲活动过程中, 下肢动态力线的变化呈三种变化趋势, 表明膝关节屈伸变化过程中力线变化是不同的 2 内侧外侧 1 变异 ( ) 膝关节屈曲角度 ( ) 图 7 全膝关节置换术中截骨前内外侧软组织平衡示意图, 显示膝关节在接近伸直位时内侧软组织紧张, 随着膝关节屈曲角度增加, 内侧软组织逐渐变松弛蓝色实心圆点表示外侧软组织张力, 黑圈白点表示内侧软组织张力

6 中华骨科杂志 215 年 1 月第 35 卷第 1 期 Chin J Orthop, October 215, Vol. 35, No 内翻 / 外翻. 内翻.5 参考 AP 外旋 1. 外旋 1.5 参考 TEA 外旋 1.5 内侧 3 mm 外侧 8 mm 内侧 1 mm 外侧 7 mm A B C 变异 ( ) 2 1 内侧外侧屈曲角度 ( ) 膝关节屈曲角度 ( ) 下肢力线的变化曲线 ( ) 图 8 女,59 岁, 左膝骨关节炎, 行左侧人工全膝关节置换术 A 股骨远端截骨面内外翻对线为 B 胫骨近端截骨面内外翻对线为.5 C 股骨远端外旋截骨为过度外旋 1.5 D 截骨前内外侧软组织平衡示意图示伸直位内侧软组织松弛外侧软组织紧张, 随着屈曲角度增加, 外侧软组织逐渐松弛内侧软组织逐渐紧张 E 下肢动态力线趋势图示受股骨外旋截骨的作用, 下肢力线由伸直到屈曲的过程中应为逐渐内翻, 但因软组织平衡的影响, 其内翻趋势超出了外旋截骨的影响定程度的旋转对线不良, 但是其必然导致聚乙烯衬 [28] 垫与膝关节周围结构的撞击在本研究之前, 我们进行股骨远端外旋截骨时也常规选择外旋 3 截 [26] 骨但是, 也有一些专家认为不能完全信任计算机导航系统, 因为计算机导航系统的可重复性差, 受 [29-3] 到术者对骨性标志注册的影响目前, 术前 CT [31] 测量 ERA 被认为是比较准确的方法对此, 本研究将术前 CT 测得的 ERA 作为标准参考, 以此来校正导航系统可能产生的误差本研究结果显示, ERA 平均值为 5.7, 只有 1% 的患者为 3 Wine maker [32] 认为对所有患者均选用 3 外旋截骨, 可能会导致部分患者外旋截骨角度过小, 术后出现膝关节曲屈位的不稳定三软组织平衡对下肢动态力线的影响在 TKA 手术中除了股骨外旋截骨会影响下肢动态力线外, 软组织平衡也会影响其变化良好的 [33] 软组织平衡与标准的截骨技术同样重要软组织平衡不良可导致假体使用寿命缩短及早期假体 [34-35] 失败等问题根据术中导航记录结果显示伴有内翻畸形的骨关节炎患者, 在大多数情况下均存在内侧软组织在伸膝时紧张屈膝时松弛的情况 ( 图 7) 因此, 术中软组织的松解应该遵守循序渐进的原则, 才能避免因软组织平衡不良导致的膝关节不稳下肢力线变异过大等问题 ( 图 8) 四本研究的局限性 (1) 正常人下肢动态力线情况尚不清楚, 缺少参照标准 ;(2) 术前 ERA 结果为重度骨关节炎的膝关节测量所得, 此测量结果并不代表正常成年人 ; (3) 除股骨远端外旋截骨外, 股骨内 ( 外 ) 翻截骨胫骨内 ( 外 ) 翻截骨软组织平衡胫骨与股骨的轴向旋转活动等还有待于我们进一步研究 ;(4) 不同变化形式的下肢动态力线对手术疗效及假体远期寿命的影响目前, 尚不清楚, 还有待于进一步的随访人工全膝关节置换术后下肢力线在膝关节屈伸活动过程中呈动态变化, 其动态变化的趋势受股骨远端外旋截骨角度的影响参考文献 [1]Rand JA, Coventry MB. Ten year evaluation of geometric total knee arthroplasty[j]. Clin Orthop Relat Res, 1988(232): [2]Jeffrey RS, Morris RW, Denham RA. Coronal alignment after total knee replacement[j]. J Bone Joint Surg Br, 1991, 73(5): [3]Bäthis H, Perlick L, Tingart M, et al. Alignment in total knee ar throplasty. A comparison of computer assisted surgery with the

7 154 中华骨科杂志 215 年 1 月第 35 卷第 1 期 Chin J Orthop, October 215, Vol. 35, No. 1 conventional technique[j]. J Bone Joint Surg Br, 24, 86(5): [4]Jenny JY, Boeri C. Computer assisted implantation of a total knee arthroplasty: a case controlled study in comparison with classical instrumentation[j]. Rev Chir Orthop, 21, 87(7): [5]Sparmann M, Wolke B, Czupalla H, et al. Positioning of total knee arthroplasty with and without navigation sup port. A prospec tive randomised study[j]. J Bone Joint Surg Br, 23, 85(6): [6]Stindel E, Briard JL, Merloz P, et al. Bone morphing: 3D morpho logical data for total knee arthroplasty[j]. Comput Aided Surg, 22, 7(3): [7]Zorman D, Etuin P, Jennart H, et al. Computer assisted total knee arthroplasty: comparative results in a preliminary series of 72 cas es[j]. Acta Orthop Belg, 25, 71(6): [8]Daniilidis K, Tibesku CO. Frontal plane alignment after total knee arthroplasty using patient specific instruments[j]. Int Or thop, 213, 37(1): [9]Stulberg SD. 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2016-03 中华骨科杂志 2016 年 2 月第 36 卷第 3 期 Chin J Orthop, February 2016, Vol. 36, No. 3 143 个性化手术导板在全膝关节置换术中的应用临床论著邱冰张明娇唐本森刘非朱伟民甄东刘方邓必勇 550007 贵阳, 贵州省骨科医院 ( 邱