全膝关节置换术后关节线上移对临床功能和运动学参数的影响

及松洁 ，姜 旭，王广志，丁 晖，周一新*

(1.北京积水潭医院 矫形骨科， 北京 100035； 2.清华大学 生物医学工程系, 北京 100084)

近年来，膝关节运动学受到越来越多的关注，更符合生理的运动模式会带来更好的术后功能。有研究比较了后稳定(posterior stabilized,PS)假体和交叉韧带保留(cruciate retaining,CR)假体在全膝关节置换(total knee arthroplasty,TKA)术后的膝关节运动轨迹，研究了膝关节屈伸活动时股胫接触位置的移动，认为PS假体更接近正常膝关节运动学，并观察到的CR假体TKA的“股骨反常前移”[1]。另有报道认为CR假体的运动模式更加接近生理[2]。目前，很难从文献的现有数据中得出明确的结论。

保持TKA术后关节线在正常位置是TKA手术目标之一。关节线(joint line,JL)上移导致髌骨低位，造成关节活动度下降，影响临床功能。目前尚无研究比较TKA术后关节线抬高对PS或CR 假体影响是否相同。

本研究对TKA术后的患者进行了观察，随访时进行临床功能评价，并使用透视技术和3D建模匹配技术进行运动学分析。本研究旨在讨论TKA术后关节线上移对于采用PS或CR假体的患者临床结果和运动学的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料

研究得到了伦理审查委员会的批准，并获得了所有志愿者的知情同意。收集2013年1月至2015年12月在接受全膝关节置换术的患者的数据。纳入研究满足以下标准：1)采用Genesis Ⅱ(Smith & Nephew公司)假体(PS型或CR型)，未进行髌骨置换；2)术后关节线相对其术前水平升高4 mm以上。采用Hofmann的方法对术前和术后膝关节X线片进行测量[3], 从股骨内收肌结节至关节线的距离来表示关节线的位置，该距离在术前和术后的变化即为关节线位置的变化(图1)。

The joint line (JL) was defined as the tangent of the articular surfaces of the medial and lateral femoral condyles; the pre- and postoperative distances between the adductor tubercle of the femur and the JL were measured; the difference in the location of the JL=(L1-L2)

研究期间总共有1 575例患者采用Genesis Ⅱ假体，其中PS假体982例，CR 593例。研究共纳入57例患者均行单侧全膝关节置换术，共57膝。其中，38人采用PS假体，19人采用CR假体。男性12例，女性45例，平均年龄(64.9±7.1)岁。根据所使用的假体分为PS组和CR组。两组患者资料见表1。

表1 PS组和CR组术前各项评分Table 1 Pre-operative function of PS and CR group

1.2 研究方法

1.2.1 临床评价：患者术前和术后1年接受临床功能评估。临床评估包括关节活动度(range of motion,ROM)、美国膝关节协会(American knee seciety,AKS)膝关节评分，AKS功能评分、髌骨评分。

1.2.2 运动学测量：在1年随访时进行运动学分析。膝关节从伸直到最大屈曲位，连续捕捉膝关节侧位图像。使用数字图像透视系统进行记录，连续图像(1 024×1 024×12位/像素)储存为DICOM。将透视数据上传到计算机，校正畸变后，对股骨和胫骨的计算机辅助设计模型进行评估。2D-3D图像配准技术进行金属植入物组件的三维运动学分析(图2)，以获得运动学数据[4]。这种方法获得的运动学数据的旋转精度为0.5°，平移精度在0.4 mm以内[4-5]。

测量不同屈曲角度时股骨相对于胫骨的轴向旋转，以及股骨胫骨内外髁接触位置的移动(图3)。膝关节完全伸直时，原始位置定义为0。股胫接触点的前后移动分别定义为(-)或(+)。当胫骨完全伸直时，股骨假体相对于胫骨托盘组件的旋转被定义为0°。胫骨相对于股骨的内旋被表示为(+)，外旋为(-)。在PS组中凸轮和立柱接触时膝关节的屈曲角度(图3)。

1.3 统计学分析

2 结果

2.1 临床结果

PS组和CR组在术前AKS膝关节评分、，AKS功能评分、髌骨评分和ROM均无差异。所有患者术后1年进行随访检查。未发生假体松动或感染等严重并发症。

The 2D/3D registration technique used computer-assisted design models to reproduce the spatial position of the femoral and tibial components from single-view fluoroscopic images; A.anterior view of model; B.posterior view of model; C.lateral view of model; D.registration;E data during flexion

Schematic diagram showing the contact position between the femoral condyle and tibial plateau; red dots indicated the points at which the medial and lateral femoral condyles contact the tibial plateau; A.at 0° flexion; B.at 30° flexion; C.at 60°flexion; D.the flexion angle when cam and post engaged

术后PS和CR组的临床功能均优于术前。然而，CR组的术后临床评分低于PS组。PS组和CR组之间，AKS膝关节评分、AKS功能评分、髌骨评分和术后ROM(P=0.003)差异有统计学意义(表2)。

表2 PS组和CR组术后评分比较Table 2 Post-operative function score of PS and CR group

2.2 运动学的结果

PS组和CR组运动学测量结果详见表3，表4。

膝关节屈曲过程中，胫骨相对股骨发生内旋，6.7°±5.9°。膝关节屈曲0°～30°时，胫骨相对股骨发生内旋，屈曲30°～50°时，胫骨相对股骨发生外旋，屈曲超过50°时，胫骨相对股骨发生内旋。屈曲超过40°时，CR组的轴向旋转与PS组的轴向旋转有统计学差异(图4)。在PS组的α角为43°±6°。在这个膝关节屈曲角度时，股骨凸轮和胫骨柱之间有接触。

3 讨论

保持关节线在生理位置是膝关节置换术成功的一个重要因素。股骨内收肌结节是一个测量膝关节线位置稳定的解剖标志，不受膝关节屈曲或伸直的影响[6-7]。膝关节投照时内旋或外旋误差不超过10°时，对关节线的测量结果没有影响[8]。因此，本研究采用了Hofmann的方法进行测量。本研究收集了术后关节线上移超过4 mm的病例，982 例PS假体中有38例(3.9%)，593 CR假体中有19例(3.2%)。

表3 PS组和CR组股骨内髁的前后移动Table 3 AP translation of medial condyles in PS and CR n=38, n=19)

表4 PS组和CR组股骨外髁的前后移动Table 4 AP translation of lateral condyles in PS and CR n=38, n=19)

Axis rotation of the tibial component relative to the femoral component in the PS and CR groups during movement from full extension to maximum flexion of the knee; *P<0.01 compared with PS

大多数作者认为PS和CR假体术后功能没有差异，但既往的研究没有比较当关节线出现上移时两者有无差别。CR假体中，关节线的升高会导致膝关节后交叉韧带(posterior cruciate ligament,PCL)的张力高于正常[9]。膝关节屈伸活动时会过度牵拉的PCL。以前的研究发现，>4 mm的关节线抬高会影响膝关节生物力学[10]。本研究收集了人工全膝关节置换术术后关节线上移>4 mm的病例比较其术后临床功能和运动学变化。

CR和PS 假体的垫片和股骨髁设计都有不同曲率以及形合度的变化，这些因素对膝关节冠状位和矢状位的稳定性和运动学参数有着很大影响[11-12]。本研究比较了同一款假体，排除了假体设计造成的差异， 两组在运动学上的差异主要归因于是否保留PCL。与既往结果比较，两组病例术后临床功能均低于术后关节线正常的病例。两组之间，PS组比CR组术后有更好的AKS膝关节评分(P<0.05)、AKS功能评分(P<0.05)、髌骨评分(P<0.01)和ROM(P<0.01)。术后关节线上移对CR假体的临床功能影响比比PS假体更大。使用CR假体时更应该注意关节线的位置，关节线上移会使CR假体的临床功能显著下降。

很多运动学研究都表明TKA术后膝关节与正常膝关节相比轴向旋转减少[13]。本研究关节线上移的病例中，PS 组股骨髁的移动和胫骨轴向旋转比CR组更接近正常。PS TKA由于凸轮-立柱结构的引导出现股骨髁后滚和轴向旋转，在本研究中，PS组股骨大部分后滚和胫骨内旋转发生在膝关节屈曲超过40°后。膝关节从伸直位到40°屈曲时，后滚和轴向旋转幅度都很小。屈曲超过40°后，股骨后滚和轴向旋转明显增加。研究观察到股骨凸轮和胫骨立柱之间的接触发生在膝关节屈曲43°±6°时，不对称的股骨后滚和胫骨内旋主要发生在PS组的凸轮和桩之间的接触之后。即使关节线有上移，凸轮和立柱仍可引导股骨回滚和胫骨内旋。CR TKA的股骨后滚和轴向旋转时依靠PCL引导的。在本研究中，膝关节从伸直位到最大屈曲位，CR组的股骨后滚和轴向旋转幅度比PS组更少。股骨后滚和胫骨旋转的幅度也低于其他研究结果[14-15]。在CR组，膝关节30°至50°的屈曲时发生了前移，这可能是由于PCL功能不佳导致膝关节矢状位不稳定。运动学参数上的差距应该是CR组的髌骨评分和ROM比PS组差的主要原因 。

总之， CR假体关节线上移可能导致PCL功能障碍，术后超过4 mm的关节线上移可能导致PCL功能障碍，PCL无法复制正常的膝关节运动。