全膝置换中股骨假体轴向旋转对线与髌股关节生物性能的变化

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.13.002

摘要/Abstract

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文题释义：

假体旋转对线：假体旋转对线会对全膝置换过程中髌骨的轨迹和功能产生影响，如果股骨假体相对胫骨假体内旋会明显增加髌股关节外侧接触压，使髌骨内倾内移：适度的股骨假体相对胫骨假体外旋后髌骨轨迹相应外移，降低股四头肌的外侧矢量，但股骨假体相对胫骨假体过度外旋可导致髌骨内侧脱位和髌股关节内侧接触压增加。

髌股关节：是参与膝关节伸屈运动的重要结构。髌骨的外侧倾斜和外侧移位是髌股对线异常的主要存在形式，其原因可能包括股骨髁的发育异常、髌骨发育异常及高位髌骨、膝外翻和Q角异常增大、内侧支持带松弛、外侧支持带挛缩等多种因素。髌股异常对线的直接结果是导致关节面应力或称髌股接触压的分布异常。

背景：全膝置换中需要使用股骨假体，假体会产生一定的轴向旋转对线，并影响到到髌股关节的生物性能。

目的：探讨全膝置换中股骨假体轴向旋转对线对髌股关节生物性能的影响。

方法：从河南中医学院第二附属医院(河南省中医院)标本室获得10个新鲜人尸体膝关节，建立膝关节实验平台，模拟人体踝关节和髋关节，提供 3个胫骨自由度以及2个股骨自由度。测定股骨假体旋转角度，实施全膝关节置换，利用敏感型压敏片测定以经股骨上髁轴内旋2°、经股骨上髁轴外旋2°、经股骨上髁轴内旋4°、与经股骨上髁轴平行、股骨上髁轴外旋4°、与Whiteside线平行情况下的髌股接触压以及髌股接触面积。

结果与结论：对股骨假体轴向与经股骨上髁轴平行方位旋转的关节内、外侧峰值接触压均处于较为均衡的状态，且与其他方式旋转的关节内、外侧峰值接触压差异有显著性意义(P < 0.05)。股骨假体轴向不同旋转方位髌股接触面积差异无显著性意义。表明全膝置换中股骨假体轴向旋转对线会对髌股关节生物性能产生一定的影响，经股骨上髁轴平行状态下髌股关节内、外侧峰值接触压未出现一侧过低或者过高的情况，处于较为均衡的状态，术中可以选择将其作为股骨假体旋转对线参照标准。

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

ORCID: 0000-0002-8167-7077(杨军)

关键词: 骨科植入物, 人工假体, 全膝置换, 股骨, 假体旋转, 旋转对线, 髌股关节, 经股骨上髁, 生物性能

Abstract:

BACKGROUND: Total knee arthroplasty needs to use the femoral prosthesis. The prosthesis will produce a certain axial rotation on the line, and affect the biological properties of the patellofemoral joint.
OBJECTIVE: To explore the effect of axial rotation of prosthesis on biological effect of the patellofemoral joint in total knee arthroplasty.
METHODS: Ten fresh human cadaver knees were obtained from the Specimen Room of Second Affiliated Hospital (Henan Province Hospital of Traditional Chinese Medicine) of Henan University of Traditional Chinese Medicine. Knee joint experimental platform was established to simulate the human ankle and hip joint, providing 3 degrees of freedom of tibia and 2 degrees of freedom of femur. Femoral component rotation angle was measured. Total knee arthroplasty was conducted. The sensitive pressure-sensitive film was used to measure the transepicondylar axis rotation of 2°, 2° through the femoral epicondylar axis rotation, the femoral epicondylar axis rotation of 4°, and parallel to the femoral epicondylar axis, external rotation of the femoral epicondylar axis 4°, and the patellofemoral contact pressure and patellofemoral contact area parallel with Whiteside’s line.
RESULTS AND CONCLUSION: The peak contact pressure inside and outside the joint at different axial rotation of the femoral prosthesis paralleled with femoral epicondylar axis was in a balanced state, and significant differences were detected as compared with other rotation manners (P < 0.05). No significant difference was found in patellofemoral contact area at different directions. These findings suggest that femoral prosthesis axial rotation on the line in total knee arthroplasty will have a certain effect on biological properties of patellofemoral joint. The peak contact pressure inside and outside patellofemoral joint in the parallel state of the femoral epicondylar axis does not appear excessive low or high state on one side, but in a balanced state. It can be chosen as a reference standard of rotational alignment of the femoral prosthesis during the operation.

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杨军. 全膝置换中股骨假体轴向旋转对线与髌股关节生物性能的变化[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(13): 1838-1844.

Yang Jun . Axial rotation alignment of the femoral prosthesis in total knee arthroplasty and biological effect of patellofemoral joint[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(13): 1838-1844.

图/表（结果） 2

参考文献

[1] 余存泰,覃健,侯之启,等.特定序列CT扫描检测全膝关节置换假体旋转稳定性[J].中国临床解剖学杂志,2007, 25(3):282-284.

[2] 罗吉伟,余存泰,覃健,等.全膝关节置换术的假体旋转力线不良与髌股关节并发症[J].南方医科大学学报, 2006, 26(2): 217-219.

[3] 陈坚锋,冯宗权.膝关节置换术中股骨旋转截骨的研究进展[J].中国矫形外科杂志,2008,16(18):1404-1406.

[4] Ma HM, Lu YC, Kwok TG, et al. The effect of the design of the femoral component on the conformity of the patellofemoral joint in total knee replacement. J Bone Joint Surg Br. 2007;89(3):408-412.

[5] Figgie HE 3rd, Goldberg VM, Figgie MP, et al. The effect of alignment of the implant on fractures of the patella after condylar total knee arthroplasty. J Bone Joint Surg Am. 1989;71(7):1031-1039.

[6] 储小兵.人工全膝关节置换术股骨假体旋转对线的实验与临床研究[D].上海:第二军医大学,2006.

[7] Chang CB, Seong SC, Kim TK. Evaluations of radiographic joint space--do they adequately predict cartilage conditions in the patellofemoral joint of the patients undergoing total knee arthroplasty for advanced knee osteoarthritis? Osteoarthritis Cartilage. 2008;16(10):1160-1166.

[8] 覃承诃.全膝关节置换术中胫、股骨假体旋转力线的相关研究[D].广州:第一军医大学,2006.

[9] 周一新.人工膝关节假体设计对全膝关节置换术后髌股关节功能的影响[J].中华骨科杂志,2006,26(9):646-648.

[10] Kaper BP, Woolfrey M, Bourne RB. The effect of built-in external femoral rotation on patellofemoral tracking in the genesis II total knee arthroplasty. J Arthroplasty. 2000;15(8):964-969.

[11] Argenson JN, Blanc G, Aubaniac JM, et al. Modern unicompartmental knee arthroplasty with cement: a concise follow-up, at a mean of twenty years, of a previous report. J Bone Joint Surg Am. 2013;95(10): 905-909.

[12] Conditt MA, Noble PC, Allen B, et al. Surface damage of patellar components used in total knee arthroplasty. J Bone Joint Surg Am. 2005;87(6):1265-1271.

[13] 储小兵,吴海山,徐长明,等.胫骨假体旋转对线技术对髌股关节生物力学影响的实验研究[J].中国矫形外科杂志, 2005,13(23):1795-1797,1805.

[14] Miller MC, Zhang AX, Petrella AJ, et al. The effect of component placement on knee kinetics after arthroplasty with an unconstrained prosthesis. J Orthop Res. 2001;19(4):614-620.

[15] Smith AJ, Wood DJ, Li MG. Total knee replacement with and without patellar resurfacing: a prospective, randomised trial using the profix total knee system. J Bone Joint Surg Br. 2008;90(1):43-49.

[16] D'Lima DD, Chen PC, Kester MA, et al. Impact of patellofemoral design on patellofemoral forces and polyethylene stresses. J Bone Joint Surg Am. 2003; 85-A Suppl 4:85-93.

[17] 李宝文.全膝人工关节置换涉及的生物力学变化[J].中国组织工程研究与临床康复,2008,12(17):3313-3316.

[18] 林祥波.固定与旋转平台膝关节假体有限元、体外生物力学分析及临床应用研究[D].上海:第二军医大学, 2009.

[19] 刘忠堂.全膝关节置换术后髌股关节生物力学及临床研究[D].上海:第二军医大学,2007.

[20] Matsumoto T, Muratsu H, Tsumura N, et al. Joint gap kinematics in posterior-stabilized total knee arthroplasty measured by a new tensor with the navigation system. J Biomech Eng. 2006;128(6): 867-871.

[21] 杨庆武,赵文玲.股骨假体旋转力线与TKA术后疼痛相关性分析[J].中国伤残医学,2014,22(2):302-303.

[22] Song MH, Kim BH, Ahn SJ, et al. Does the appearance of the patellofemoral joint at surgery influence the clinical result in medial unicompartmental knee arthroplasty? Knee. 2013;20(6):457-460.

[23] Han I, Chang CB, Lee S, et al. Correlation of the condition of the patellar articular cartilage and patellofemoral symptoms and function in osteoarthritic patients undergoing total knee arthroplasty. J Bone Joint Surg Br. 2005;87(8):1081-1084.

[24] Miller MC, Berger RA, Petrella AJ, et al. Optimizing femoral component rotation in total knee arthroplasty. Clin Orthop Relat Res. 2001;(392):38-45.

[25] Armstrong AD, Brien HJ, Dunning CE, et al. Patellar position after total knee arthroplasty: influence of femoral component malposition. J Arthroplasty. 2003; 18(4):458-465.

[26] Rhoads DD, Noble PC, Reuben JD, et al. The effect of femoral component position on the kinematics of total knee arthroplasty. Clin Orthop Relat Res. 1993;(286): 122-129.

[27] 赵宝辉,陈百成,邵德成,等.股骨远端旋转对线参考轴线与胫骨机械轴关系的研究[J].中华外科杂志,2008,46(14): 1085-1087.

[28] 友斯伟.全膝关节置换术中股骨假体及胫骨假体可靠的水平面旋转对线的确定[D].上海:上海交通大学,2013.

[29] Berger RA, Nedeff DD, Barden RM, et al. Unicompartmental knee arthroplasty. Clinical experience at 6- to 10-year followup. Clin Orthop Relat Res. 1999;(367):50-60.

[30] Fuchs S, Skwara A, Rosenbaum D. Preliminary results after total knee arthroplasty without femoral trochlea: evaluation of clinical results, quality of life and gait function. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2005; 13(8):664-669.

[31] Fantozzi S, Catani F, Ensini A, et al. Femoral rollback of cruciate-retaining and posterior-stabilized total knee replacements: in vivo fluoroscopic analysis during activities of daily living. J Orthop Res. 2006;24(12): 2222-2229.

[32] Tanzer M, McLean CA, Laxer E, et al. Effect of femoral component designs on the contact and tracking characteristics of the unresurfaced patella in total knee arthroplasty. Can J Surg. 2001;44(2):127-133.

[33] 齐峥嵘.全膝关节置换术股骨假体旋转对线对髌骨轨迹影响的临床研究[D].北京:军医进修学院,2010.

[34] Picard F, Gregori A, Dean F, et al. Computer-assisted dynamic total knee arthroplasty using Whiteside's line for alignment. Orthopedics. 2006;29(10 Suppl): S104-107.

[35] Stoddard JE, Deehan DJ, Bull AM, et al. No difference in patellar tracking between symmetrical and asymmetrical femoral component designs in TKA. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2014;22(3): 534-542.

[36] Bindelglass DF, Dorr LD. Current concepts review: symmetry versus asymmetry in the design of total knee femoral components--an unresolved controversy. J Arthroplasty. 1998;13(8):939-944.

[37] Heller MO, Matziolis G, König C, et al. Musculoskeletal biomechanics of the knee joint. Principles of preoperative planning for osteotomy and joint replacement. Orthopade. 2007;36(7):628-634.

[38] Zhang Guo-dong, Yang C, Yang G, et al. Application and development of kinematical alighment during total knee arthroplasty. Zhongguo Gu Shang. 2015;28(12): 1162-1165.

[39] Zihlmann MS, Stacoff A, Romero J, et al. Biomechanical background and clinical observations of rotational malalignment in TKA: literature review and consequences. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2005; 20(7):661-668.

[40] Ulrich SD, Mont MA, Bonutti PM, et al. Scientific evidence supporting computer-assisted surgery and minimally invasive surgery for total knee arthroplasty. Expert Rev Med Devices. 2007;4(4):497-505.

[41] Cheng T, Zhang G, Zhang X. Imageless navigation system does not improve component rotational alignment in total knee arthroplasty. J Surg Res. 2011; 171(2):590-600.

[42] 李新胜,姜建威,储小兵,等.股骨后髁角的影像学测量临床价值[J].南京医科大学学报(自然科学版),2006, 26(5): 371-372.

[43] Leadbetter WB. Patellofemoral arthroplasty in the treatment of patellofemoral arthritis: rationale and outcomes in younger patients. Orthop Clin North Am. 2008;39(3):363-380, vii.

[44] Delanois RE, McGrath MS, Ulrich SD, et al. Results of total knee replacement for isolated patellofemoral arthritis: when not to perform a patellofemoral arthroplasty. Orthop Clin North Am. 2008;39(3): 381-388, vii.

[45] Cannon A, Stolley M, Wolf B, et al. Patellofemoral resurfacing arthroplasty: literature review and description of a novel technique. Iowa Orthop J. 2008;28:42-48.

[46] Becher C, Renke A, Heyse TJ, et al. Patellofemoral arthroplasty--results of a nation-wide survey in Germany and review of the literature. Z Orthop Unfall. 2008;146(6):773-781.

[47] Berend KR, Lombardi AV Jr, Adams JB. Obesity, young age, patellofemoral disease, and anterior knee pain: identifying the unicondylar arthroplasty patient in the United States. Orthopedics. 2007;30(5 Suppl):19-23.

[48] 肖瑜.全膝关节置换术中胫骨假体旋转对线技术的新方法[D].天津:天津医科大学,2008.

[49] 储小兵,吴海山,祝云利,等.全膝置换术中股骨假体旋转参照轴的影像学比较研究[J].解放军医学杂志,2006, 31(1): 69-70.

[50] 姜侃,曲铁兵,钟广军,等.人工膝关节置换术中股骨远端旋转对线方法的研究与进展[J].中国矫形外科杂志,2013, 21(21):2181-2183.

引言

材料方法

1.1 设计体外观察性实验。

1.2 时间及地点实验于2015年8至9月在河南中医学院第二附属医院(河南省中医院)实验室完成。

1.3 材料

从河南中医学院第二附属医院(河南省中医院)标本室获得10个新鲜人尸体膝关节。其中男7例，女3例，死亡年龄20-60岁，平均45岁，其中左膝和右膝各5个。所有膝关节标本无关节畸形且稳定性良好，软骨保存完整，无髌股关节并发症，被动活动不受限制，且下肢力线正常。所有标本均置于-70 ℃冰箱里保存。

1.4 方法

1.4.1 标本处理将实验标本置于室温环境下自然解冻，解冻之后对标本上遗留的皮肤和皮下脂肪予以清除，并去除股骨后方肌性组织。对关节囊和髌旁支持带组织、髌腱、侧副韧带、股四头肌肌腱等予以完整保留，并对股四头肌肌腱性部分进程保留，用来进行牵引。在胫骨结节下方20 cm处对胫骨进行离断，在关节线水平上方25 cm处对股骨干进行离断。在胫腓上关节附近对腓骨予以截断，对外侧副韧带予以妥善保护，并利用1枚皮质骨螺钉(3.5 mm×24 mm)对残余腓骨头予以固定。

1.4.2 膝关节实验平台建立参照文献[6]建立膝关节实验平台。实验平台可以模拟人体踝关节和髋关节，为后续实验提供3个胫骨自由度(3个平面的旋转自由度)以及2个股骨自由度(矢状面的旋转自由度1个、水平移动自由度1个)(图1)。

1.4.3 股骨假体旋转角度测定在瞄准器引导下，利用1枚克氏针对标本股骨内、外上髁最突出点予以贯穿。在与克氏针相平行的方向放置股骨前后髁切骨参照导板。按照指示孔对股骨假体内旋和外旋角度进行控制。利用轴定位器对Whiteside线进行确定，按照不同试验方案，实现假体不同旋转方位下的角度测定。

1.4.4 全膝置换与实验分组利用Nexgen LPS后稳定型全膝系统对10个标本进行平行于经股骨上髁轴施行前后髁截骨，此组实验完毕后顺序进行内旋2°、内旋4°、外旋20°、外旋4°、平行于Whiteside线依次进行各组实验(表1)。假体空隙处常规进行骨水泥填充。

1.4.5 髌股接触面积和髌股接触压测定利用低敏感型压敏片和中敏感型压敏片对接触压进行测定，利用超低敏感型压敏片对接触面积进行测定。测定过程中，先模拟体质量以及股四头肌牵引力进行负荷加载，达到不同角度并保持平衡之后对负荷予以卸载，角度保持不变，经髌旁内侧切口将压敏片插入髌殷关节间，再次加载原负荷，维持2 min之后卸载。将压敏片取出，并利用压力测定仪获得相应的数据结果，利用Autocad软件( Autodesk欧特克公司)进行处理，获得接触面积结果。

1.5 主要观察指标 ①股骨假体轴向不同旋转方位关节内、外侧峰值接触压。②股骨假体轴向不同旋转方位髌股接触面积。

1.6 统计学分析数据以x(_)±s表示。利用SAS 19.0软件完成方差分析，各组间比较予以SNK-q 检验。P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

膝关节中，髌股关节是十分重要的组成结构之一。髌股关节由髌骨和股骨滑车相对应构成^[7]。髌骨是伸膝结构的重要组成部分。股骨滑车的前面与髌骨后关节面构成髌股关节^[8-10]。髌股关节具有人体中最厚的软骨，最大厚度可达7 mm，关节面软骨厚度的变化特点有助于增强髌股关节面的适合性。

髌股关节是一个独特的结构，但解剖情况十分复。髌股关节中涉及到多种动态和静态元素，包括神经肌肉系统和骨骼以及韧带等^[11]。在内、外侧髌股关节以及相关韧带的共同作用下，可以维持良好的关节稳定状态，并对整个膝关节的稳定性产生极大的影响。在全膝关节置换过程中，需要使用一定的股骨假体^[12-15]。而假体的使用会导致异性轴向旋转力学效果的出现，如果出现假体旋转对线不佳的情况，并极易对关节置换效果产生不同程度的影响，导致各种不良后果的出现，包括髌骨脱位、假体磨损增加等，影响到患者的膝关节功能^[16-19]。从生物力学角度进行分析，在股骨假体轴向旋转对线和髌股关节之间存在十分密切的联系^[20-23]。Miller等^[24]分析了股骨假体在外旋状态下对髌骨的运动以及假体压力中心所产生的影响，并通过研究发现，在股骨假体与经上髁轴相平行的位置，髌骨的运动轨迹处于较为正常的状态。在这一状态下，处于屈膝初期的时候可以适当减小髌骨的剪力。上述最佳旋转状态的出现，还可以显著降低胫股磨损。而如果股骨假体与经上髁轴发生相对内旋或者外旋，则在屈膝初期均会导致髌骨内侧和外侧剪力的增加。Armstrong等^[25]也通过研究发现，如果股骨假体发生外旋，则会导致不良的髌骨空间位置，相应的髌骨在两个不同平面上的空间位置会存在显著低差异，导致不均衡效果的出现。较之完整膝关节以及标准股骨假体髌骨位置，会出现髌骨过分外倾以及外移的情况，不利于提高预后效果。Rhoads等^[26]以股四头肌为单位进行力学加载，发现在外旋一定程度的情况下，股骨假体可以产生和完整膝关节较为接近的髌骨轨道效果。但如果股骨假体发生内旋，则无法产生正常的轨迹效果。通过实验Rhoads等^[26]还发现，实验过程中所使用的假体外侧具备高边，在股骨假体发生内旋或者内置的时候，假体的外侧高边可以发挥出良好的作用来，有效避免髌骨脱位情况的出现。但也会可能导致髌骨假体上产生较大应力的情况，引发假体松动或者加快假体磨损等不良情况的出现。

此次实验过程中，建立了膝关节实验平台。该平台可以对人体的踝关节等进行很好的模拟，并以力学平衡为基本依据。在实验过程中，按照杠杆原理，可以对各组的不同情况下的力学情况等进行分析。在膝关节置换之后，随着人体日常的各种膝关节活动，置换的假体会随之受到一定的接触压力^[27-30]。相应的假体接触压力具有一定的峰值，指的是髌股接触区内压强的最大值^[31-33]。如果压力超过该值，便会导致各种不良后果的出现，例如假体磨损和髌骨软骨破坏以及膝前痛等^[34-42]。因此，在进行实验的时候，髌股关节峰值是一个十分重要的观察指标。本次实验结果显示，对股骨假体轴向不同旋转方位关节内、外侧峰值接触压进行统计和比较可以发现，股骨假体轴向旋转与经股骨上髁轴平行时(D组)的关节内、外侧峰值接触压均处于较为均衡的状态，且与其余各组差异有显著性意义。表明在经股骨上髁轴平行状态下髌股关节内、外侧峰值接触压未出现一侧过低或者过高的情况，处于较为均衡的状态。结果也提示，如果全膝关节置换中股骨假体对线效果不佳，则在术后会导致不良髌骨轨迹的出现，关节间应力也会出现不均衡的情况，一边下降、一边上升^[43-49]。而此次实验中，对股骨假体轴向不同旋转方位髌股接触面积进行统计和记录，可得接触面积分布范围为1.35-2.35 cm²。对各组接触面积进行比较差异无显著性意义。实验结果表明，全膝置换中股骨假体轴向旋转对线会对髌股关节生物性能产生一定的影响，经股骨上髁轴平行状态下髌股关节内、外侧峰值接触压未出现一侧过低或者过高的情况，处于较为均衡的状态，全膝置换中可以选择将其作为股骨假体旋转对线参照标准。因此，如果出现关节一侧的压力上升而解除面积并未随之增大的情况，则髌股接触压会出现显著上升的情况^[50]。实验结果显示，全股骨假体经股骨上髁轴平行状态下髌股关节内、外侧峰值接触压未出现一侧过低或者过高的情况，处于较为均衡的状态。分析出现这一结果的原因，是因为经股骨髁上轴不会受到各种关节疾病的较大影响，且个体差异性小，因此可以维持讲好的均衡状态。

综上所述，通过此次实验对全膝置换术中股骨假体轴向旋转对线相关问题进行了分析，发现其会对髌股关节生物性能产生一定的影响。其中，经股骨上髁轴平行状态下髌股关节处于较为均衡的状态，提示在临床全膝关节置换过程中，可以选择将其作为股骨假体旋转对线参照标准，以提高对线效果，改善预后。但是，在此次实验中，受到测量精度和质量控制等因素的影响，相关结果可能存在一定的不准确的情况。另外，此次研究采用的是体外实验的方式，与实际的全膝置换手术情形存在一定的差异。为此，本实验相关结果与结论虽然可以为临床治疗提供一定的参考依据，但在实际的临床手术治疗中，还需要集合患者的不同情况进行分析，制定科学的治疗方案。

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