全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后股脛關(guān)節(jié)運動學(xué)軌跡的數(shù)字化模型研究

         隨著全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(TKA)的廣泛開展,其術(shù)后關(guān)節(jié)運動學(xué)軌跡的研究愈發(fā)重要,相關(guān)的研究成果可以為假體設(shè)計和提高術(shù)后功能提供理論依據(jù).既往有學(xué)者采用不同的觀察方法分析TKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)運動學(xué)特征,包括尸體研究、步態(tài)分析、MRI準動態(tài)測試、體內(nèi)透視、建立有限元模型等,尸體研究或建立有限元模型的方法不能準確模擬體內(nèi)的生物力學(xué)環(huán)境;MRI準動態(tài)測試花費高;步態(tài)分析方法的體表標(biāo)定點不牢靠,測量結(jié)果誤差大;在體Ⅹ線測量研究是在單平面圖像上估計股骨、脛骨的接觸位置阝l,即使能夠獲得膝關(guān)節(jié)動態(tài)的運動學(xué)數(shù)據(jù),也只能進行平面內(nèi)測量ⅡJ∶.
         體內(nèi)透視測量可以觀察假體在體內(nèi)的真實運動狀態(tài),不受關(guān)節(jié)周圍軟組織的影響,將攝取的影像學(xué)數(shù)據(jù)進行處理,結(jié)合數(shù)字化模型,還原單平面數(shù)據(jù)為立體數(shù)據(jù),獲得假體的三維運動軌跡,精確真實地再現(xiàn)TKA術(shù)后關(guān)節(jié)的運動學(xué)特征.
         本研究采用假體在體透視和數(shù)字化模型匹配的方法,回顧性分析接受GENESISⅡ假體TKA手術(shù)患者股脛關(guān)節(jié)的運動學(xué)軌跡.研究目的:(1)探討股骨內(nèi)外髁在脛骨平臺上的相對運動與正常膝關(guān)節(jié)的異同;(2)觀察股骨凸輪和立柱的接觸是否受脛骨假體后傾角度的影響;(3)為假體設(shè)計及手術(shù)技術(shù)改進如何減少凸輪立柱磨損提供依據(jù).
         資料與方法 
         —、一般資料 2007年7月至2008年6月,接受GENEⅡ后穩(wěn)定型假體(Smhh-Nephew,美國)單側(cè)TKA手術(shù)的患者16例.均為女性,年齡56~76歲,平均66.4歲.右側(cè)8例,左側(cè)8例.術(shù)前診斷均為膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎.術(shù)前膝關(guān)節(jié)活動度為65°~110°,平均95°±12°;膝關(guān)節(jié)學(xué)會評分(KSS)23~75分,平均(51±14)分;KSS功能評分15~60分,平均(50±11)分.
         二、手術(shù)方法 手術(shù)均由同一位醫(yī)生完成.全部采用膝前正中縱行切口,髕旁內(nèi)側(cè)人路.切除部分滑膜及髕下脂肪墊,按GENESISⅡ假體要求進行截骨.股骨遠端外翻6°截骨,后參考測量大小,行水平股骨前后髁截骨,脛骨后傾3°截骨.松解內(nèi)、外側(cè)副韌帶及后關(guān)節(jié)囊,安放假體試模,復(fù)位后檢查關(guān)節(jié)穩(wěn)定性,無拇指試驗檢驗髕骨軌跡.以骨水泥固定假體,行髕骨周圍去神經(jīng)化及髕骨成形.
         三、評估指標(biāo)和測量方法
         (—)臨床療效
         2012年6月統(tǒng)一隨訪,依據(jù)KSS膝評分及功能評分評估膝關(guān)節(jié)功能;拍攝標(biāo)準膝關(guān)節(jié)正位和側(cè)位Ⅹ線片,觀察有無假體松動,測量脛骨假體后傾角.
         (二)運動學(xué)數(shù)據(jù)收集 使用數(shù)字化透視系統(tǒng)(⒌nial-vi⒍on乩lineⅡ,島津,日本)進行透視.患者于側(cè)臥位下完成主動勻速屈曲膝關(guān)節(jié)運動,即從膝關(guān)節(jié)伸直到大屈曲一次,全程控制在15~20s內(nèi)完成.獲取膝關(guān)節(jié)屈伸活動全過程的影像學(xué)數(shù)據(jù),采集頻率7.5幀/秒(圖1).
         (三)數(shù)字化建模對假體進行體外三維掃描,使用逆向工程軟件(Geomagic哎udio12,Geomagic,美國)進行三維重建,得到假體的數(shù)字化模型,即GENESISⅡ股骨假體、脛骨假體和脛骨墊片(圖2).
         (四)數(shù)字化模型和運動學(xué)數(shù)據(jù)配準參考文獻方法Ⅲ,通過Ⅹ線透視系統(tǒng)參數(shù)建立圖像與模型之間的投影關(guān)系,在二維Ⅹ線圖像序列中自動提取假體輪廓作為假體模型的注冊對象,根據(jù)投影關(guān)系建立目標(biāo)函數(shù),按先后順序?qū)Β€圖像進行2Il-3D自動注冊,重建膝關(guān)節(jié)三維運動(圖3).
         (五)運動學(xué)參數(shù)測量 1.測量股骨假體和脛骨墊片接觸位置的移動(圖4):計算股骨假體內(nèi)髁和外髁在脛骨墊片上的運動范圍,通過內(nèi)外髁接觸點連線的方向變化計算脛骨相對于股骨的旋轉(zhuǎn)角度.定義膝關(guān)節(jié)屈曲σ時股骨內(nèi)外髁位置為0點,脛骨旋轉(zhuǎn)為σ,股骨髁前移為負、后移為正,脛骨相對于股骨內(nèi)旋為正、外旋為負.
         2.測量股骨假體在穩(wěn)定柱后方的接觸時相(圖5):當(dāng)股骨凸輪與脛骨立柱初始接觸時對應(yīng)的屈膝角度為α,凸輪與立柱接觸之后的屈膝過程中與穩(wěn)定柱接觸點的移動范圍為d.
         (六)實驗精度
         本研究使用單平面成像,得到的數(shù)據(jù)在成像平面的精度為0.4~0.8mm,旋轉(zhuǎn)精度為0.5°~1°,可以滿足膝關(guān)節(jié)運動學(xué)實驗研究的要求[l"11].
         四、統(tǒng)計學(xué)處理
         采用SPSS21.0統(tǒng)計軟件(IBM,美國)進行統(tǒng)計學(xué)處理.汁量資料以均值±標(biāo)準差表示,手術(shù)前后膝關(guān)節(jié)活動度及KSS膝關(guān)節(jié)評分的比較采用配對設(shè)計資料苫檢驗,脛骨平臺傾斜角度與凸輪立柱接觸時相的相關(guān)性采用Pearscln檢驗,檢驗水準α值取雙側(cè)0.05⊙結(jié)果全部患者隨訪48~60個月,平均56個月.無翻修病例,假體生存率.無影像學(xué)松動表現(xiàn).
         結(jié)果
         一、膝關(guān)節(jié)功能
         末次隨訪時膝關(guān)節(jié)活動度、KSS膝評分及功能評分均較術(shù)前改善,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(表1).
         二、影像學(xué)參數(shù)
         (一)股脛關(guān)節(jié)的相對運動 膝關(guān)節(jié)屈曲0°△OO°,股骨內(nèi)髁移動(8.5夕.5)mm,外髁移動(9.5±4.8)mm(圖6),脛骨相對股骨向內(nèi)旋轉(zhuǎn)2.5°±8.4°.膝關(guān)節(jié)屈曲10°-30°,股骨內(nèi)髁向前移動(1.7￡.0)mm,外髁向后移動(0.1±3.3)mm.
膝關(guān)節(jié)屈曲超過40°時,內(nèi)外髁的后滾持續(xù)增加.
         (二)股骨凸輪和脛骨立柱的接觸
         股骨凸輪在膝關(guān)節(jié)屈曲(α角)至33°±6°時與脛骨立柱開始接觸,至膝關(guān)節(jié)屈曲100°時凸輪和立柱接觸點的移動范圍(d)為(8夕)mm,脛骨假體安放的后傾角為2.9°±1.5°.相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),脛骨平臺后傾角與α角呈正相關(guān)(″0.711,肚0.OO2,圖7).脛骨平臺后傾角越大,凸輪立柱的接觸越晚;脛骨平臺后傾角越小,凸輪立柱接觸越早.
         討論
         —、股骨內(nèi)外髁在脛骨平臺上的后滾運動和脛骨內(nèi)旋運動本研究中,股骨內(nèi)髁在屈曲過程中平均移動了(8.5±2.5)mm,外髁平均移動了(9,5".8)mm.在膝關(guān)節(jié)屈曲σ~30°時,股骨相對脛骨出現(xiàn)了小幅度前移,主要是內(nèi)髁移動;當(dāng)屈曲超過40°時,股骨內(nèi)髁和外髁開始明顯后移,外髁移動幅度大于內(nèi)髁,移動幅度隨屈曲角度增加而增大,脛骨出現(xiàn)向內(nèi)旋轉(zhuǎn)運動.Dennis等[⒓]對正常膝關(guān)節(jié)進行研究發(fā)現(xiàn),膝關(guān)節(jié)屈曲角度增大時滾動運動和滑動運動同時存在,外側(cè)關(guān)節(jié)間室的股脛關(guān)節(jié)后移更大.內(nèi)、外側(cè)關(guān)節(jié)間室之間不對稱的運動使脛骨相對股骨發(fā)生內(nèi)旋.正常膝關(guān)節(jié)從伸直位至完全屈曲位股骨內(nèi)髁向后移動12.7mm,外髁移動19mm[:].本研究中TKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)內(nèi)、外髁的移動較正常膝關(guān)節(jié)幅度小,內(nèi)、外側(cè)的差別沒有生理狀態(tài)下明顯,脛骨的內(nèi)旋幅度也較生理膝關(guān)節(jié)幅度小.許多學(xué)者的研究也得到相同的結(jié)論.
        

         后十字韌帶是引導(dǎo)股骨后滾的重要解剖結(jié)構(gòu).而后穩(wěn)定型假體的cam~post結(jié)構(gòu)不可能完全復(fù)制后十字韌帶的功能[n],即失去了正常后十字韌帶的引導(dǎo),TKA術(shù)后股骨后滾和脛骨內(nèi)旋幅度均較小.Mallon等[⒙]認為這在固定平臺假體中更明顯.在他們的研究中,脛骨內(nèi)旋幅度為1.15°±5.12°(-8°~9°).Moon.t等[⒚]認為這種現(xiàn)象與假體設(shè)計有關(guān),MedialPiovt設(shè)計的假體術(shù)后股脛關(guān)節(jié)活動幅度小于正常膝關(guān)節(jié),脛骨內(nèi)旋幅度為7°←3°~12°)、股骨外髁后移幅度為11mm.
         股骨的反常性前移多表現(xiàn)在使用保留后十字韌帶型假體的病例中.在膝關(guān)節(jié)屈曲時,髕韌帶的牽拉在脛骨上可產(chǎn)生向后的剪切力,這種應(yīng)力通常被后十字韌帶的張力所克服.后十字韌帶功能和張力不足,可引起股骨相對脛骨前移.股骨向前滑動產(chǎn)生膝關(guān)節(jié)屈曲軸前移、伸膝裝置緊張及軟組織張力增加.
         在后穩(wěn)定型假體中,凸輪和立柱的接觸可以阻止這種股骨前移的趨勢.本研究中,股骨髁在0~30°有小幅度前移,這種前移主要來自股骨內(nèi)髁.隨后凸輪和立柱在膝關(guān)節(jié)屈曲33°±6°時開始出現(xiàn)接觸,屈曲超過40°時股骨髁開始明顯后移.這很好地證明了凸輪和立柱的接觸可以阻止股骨前移.
         二、股骨凸輪和脛骨立柱接觸時相
         在本研究中,凸輪和立柱的接觸主要發(fā)生在膝關(guān)節(jié)屈曲30°叫0°以后,即脛骨立柱的后十字韌帶替代作用在膝關(guān)節(jié)屈曲30°~40°以后開始出現(xiàn).這剛好可以解釋本研究中股骨后滾運動主要發(fā)生在膝關(guān)節(jié)屈曲40°以后的原因.TKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)屈曲0°~30°時,股骨凸輪和脛骨立柱沒有接觸,股骨髁的運動以滾動為主,可能會有小幅度前移,內(nèi)、外髁運動幅度差別不大;當(dāng)膝關(guān)節(jié)屈曲大于40°時,股骨凸輪和脛骨立柱開始接觸,股骨前移被阻止,并且在凸輪立柱所產(chǎn)生的類似后十字韌帶作用的引導(dǎo)下開始后滾,外髁幅度大于內(nèi)髁,脛骨出現(xiàn)內(nèi)旋.凸輪和立柱的接觸點隨膝關(guān)節(jié)屈曲角度加大而降低.屈曲超過90°時接觸點又開始上升,移動范圍是(8⒑±1.8)mm.
         股骨在墊片上的運動模式可導(dǎo)致墊片特定區(qū)域的磨損,磨損范圍大約為1cm.在Wimmcr等和Paterson等的研究中m91],觀察取出的假體可發(fā)現(xiàn)墊片磨損位置與本研究一致.
         脛骨平臺的傾斜角度與凸輪立柱的接觸時相呈正相關(guān):平臺后傾角度越大,凸輪立柱的接觸越晚;平臺后傾角度越小,凸輪立柱接觸越早:我們認為,這是由于脛骨平臺后傾越大股骨假體在重力作用下相對后移越多,凸輪和立柱的相對距離加大,凸輪和立柱接觸的時相延遲.因此當(dāng)脛骨平臺的后傾角度較小甚至前傾的時候,凸輪和立柱可能會過早接觸,更容易在立柱后方產(chǎn)生磨損.
         Catani等回采用在體膝關(guān)節(jié)運動測量建立膝關(guān)節(jié)有限元模型,同時采用離體壓力傳感器測量了5例TKA術(shù)后脛股關(guān)節(jié)的運動接觸.研究結(jié)果表明,內(nèi)外側(cè)接觸點移動范圍約10mm,外側(cè)略大于內(nèi)側(cè),同時穩(wěn)定柱后方的接觸發(fā)生在膝關(guān)節(jié)屈曲30°左右.這一結(jié)果與本研究一致.
         Catani等囫的研究還發(fā)現(xiàn)在上樓梯的過程中,膝關(guān)節(jié)逐漸伸直至10°~0°范圍時,立柱和股骨假體前方可能出現(xiàn)接觸.而在本研究中沒有觀察到墊片立柱前方和股骨假體滑車切跡發(fā)生接觸.這可能與運動模式不同有關(guān).上樓梯時伸膝裝置做功,股四頭肌和髕韌帶的聯(lián)合作用可能會使股骨相對脛骨發(fā)生小幅度后移,當(dāng)膝關(guān)節(jié)伸直時即可能出現(xiàn)立柱和股骨假體的接觸.另外,假體的設(shè)計也是影響因素之—.Ham乩等臼比較了三種不同假體的股骨滑車切跡和脛骨立柱的組合,發(fā)現(xiàn)在假體放置合適的情況下,GENE⒏SⅡ假體前方出現(xiàn)接觸的風(fēng)險低,這與墊片中柱的幾何形狀有關(guān),與股骨滑車切跡的設(shè)計也有密切關(guān)系.
         三、本研究的局限性和方向
         本研究應(yīng)用體內(nèi)透視和數(shù)字化模型結(jié)合的方法重建膝關(guān)節(jié)運動狀態(tài),在還原假體在體內(nèi)的真實性方面較既往的研究更具優(yōu)勢,能夠客觀精確地觀察TKA術(shù)后股脛關(guān)節(jié)的運動學(xué)軌跡.由于研究采用單平面設(shè)計,觀察在成像平面上的運動精度較高,因此實驗中采取側(cè)臥位進行數(shù)據(jù)采集,目的是使矢狀面的運動測量更為精確.如需觀察與成像平面垂直的冠狀面運動則需要加測數(shù)據(jù)來校驗㈤籩.如何能夠在現(xiàn)有條件下同時進行多平面數(shù)據(jù)采集并進行同步尚需進一步探討:在完善解剖標(biāo)志的精確標(biāo)定匹配后,可以應(yīng)用該方法觀察和測量包括髕股關(guān)節(jié)在內(nèi)的膝關(guān)節(jié)三間室的運動軌跡,甚至推廣到其他關(guān)節(jié)的運動學(xué)研究.
本研究納入病例較少,在對更多病例進行臨床隨訪和運動學(xué)分析以后,我們就可以對術(shù)后功能評分和運動軌跡進行相關(guān)性研究,從而為假體設(shè)計和手術(shù)技術(shù)提供可靠的參考資料,這也是我們下一步研究的方向:
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