导航辅助下全膝关节置换术的力线重建选择研究进展

郑恺，孙厚义，张韦成，朱锋，李荣群，周军，徐耀增

全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA）是治疗终末期膝骨关节炎的常见骨科手术方式，可以有效缓解膝关节疼痛，矫正畸形或不稳定并改善活动功能。同时，可减少患者的社交孤立感[1]。近年来，随着人口老龄化的进展和肥胖患者的增多，TKA的需求也随之大幅增加[2]。可以说，一台成功的TKA取决于外科医师能否实现精确的截骨、充分的软组织平衡及恢复合适的下肢力线，通过利用人工假体重建一个运动学稳定，假体安放牢固、功能良好的膝关节。传统器械下TKA主要依赖胫骨侧髓外定位和股骨侧髓内定位，分别垂直于胫骨和股骨机械轴进行截骨，完成假体置入[3]。虽然传统TKA能够实现很高的手术成功率，但是因其单一的机械轴对线方式和大量的软组织松解需求，难以实现个性化的手术治疗。即使是经验丰富的外科医师重建了完美的下肢力线，仍有一定的患者不满意率[4]。

计算机导航辅助技术的出现和发展为实现患者的个性化力线选择和软组织平衡提供了可能。计算机导航系统大致可分为影像依赖、非影像依赖和手持式三大类，其中非影像依赖的导航系统主要利用探针与主机的红外信号交互，通过识别解剖骨性标志和髋膝旋转中心完成数字化注册，经计算机计算完成三维建模。影像依赖的导航系统则基于术前CT或MRI 完成注册和规划。与传统器械相比，计算机导航辅助系统的数字化反馈和精确定位能够帮助术者根据患者畸形程度获得理想的个性化下肢力线，并在假体置入准确性和手术操作可重复性方面展现出一定的优势[5]。

目前关于TKA 的最佳下肢力线选择仍存在争议，不同学者对于下肢力线的安全范围持不同观点。本综述旨在详细全面阐述目前导航辅助下TKA的力线重建选择方案，分析不同力线重建方法与临床疗效的关系，探讨下肢力线的理论安全范围。

1 导航辅助下TKA的力线选择方案

数十年来，中立位的机械轴对线（mechanical alignment，MA）一直作为TKA的首选对线方式，被认为是影响TKA 临床结果和假体生存率的重要因素[6]。MA-TKA 中的股骨及胫骨截骨以中立位轴线为参考，通过截骨调整关节线的倾斜度，通过调整股骨外旋获得平衡的屈膝间隙，往往需要松解软组织弥补截骨不足，以达到膝关节平衡。因此，以机械轴为对线的TKA，其目的不是恢复患者的初始力线，而是系统地创建一个“生物力学友好型的人工膝关节”[7]。按照机械轴对线进行假体置入，有利于预防髌骨不稳。关节线垂直于0°力线，能够改善内外侧间室的力学分布，使胫骨侧假体负荷较均匀，减少假体早期松动风险。据报道，虽然MA-TKA 具有良好的假体长期生存率，但其功能结果往往难以令人满意[8]。无论假体的设计或手术精度如何改善，患者的不满意度和术后残留症状仍然保持在较高水平。Nam等[9]研究发现，以机械轴为对线的初次TKA术后患者满意度仅为82%～89%，同时，33%患者伴随不同程度的疼痛，41%患者伴僵硬，33%患者伴膝关节紧张或肿胀，38%患者伴上下车困难，31%患者伴坐起困难，54%患者伴上下楼梯困难，说明该对线技术具有一定的“天花板”效应。MA-TKA改变了患者的生理膝、膝关节的旋转中心、关节面和患者原本的下肢力线，从而改变了髌股对应关系、患者的生理步态与身体中轴的偏距。运动学异常是导致TKA术后低满意率的原因之一。因此为了追求更好的膝关节运动学和功能结果，有学者提出其他TKA对线技术。

1.1 调整的机械轴对线

调整的机械轴对线（adjusted mechanical alignment，aMA）是在机械轴对线基础上衍生而来，借助计算机导航系统，允许在冠状面上保留轻到中度的固有内翻或外翻畸形（3°以内），从而减轻严重的关节畸形[10-12]。aMA-TKA假体位置的调整体现在股骨侧截骨。胫骨侧截骨与MA-TKA 相同，与胫骨机械轴呈90°进行截骨。aMA 技术的目的是尽可能保留骨量，减少软组织松解，利于软组织平衡。目前关于aMA-TKA的研究较少，仅有少数非对比性的纵向研究报告显示aMA-TKA 治疗膝内翻和膝外翻畸形均能取得良好的功能结果和长期假体生存率。

1.2 运动学对线

运动学对线（kinematic alignment，KA）是基于患者个体的胫股关节屈曲轴、髌股关节运动轴、膝关节轴向旋转轴三轴定位，仅对关节炎受累局部进行解剖重建，被认为是“真正的膝关节表面重建”。KA技术通过完全解剖位置的全膝关节置换假体植入，恢复患者真实的“自然力线”。KA-TKA 的目的是重建以下三条运动轴线。第一动力轴：胫骨屈伸活动时，相对股骨髁关节面所绕行的圆心轴；第二动力轴：髌骨相对股骨绕行的圆心轴，此轴在第一动力轴的前上方；第三动力轴：胫骨的矢状轴，决定着胫骨相对股骨的内外旋转，该轴垂直于前两条轴线。三条轴总是平行或垂直于关节线。与单髁置换理念相似，运动学对线技术是一种“患者个性化”和“韧带保留”的对线技术，仅通过单纯的截骨，不做软组织松解，旨在恢复到患者关节炎前的下肢和关节对线及关节松弛度[13,14]。以运动学为对线的TKA 通过患者特定的假体植入位置恢复初始下肢力线及关节松弛度，展现出更好的股骨胫骨生物力学[15]。

1.3 限制性运动学对线

虽然运动学对线能够通过完全解剖位置植入全膝关节置换假体，但严重的膝内外翻畸形、严重的胫骨平台内翻、病理性的髌骨不稳等情况以及目前TKA 假体的滑车设计是否适用于KA-TKA，对此有学者提出了质疑。一些谨慎的学者在运动学对线基础上提出了限制性运动学对线（restricted kinematic alignment，rKA）。rKA 技术是对于严重膝关节畸形或关节面倾斜患者行运动轴对线TKA 的折中方案。这些学者通过运用计算机辅助评估整体下肢力线、股骨侧和胫骨侧假体对线，将下肢力线矫正至安全范围内（下肢力线≤3°，关节线≤5°）[16]。与aMA 技术相反，rKA 技术遵循KA 技术的主要技术原则，即尽可能保留股骨侧假体的运动轴对线，通过微调胫骨侧假体的位置来调整下肢力线和关节线倾角。

1.4 解剖轴对线

解剖轴对线（anatomic alignment，AA）于20 世纪80年代由Hungerford和Krackow提出，特点是保留关节面2°～3°倾斜，恢复生理关节线，使胫骨侧假体负荷分布更均匀[17]。同时，AA具有更好的髌骨生物力学，能够降低膝关节弯曲时外侧支持带牵拉的风险[18]。AA-TKA对截骨的要求很高，徒手失败风险大。既往由于传统器械难以实现精确截骨，往往容易因为胫骨侧假体植入过度内翻（>3°）而导致假体失效率高，阻碍了解剖轴对线技术的推广和应用[19]。目前，手术操作精度不足的问题已经通过两种方法得到解决：首先是利用计算机导航辅助系统或机器人技术进行假体位置的准确植入，其次是开发设计自带3°关节面倾角的胫骨侧假体，使其通过垂直于胫骨机械轴截骨的方式就能获得解剖轴对线的手术效果[20]。据报道，通过精确截骨实现AA-TKA 能够获得良好中长期随访结果[21]。

2 力线重建的讨论

关于TKA 力线重建，目前国内外学者仍持有不同的观点。MA 最早由Insall 等提出，是通过垂直于股骨和胫骨机械轴完成股骨侧和胫骨侧的截骨，这种方法的理论基础是解剖对线或胫骨3°内翻截骨将导致膝关节内侧关节面负荷增加，并最终导致假体失效。Berend 等证实了Insall 的观点，发现当胫骨假体置入超过3°内翻，且患者体重指数>33.7 kg/m2，总体下肢力线呈内翻时，假体失效率将增加（即胫骨内侧塌陷）[22]。Ritter等对这一患者队列进行了扩展，发现当股骨侧假体置入相对解剖轴超过8°外翻时，假体失败率也会增加[23]。Collier 等在研究TKA 中聚乙烯磨损时注意到，当机械轴力线超过5°内翻偏倚时，聚乙烯的磨损率会明显升高[24]。此外，他们还发现当下肢负荷力线转移到中立位时，聚乙烯衬垫内侧的磨损量相较原来减少了2～3 倍。Longstaff 等[25]研究了TKA术后下肢力线和功能结果的关系，采用CT评估患者下肢力线并进行膝关节协会（Knee Society Score,KSS）评分，记录胫骨和股骨假体位置与预期的冠状位、矢状位和旋转位的偏差。发现术后下肢力线良好的患者能够获得更高的KSS 评分，而且康复时间更快，住院时间更短。虽然恢复机械轴对线仍然是全膝关节置换的金标准，但是患者的不满意率仍然相对较高，其原因是多方面的。近年来，有学者提出新的观点挑战传统机械轴对线，他们认为运动学的对线方式可以更好地恢复自然膝关节，提高患者满意度，且不会增加假体失败率。关于TKA 的力线重建目标，这一争议话题也极大促进了更多学者致力于下肢力线的研究。

运动学对线的提出是基于有学者观察到并不是所有人的膝关节都有相同的机械轴。Bellemans 等[7]对无症状的成年志愿者进行了一项研究，发现其中32%男性和17%女性具有固有性膝内翻（机械轴力线＞3°内翻）。固有性膝内翻可能是由于Hueter-Volkmann定律的结果，根据该定律，骨骺的生长因压缩而减慢，而因拉伸而增加，在步行和运动的过程中，膝关节内收力矩的增加导致胫骨内侧的压力增加，从而导致内翻的力线[26]。如果将这些患者的机械轴矫正到中立位，可能会由于股骨远端外侧髁截骨不足导致股骨外侧关节线的远端移位，进而导致髌股关节生物力学改变和屈曲间隙的紧张[27]。运动学对线的观点认为TKA中采取机械轴对线改变了患者的生理膝，可能因此导致较高的患者不满意率。以往这项技术的失败率很高，主要由于假体材料和操作工具的局限性，往往导致过度的胫骨内翻截骨和较高的聚乙烯磨损率，因而限制了其运用。Howell等[28]主张使用运动学对线，旨在恢复自然的胫骨关节面，避免对侧副韧带不必要的松解，并将胫骨和股骨假体的轴线与正常膝关节的三个运动轴对齐，结果显示使用运动学对线的TKA，其早期Oxford 膝关节评分功能结果良好，未发生灾难性并发症。Young等[29]通过一项随机对照研究，对比运动学对线和机械轴对线的临床结果和并发症情况，结果显示在2年的随访时间内，两组患者的临床结果、并发症发生率和翻修率均无统计学差异。Howell 等[30]对214 例KA-TKA患者6.3 年的中长期随访结果进行分析，发现仅有3例患者最终需要进行假体翻修，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 年假体生存率达到97.5%，假体年翻修率仅为0.4%，该结果基本上与MA-TKA的假体生存率相当。针对既往认为的胫骨内翻力线会导致高假体失效率的观点，近期结果显示胫骨侧假体内翻对线并不会导致更高的胫骨假体失效率和更差的临床结果，他们认为，全膝关节置换术参考运动学轴线会增加失败风险的说法是没有根据的[31]。Howell 等[32]还回顾性研究了222例不限定术前膝关节畸形程度，采用个性化器械行运动学对线TKA 的患者，结果发现采取运动学对线为目标的TKA并不会影响假体的长期生存结果。Courtney等[33]通过荟萃分析对比了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）。王强等[34]研究发现KA-TKA 显著改善患者膝关节运动学和生物力学结果，提高膝关节功能近期恢复效果。但目前仍然缺乏关于运动学对线TKA的长期前瞻性对照研究数据，需要更大样本量的长期随访研究对该对线技术进一步实践和验证。

3 下肢力线的安全范围

目前关于术后力线的安全范围暂无绝对统一的标准，经典理论认为TKA术后下肢力线应保持在0°±3°以内，该观点有大量的文献支持[22,23]。近年来，多位学者对此传统安全范围提出了挑战观点。Hirschmann 等[35,36]对正常膝关节的生理解剖进行研究，发现在年轻非骨关节炎的白种人群中，96%膝关节髋膝踝（hip-knee-ankle，HKA）角分布在内翻6°至外翻3°范围内，93.8%胫骨近端内侧角（medial proximal tibial angle，MPTA）分布在82.5°内翻至91.5°外翻的范围内。此外，Vanlommel 等[10]连续观察了132 例（143 膝）术前是内翻膝的患者，平均随访7.2 年。根据术后下肢力线将其分为3组：中立组（0°～3°），轻度内翻组（3°～6°）和严重内翻组（＞6°）。对比发现残留轻度内翻组的KSS评分及WOMAC指数明显好于其他两组。Nakajima等[37]研究结果表明TKA术后关节线倾角≥2°的患者相比于<2°的患者能够获得更高的满意度和更好的临床功能结果。以上研究结果很大程度上改变了我们对生理膝关节力线偏倚的固有认知。

Parratte等[38]对398例行初次TKA患者15年的长期随访资料进行回顾性研究，结果发现术后力线在0°±3°范围内并未明显改善膝关节假体的15 年生存率。Bonner 等[39]也进行了相似的研究，以0°±3°为标准将术后力线分为力线良好和力线不良两组，发现术后15年时的假体生存率和冠状位力线之间无明显相关。Morgan 等[40]也获得了相似的结果，对197 例TKA 术后的下肢全长X 线片测量解剖轴线后，根据胫骨股骨角度分为3 组：中立位组（解剖轴外翻4°～9°）、外翻组（外翻＞9°）、内翻组（外翻＜4°），结果显示各组之间的生存率差异不具有统计学差异。这几项研究均表明，无论TKA术后下肢力线是否在0°±3°以内，假体生存率没有明显差异。因此，根据患者术前畸形及软组织张力程度，参照运动学对线的理念，TKA术后下肢力线的安全范围可较传统标准适度放宽，即安全范围为HKA 角≥174°，MPTA≥85°。目的是最大程度地减少或避免进行侧副韧带松解。

4 小结

目前，TKA 中选择最多的对线技术仍然是传统的机械轴对线，其原因很大程度是由于传统器械下TKA 的操作精度不足，徒手操作难以精确控制1°以内的角度改变，因而垂直的机械轴对线是最容易实现的对线方式。计算机导航系统的出现提高了TKA操作的精确度和可重复性，其最大的优势是通过实时的数字化数据反馈，术者能够在术中规划时将下肢力线与软组织平衡有机结合，并且有意识地选择合适患者的个性化下肢对线。然而，目前大多数外科医师并未将导航的优势充分发挥出来，即使在导航辅助下仍然选择所有患者统一的机械轴对线目标，虽然术后下肢力线看似良好，但临床结果或许难以令人满意。

术者在导航辅助下有意识地选择对线技术，能够更好地平衡屈伸间隙，避免不必要的软组织松解。对于术前膝关节轻度畸形患者，通常首选机械轴0°力线。对于术前畸形较大的患者，可以运用运动学轴线的理念，在截骨规划中视情况放弃0°，以减少或避免侧副韧带的松解（如Pie-crusting 技术等）。若按照MA规划出现伸直间隙内侧狭窄的情况，可先通过股骨侧3°～6°轻度内翻截骨（相对于股骨机械轴垂线）恢复伸直间隙内侧高度，若伸直间隙内侧严重狭窄，可再辅以胫骨侧适当内翻截骨，完成伸直间隙的平衡。若遇到屈曲外侧间隙紧张，可适当减少股骨假体的外旋角度，达到屈曲间隙的平衡。由于患者术前膝关节畸形及软组织张力各异，安全范围可能因人而异，但在大部分情况下0°±3°安全可靠。

可以说，导航辅助下TKA 是通过软组织平衡决定下肢对线的选择，并且将TKA从传统观念中的“软组织手术”变成单纯的“截骨手术”。即使遇到少数无法通过截骨平衡屈伸间隙，必须要松解软组织的情况，其松解软组织和侧副韧带的程度和频率也远比传统机械轴对线技术更少。对于内翻膝，股骨远端截骨外翻角尽量选小（5°），甚至3°或4°，不选6°或7°。而对于外翻膝，股骨远端截骨外翻角尽量选大，目的是使原有内翻畸形的膝关节残留轻度内翻，而原有外翻畸形的膝关节残留轻度外翻，避免不必要的广泛软组织松解[10]。综上，无论选择何种对线方式，计算机导航都可以辅助外科医师更好地完成软组织松解、更加精准地完成全膝关节置换术，并提高患者的满意度。

【利益冲突】所有作者均声明不存在利益冲突