全膝关节置换术后股胫关节运动学轨迹的数字化模型研究

         随着全膝关节置换术(TKA)的广泛开展,其术后关节运动学轨迹的研究愈发重要,相关的研究成果可以为假体设计和提高术后功能提供理论依据.既往有学者采用不同的观察方法分析TKA术后膝关节运动学特征,包括尸体研究、步态分析、MRI准动态测试、体内透视、建立有限元模型等,尸体研究或建立有限元模型的方法不能准确模拟体内的生物力学环境;MRI准动态测试花费高;步态分析方法的体表标定点不牢靠,测量结果误差大;在体Ⅹ线测量研究是在单平面图像上估计股骨、胫骨的接触位置阝l,即使能够获得膝关节动态的运动学数据,也只能进行平面内测量ⅡJ∶.
         体内透视测量可以观察假体在体内的真实运动状态,不受关节周围软组织的影响,将摄取的影像学数据进行处理,结合数字化模型,还原单平面数据为立体数据,获得假体的三维运动轨迹,精确真实地再现TKA术后关节的运动学特征.
         本研究采用假体在体透视和数字化模型匹配的方法,回顾性分析接受GENESISⅡ假体TKA手术患者股胫关节的运动学轨迹.研究目的:(1)探讨股骨内外髁在胫骨平台上的相对运动与正常膝关节的异同;(2)观察股骨凸轮和立柱的接触是否受胫骨假体后倾角度的影响;(3)为假体设计及手术技术改进如何减少凸轮立柱磨损提供依据.
         资料与方法 
         —、一般资料 2007年7月至2008年6月,接受GENEⅡ后稳定型假体(Smhh-Nephew,美国)单侧TKA手术的患者16例.均为女性,年龄56~76岁,平均66.4岁.右侧8例,左侧8例.术前诊断均为膝关节骨关节炎.术前膝关节活动度为65°~110°,平均95°±12°;膝关节学会评分(KSS)23~75分,平均(51±14)分;KSS功能评分15~60分,平均(50±11)分.
         二、手术方法 手术均由同一位医生完成.全部采用膝前正中纵行切口,髌旁内侧人路.切除部分滑膜及髌下脂肪垫,按GENESISⅡ假体要求进行截骨.股骨远端外翻6°截骨,后参考测量大小,行水平股骨前后髁截骨,胫骨后倾3°截骨.松解内、外侧副韧带及后关节囊,安放假体试模,复位后检查关节稳定性,无拇指试验检验髌骨轨迹.以骨水泥固定假体,行髌骨周围去神经化及髌骨成形.
         三、评估指标和测量方法
         (—)临床疗效
         2012年6月统一随访,依据KSS膝评分及功能评分评估膝关节功能;拍摄标准膝关节正位和侧位Ⅹ线片,观察有无假体松动,测量胫骨假体后倾角.
         (二)运动学数据收集 使用数字化透视系统(⒌nial-vi⒍on乩lineⅡ,岛津,日本)进行透视.患者于侧卧位下完成主动匀速屈曲膝关节运动,即从膝关节伸直到大屈曲一次,全程控制在15~20s内完成.获取膝关节屈伸活动全过程的影像学数据,采集频率7.5帧/秒(图1).
         (三)数字化建模对假体进行体外三维扫描,使用逆向工程软件(Geomagic哎udio12,Geomagic,美国)进行三维重建,得到假体的数字化模型,即GENESISⅡ股骨假体、胫骨假体和胫骨垫片(图2).
         (四)数字化模型和运动学数据配准参考文献方法Ⅲ,通过Ⅹ线透视系统参数建立图像与模型之间的投影关系,在二维Ⅹ线图像序列中自动提取假体轮廓作为假体模型的注册对象,根据投影关系建立目标函数,按先后顺序对Ⅹ线图像进行2Il-3D自动注册,重建膝关节三维运动(图3).
         (五)运动学参数测量 1.测量股骨假体和胫骨垫片接触位置的移动(图4):计算股骨假体内髁和外髁在胫骨垫片上的运动范围,通过内外髁接触点连线的方向变化计算胫骨相对于股骨的旋转角度.定义膝关节屈曲σ时股骨内外髁位置为0点,胫骨旋转为σ,股骨髁前移为负、后移为正,胫骨相对于股骨内旋为正、外旋为负.
         2.测量股骨假体在稳定柱后方的接触时相(图5):当股骨凸轮与胫骨立柱初始接触时对应的屈膝角度为α,凸轮与立柱接触之后的屈膝过程中与稳定柱接触点的移动范围为d.
         (六)实验精度
         本研究使用单平面成像,得到的数据在成像平面的精度为0.4~0.8mm,旋转精度为0.5°~1°,可以满足膝关节运动学实验研究的要求[l"11].
         四、统计学处理
         采用SPSS21.0统计软件(IBM,美国)进行统计学处理.汁量资料以均值±标准差表示,手术前后膝关节活动度及KSS膝关节评分的比较采用配对设计资料苫检验,胫骨平台倾斜角度与凸轮立柱接触时相的相关性采用Pearscln检验,检验水准α值取双侧0.05⊙结果全部患者随访48~60个月,平均56个月.无翻修病例,假体生存率.无影像学松动表现.
         结果
         一、膝关节功能
         末次随访时膝关节活动度、KSS膝评分及功能评分均较术前改善,差异有统计学意义(表1).
         二、影像学参数
         (一)股胫关节的相对运动 膝关节屈曲0°△OO°,股骨内髁移动(8.5夕.5)mm,外髁移动(9.5±4.8)mm(图6),胫骨相对股骨向内旋转2.5°±8.4°.膝关节屈曲10°-30°,股骨内髁向前移动(1.7￡.0)mm,外髁向后移动(0.1±3.3)mm.
膝关节屈曲超过40°时,内外髁的后滚持续增加.
         (二)股骨凸轮和胫骨立柱的接触
         股骨凸轮在膝关节屈曲(α角)至33°±6°时与胫骨立柱开始接触,至膝关节屈曲100°时凸轮和立柱接触点的移动范围(d)为(8夕)mm,胫骨假体安放的后倾角为2.9°±1.5°.相关性分析发现,胫骨平台后倾角与α角呈正相关(″0.711,肚0.OO2,图7).胫骨平台后倾角越大,凸轮立柱的接触越晚;胫骨平台后倾角越小,凸轮立柱接触越早.
         讨论
         —、股骨内外髁在胫骨平台上的后滚运动和胫骨内旋运动本研究中,股骨内髁在屈曲过程中平均移动了(8.5±2.5)mm,外髁平均移动了(9,5".8)mm.在膝关节屈曲σ~30°时,股骨相对胫骨出现了小幅度前移,主要是内髁移动;当屈曲超过40°时,股骨内髁和外髁开始明显后移,外髁移动幅度大于内髁,移动幅度随屈曲角度增加而增大,胫骨出现向内旋转运动.Dennis等[⒓]对正常膝关节进行研究发现,膝关节屈曲角度增大时滚动运动和滑动运动同时存在,外侧关节间室的股胫关节后移更大.内、外侧关节间室之间不对称的运动使胫骨相对股骨发生内旋.正常膝关节从伸直位至完全屈曲位股骨内髁向后移动12.7mm,外髁移动19mm[:].本研究中TKA术后膝关节内、外髁的移动较正常膝关节幅度小,内、外侧的差别没有生理状态下明显,胫骨的内旋幅度也较生理膝关节幅度小.许多学者的研究也得到相同的结论.
        

         后十字韧带是引导股骨后滚的重要解剖结构.而后稳定型假体的cam~post结构不可能完全复制后十字韧带的功能[n],即失去了正常后十字韧带的引导,TKA术后股骨后滚和胫骨内旋幅度均较小.Mallon等[⒙]认为这在固定平台假体中更明显.在他们的研究中,胫骨内旋幅度为1.15°±5.12°(-8°~9°).Moon.t等[⒚]认为这种现象与假体设计有关,MedialPiovt设计的假体术后股胫关节活动幅度小于正常膝关节,胫骨内旋幅度为7°←3°~12°)、股骨外髁后移幅度为11mm.
         股骨的反常性前移多表现在使用保留后十字韧带型假体的病例中.在膝关节屈曲时,髌韧带的牵拉在胫骨上可产生向后的剪切力,这种应力通常被后十字韧带的张力所克服.后十字韧带功能和张力不足,可引起股骨相对胫骨前移.股骨向前滑动产生膝关节屈曲轴前移、伸膝装置紧张及软组织张力增加.
         在后稳定型假体中,凸轮和立柱的接触可以阻止这种股骨前移的趋势.本研究中,股骨髁在0~30°有小幅度前移,这种前移主要来自股骨内髁.随后凸轮和立柱在膝关节屈曲33°±6°时开始出现接触,屈曲超过40°时股骨髁开始明显后移.这很好地证明了凸轮和立柱的接触可以阻止股骨前移.
         二、股骨凸轮和胫骨立柱接触时相
         在本研究中,凸轮和立柱的接触主要发生在膝关节屈曲30°叫0°以后,即胫骨立柱的后十字韧带替代作用在膝关节屈曲30°~40°以后开始出现.这刚好可以解释本研究中股骨后滚运动主要发生在膝关节屈曲40°以后的原因.TKA术后膝关节屈曲0°~30°时,股骨凸轮和胫骨立柱没有接触,股骨髁的运动以滚动为主,可能会有小幅度前移,内、外髁运动幅度差别不大;当膝关节屈曲大于40°时,股骨凸轮和胫骨立柱开始接触,股骨前移被阻止,并且在凸轮立柱所产生的类似后十字韧带作用的引导下开始后滚,外髁幅度大于内髁,胫骨出现内旋.凸轮和立柱的接触点随膝关节屈曲角度加大而降低.屈曲超过90°时接触点又开始上升,移动范围是(8⒑±1.8)mm.
         股骨在垫片上的运动模式可导致垫片特定区域的磨损,磨损范围大约为1cm.在Wimmcr等和Paterson等的研究中m91],观察取出的假体可发现垫片磨损位置与本研究一致.
         胫骨平台的倾斜角度与凸轮立柱的接触时相呈正相关:平台后倾角度越大,凸轮立柱的接触越晚;平台后倾角度越小,凸轮立柱接触越早:我们认为,这是由于胫骨平台后倾越大股骨假体在重力作用下相对后移越多,凸轮和立柱的相对距离加大,凸轮和立柱接触的时相延迟.因此当胫骨平台的后倾角度较小甚至前倾的时候,凸轮和立柱可能会过早接触,更容易在立柱后方产生磨损.
         Catani等回采用在体膝关节运动测量建立膝关节有限元模型,同时采用离体压力传感器测量了5例TKA术后胫股关节的运动接触.研究结果表明,内外侧接触点移动范围约10mm,外侧略大于内侧,同时稳定柱后方的接触发生在膝关节屈曲30°左右.这一结果与本研究一致.
         Catani等囫的研究还发现在上楼梯的过程中,膝关节逐渐伸直至10°~0°范围时,立柱和股骨假体前方可能出现接触.而在本研究中没有观察到垫片立柱前方和股骨假体滑车切迹发生接触.这可能与运动模式不同有关.上楼梯时伸膝装置做功,股四头肌和髌韧带的联合作用可能会使股骨相对胫骨发生小幅度后移,当膝关节伸直时即可能出现立柱和股骨假体的接触.另外,假体的设计也是影响因素之—.Ham乩等臼比较了三种不同假体的股骨滑车切迹和胫骨立柱的组合,发现在假体放置合适的情况下,GENE⒏SⅡ假体前方出现接触的风险低,这与垫片中柱的几何形状有关,与股骨滑车切迹的设计也有密切关系.
         三、本研究的局限性和方向
         本研究应用体内透视和数字化模型结合的方法重建膝关节运动状态,在还原假体在体内的真实性方面较既往的研究更具优势,能够客观精确地观察TKA术后股胫关节的运动学轨迹.由于研究采用单平面设计,观察在成像平面上的运动精度较高,因此实验中采取侧卧位进行数据采集,目的是使矢状面的运动测量更为精确.如需观察与成像平面垂直的冠状面运动则需要加测数据来校验㈤笾.如何能够在现有条件下同时进行多平面数据采集并进行同步尚需进一步探讨:在完善解剖标志的精确标定匹配后,可以应用该方法观察和测量包括髌股关节在内的膝关节三间室的运动轨迹,甚至推广到其他关节的运动学研究.
本研究纳入病例较少,在对更多病例进行临床随访和运动学分析以后,我们就可以对术后功能评分和运动轨迹进行相关性研究,从而为假体设计和手术技术提供可靠的参考资料,这也是我们下一步研究的方向:
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