运动学对线与机械力学对线指导全膝关节置换后步态分析的比较

doi:10.12307/2022.060

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (3): 365-370.doi: 10.12307/2022.060

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运动学对线与机械力学对线指导全膝关节置换后步态分析的比较

潘浩，赵慧慧，王江静，王峰，王朋，石秋玲，郭锦，李琳，刘国强

河北省沧州中西医结合医院，河北省沧州市 061001

收稿日期:2021-01-27 修回日期:2021-01-29 接受日期:2021-02-23 出版日期:2022-01-28 发布日期:2021-10-27
通讯作者: 刘国强，副主任医师，河北省沧州中西医结合医院，河北省沧州市 061001
作者简介:潘浩，男，1986年生，河北省任丘市人，汉族，2014年河北大学毕业，硕士，主治医师，主要从事骨关节外科方面的研究。
基金资助:
河北省医学科学研究课题计划(20211304)，项目负责人：潘浩

Comparison of kinematic alignment and mechanical alignment to guide gait after total knee arthroplasty

Pan Hao, Zhao Huihui, Wang Jiangjing, Wang Feng, Wang Peng, Shi Qiuling, Guo Jin, Li Lin, Liu Guoqiang

Cangzhou Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine, Cangzhou 061001, Hebei Province, China

Received:2021-01-27 Revised:2021-01-29 Accepted:2021-02-23 Online:2022-01-28 Published:2021-10-27
Contact: Liu Guoqiang, Associate chief physician, Cangzhou Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine, Cangzhou 061001, Hebei Province, China
About author:Pan Hao, Master, Attending physician, Cangzhou Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine, Cangzhou 061001, Hebei Province, China
Supported by:
the Hebei Medical Science Research Project Plan, No. 20211304 (to PH)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
运动学对线：关注的是患者个性化的解剖结构，并重建膝关节的三维立体结构，在最小化松解膝关节周围软组织及韧带的同时，将股骨、胫骨和髌骨的旋转轴与膝关节的 3 个生理运动轴线保持一致。
机械力学对线：是指垂直于机械轴行股骨远端、胫骨近端截骨，使股骨-胫骨关节线垂直于下肢机械力线，机械力学对线方法指导的全膝关节置换依赖于在冠状平面上建立下肢机械轴在(0±3)°范围内。该种对线方式术后，下肢机械轴穿过中心并垂直于膝关节线，胫骨平台内外侧受力相等，理论上可以减少膝关节假体磨损，提高膝关节假体的生存率。

背景：目前膝关节置换中通常采用的对线方式包括机械力学对线及运动学对线方式，关于两种手术方式的影像学及功能评估已经有一定研究，但对于两种手术方式患者的步态情况目前没有系统分析。
目的：探讨运动学对线与机械力学对线指导全膝关节置换后步态参数的差异。
方法：遴选出2017年1月至2019年6月因内翻性膝关节骨关节炎住院的患者50例，按手术方式分为2组，其中运动学对线组25例，机械力学对线组25例。以患者美国特种外科医院膝关节评分、疼痛目测类比评分、步态参数(步速、步频、步幅、站立相及摆动相屈伸角度，内外翻角度，内外旋角度及内收力矩)为参考指标，随访时间1年。
结果与结论：①所有患者顺利完成随访，无切口感染、肺栓塞、关节功能障碍等并发症发生；②与术前相比，术后1年两组患者的膝关节美国特种外科医院评分、疼痛目测类比评分均明显改善，差异有显著性意义(P < 0.05)；而术后1年两组间膝关节美国特种外科医院评分、疼痛目测类比评分比较差异无显著性意义(P > 0.05)；③除摆动相内外翻角度以外，术后1年两组患者的步态参数指标均较术前明显改善，差异有显著性意义(P < 0.05)；两组间步频、站立相、摆动相屈伸、内外旋角度以及摆动相内外翻角度方面比较差异无显著性意义(P > 0.05)；而在步速、步幅、站立相内外翻角度以及内收力矩方面比较差异有显著性意义(P < 0.05)；④提示运动学对线膝关节置换及机械力学对线膝关节置换均能明显改善膝关节骨关节炎患者的术后功能及步态；而运动学对线膝关节置换患者术后虽然残留部分生理性内翻，但能更有效地降低膝关节内收力矩，从而获得良好的治疗效果。
https://orcid.org/0000-0002-0244-4962 (潘浩)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 运动学对线, 机械力学对线, 全膝关节置换, 步态分析

Abstract: BACKGROUND: At present, the alignment methods commonly used in knee arthroplasty include mechanical alignment and kinematic alignment. The imaging and functional evaluation of the two surgical methods have been studied to some extent, but the gait conditions of patients with the two surgical methods have been studied.
OBJECTIVE: To explore the difference in kinematic alignment and mechanical alignment to guide gait analysis after total knee arthroplasty.
METHODS: From January 2017 to June 2019, 50 hospitalized patients with inverted knee osteoarthritis were selected. According to the operation method, they were divided into kinematic alignment group (25 cases) and mechanical alignment group (25 cases). The patient’s knee Hospital for special surgery score, visual analogue scale score, and gait parameters (stride speed, stride frequency, stride length, stance and swing phase flexion angle, varus angle, internal and external rotation angle and adduction torque) were used as reference indicators. Follow-up time was 1 year.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) All patients successfully completed the follow-up, without incision infection, pulmonary embolism, joint dysfunction or other complications. (2) Compared with that before operation, visual analogue scale score and Hospital for special surgery score were significantly improved at 1 year after operation in both groups (P < 0.05). Hospital for special surgery score and visual analogue scale score were not significantly different between the two groups at 1 year after operation (P > 0.05). (3) Except swing phase varus or valgus angle, the gait parameters of the two groups were significantly improved at 1 year after operation compared with those before operation (P < 0.05). There was no statistical difference in stride frequency, standing phase, swing phase flexion and extension, internal and external rotation angle and swing phase varus or valgus angle (P > 0.05). There were significant differences in stride speed, stride length, varus or valgus angle and adduction torque in standing phase (P < 0.05). (4) It is concluded that both kinematic alignment-total knee arthroplasty and mechanical alignment-total knee arthroplasty can significantly improve the postoperative function and gait of the knee joint. However, some patients with kinematic alignment-total knee arthroplasty have residual physiological varus after surgery, but it can more effectively reduce the knee adduction torque, so as to obtain a good treatment effect.

Key words: kinematic alignment, mechanical alignment, total knee arthroplasty, gait analysis

中图分类号:

潘浩, 赵慧慧, 王江静, 王峰, 王朋, 石秋玲, 郭锦, 李琳, 刘国强. 运动学对线与机械力学对线指导全膝关节置换后步态分析的比较[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(3): 365-370.

Pan Hao, Zhao Huihui, Wang Jiangjing, Wang Feng, Wang Peng, Shi Qiuling, Guo Jin, Li Lin, Liu Guoqiang. Comparison of kinematic alignment and mechanical alignment to guide gait after total knee arthroplasty[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(3): 365-370.

图/表（结果） 8

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计回顾性病例分析，计数资料采用卡方检验，计量资料采用t 检验。
1.2 时间及地点试验于2017年1月至2019年6月在河北省沧州中西医结合医院骨关节外科完成。
1.3 对象选取河北省沧州中西医结合医院自2017年1月至2019年6月因内翻性膝关节骨关节炎住院患者50例，所有患者均符合膝关节置换手术适应证，其中进行KA-TKA的25例患者设为运动学对线组，进行MA-TKA的25例患者设为机械力学对线组。
纳入标准：① Kellgren-Lawrence Ⅲ、Ⅳ级，同时内翻畸形< 15°，屈曲> 90°，屈曲挛缩< 10°的内翻型膝关节骨关节炎患者；②无关节外畸形；③身体状况良好，能够耐受手术；④无胫骨及股骨骨缺损；⑤患者依从性强，能顺利完成随访者。
排除标准：①由炎症及类风湿相关疾病引起膝关节炎的患者；②有关节外畸形患者；③周围软组织存在异常和神经系统疾病患者。
运动学对线组男6例，女19例；年龄 60-76岁，平均(68.34±4.21) 岁；体质量指数 23.25-28.33 kg/m2，平均(24.23±3.12) kg/m2；左膝15例，右膝10例；下肢内翻角度8°-20°，平均(12.34±4.21)°。机械力学对线组男5例，女20例；年龄59-77岁，平均(67.23±4.11)岁；体质量指数23.01-27.97 kg/m2，平均(24.96±5.12) kg/m2；左膝14例，右膝11例；下肢内翻角度9°-22°，平均(12.58±3.43)°。两组患者的一般资料比较差异无显著性意义(P > 0.05)。
1.4 材料因KA-TKA技术要求关节线与患者未发病前关节线一致，目前未有专门运动学对线技术假体，为避免后稳定型假体中间柱所产生的不良应力，采用LINK公司生产的后交叉韧带保留型假体(GEMINI MK Ⅱ)，见表1。

1.5 方法所有手术由一名高年资主任医师完成。两组患者腰硬联合麻醉或全麻成功后，患侧大腿近端安放止血带，常规碘酒、酒精消毒，铺无菌手术单。取膝前正中切口，切开皮肤、皮下，采用髌旁内侧入路，显露膝关节。
运动学对线组：术前根据患者X射线全长片测量股骨远端外侧角、胫骨近端内侧角制定截骨计划。采用BRAINLAB导航KNEE3软件对股骨侧及胫骨侧进行定位标记，反复屈伸膝关节获得患肢屈伸、旋转、内外翻运动特征。术前将假体各个位置厚度输入计算机系统内，将关节软骨补充厚度默认为2 mm，锯片厚度默认为1.5 mm，将假体厚度减去锯片及软骨补偿厚度，得到术中股骨远端、胫骨近端以及股骨后髁的最终截骨厚度。根据测量角度截骨厚度及优先进行胫骨近端截骨，然后以胫骨平台截骨参数对股骨远端进行截骨，根据截骨后内外侧松紧程度适度进行松解，获得稳定内外侧平衡后安放假体。
机械力学对线组：首先对内侧胫骨平台进行软组织松解至后内侧角处，采用BRAINLAB导航KNEE3软件对股骨侧及胫骨侧进行定位标记，获得机械力线，根据导航收集数据对截骨板进行调整，从而获得胫骨近端及股骨远端垂直于机械轴截骨，获得稳定内外侧平衡后安放假体。
两组患者安放假体后生理盐水冲洗，“鸡尾酒”局部注射，逐层缝合，无菌敷料包扎，术毕。
1.6 主要观察指标由同一名医师对患者术前及术后1年美国特种外科医院(hospital for special surgery，HSS)膝关节评分[9]、疼痛目测类比评分进行数据收集；术前及术后1年于河北省沧州中西医结合医院生物力学实验室运用 Vicon 三维步态捕捉系统(Oxford Metrics 公司，英国)对患者进行步态分析，以步速、步频、步幅、站立相及摆动相时屈伸角度、内外翻角度、内外旋角度及内收力矩为参考指标。评估者对试验方案不知情。
疼痛目测类比评分：0分无痛，10分剧痛。
膝关节HSS评分：85-100分为优，70-84分为良，60-69分为可，< 60分为差。
步态分析相关数据采集：以Vicon三维步态捕捉系统为基准，建立多个动作捕捉模型，两组患者术前、术后分别完成20个连贯步行周期数据采集。利用红外线光标捕捉，计算机精细测算下完成人体下肢运动模型转换，建立膝关节虚拟中心点，完成膝关节屈伸角度测算及膝关节虚拟中心点内外翻角度、内外旋角度等测算，利用AMTI测力台同时完成膝关节中心点力与力矩的测算。
1.7 统计学分析采用SPSS 22.0统计学软件进行统计学分析，计数资料比较采用卡方检验；计量资料组内比较采用配对t 检验，组间比较采用独立样本t检验。P < 0.05 为差异有显著性意义。

讨论

全膝关节置换作为膝关节骨关节炎患者的终极治疗已经取得临床认可，该手术能减轻疼痛、纠正畸形、从而改善膝关节功能，提高患者生活质量[10]，但有数据统计仍然有20%患者因静息痛、关节活动障碍以及并发症等因素对手术效果存在不满意[11]。如果按照“遗忘膝”的评价标准，仅仅约 42.9%的全膝关节置换术后患者能够达到遗忘膝的标准[12]。恢复下肢力线是膝关节置换术的目的之一，也是假体生存寿命的重要参考之一。
由于绝大多数正常人群膝关节存在生理性内翻，且32%的男性和17%的女性的生理膝关节线> 3°[13]，因此如果按MA-TKA手术方式，可能会改变其股骨远端、股骨后部和胫骨关节线的角度和高度，并改变术后膝关节的解剖结构[14]，导致部分患者出现术后膝关节不适[15-16]。故有学者提出下肢力线矫正位置应在膝关节中心偏内侧位置，因为在负重状态下膝关节内侧间室较外侧承重较大。
运动学对线技术自2006年开始提出，因致力于恢复膝关节原有运动学及改善患者主观感受，受到国内外学者普遍关注[17]。KA-TKA的目标是提高患者术后膝关节功能，减轻疼痛，减小手术创伤，并试图最大可能恢复膝关节原有的运动状
态[18-19]。而另外有学者认为膝关节置换不仅允许存在内翻畸形，甚至允许轻度外翻畸形存在。针对两种说法，近年来国内外学者对两种力线方法做了大量研究，有多项研究亦显示KA-TKA组的膝关节功能优于MA-TKA组[20-22]；但是也有研究显示，KA-TKA组的膝关节功能与MA-TKA组无明显差异。此文中通过比较两种对线方法全膝关节置换患者术前及术后1年目测类比评分、HSS评分，发现两组患者术后疼痛及关节功能方面无明显差异，也同样证实了上述部分观点。
运动学对线通过术中较少的软组织松解，将膝关节恢复到正常膝关节状态，保留了关节线的正常高度和倾斜角度，从而提高了患者满意度，近年来关节炎前膝关节解剖和韧带松弛的恢复和保存逐渐成为研究热点[23]。一项计算机仿真运动分析表明，运动学对线技术对于全膝关节置换更加个性化，而不是个体间的统一标准[24]。有研究表明，运动学对线技术较机械力学对线技术更能促进股骨髁后滚运动和恢复关节周围软组织张力，从而改善患者步态及满意度[25-26]。虽然一部分研究证实运动学对线技术恢复了膝关节运动特性，但其远期效果及假体生存率方面有待于进一步研究[27]。运动学对线技术仍存在一些缺点，比如膝关节置换术后残留内翻角度增加，从力学角度增加膝关节内侧假体磨损及假体接触应力。但近期一些研究发现应用运动学对线及机械力学对线技术行膝关节置换后6年假体生存率相比，差异无显著性意义。而NIKI等[28]认为从临床效果来讲，运动学对线技术更适用于相对年轻活跃的患者，他们对术后膝关节功能要求较
高。
以往国内外学者对两种对线方式进行了大量临床研究，但是对于两种对线方式的步态分析研究较少。步态分析分为时空参数、运动学及动力学参数，而这3个参数中比较重要的指标是步速、步频、步幅、站立相及摆动相屈曲角度、内外翻角度、内外旋角度及内收力矩。故此次研究中针对上述参数，统计相关数据发现，两组间步频、站立相、摆动相屈伸、内外旋角度以及摆动相内外翻角度方面比较差异无显著性意义，在步速、步幅、站立相内外翻角度以及内收力矩方面比较差异有显著性意义(P < 0.05)。步频是评价膝关节置换术后疗效的重要参数之一[29]，两组患者术后步频无明显差异，可能与术后疼痛残留、关节功能障碍以及心理因素有
关[30]，而步速、步幅存在的统计学差异与患者膝关节术后舒适度有关。KA-TKA患者术后能够恢复患者患病前的膝关节功能，在支撑相及摆动相过程中能够获得更大的伸直角度，从而提供足够的前推动力及足底移动距离，进而增加步速及步幅；而在支撑相及摆动相过程中，两组患者站立相及摆动相屈曲、内外旋角度无明显差异，而内外翻角度存在统计学差异，可能与KA-TKA残留部分内翻有关。
膝关节内收力矩属于步态分析动力学参数，是膝关节受力大小的直接体现，其计算方法是地面反作用力乘以受力点与关节中心之间的距离，是膝关节内外侧肌群力量变化的主要依据。从理论上讲KA-TKA残留部分内翻畸形，内收力矩应该增加，但是这个结果没有将膝关节力线情况及关节线倾斜度考虑进去，而NIKI等[31]指出应用KA-TKA比MA-TKA更能减少膝关节内收力矩，KA-TKA更能够恢复膝关节生理性内翻及关节线倾斜角度。这可能因为KA-TKA术后患者存在部分内翻，引起足底压力中心内移；以及因为关节线倾斜，引起膝关节内收杠杆距离缩短，从而导致内收力矩的减少。当然这仅限于存在轻度内翻患者，对于全膝关节置换术后内翻畸形> 6°患者而言，NAKAMURA等[32]基于计算机模拟和有限元分析显示，胫骨假体的内侧接触应力增加到60 MPa。因此运动学对线技术作为对传统关节置换理念颠覆观点，近期随访得到了认可，但其长期疗效需待进一步研究。总之通过此次研究发现，对于膝关节骨关节炎患者，无论是KA-TKA还是MA-TKA方式均能够在短期内提高患者功能及临床效果，而KA-TKA从步态分析来讲更能够有效降低膝关节内收力矩，为了维持关节平衡膝关节外展力矩进而减少，从而更能有效避免因外侧关节软组织紧绷造成的关节僵硬及关节活动受限的发生。
此次研究不足之处在于样本量少、随访时间不足，对于KA-TKA而言长期随访获得假体生存率、膝关节满意度等方面尤为重要；同时KA-TKA膝关节内翻角度因手术操作残留内翻角度较大，可能会对统计数据造成一定干扰。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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Comparison of kinematic alignment and mechanical alignment to guide gait after total knee arthroplasty

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