胫骨假体旋转对线技术影响髌股关节生物力学的作用机制

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.22.015

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

胫骨假体旋转对线技术：关节内的解剖参考标志线有胫骨后髁线、胫骨经髁线和胫骨中沟线，假体旋转对线会对置换过程中髌骨产生极大的影响，直接影响到其轨迹和功能。一旦出现假体旋转力线不良的情况，便极易导致各种不良后果的出现，影响到膝关节功能，且容易导致各种术后并发症的出现。

髌股关节：在人工膝关节置换后，髌股关节峰值接触压会对预后效果产生极大的影响。股骨滑车与髌骨关节面形态会对髌股接触面积产生一定的影响，如果二者的匹配程度较高，则相应的髌股接触面积便越大，对应的髌股接触压越小。反之，接触面积较小，产生的接触压较大。

摘要

背景：目前全膝关节置换过程中置放胫骨假体的解剖标志尚无金标准，为了达到最理想的胫骨假体旋转功能，必须作好置换前准备，了解各种胫骨假体旋转对线方法的优劣并合理选择应用。

目的：探讨胫骨假体旋转对线技术对髌股关节生物力学的影响及相关作用机制。

方法：收集10副人膝关节标本，制备实验平台，将标本固定在实验架上，实验架固定在材料测试仪上，进行力学实验，设置不同的膝关节屈曲角度，包括30°，60°，90°，120°。利用膝关节假体对标本进行关节置换，随机分为2组(n=5)，分别采用胫骨结节技术及ROM技术确定胫骨假体的旋转对线。观察2组标本不同屈膝角度下髌股关节内侧、外侧峰值接触压与髌股接触面积变化情况，以及深屈膝角度下髌股内外侧部分接触面积变化。
结果与结论：①屈膝角度从30°增加到60°的过程中，2组的髌股关节内侧峰值接触压均呈现出不断增大的情况，之后逐渐下降，屈膝90°时接触压均达到最小值，之后逐渐增加，并在120°时均达到最大值。2组不同屈膝角度下的髌股关节内侧峰值接触压比较，差异均无显著性意义(P均> 0.05)；②屈膝角度从30°增加到60°的过程中，2组的髌股关节外侧峰值接触压均呈现出不断减小的情况，之后逐渐上升。2组不同屈膝角度下的髌股关节外侧峰值接触压比较，差异均无显著性意义(P均> 0.05)；③屈膝角度从30°增加到60°的过程中，2组髌股接触面积均呈现出减小的情况，之后逐渐增大。2组不同屈膝角度下的髌股接触面积比较，差异均无显著性意义(P均> 0.05)；④在90°，120°屈膝状态下，2组髌股内、外侧接触部分面积比较差异均无显著性意义(P均> 0.05)。⑤结果显示，全膝关节置换过程中实施ROM技术或者胫骨结节技术确定胫骨假体旋转对线，均可以获得相当的髌股关节生物力学效果。

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: 0000-0001-7728-8637(刘锴)

关键词: 骨科植入物, 人工假体, 全膝关节置换, 髌股关节, 胫骨假体, 旋转对线, 生物力学, 作用机制

Abstract:

BACKGROUND: At present, the placement of tibial anatomic landmarks has no gold standard during total knee arthroplasty. In order to achieve the most ideal rotation function of the tibial prosthesis, we should do the preparation before surgery, understand tibial rotational alignment to rationally select and apply the prosthesis.

OBJECTIVE: To investigate the effect of tibial rotational alignment technique on patellofemoral joint biomechanics and related mechanisms.

METHODS: Ten pairs of human knee joint specimens were collected to prepare experimental platform. Specimens were fixed on the experiment frame, which was fixed on the material testing instrument for mechanics experiment. We set different knee flexion angles, including 30°, 60°, 90° and 120°. Joint replacement was performed with the knee prosthesis. Samples were randomly assigned to two groups (n=5). Tibial nodule technology and ROM technology were used to identify rotational alignment of the tibial prosthesis. The medial and lateral patellofemoral joint contact pressure peak and patellofemoral contact area at different knee angles, and the medial and lateral parts of patellofemoral contact area at deep knee angles were observed in both groups.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) During flexion angle from 30° to 60°, the peak contact pressure of medial patellofemoral joint increased, and decreased gradually in both groups. At flexion angle of 90°, contact pressure reached the minimum value, then increased gradually, and reached the maximum value at 120°. No significant difference in peak contact pressure of medial patellofemoral joint at different knee angles was detected between the two groups (all P > 0.05). (2) During flexion angle from 30° to 60°, peak contact pressure of lateral patellofemoral joint decreased constantly, and then gradually increased. No significant difference in peak contact pressure of lateral patellofemoral joint at different knee angles was detectable between the two groups (all P > 0.05). (3) During flexion angle from 30° to 60°, patellofemoral contact area decreased, and then increased gradually in both groups. No significant difference in patellofemoral contact area at different knee angles was identified between the two groups (all P > 0.05). (4) At 90° and 120°, no significant difference in the area of medial and lateral contact parts was determined between the two groups (all P > 0.05). (5) Experimental results showed that tibial nodule technology and ROM technology for identifying tibial rotational alignment during total knee arthroplasty can obtain considerable biomechanical effects of patellofemoral joint.

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

Key words: Arthroplasty, Replacement, Knee, Prosthesis Implantation, Biomechanics, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

刘锴. 胫骨假体旋转对线技术影响髌股关节生物力学的作用机制[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(22): 3301-3307.

Liu Kai. Action mechanism for effects of tibial rotational alignment technique on patellofemoral joint biomechanics[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(22): 3301-3307.

图/表（结果） 1

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引言

材料方法

1.1 设计 随机对照实验。

1.2 时间及地点 于2015年10至12月在南阳医学高等专科学校第一附属医院实验室完成。

1.3 材料

1.3.1 膝关节标本收集10副人膝关节标本，均由南阳医学高等专科学校第一附属医院标本室提供。实验相关方案均提交本院医学伦理部门审核，并经批准，符合相关伦理学要求。

1.3.2 膝关节假体实验过程中使用的膝关节假体均由捷迈(上海)医疗国际贸易有限公司提供，产品商品名：NexGen全膝关节置换假体，产品标准：进口产品注册标准YZB/USA 1191-2010《膝关节假体》。产品为组配型部件，关节面材料为超高分子量聚乙烯，胫骨平台主体材料为铸造钴铬钼合金，关节面锁定螺钉材料为锻造钴铬钼合金。产品经测试，具有良好的机械强度。

1.4 实验方法

1.4.1 标本处理^[9] 将标本置于室温环境下进行解冻，对标本皮肤和皮下脂肪等予以清除，对关节囊和侧副韧带以及髌旁支持带组织等予以保存。自股骨后侧起点处将股四头肌掀起，向下翻转，至股骨前侧近髌上水平位置，对股四头肌腱性部分予以保留，以备后续实验钳夹牵引。在胫骨结节下方15 cm处对胫骨予以离断，于关节线水平上方20 cm处对股骨干予以离断于邻近胫腓上关节水平位置对腓骨予以截断，利用1枚皮质骨螺钉对胫腓骨进行固定。

1.4.2 实验平台设计^[10-13] 制备实验平台，平台设计有支架，对人体的髋关节和踝关节予以模拟，可以为股骨提供水平移动与矢状面旋转自由度以及胫骨3个自由度。平台设计完成后，将标本固定在实验架上，对胫骨、股骨进行扩髓，并在髓腔内插入实验架上、下髓内固定杆，锁钉妥善固定。胫骨、股骨髓腔中央放置髓内固定杆，矢状面上使用量角器对2个髓内杆间夹角进行测量，设为膝关节屈曲角。10个标本股骨侧长度均控制在45 cm，胫骨30 cm。将固定有标本的实验架固定在材料测试仪上，上端横杆安装可以水平移动的滑轮，钳夹标本股四头肌腱，利用金属线缆与材料测试仪的加载装置进行连接。力学实验过程中，通过对材料测试仪与实验架连接部施加垂直向下负荷(30 kg)方式来模拟人体单侧下肢承受的负荷，设置不同的膝关节屈曲角度，包括30°，60°，90°，120°。

1.4.3 关节置换^[14-16] 利用膝关节假体标本进行关节置换，10个膝关节标本随机分为2组(n=5)，胫骨结节技术组以胫骨结节内、中1/3交界处确定胫骨假体的旋转对线，ROM技术组以股骨假体位置确定胫骨假体的旋转对线。所有操作均由同一位有术者负责完成。常规固定胫骨假体，进行各项测试。

1.4.4 生物力学测试胫骨侧先以试件插入然后屈伸膝关节6次，屈伸范围为0°-135°，获得胫骨假体在屈曲位和伸直位的旋转位(以试件上的标记线为参照)，取中间位置，然后用骨水泥固定胫骨假体(假体柄不固定，以方便取下假体)。测定结束后，再取下胫骨假体，以胫骨结节内、中1/3确定胫骨假体的旋转位置，进行测定。术中均不置换髌骨，以消除髌骨置换技术差异带来的实验误差。

1.5 主要观察指标 观察2组标本不同屈膝角度下髌股关节内侧、外侧峰值接触压与髌股接触面积变化情况，以及深屈膝角度下髌股内外侧部分接触面积。

1.6 统计学分析 对研究过程中的相关数据予以完整记录与收集，使用SPSS 18.0软件进行统计学分析。组间比较予以单因素方差分析，差异存在显著性意义的标准为P< 0.05。

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讨论

全膝关节置换的目的是为了缓解膝关节疼痛、改善膝关节功能、提高生活质量，是治疗终末期骨性关节炎的有效手段。全膝置换是常见的治疗各种膝关节疾病的手段，能有效根除晚期膝关节病痛,同时对关节功能及活动度等方面均有明显改善。

全膝关节置换过程中，需要结合不同患者的实际情况选用一定的假体，而假体所产生的轴向旋转力线会对手术效果产生极大的影响^[17-20]。早期的膝关节假体并未设计髌骨假体，由于频繁的膝前疼痛使得髌骨假体开始出现并用于临床，但是关节脱位、髌骨坏死、髌骨对线不齐、伸膝功能障碍、髌骨骨折等等并发症也随之而来。目前，国内大部分全膝关节置换器械和假体设计是参照白种人骨骼解剖形态特点完成的，但不同种族间的解剖差异较大，黄种人股骨髁解剖较白种人矢状轴短，而冠状轴长，这就迫使国内手术医师在手术当中不得不选择小号的假体，这就容易出现屈曲间隙较大，股骨远端加截导致关节线水平上移，软组织过度松解，甚至造成股骨前髁notching等现象。髌骨假体并发症认为是导致全膝关节置换失败的最主要原因。临床研究发现，下肢力线重建是保障人工膝关节置换成功的关键，进行任何一种类型的人工膝关节置换时，必须保持或重建正常下肢力线，以使假体固定界面，应力分布均匀，并恢复膝关节韧带作用力的生理性平衡。具体来看，假体旋转对线会对置换过程中髌骨产生极大的影响，直接影响到其轨迹和功能。一旦出现假体旋转力线不良的情况，便极易导致各种不良后果的出现，影响到膝关节功能，且容易导致各种术后并发症的出现^[21-14]。全膝关节置换后髌骨的接触特性、稳定性越接近于正常膝关，无论手术是否置换髌骨，全膝关节置换后的髌股接触面积均明显减少，接触压增高，髌骨的运动轨迹发生改变，并与假体的种类有关。胫骨假体旋转对线是髌骨运动轨迹的重要决定因素，若胫骨假体旋转对线不佳，往往易引起骸骨脱位、磨损，甚至引起骸骨骨折，而假体过度外旋则会加重骸骨轨迹异常，因此在人工膝关节置换中，选择恰当的胫骨假体旋转对线技术对降低术后骸骨关节并发症有重要临床价值。有研究对50例初次人工全膝关节置换的观察发现，其中4例患者将膝关节在伸直状态下取得胫骨假体自然的转动方向，即当胫骨假体处于相对于股骨假体的功能位时，外旋也仅止于胫骨结节内侧缘的外侧0-4 mm(平均2 mm)处，而非以往所认为的胫骨结节中内1/3处。有实验显示，中央圆顶形的全聚乙烯髌骨假体与股骨滑车的两侧翼相接触，呈两块不连续的较小的接触区，而正常人体是一横行片状区，接触面积随着屈膝角度的增大而迅速减少，高度屈膝时变为两点接触。接触面积最少时减少至术前的1/19，平均接触压最高时升至术前的，倍峰值接触压最高时升至术前的22倍。有学者提出以胫骨结节的中内1/3线定位胫骨假体，可实现置换膝关节的最大功能，且目前被大多数膝关节置换的医生采用，但这可能只是建立在医生的个人经验基础上，而缺乏理论根据。

当前，在实施全膝关节置换的过程中，寻找合适的假体旋转对线难度较大。目前，应用较多的对线技术包括胫骨结节技术以及ROM技术。其中，胫骨结节技术以胫骨结节内、中1/3交界处为标准，对胫骨假体的旋转对线予以确定^[25-28]。ROM技术则选择以股骨假体旋转方向为参照，对胫骨假体旋转对线予以确定。置换术中，先对股骨假体试件进行安装，之后插入胫骨假体试件，并进行多次膝关节屈伸，以确定最佳的胫股旋转对线位置^[29-32]。本次实验中，选择利用人膝关节标本对人下蹲动作进行模拟，并对上述两种不同对线方法下全膝置换术所产生的髌股关节生物力学效果进行比较分析。在人工关节术后，髌股关节峰值接触压会对预后效果产生极大的影响。股骨滑车与髌骨关节面形态会对髌股接触面积产生一定的影响，如果二者的匹配程度较高，则相应的髌股接触面积便越大，对应的髌股接触压越小^[33-35]。反之，接触面积较小，产生的接触压较大。为此，在置换术中对股骨滑车形态进行设计的时候，需要充分考虑到髌股关节峰值接触压，以保证膝关节伸屈过程中，与髌骨之间保持良好的接触^[36-40]。在此次实验过程中，为避免髌骨置换技术差异带导致的实验误差，未实施髌骨置换。因此，实验中不同标本髌骨关节面在形态方面存在一定的差异，相应的髌股接触面积测量结果存在一定的浮动，接触面积变化范围较大。髌股接触面积是由股骨滑车与髌骨关节面的形态决定的，两者越匹配，髌股接触面积就越大，髌股接触压就越小，因此股骨滑车的形态设计需保证在膝关节的伸屈过程中始终与髌骨有良好的接触。实验过程中，对人膝关节下蹲动作进行了模拟，并测量相关的生物力学效果。实验结果显示，屈膝角度从30°增加到60°的过程中，2组的髌股关节内侧峰值接触压均呈现出不断增大的情况，之后逐渐下降，屈膝90°时接触压均达到最小值，之后逐渐增加，并在120°时均达到最大值。对2组不同屈膝角度下的髌股关节内侧峰值接触压进行比较，差异均无显著性意义。屈膝角度从30°增加到60°的过程中，2组的髌股关节外侧峰值接触压均呈现出不断减小的情况，之后逐渐上升。对2组不同屈膝角度下的髌股关节外侧峰值接触压进行比较，差异均无显著性意义。对2组不同屈膝角度下的髌股接触面积进行比较，差异均无显著性意义。在90°，120°屈膝状态下，2组髌股内、外侧接触部分面积经比较差异均无显著性意义。上述结果显示，在全膝置换术中，参照经股骨上髁轴对股骨假体旋转方位予以确定后，实施ROM对线或者胫骨结节对线方式对胫骨假体旋转对线进行确定可以获得基本相当的髌股关节生物力学效果。

目前全膝关节置换过程中置放胫骨假体的解剖标志尚无金标准，为了达到最理想的胫骨假体旋转功能，必须作好术前准备，了解各种胫骨假体旋转对线方法的优劣并合理选择应用。另外，国外文献研究报道中的许多参考标志应用于中国人身上不一定能获得类似结果，国内应进行大规模，不同样本的深入研究，以寻找更合适于中国人的参考标志，用于确定胫骨假体旋转对线的最理想解剖标志。临床上还需要进一步研究更精确、稳定，并适用于中国人胫骨假体置放的解剖标志。

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