运动力学对线在初次全膝关节置换术中的应用研究进展

彭慧明 蒋超 翁习生

（中国医学科学院北京协和医学院北京协和医院骨科，北京100730）

全膝关节置换术（total knee arthroplasty,TKA）是治疗终末期膝关节疾病、缓解疼痛、提高患者生活质量的有效方法[1]。TKA术中精准的截骨对线，对患者术后功能的恢复及假体的远期生存是至关重要的。经典的机械力学对线（mechanical alignment,MA）的方法已经应用了30余年[1]；它着眼于重建二维平面上髋-膝-踝中心轴即机械力线来恢复下肢力线，通过股骨假体外旋，胫骨假体内旋，并垂直于机械力线截骨创造出平行的伸直-屈曲间隙安放膝关节假体。这一对线方法被广泛应用于临床，并获得了良好的临床效果或长期假体生存[2,3]。

但 Bellemans[4]、Fang［5］等的研究表明，下肢力线随负重及屈膝程度而呈动态改变，绝大部分人下肢力线并非中立位，而稍呈内翻状态，男性较女性内翻角度大。因此，同一而论的MA-TKA只能简易模拟膝关节运动模式，不能完全恢复膝关节正常运动状态。同时临床随访发现高达20%的患者对MA-TKA效果不满意[6]。原因是多方面的，但可能的原因与MA-TKA术后未能完全重建膝关节运动学特征，改变软组织张力相关[7]。

在这种背景下，Ma等[8]提出运动力学对线（kinematical alignment，KA），即参考膝关节本身的运动轴进行截骨，尽可能恢复膝关节正常生物力学状态。临床研究[9,10]显示，KA-TKA在提高术后早期膝关节功能评分、改善膝关节活动度及增加患者满意度方面较MA-TKA可能更佳；但对其长期随访结果，是否会影响假体远期生存，对髌骨轨迹的影响仍不清楚。本文对KA-TKA相关基本原理，手术方法，与MA-TKA临床结果进行综述，旨在为临床提供参考。

1 技术理念

理想状态下，站立时股骨头中心与距骨顶中心的连线通过膝关节中心，称为中立力学轴即机械轴。MA-TKA选择垂直于该轴进行截骨，追求保持下肢力线中立位或内/外翻成角小于3°。但如前文所述，绝大部分人下肢力线并非中立位而呈稍内翻状态。有报道指出，98%正常人的下肢力线不是中立位，其中76%下肢力线偏离中立位的角度大于3°[5]。KA-TKA定位寻求使股骨假体与FEA对准，而MATKA要求胫骨近端截骨垂直于胫骨机械轴，屈膝90°位置股骨后髁截骨为获得与胫骨近端平行，所以股骨后髁截骨一般相对内旋3°（图1）；KA可增加侧副韧带的生理松弛性，关节线倾斜度增加。而MA可能与正常膝关节解剖不匹配，需要对侧副韧带过多的松解。Howell等[7,11]在临床上使用KA-TKA技术，力图最大程度地将膝关节恢复至病变前运动状态。正常膝关节胫骨平台内侧低于外侧，股骨内髁关节面较股骨外髁关节面偏下、偏后。相对于下肢力线，胫骨平台有约3°内翻，股骨髁关节面有约9°外翻，加上膝关节韧带的作用，使膝关节运动非常复杂，其中包括胫股关节屈伸、屈曲时胫骨相对股骨内旋及髌股关节运动。膝关节运动时形成胫骨屈伸轴、髌骨屈伸轴、胫骨内外旋轴等3条运动轴。KA-TKA力图重建此3条运动轴，术中股骨末梢、后髁及胫骨近端截骨厚度均与备用假体厚度一致，安置假体时参考6个自由度（前-后、近端-远端、内-外、屈-伸、内翻-外翻、内旋-外旋），调整假体三维空间位置，试图恢复患侧膝关节病前或生理侧力线状态。

图1 X线片上测量的机械轴

2 技术原理及重点

2.1 术前膝关节MR重建及患者个体化截骨模具制备

KA-TKA最主要的目标是确认股骨、胫骨截骨水平及假体安放角度恢复至生理侧膝关节（或患病前膝关节），而不是单纯寻求下肢力线的中立位。KATKA的基本方法是根据术前的膝关节影像资料，生成膝关节三维模型，去除膝关节周围骨赘，填补关节面磨损，获得正常膝关节模型，选择合适型号、单一曲率的非对称股骨假体和胫骨假体。Howel等[11]提出定制患者个体化截骨导向器（包括股骨远端模块、胫骨近端模块）来进行KA-TKA。手术前需完善患膝薄层MRI扫描数据，扫描时矢状面需与胫骨屈伸轴垂直。以MRI扫描数据为基础通过计算机软件系统重建患膝三维结构，在此基础构建正常膝关节生理结构。通过恢复关节面决定截骨方式，三维模拟假体置入，匹配最适假体型号。通常选择单一半径假体匹配。

2.2 手术技术

KA-TKA其手术入路及过程基本同常规TKA手术。在患者个体化截骨模板辅助下，手术室的相关器械准备可以更加简单。截骨模块包含1个锯槽及4个固定针孔，主要作用为限制旋转及平移。术中先清除骨赘，前侧以股骨皮质与股骨滑车为参考，股骨远端以内外侧髁边缘为参考，中央放置导向器，通过模块4个固定孔分别固定。沿锯槽截骨，截骨后测量截骨厚度，根据需要进行矫形截骨。胫骨侧去除半月板后，以胫骨平台前内侧皮质为参考安置胫骨模块，固定后进行截骨。由于解剖差异，截骨后股骨及胫骨端均不使用髓内定位杆及力线杆检测力线，但需严格计算所行截骨厚度，检查屈伸活动度及关节稳定性，必要时进行补充截骨和关节囊、侧副韧带松解[11]。整个截骨前的设计和个性化截骨过程是KATKA的难点所在。

3 临床结果比较

目前KA-TKA的临床应用时间尚短，对于其临床疗效的观察研究不多，且缺乏长期随访观察研究。2017年，Courtney等[12]发表了一篇关于KA-TKA和MA-TKA短期临床疗效的荟萃分析及系统回顾。结合其研究结果和目前已有的其他关于TA-TKA临床疗效的观察，就以下方面进行了分析。

3.1 下肢力线术后疗效

KA-TKA的设计初衷是为了尽可能重建膝关节的正常生物力学。我们回顾分析了关于运动力学对线相关报道[10,13-18]，发现KA-TKA术后患者下肢股骨假体保留了1.8°～3.6°的外翻角，胫骨假体保留1.8°～3.0°内翻角，其髋-膝-踝力线为0.8°外翻至0.6°内翻角，平均为0.49°外翻，这比MA-TKA更加接近于正常人膝关节的下肢髋-膝-踝力线。

Dossett等[15]报道KA-TKA后膝关节具有更大的股骨后滚和外旋，从而可能具有更好的膝关节活动度，而Waterson等[18]通过对比俩种对线方法术后短期内（1年）的随访观察，发现KA-TKA（118.5°±12.0°）和MA-TKA（118.4°±9.4°）术后1年的膝关节活动度相似（P=0.98）。从目前已有的文献报道，我们发现术后KA-TKA术后膝关节活动度类似或稍高于MATKA，暂未有高质量论文报道前者术后膝关节活动度明显差于后者。

3.2 膝关节临床功能术后疗效

KA-TKA力求恢复正常膝关节及下肢力线，追求对膝关节软组织的韧带系统更好的保护，从设计理念来说，这样的手术患者术后应该能获得更好的膝关节功能评价。相比于单纯对比KA-TKA和MATKA的术后下肢力线，更多的研究分析俩者术后膝关节功能评分。

Courtney等[12]的荟萃分析对比了458例患者资料，发现KA-TKA组术后KSS评分高于MA-TKA组（平均差异9.1分；95%置信区间为5.2～13.0；P＜0.001）。Dossett等[15]的一组前瞻性随机队列研究纳入88例TKA患者，对两种对线患者进行了随访研究。2年随访的结论发现KA-TKA在所有采纳的膝关节功能评分系统（Oxford膝关节评分、WOMAC评分、KSS评分）均获得比MA-TKA更好的结果（平均Oxford膝关节评分40 vs 33,P=0.005；平均WOMAC评分15 vs 26,P=0.005；KSS评分160 vs 137,P=0.005）。另有研究随访200例患者（分别行KA-TKA和MA-TKA，各100例）得出类似结论，研究发现，尽管KA-TKA组总体临床效果优于MA-TKA，却有较多的病例明显偏离群体，提示较多个例出现较差的临床效果[16]。作者在讨论中分析指出，这种个体偏差可能与术前计划偏以及术中无法根据术前计划完成截骨等技术偏差有关。

3.3 术后假体生存率及翻修

KA-TKA增强股骨、胫骨假体屈曲时的内旋，由此导致髌骨外移和倾斜，从而增加了髌骨-股骨关节的应力，而胫骨假体的内翻可能会增加聚乙烯内衬的磨损[19,20]。因此，KA-TKA术后假体翻修率及假体生存率是大家关注的重点。然而目前缺乏长期随访结果。从已有的2～5年不等的随访报道来看，KATKA后假体生存率并不差于传统MA-TKA。

Howell等[10,14]对214例患者进行了平均6.3年的中长期随访观察，仅有3例最终需要进行假体返修，其原因分别为髌股关节不稳定、胫骨平台松动及深部感染，其平均6.3年随访假体生存率为97.5%，假体年翻修率为0.4%。该结果基本上与我们MA-TKA的假体生存率相当。

根据以上有限的数据，我们似乎仍然无法得出KA-TKA术后假体生存率的相关结论，后期仍需进一步大样本长期随访结果。

综上所述，目前已有的数据分析提示KA-TKA术后可以获得比MA-TKA更贴近正常的人下肢力线，具有不差于MA-TKA的短期-中期膝关节功能，且短期内KA-TKA假体生存率不差于MA-TKA，但仍需要更多大样本长期随访数据来进一步验证KATKA的临床效果和安全性。此外，KA-TKA较为复杂和个性化的截骨设计在某种程度上限制了其在临床的迅速推广。

[1]Insall JN,Binazzi R,Soudry M,et al.Total knee arthroplasty.Clin Orthop Relat Res,1985,(192):13-22.

[2]Ranawat CS,Flynn WF Jr,Saddler S,et al.Long-term results of the total condylar knee arthroplasty.A 15-year survivorship study.Clin Orthop Relat Res,1993,(286):94-102.

[3]Kurtz S,Ong K,Lau E,et al.Projections of primary and revision hip and knee arthroplasty in the United States from 2005 to 2030.J Bone Joint SurgAm,2007,89(4):780-785.

[4]Bellemans J,Colyn W,Vandenneucker H,et al.The Chitranjan Ranawat award:is neutral mechanical alignment normal for all patients?The concept of constitutional varus.Clin Orthop Relat Res,2012,470(1):45-53.

[5]Fang DM,Ritter MA,Davis KE.Coronal alignment in total knee arthroplasty:just how important is it?J Arthroplasty,2009,24(6):39-43.

[6]Bourne RB,Chesworth BM,Davis AM,et al.Patient satisfaction after total knee arthroplasty:who is satisfied and who is not?Clin Orthop Relat Res,2010,468(1):57-63.

[7]Howell SM,Kuznik K,Hull ML,et al.Results of an initial experience with custom-fit positioning total knee arthroplasty in a series of 48 patients.Orthopedics,2008,31(9):857-863.

[8]Ma CB,Lee KY,Schrumpf MA,et al.Analysis of three-di-mensional in vivo knee kinematics using dynamic magnetic resonance imaging.Operat Tech Orthop,2005,15(1):57-63.[9]Howell SM,Papadopoulos S,Kuznik KT,et al.Accurate alignment and high function after kinematically aligned TKA performed with generic instruments.Knee Surg Sports TraumatolArthrosc,2013,21(10):2271-2280.

[10]Howell SM,Howell SJ,Kuznik KT,et al.Does a kinematically aligned total knee arthroplasty restore function without failure regardless of alignment category?Clin Orthop Relat Res,2013,471(3):1000-1007.

[11]Howell SM,Hull ML.Kinematic alignment in total knee arthroplasty.Insall and Scott Surgery of the Knee.Philadelphia,PA:Elsevier,2012:1255-1268.

[12]Courtney PM,Lee GC.Early outcomes of kinematic alignment in primary total knee arthroplasty:a meta-analysis of the literature.JArthroplasty,2017,32(6):2028-2032.

[13]Hutt JR,LeBlanc MA,Massé V,et al.Kinematic TKA using navigation:surgical technique and initial results.Orthop Traumatol Surg Res,2016,102(1):99-104.

[14]Howell SM,Papadopoulos S,Kuznik K,et al.Does varus alignment adversely affect implant survival and function six years after kinematically aligned total knee arthroplasty?Int Orthop,2015,39(11):2117-2124.

[15]Dossett HG,Estrada NA,Swartz GJ,et al.A randomized controlled trial of kinematically and mechanically aligned total knee replacements:two-year clinical results.Bone Joint J,2014,96-B(7):907-913.

[16]Calliess T,Bauer K,Stukenborg-Colsman C,et al.PSI kinematic versus non-PSI mechanical alignment in total knee arthroplasty:a prospective,randomized study.Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc,2017,25(6):1743-1748.

[17]Young SW,Walker ML,Bayan A,et al.The Chitranjan S.Ranawat award:No difference in 2-year functional outcomes using kinematic versus mechanical alignment in TKA:a randomized controlled clinical trial.Clin Orthop Relat Res,2017,475(1):9-20.

[18]Waterson HB,Clement ND,Eyres KS,et al.The early outcome of kinematic versus mechanical alignment in total knee arthroplasty:a prospective randomised control trial.Bone Joint J,2016,98-B(10):1360-1368.

[19]Klatt BA,Goyal N,Austin MS,et al.Custom-fit total knee arthroplasty(Otis Knee)results in malalignment.J Arthroplasty,2008, 23(1):26-29.

[20]Ritter MA,Davis KE,Meding JB,et al.The effect of alignment and BMI on failure of total knee replacement.J Bone Joint SurgAm,2011,93(17):1588-1593.