胫骨高位截骨力线设计与相关生物力学研究进展

王锦程 吴维坊 杨万磊 何正隆 郑军 程国全

膝关节骨关节炎(KOA)是最常见的导致关节功能失用的疾病。KOA 的发病机制虽未完全明确，但目前研究证据表明，生物学机制与力学改变(如内翻导致的力线改变)也是引起膝骨关节退行性改变的主要原因之一[1]。高位胫骨截骨术（HTO）通过胫骨截骨的方式来纠正下肢力线，使关节内侧间室压力转移至外侧，以缓解关节退变。

KOA 的早期病变通常仅累及单侧膝关节间室，在亚洲人群中病变常见于内侧膝关节间室[2]。正常的下肢力线有利于关节的应力传导，若膝关节因内翻畸形导致下肢力线异常，则会产生力线向内侧偏移，使应力在关节内和关节外结构中出现异常传递，从而导致内侧间室负荷明显增加，加快关节内软骨磨损及软骨下骨病变。临床医生可通过截骨来调整膝关节内翻角度以改变力线，使关节的负重力线向病变较轻的间室偏移，从而降低关节内病变间室压力，减缓软骨磨损，改善临床症状[3]。

截骨术发展历程中出现过胫骨圆顶式截骨、股骨远端截骨、腓骨近端截骨及HTO 等术式[4]。随着临床研究的深入，学者们发现，HTO 因在胫骨结节以上水平进行截骨，相较于其他术式具有安全性高、截骨面稳定性高、不愈合风险低的优势。而与外侧闭合性楔形截骨相比，内侧开放楔形截骨手术入路避开了腓总神经，因此术后肢体缩短与并发症发生风险降低[5]，尤其适用于活动功能要求高的年轻患者[6]。了解HTO 截骨对膝关节的生物力学影响并运用于术前规划中，对患者术后功能恢复有重大意义。本文就近年来HTO 术前设计及相关生物力学变化等方面的研究进展进行综述。

1 HTO 术前矫正设计

1.1 目标力线通过胫骨平台的位置

HTO 的临床疗效与下肢力线矫正设计密切相关，矫正不足或矫正过度均会直接影响术后膝关节功能。理想情况下，手术调整下肢力线时可以适当矫枉过正，这是充分转移内侧间室压力所必需的，同时也需要注意避免外侧间室负荷过大。

目前的研究结果主张，具体矫正角度应综合患者身体情况进行个性化调整，而最佳通过点仍需进一步研究。临床医生较公认的截骨方案为“矫正后下肢力线通过胫骨平台位置的62.5%为标准选择位置，即Fujisawa 点”[7]。Martay 等[8]进行有限元模型研究，以下肢力线通过40%～80%的胫骨平台为目标进行截骨，比较下肢力线通过不同胫骨平台位置时膝关节应力分布情况。该研究结果显示，将下肢力线矫正至通过62%～65%胫骨宽度时，内侧间室应力显著降低，但外侧间室压力明显增大，组织受损的危险增加；而下肢力线矫正至经过50%胫骨宽度时，内侧间室应力减少约50%，且外侧间室应力水平变化最小。据此，他们提出一个新的矫正目标位，即在解剖位置上为胫骨棘突外侧的顶点。Jiang 等[9]回顾性分析1 954 例KOA患者下肢全长X 线影像，运用计算机模拟HTO 术中下肢力线分别通过外侧髁间棘斜坡的底部、中点、上1/3 点与顶部，并分析与髋-膝-踝(HKA)角度的关系。结果显示下肢力线经过外侧髁间棘斜坡的上1/3 点和中点时，HKA 角分别为183.3°±0.5°和184.0°±0.5°，符合临床上大部分病例的决策要求。如果术后下肢力线经过胫骨平台的62%～66%是目标靶点，则选择外侧髁间棘斜坡的上1/3 点作为矫正目标；如果以术后HKA 角在183°～186°为目标，则选择外侧髁间棘斜坡的中点作为矫正目标。该试验对目标力线的研究具体到胫骨髁间棘的解剖结构。

既往的研究设计仅考虑人双腿站立时的静态负重，然而在日常活动中，下肢支撑方式82%的时间为动态单腿支撑，此时患侧膝的承重轴更倾向于内侧间室。Biehl 等[10]的研究提出修正公式,他们将外侧冠状面杠杆臂作为关键参数纳入截骨设计算法中，外侧冠状面杠杆臂的测量由下肢力线角度、臀部中心至踝关节的距离、股骨和胫骨的长度组成，结果显示符合动态活动的目标力线位置点恰好为 Fujisawa 点，这为Fujisawa 点同时满足静态与动态功能的目标位置提供了理论证据。Fantini Pagani 等[11]提出一种基于患者膝关节动态负重模拟的术前规划方案。他们对10 例患者进行术前步态分析，通过模拟器计算出预期的术后力学结果，并以此来调整纠正目标的角度。术后患者在相同条件下再次进行步态分析，并与模拟器预测值相比较，结果显示术后真实步态分析与术前模拟器预测相似。该模拟系统也为术前设计提供了一个可结合生物力学参数的平台。Badie 等[12]的研究则建立了膝关节三维模型，通过录入患者膝关节影像学参数，计算截骨对软骨和半月板的影响，并预测HTO 及力线移动对膝关节软组织的影响。该研究提出了一种以参考接触应力而非侵入方式来分析计算患者特定的目标角度和下肢力线位置的方法。

1.2 维持胫骨后倾斜率

HTO 的另一个挑战是如何维持胫骨平台后倾角(PTS)。在运动力学上，膝关节PTS 对于膝关节屈曲和交叉韧带的正常功能均具有极其重要的意义，其正常范围为6°～10°，在该范围内，膝关节活动时的胫股关节接触及相关韧带功能均处于最佳状态[13]。当HTO 术中行胫骨截骨开口置入楔形块位置不佳时，可导致PTS 改变，如截骨楔形块位置靠前可使PTS 增大，位置偏后则使PTS 减小[14]。相关研究显示，大部分患者术后难以保持原有的PTS，通常为楔形骨水泥放置位置偏前而导致PTS增大[15]。究其原因，笔者考虑可能与骨水泥楔形块放置于内侧或前内侧较放置于后内侧更容易操作有关。Noyes 等[16]的研究认为，矢状位截骨平面角与PTS 的变化呈正相关，并指出胫骨前内侧开放截骨与后内侧开放截骨之比应为1 ∶2 或1 ∶3，这样可将截骨方向对PTS 的影响降至最低。也有研究认为，只要截骨间隙是矩形，即使不平行也不会直接导致PTS 改变[17]。维持PTS 的关键在于提高截骨位置及角度的精确性。

1.3 提高截骨精确性

随着对力线矫正与PTS 维持的重视以及技术的发展，有学者基于术前下肢全长X 线片或下肢CT 影像通过计算机进行重建，测量出术中截骨的精确位置及截骨角度，并利用3D 打印技术打印出定制导向器[18]。与传统手术技术相比，利用3D 重建技术可打印出患者专用的器械，并在手术中运用计算机导航辅助截骨，能显著提高角度校正的精确度。有研究指出，通过计算机辅助定位测量截骨，可使力线纠正更接近Fujisawa 点，且对PTS影响较小，也更适用于肥胖及存在不同关节畸形的人群[19]。目前，临床医生可定制适合患者个体解剖形态的固定钢板，标记截骨放置钢板位置及截骨形状参数，这可有效降低钢板失效、稳定性不佳的发生率，也提高了矫形精准度。Cerciello 等[20]的研究显示，与传统手术技术相比，运用计算机术中辅助导航技术可以提高术中截骨的成功率，但准确性无显著提高。需要注意的是，即使有现代辅助技术帮助，精确的截骨仍依赖于手术医生的术中操作。

2 生物力学研究

2.1 膝关节的力学研究

生物力学是骨形态变化、关节周围软组织及其他因素相互作用的结果，而生物力学的改变又会反过来影响下肢骨形态变化，这种相互影响促使生物力学异常的膝关节向KOA 发展。膝关节内收力矩（KAM）是指人体在站立或行走过程中，由向内的地面反作用力作用于膝关节中心产生的力矩，KAM 的变化是下肢骨骼肌肉与其他因素相互作用的结果[21]。KAM 作为反映膝关节负荷变化的参数，既能有效结合下肢力线变化，又可综合肌肉收缩模式及疼痛的影响进行评估。

2.2 HTO 术后生物力学改变及机制的研究

Morin 等[22]对21 例行HTO 患者进行研究，分析他们术前和术后1 年的步态。结果显示，与正常对照组相比，手术前患者行走速度慢、步长短、单腿站立时间短、双足站立时间长，手术后患者步行时间和距离虽与术前无明显差异，但膝关节功能明显改善，步行时自我感知能力有所提高。Marriott 等[23]对内翻畸形KOA 合并前交叉韧带损伤患者进行了HTO 和前交叉韧带重建术，术后患者膝关节功能与力学分析结果明显改善，并且术后5 年随访显示膝关节功能保持良好。他们认为相较于单纯HTO，前交叉韧带重建可以保持关节稳定，从而有效改善关节功能。该研究结果也进一步证明了软组织在下肢生物力学中的重要性。da Silva 等[24]的研究则显示，HTO 术后患者力线纠正和KAM 明显减少，矢状面伸肌力矩增加、轴向平面足外旋转角增大,而膝关节活动时屈曲角峰值、内收肌和屈肌力矩与对照组相似。他们认为，HTO 术后膝关节的生物力学步态改善不仅存在于冠状面，也存在于矢状面和横断面，这对术后康复治疗有一定指导意义。Kyung 等[25]通过使用3D足部活动模型探索HTO 对足部运动的影响，结果显示，HTO 术后足踝的运动过程中，标准步态时间显著增加，并有步态速度增加的趋势。该研究提示，行HTO 时应该注意对足和踝关节的潜在影响。Matsubara 等[26]对比30 例患者HTO 术前与术后踝关节骨密度CT 影像，结果显示行内侧开放HTO 的患者踝关节软骨下骨密度分布向内侧移动，行外侧闭合HTO 的患者踝关节软骨下骨分布模式则趋于外侧。因此，对存在踝关节骨关节炎的患者行HTO 时，术者应注意踝关节应力分布的内侧移位，踝关节骨关节炎有术后进展的风险。

研究显示，HTO 使KAM 峰值降低与膝关节内环境存在相关性。Atkinson 等[27]的研究显示，患者接受HTO 治疗1 年后，膝关节炎性积液减少与KAM 冲量降低存在关联性，KAM 冲量每减少 1 Nm/s，则膝关节积液减少448 mm3。Philpott 等[28]的研究分析膝关节滑膜组织充血水肿对步态的影响，结果显示滑膜水肿组KAM 在冠状面、矢状面和横断面上均较对照组减少，且KAM 改变与炎性渗出量相关。

神经肌肉系统是膝关节力学系统的重要组成部分。Ghazwan 等[29]测量HTO 术前关节周围神经肌肉控制和关节生物力学的改变，结果显示与空白对照组（正常膝关节）相比，HTO 组患者术前腓肠肌力峰值降低了30%，而腘绳肌力峰值增加了25%，肌肉激活存在差异，并与KAM 具有相关性，这提示胫股关节的接触应力增加。Lee 等[30]通过对12 篇文献388 例行HTO 患者进行研究发现，与术前相比，HTO 术后膝关节内收力矩和侧推力均降低。Kim等[31]纳入9项研究分析HTO手术前后患侧膝的KAM、HKA、膝关节屈伸力矩的数据，结果显示HTO 可使患侧膝KAM 下降至术前的60%。

3 结语

HTO 治疗KOA 的优势在于保留了患者膝关节骨骼与软组织的完整性，手术技术已日趋成熟且趋于微创化，尽可能地减少了术中软组织损伤，使术后患者膝关节本体感觉保持完整。HTO 可帮助患者快速回归运动锻炼，并能有效减缓关节退变的进展，降低后期需行全膝关节置换术概率，提高患者生活质量[32]。

传统手术对于患者的截骨角度及力线纠正标准仍然遵循着既往的研究结果“Fujisawa 点”，但对于不同体型、体质量及肢体长度的患者，单一的截骨方案可能无法获得最佳疗效，因此截骨设计应个体化，使患者获得最佳手术收益。对于较年轻的KOA 患者，HTO 可以作为替代全膝关节置换术的一种治疗方法，以减轻经济负担，促进医疗资源合理配置。