术前膝关节周围角度对胫骨高位截骨术下肢力线准确性矫正的研究进展

刘宇哲,阿里木江·玉素甫,覃祺,冉建

(新疆医科大学第六附属医院创伤骨科一科,新疆 乌鲁木齐 830000)

膝关节骨关节炎(knee osteoarthritis,KOA)导致的疼痛影响着患者的生活质量,并且疼痛也是KOA致残的重要原因[1-2]。KOA的主要手术治疗方式是胫骨高位截骨术(high tibial osteotomy,HTO)、单髁膝关节置换术(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)和全膝关节置换术(total knee arthroplasty,TKA)[3],其中HTO与其他术式相比能够实现更好的运动需求[4],而且在正确的适应证下,HTO和UKA均可产生持久和可预测的结局,并没有明显的差异[5]。现在随着“保膝”理念的深入人心,在单纯内侧间室KOA中此术式受到广大医生及患者的认同。

HTO的临床效果和下肢力线的准确矫正息息相关,准确的矫正从准确的术前计划开始,虽然有不同的术前计划,但有证据显示术后的下肢力线矫正并不理想[6],矫正不足会导致内侧间室KOA复发,而过度矫正会导致外侧间室KOA进展。大量研究已经表明,准确的术前计划和术中矫正内翻畸形是HTO成功的最重要因素[7]。本文综述了术前膝关节周围角度对HTO术前计划的影响,以供临床医师进行个体化治疗选择及进一步研究。

1 髋膝踝(hip knee ankle,HKA)角和下肢负重线(weight-bearing line,WBL)百分比

HTO的目标就是矫正下肢力线,目前临床上常用评估下肢力线的指标是髋膝踝HKA和WBL百分比(见图1)。HKA是股骨机械轴和胫骨机械轴之间的角度。下肢WBL百分比为连接股骨头中心和踝关节中心、通过胫骨平台的点与胫骨平台内侧边缘之间的距离除以胫骨平台的宽度。临床上通常把下肢WBL百分比为62.5%作为藤泽点,Kuriyama等[8]通过生物力学研究证实了胫骨高位截骨术下肢力线通过藤泽点下肢力线的有效性并且提出中度KOA患者的下肢WBL百分比应定为60%,重度KOA患者的下肢WBL百分比应定为62.5%。Jiang等[9]通过研究胫骨外侧髁间隆起(lateral tibial intercondylar eminence,LTIE)横向斜率(见图2)与整体下肢力线参数之间的关系发现,在LTIE斜率的上1/3点和中点是术中对线评估的可靠解剖学标志,若要求HKA术后角度在183 °～186 °之间,LTIE中点较好,若要求下肢WBL百分比在62%～66%之间,则选择LTIE上1/3点作为目标点。但是目前关于术前使用HKA还是下肢WBL百分比作为评估下肢力线的指标,目前尚未定论,Jiang等[10]通过比较选择HKA还是选择下肢WBL百分比作为术前计划的力线指标,认为选择下肢WBL百分比更佳,因为即便在术中有稍微误差,仍然可以保证在安全范围内。但这只是理论研究,并未考虑软组织、负重的影响,若应用于临床还需更多的前瞻性研究。Kawasaki等[11]研究胫骨关节面(tibial articular surface,TAS)内翻偏移对HKA的影响,认为在内翻畸形的膝关节中HKA无法正确表达内翻对齐。由于测量的便利性,目前在临床上常用的是HKA,所以关于术前计划使用哪一种指标评估下肢力线,仍需要高等级的证据,以实现最佳力线。

图1 HKA、MPTA、JLCA、 mLDFA、FFA、FPFA、KJLO、KAJA模式图

图2 LTIE模式图

2 胫骨近端内侧角(medial proximal tibial angle,MPTA)

MPTA定义为下肢力线机械轴与胫骨近端关节线之间的内侧角(见图1),常用来描述胫骨近端畸形。Kubota等[12]通过对71个接受HTO的膝关节研究术前和术后矫正误差的影响因素,认为MPTA是HTO术后对线误差唯一的术前预测因素。但是MPTA在术中由于无法获得全长下肢力线,所以在术中无法评估术前所计划的MPTA,Tseng等[13]研究提出术前和术后腓骨近端中心角(focal proximal fibular angle,FPFA)和MPTA之和的差异在3 °以内,由于腓骨不受矫正量和内翻畸形严重程度的影响,因此通过在术前计算所需要的术后MPTA后,再近似计算所需的FPFA,在术中使用FPFA以代替MPTA,FPFA为近端腓骨轴与近端胫骨关节面之间的角度(见图1),并且可在膝关节局部图像中进行评估。Quintens等[14]也提出KOA内翻畸形患者胫骨或许有较大的解剖变异,Mullaji等[15]认为股骨远端和胫骨近端解剖结构会因为内翻KOA变异,通过研究从股骨和胫骨的冠状形态中发现了4个表型。这要求对于内翻畸形KOA患者行HTO时不采取统一的方法,应该考虑每个患者的个体化。然而MPTA通常和胫骨平台后倾角(posterior tibial slope,PTS)用于描述胫骨近端的几何形状,而且认为是HTO力线的重要考虑因素。Foos等[16]通过对大量尸体标本探索胫骨平台后倾角和胫骨冠状面畸形之间的关系中发现MPTA与PTS均显著相关。这强调了在行HTO时,不能忽视矢状面的重要性,所以建议将MPTA作为提高矫正精度的指标,以提供更好的临床结果。

3 机械股骨远端外侧角(mechanical lateral distal femoral angle,mLDFA)

mLDFA为股骨远端关节线与股骨机械轴之间的外侧夹角(见图1),常用来描述股骨远端畸形,在HTO术中,Ishimatsu等[17]经过一些多元回归分析证明虽然术后MPTA很重要,但是忽略术前 mLDFA可能会存在有较高的矫正不良风险,认为术前 mLDFA>89.5 °往往会导致术后下肢力线矫正不足。Nakamura等[18]报道了1例行HTO术后因矫正不足(mLDFA为91 °)导致股骨畸形,最终行股骨远端截骨(distal femoral osteotomy,DFO)。因此忽略术前股骨形态会导致HTO术后下肢发生力线矫正不良。

4 股骨腓骨角(femurofibular angle,FFA)

FFA为股骨远端关节面与腓骨轴线的夹角(见图1),随着近年来对HTO研究的深入,FFA作为一个可以以局部角度预测术后冠状位下肢力线的角度,在术前计划中也得到了一定的重视。

Wang等[19]通过术前使用Adobe Photoshop进行FFA的规划,并用术前规划的FFA指导手术可获得满意的下肢力线矫正。但是此项研究未考虑体重因素对下肢力线的影响。毛彦杰等[20]同样使用术前模拟的FFA评价预测术后下肢冠状位力线的有效性,并进行了BMI分层分析,认为患者BMI≤25.81 kg/m2时,预测更为准确。目前对于FFA在软组织因素影响下是否会影响它的预测价值,未来还需要更加深入的研究来分析FFA预测术后整体下肢力线的可靠性。

5 膝关节线倾斜角(knee joint line obliquity,KJLO)

KJLO是胫骨近端关节面与平行于地面的水平线之间的夹角(见图1)。HTO的目标是通过矫正力线使内侧间室压力向外侧间室压力转移,当胫骨有较大的矫正时,关节线倾斜角不可避免也会变大。Song等[21]已经证实了术后KJLO≥4 °时临床结局变差。并且Nakayam等[22]通过有限元应力分析认为在KJLO≥5 °时大约对应MPTA为95 °,此时内侧间室最大剪切应力急剧上升,并且与KJLO呈正相关。Akamatsu等[23]研究得出术后2年MPTA>95 °的患者KJLO高于术后MPTA≤95 °的患者。所以MPTA也是术后异常KJLO的预测指标。

关于KJLO在术前的预测,Park等[24]通过研究术前解剖参数对术后KJLO的影响,设计了一个可以预测术后KJLO的方程,同时在外部验证中也证实了这个方程具有良好的可预测性,同时Park等[25]也提出了一个设想,认为可以利用下肢内收角预测术后KJLO,肢体内收角定义为术前站立位下肢全长X线WBL百分比与计划WBL百分比之间的角度,术后KJLO可被预测为术前KJLO和肢体内收角度之和。

KJLO的代偿性变化,Goshima等[26]提出了KJLO与髋关节和踝关节的代偿性变化相关性,认为HTO术后一定程度的过度矫正(MPTA≥95 °)不会影响HTO术后的临床结果。但是踝关节的代偿性是有限度的,KAJA为胫骨近端关节面与胫骨远端关节面之间的夹角(见图1),Tseng等[27]发现膝踝关节线角度(knee-ankle joint line angle,KAJA)与KJLO之间显著相关,证明KAJA超过9.6 °这个限度时,KJLO将无法得到很好的代偿。因此应该将9.6 °的KAJA作为一个临界值放在术前计划期间及手术期间,但是术后KAJA如何通过术前进行预测,并且随着时间的增加,KJLO是否会改变,目前并没有有效的证据。

6 关节切线夹角(joint line convergence angle,JLCA)

JLCA定义为股骨远端关节面与胫骨近端关节面之间的夹角(见图1)。HTO术中除了骨性矫正外,软组织矫正的影响也不可忽视,许多研究报告了由于软组织松弛的影响,术前规划和术后实现的矫正存在差异,而软组织松弛在截骨术前并未被考虑在内[28-30]。Oh等[31]在一项研究中称术前JLCA是HTO术后KJLO异常的重要因素。同时Park等[32]在预测HTO术后的过度矫正方面上,证实了JLCA≥4 °和外翻应力角≥1.5 °是软组织因素导致过度矫正的唯一显著风险因素。关于术前较大的JLCA变化是否真的会导致HTO术后冠状面对线过度矫正,Na等[33]通过研究术前术后JLCA变化的因素证实术前仰卧位和站立位JLCA的差异越大,特别是术前JLCA≥4 °或者术前站立位和仰卧位JLCA的差值≥1.7 °的患者容易导致过度矫正。Kumagai等[28]认为即便在术中得到了矫正,JLCA变化也会导致矫正早期消失。所以术前计划中JLCA是HTO成功的一个关键因素,在术前计划中如何充分考虑JLCA至关重要。

为了预防这种由于术前JLCA导致的过度矫正,Lee等[6]对86个接受HTO的的膝关节进行前瞻性研究,通过使用内翻-外翻应力位X线片评估术前内外侧韧带失衡情况,得到术前JLCA与机械轴(mechanical axis,MA)(r=0.358)和WBL比值的差异呈正相关,认为膝关节软组织松弛程度与对线矫正程度相关,与矫正误差无关。为了量化膝关节的不稳定性,Takagawa等[34]和Tsuji等[30]通过内翻应力和外翻应力X线片之间的JLCA差异来评估JLCA的变化。Kim等[35]研究证实在术前使用Miniaci法规划好截骨开口高度后再减去内翻应力X线片下股骨与胫骨外侧关节线之间的距离与外翻应力X线片下股骨与胫骨内侧关节线之间距离的绝对差,可获得较好的矫正准确性。So等[29]则提出了一种简单的方法,建议从计划的矫正角度中减去仰卧位和站立位之间的JLCA差异,以防止过度矫正。Behrendt等[36]通过术前使用Miniaci计划与Micicoi提出的方程式(JLCA-2)/2计划进行分组,证实了这个方程在提高内翻截骨术的准确性上有一定的优势。潜在软组织松弛度定义为从负重位置延伸到外翻或内翻的软组织量,又分为潜在内侧松弛度和潜在外侧松弛度,Lee等[37]发现了术后JLCA变化,如果潜在的内侧松弛每增加1 °,JLCA将增加0.6 °,胫骨的矫正角度每增加1 °,JLCA将增加0.2 °。因此截骨术可能会导致JLCA发生额外的变化。Ryu等[38]提出了一个在术前计划中考虑潜在内侧松弛的方程式,证实了这个方程式有利于实现最佳矫正。目前临床中在很多时候并未在术前考虑JLCA的影响,然而JLCA的差异影响着胫骨高位术的术后下肢力线结局,因此在进行术前计划时应考虑相关因素,以便提高临床疗效。

7 胫骨平台后倾角(posterior tibial slope,PTS)

PTS即胫骨解剖轴与胫骨平台前后缘最高点连线形成的夹角(见图3),PTS在膝关节生物力学中有着重要意义,但是开放楔形胫骨高位截骨术(open-wedge high tibialosteotomy,OWHTO)有一个潜在缺点,即会导致PTS增加,Nha等[39]通过一项META分析表明OWHTO术后PTS增加约2 °,闭合楔形胫骨高位截骨术(closed-wedge high tibialosteotomy,CWHTO)术后PTS减少约2.3 °。Bernhardson等[40]研究发现PTS哪怕只发生2 °的变化都会对膝关节产生不利的影响。所以在术前应该充分考虑如何对矢状位力线进行控制。

图3 矢状位膝关节PTS模式图

Erquicia等[41]通过尸体标本研究认为截骨起点不同影响着PTS的变化,尽可能靠近胫骨近端进行截骨可以减轻OWHTO术后对PTS的影响。Kaya等[42]研究发现从后内侧到前外侧的方向上进行OWHTO可以显著降低PTS。Song等[43]通过研究OWHTO术后PTS增加的原因,认为骨性合页处骨折和矫正角度较大是PTS增加的危险因素,而Jo等[44]提出外侧骨性合页的位置也已经被确定为OWHTO改变PTS的重要因素。从上述得知,无论是改变截骨起点还是改变截骨方向,都与外侧骨性合页的位置有关,因此在术前确定骨性合页的位置至关重要。Eliasberg等[45]通过研究骨性合页位置对HTO术后PTS的影响,发现骨性合页的外旋、内旋与由此产生的 PTS 变化之间存在很强的线性相关性。总体而言,截骨时将骨性合页放在前外侧则PTS会减小,而将骨性合页放在后外侧则PTS增加。此外截骨开口平面的大小,也影响着PTS的变化,这可能是由于胫骨近端的前内侧皮质与后内侧皮质成一定角度,而外侧皮质几乎垂直,所以截骨开口平面前后间隙相等的OWHTO将增加PTS。Hanada等[46]在术前用3D软件进行模拟截骨,通过在模拟截骨后膝关节矢状位视图上3个点来定义截骨开口平面的前后间隙及最大间隙,并在术中作为参考,可能有利于避免PTS增加。在以往的认知中,截骨开口平面前后间隙的比例早有定式,但是每个人由于胫骨近端结构的不同,所以应该考虑个体差异。

目前HTO,虽然有不同的术前计划,但是术后效果却不尽人意。临床上目前在术中常采用的还是电线、金属杆等方法,在不考虑准确性的前提下,这些方法所造成辐射暴露次数的增加也是一个问题。通过综述术前周围角度对矫正下肢力线的影响,本研究发现在术前规划好一些局部角度,在术中代替上述方法,不仅可以降低暴露次数,而且能够保证较好准确性。合理的患者选择、精确地术前计划和精湛的手术技术是手术成功的关键,目前虽然对HTO如何实现下肢力线准确性矫正研究取得了一定的进展,计算机辅助导航、个体化截骨导向器(patient-specific instrumentation,PSI)的准确性已被证实,但这些技术在目前并不具备普遍性,希望未来医疗领域有更多新保膝技术兴起以及保膝方案优化,同时期待将来能够出台专家共识以指导临床,减少KOA患者的痛苦及负担,造福更多患者。