人工膝关节置换术的发展概况与进展

文 材 尹 立*

（攀枝花市中心医院，四川 攀枝花 617000）

膝关节属于滑车关节，由股骨内、外侧髁和胫骨内、外侧髁以及髌骨构成，作为人体最大的关节，膝关节的结构和功能尤为复杂，是下肢重要的负重关节，也是人体最容易受损伤的关节。对于膝关节损伤的治疗，1800年，Verneuil和Murphy等的研究发现将肌肉和脂肪组织等插入膝关节内取得了一定的疗效，这成为了膝关节置换术的基础。经过1个多世纪的发展演变，Charnley在1960年提出将骨水泥应用于人工关节的固定，但由于材料和技术水平的限制，骨水泥固定术10年内的并发症发生率高达20%，经过临床反复研究实践，不使用骨水泥的压配式固定方法（即生物型固定法）被开发应用。1973年Insall开发出Total-condylar型人工关节，成为现在膝关节置换术的原型。之后，经过反复的改良的人工关节被广泛应用于临床，这种人工关节具有更好地屈曲性，能够更好地吻合左右膝关节。

膝关节退行性骨关节病是中老年人的常见疾病，据报道50岁以上存在症状的膝关节骨关节病男性发病率35%，女性高达74%。严重膝关节损伤病变发生率越来越高，膝关节置换术的需求量也越来越高。国内外学者的研究发现，膝关节置换术对于缓解膝关节疼痛，改善膝关节功能具有非常明显的作用，能够有效纠正膝关节畸形并保持长期稳定，是目前临床常用的严重膝关节损伤及病变治疗手段。

1 膝关节单髁置换术

1.1 膝关节单髁置换术定义：膝关节单髁置换术（unicompartmental knee arthroplasty，UKA）是指在骨关节炎患者仅一侧间室（一般为内侧间室）出现明显损伤及病变时，对患者单侧胫股关节间室进行置换。

1.2 膝关节单髁置换术适应证：对于内侧间隙膝关节单髁置换术的适应证标准，目前临床一般选用Kozinn和Scott[1]在1989年提出的选择标准，主要包括：①年龄60～65岁；②排除系统性疾病所致的关节炎；③以内侧间室病变为主；④负重位X线片膝关节相应间隙变窄；⑤不合并外侧间室病变及髌股关节软骨损伤；⑥膝关节畸形较为轻微，一般膝内翻＜15°，屈曲挛缩＜5°；⑦单纯外侧间隙KOA[2]；⑧膝关节周围韧带功能正常。目前，学界公认肥胖已经不再是膝关节单髁置换术的禁忌证[3-4]，但肥胖对UKA手术的具体影响仍需进一步研究阐明。研究还发现，对于有前交叉韧带（ACL）缺陷需要进行ACL重建的患者，无论是同时进行ACL重建及UKA手术还是先行ACL重建再做UKA手术都能取得显著的临床疗效[5]。

1.3 膝关节单髁置换术优缺点：国内外学者的研究结果显示，相比全膝关节置换术（TKA），UKA的平均住院天数显著缩短，在材料费、手术费、治疗费及人均总费用等方面优势明显，这与UKA手术的特点紧密相关。作为相对微创术式，UKA的手术的操作更简单快捷，手术时间明显缩短，相应费用大大节省。而且对患者的损伤较小，术后康复周期明显缩短，康复效果也显著提高，较TKA手术优势明显[6]。

2 全膝关节置换术

2.1 全膝关节置换术定义：全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA）是指切除机体已无法自行修复的关节面，用人工关节部件替代损坏的关节，矫正肢体力线、消除膝关节疼痛、维持关节稳定性、恢复膝关节功能的一种治疗方法，一般用于晚期膝关节疾病治疗。

2.2 全膝关节置换术适应证：迄今为止，仍很难提出明确的全膝关节置换的手术指征。无论是类风湿性关节炎，骨关节炎或其他非感染性关节炎。如关节疼痛并有明显破坏，均可考虑行人工关节置换。但临床共识一般应考虑以下2点：①患者年龄一般在60岁以下。②体质量一般不超过80 kg，但可根据患者年龄、性别、病程等情况具体考虑。

2.3 全膝关节置换术手术入路方式：全膝关节置换手术入路方式有很多种，但近年来临床选择较多的是内侧髌旁入路[7]。内侧髌旁入路视野关阔，操作便捷，准确性高，但容易损伤股四头肌腱，引起髌骨外翻以及胫股关节半脱位，从而加剧患者术后疼痛，由于疼痛，患学者将微创技术引入TKA手术中，选择股内侧肌入路进行手术，这样能够有效减轻患者术后疼痛，获得更快的膝关节功能恢复，对缓解疼者很难坚持康复训练，因此严重影响预后[8]。为改善此缺点，相关痛和改善预后效果明显[9]。

2.4 全膝关节置换术并发症及不足：除了损伤股四头肌腱加剧患者术后疼痛外，TKA还有很多术后并发症，比如术后感染、假体周围骨折、关节不稳及僵硬、深静脉血栓、伤口愈合不良等，而且术后感染可在任意时间发生，需要引起注意[10]。这些并发症是在造成TKA翻修手术的主要原因，临床研究表明，患者年龄越小、活动量越大，进行翻修手术的概率越大[11]，因此，TKA手术以在终末期膝关节骨关节炎患者中的应用更为广泛。传统膝关节置换手术中存在的不足主要表现在以下4个方面：①用于切割定位的切骨模板种类繁多，给操作带来不便；②对操作人员的技术要求较高，手术切割精度和植入位置主要依赖于操作人员的经验积累，缺乏经验的医师难以实施精确手术操作。③手术切口较大，创伤大，影响患者康复时间及预后；④手术所需时间较长[12]。

3 计算机辅助膝关节置换术系统

3.1 计算机辅助膝关节置换术系统优势：股骨和胫骨下肢对线误差一直是膝关节置换手术中的一大难题。目前，临床采用机械定位系统辅助进行膝关节置换，但由于机械定位系统需要基于肉眼对肢体和假体的观察来实现，因此对线误差问题依旧未能得到有效解决，即使是临床经验丰富的医师进行操作，股骨与胫骨下肢对线误差依旧较大。相关研究报道显示，由于对线误差造成假体松动、脱位从而导致手术失败的比率高达5%～8%[13]。随着科技的进步，机器人辅助在外科手术中的应用使手术精确度显著提高，手术失败率大大降低。比如用于全膝关节置换术的机器人手术辅助系统（Robodoc Surgical Assistant System）能够进行术前切骨和对线分析，有效提高股骨与假体的吻合度，相关报道显示，传统TKA手术股骨与假体的吻合度在20%左右，而机器人手术辅助系统能将这一数据提高到98%[14]，由此可见，在计算机辅助系统下会显著提高膝关节置换术成功率，使股骨与假体更吻合，对于减轻患者疼痛、降低并发症发生率作用明显。

3.2 计算机辅助膝关节置换术系统分类：按照国外学者的分类方法，依据CAOS系统的工作原理及工作特点，一般将其分为主动型（Active）、半主动型（Semi-Active）和被动型（Passive）三类[15]。主动型：由机器人根据术前规划自主指挥切割工具自主完成手术，目前常见的有ROBODOC，CASPAR，MBARS等。半主动型：由机器人和医师共同完成手术操作，医师参与控制机器人的动作、限制机械臂的活动范围，机器人系统也会根据规划的路径对医师的操作动作加以限制，目前常见的有Acrobot，PFS等。被动型：由医师完全控制操作，机器人系统并不直接进行操作，只负责放置切割模板或钻导套、提供视觉导航，目前常见的有KneeNav，Galileo，SurgiGATE等。考虑机器人本身可能对患者进行伤害，目前临床应用最多的是被动型机器人，其次为半自动型机器人，主动型机器人应用相对较少。

3.3 计算机辅助膝关节置换术系统的关键技术

3.3.1 数字化三维CT重建技术：作为手术主要信息来源，医学图像在临床上的地位举足轻重，对于需要图像导航的矫形外科机器人系统，逼真、准确的图像更是不可或缺。随着科技的发展，三维立体成像技术在临床也得到广泛的应用，三维几何模型能够提供准确、科学、直观的信息，对于制定最有手术方案意义非凡。数字化三维重建技术和逆向工程软件是近年来骨科常用的数字化手术辅助手段，它可以根据多排螺旋CT（MDCT）薄层横断面扫描数据重建三维模型，清晰反映骨关节结构，对关节复杂的立体结构和空间关系进行重现，有效提高手术操作的精确性和安全性。

3.3.2 计算机辅助术前规划与导航技术：对于膝关节置换手术，术前规划是非常重要而且必要的。手术前需要获取患者膝关节图像，结合解剖学、病理学等相关学科知识确定手术方案，还需要确定植入假体的尺寸、植入位置、植入方向等问题。为保证假体植入的精确性，术前需要分析股骨和胫骨假体的精确尺寸、假体的目标位置等。目前，对于膝关节置换手术的术前规划主要考虑假体尺寸、假体植入空间方位的三维可视化、术中机构运动学和动态下肢对齐评估四个参数。基于CT断层影像和反求技术是目前临床常用的计算机手术辅助手段，其主要是运用运用图像处理、真实感图形生成等技术，在计算机辅助下进行可视手术，确定包括切割范围、假体尺寸及植入位置等信息的手术方案，以提高假体与骨腔的匹配程度，保证植入效果并延长假体的寿命。

3.3.3 机器人辅助手术操作平台：在膝关节置换术尤其是主动型和半主动型计算机辅助膝关节置换术中，机械本体是手术操作的具体执行者，会直接接触手术患者，其可靠性和安全性至关重要。研发高可靠性、高安全性、灵活操作的辅助关节置换机器人也是保证手术安全性和成功率的关键之一。

3.4 计算机辅助膝关节置换术系统远景：近年来，随着越来越多的研究机构对手术机器人的开发和研究，手术机器人的结构和功能得到很好的优化，机器人的误操作得到有效限制，其专业性更强、安全性更高。但是目前机器人辅助手术仍存在很多不足，需要得到进一步优化。比如，购置整套设备价格昂贵，且安装和调试较为复杂，系统尚缺乏权威性评估、其安全性及可靠性难以得到外科医师的认可等原因限制了其临床应用。提高计算机辅助系统的安全性和可信度是今后研发的重点，基于辅助手术机器人自身的特点，应该研发更能适应手术的医用机器人，用更安全的控制技术和更精确的手术操作，提高系统的安全性。适应微创外科手术的小型化、高精度、智能化的手术机器人将是计算机手术辅助系统研发的重要发展方向。

4 计算机辅助导航系统

4.1 计算机辅助导航系统定义：计算机辅助导航系统是指利用空间导航技术指导手术操作过程的一种手法操作辅助手段，主要是利用计算机图像处理技术，通过计算机红外线信号，接收发射器外置信号，计算所需的线条和角度，将人体、器械及植入物转变成直观的线条凸显，并在术中影像上实时更新显示，使手术操作者实时了解手术器械的位置，避开患者重要的解剖结构，确保手术的精确度和安全性。同时，计算机辅助导航系统还能模拟手术器械的进退，存储手术路线，方便医师进行手术，有效较少术中X线机的使用，避免对患者及医护人员的损害。

4.2 计算机辅助导航系统手术方式：计算机辅助导航系统辅助人工膝关节置换术一般采取膝关节正中切口，髌骨内缘进入后外翻髌骨使膝关节显露。利用自锁螺纹钉将红外线失踪器固定在切口内股骨远端和胫骨胫骨近端距离关节间隙6 cm处；利用导航仪指控器和计算机辅助系统确定膝关节中心及截骨深度；随后通过固定骨盆后的下肢运动测定股骨头旋转中心，继而计算出下肢力学轴线，确定预期截骨深度和旋转角度；按照先股骨后胫骨的顺序依次安放截骨夹具，调节夹具使计算机显示的截骨深度、前后倾角和内外翻角等数据同预期一致，用4枚固定钉固定夹具后进行截骨，并根据导航仪检测数据修正因夹具锯缝和锯片带来的细微误差；随后进行假体试模的安装，安装成功后，通过计算机检测下肢力线状态，和内、外侧副韧带平衡情况并进行适当调整，调整满意后常规安装假体并用骨水泥固。

4.3 计算机辅助导航系统有缺点：冷重光等[16]对计算机导航辅助下人工全膝关节置换于非导航下全膝关节置换进行对比：导航组力线误差在2°～3°，而非导航组的误差在3°～6°；如组织平衡角度方面，导航组控制在2°以内，而非导航组在2°～4°；软组织平衡分离变量导航组为2～4 mm，非导航组为5～7 mm；导航组出血量为550～700 mL，非导航组为700～900 mL；导航组手术时间为75～100 min，非导航组为45～60 min，导航组在缩小力线误差、控制组织平衡角度和分离变量，减少手术出血量，缩短手术时间方面较非导航组有事明显，可见，计算机导航辅助人工全膝关节置换术能够弥补机械定位的不足，有效提高截骨的精确性，为人工关节置换术植入了新的活力。

5 3D打印技术在膝关节置换中的应用

5.1 3D打印技术定义：3D打印技术是近年来新起的一种物体构造技术，经过数年的发展，其技术已趋于成熟，在医疗领域也得到了很好的应用功能。它是以数字模型文件为模板，使用可聚合材料（比如金属粉末）通过逐层打印最终完成文件物体再造。近年来，3D打印技术也被广泛应用于膝关节置换手术中，它能根据患者具体情况个性化定制假体，有效解决了传统置换手术中假体与患者所需不符，造成患者不适甚至出现关节畸形的问题，有效提高关节置换术的成功率，减少术后翻修率。

5.2 3D打印技术在膝关节置换中的优势

5.2.1 提高截骨定位模板设计制作的个体化水平：传统的机械引导装置和截骨工具是根据欧美人群的人体解剖特点设计的，对于我国人群的适用性较低，而且由于不同人体膝关节的大小和形态存在较大的差异，TKA的精确度普遍较低，相关研究显示，TKA术后下肢力线对位误差＞3°的发生率在10%以上，严重影响患者的预后。3D打印技术的应用，技术人员可以根据患者术前MRI或CT扫描数据，个性化的定制截骨模板，能够有效改善引导装置和截骨工具与患者不符的问题，对减小术后下肢力线对位误差的作用明显，具有截骨精确度高，手术时间短、手术创伤小等优点。

5.2.2 提高膝关节翻修术中骨缺损的处理效果：骨缺损是膝关节翻修手术中常常遇到的问题，对于骨缺损的修复方法很多，但传统的修复方法对于累及干骺端甚至骨干部位的巨大骨缺损的修复效果并不理想[17]，针对此问题，具有多孔特性和较好的生物相容性的多孔金属坦垫近年来被广泛应用，多孔金属坦垫能够提供良好的结构支持，具有较高的稳定性[18]，但由于骨损形态存在较大差异，实际应用中，金属坦垫与缺损部位无法匹配的情况非常常见，3D打印能够根据骨缺损情况打印出适合患者的新型金属坦垫，完美地解决了这一问题。3D打印技术在膝关节置换术中的应用取得了很大进步，克服了引导装置、截骨工具及置换假体与患者不符的问题，有效改善骨缺损的处理效果。今后应将研发重点放在进一步提高3D打印技术假体制作个体化水平上，以更快的制作速度、更短的制作周期和更低的制作成本拓展其应用范围。此外，还应努力创新假体的制作材料和制作工艺，制作出包含细胞成分、血管和神经等多种生物组织的“生物型假体”，以促使骨组织长入，提高假体的长期稳定性。

6 总 结

目前膝关节病变的手术方式选择呈现明显的多样性，应严格把控各种手术方式的手术适应证，结合患者年龄、病情、病程等时机情况选择最佳手术方案，最大限度地恢复患者下肢力线、缓解疼痛、提高其生活质量。我们有理由相信，随着膝关节置换术的不断发展，及不同技术的有机结合，不远的将来每一位接受了人工膝关节置换的患者都将继续奔跑着迎接崭新的生活。