高位髋关节中心全髋关节置换治疗发育性髋关节发育不良后的三维步态评价

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2963

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (3): 350-355.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2963

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高位髋关节中心全髋关节置换治疗发育性髋关节发育不良后的三维步态评价

张羽，冯硕，杨志，张野，孙健宁，安伦，陈向阳

徐州医科大学附属医院骨科，江苏省徐州市 221002

收稿日期:2020-03-06 修回日期:2020-03-12 接受日期:2020-04-15 出版日期:2021-01-28 发布日期:2020-11-16
通讯作者: 陈向阳，博士，主任医师，副教授，硕士生导师，徐州医科大学附属医院骨科，江苏省徐州市 221002
作者简介:张羽，男，1989年生，山东省菏泽市人，汉族，徐州医科大学在读硕士，目前主要从事骨关节外科方面的研究。

Three-dimensional gait of patients with developmental dysplasia of hip undergoing total hip arthroplasty with high hip center

Zhang Yu, Feng Shuo, Yang Zhi, Zhang Ye, Sun Jianning, An Lun, Chen Xiangyang

Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Xuzhou Medical University, Xuzhou 221002, Jiangsu Province, China

Received:2020-03-06 Revised:2020-03-12 Accepted:2020-04-15 Online:2021-01-28 Published:2020-11-16
Contact: Chen Xiangyang, MD, Chief physician, Associate professor, Master’s supervisor, Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Xuzhou Medical University, Xuzhou 221002, Jiangsu Province, China
About author:Zhang Yu, Master candidate, Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Xuzhou Medical University, Xuzhou 221002, Jiangsu Province, China

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
全髋关节置换：是以人工合成的髋关节假体代替已损坏的股骨头和髋臼，以恢复髋关节的活动和负重功能的一种手术，被认为是目前改善创伤和终末期退行性关节疾病患者生活质量最成功的骨科重建手术之一。
三维步态分析：能够借助专业设备获取人体时空参数、各个关节的运动学参数及动力学参数，通过专业的分析可以推测出患者步态异常的主要原因，进而对诊疗方案的确定具有非常重要的作用，同时也能够对设计出的治疗方案进行评估，以验证设计的治疗方案是否存在问题。

背景：对于Crowe Ⅱ、Ⅲ型发育性髋关节发育不良合并重度髋关节骨性关节炎的患者行全髋关节置换，是选择髋臼解剖重建还是高位髋关节旋转中心重建目前仍存在争议。
目的：比较全髋关节置换过程中高位髋关节中心和解剖髋关节中心重建技术在步态特征方面的差异。
方法：选择2014年1月至2017年7月CroweⅡ-Ⅲ型发育性髋关节发育不良继发单侧髋关节病变女性患者40例，均接受全髋关节置换治疗，其中20例术中进行解剖型髋关节中心重建，另20例进行高位髋关节中心重建。置换后随访2年以上，进行步态分析。研究获得徐州医科大学附属医院伦理委员会批准。
结果与结论：①时空参数：两组手术侧和非手术侧的步速、步频、步长、单腿支撑时间、单腿摆动时间、双腿支撑时间相似，两组间手术侧的步速、步频、步长、单腿支撑时间、单腿摆动时间、双腿支撑时间比较差异均无显著性意义(P > 0.05)；②运动学参数：高位重建组手术侧的髋关节最大伸展度低于非手术侧(P < 0.01)，两组手术侧的髋关节最大屈曲度和髋关节屈伸范围均低于非手术侧(P=0.01)；高位重建组手术侧的髋关节最大伸展度、髋关节屈伸范围低于解剖重建组(P < 0.05)，两组手术侧的髋关节最大屈曲度、膝关节最大屈曲度、膝关节屈伸范围、踝关节最大背屈度、踝关节最大跖屈度、踝关节背跖屈范围比较差异均无显著性意义(P > 0.05)；③动力学参数：高位重建组手术侧的足底反作用力纵向峰值高于解剖重建组(P < 0.05)；两组手术侧的足底反作用力内外峰值、前后峰值比较差异均无显著性意义(P > 0.05)；④结果表明在发育性髋关节发育不良患者中，应用高位髋关节中心重建进行全髋关节置换能获得与解剖髋关节中心重建相似的步态参数，但与接受解剖髋关节旋转中心重建术的患者相比，采用高位髋关节中心重建的患者髋关节屈伸范围运动受限，髋关节纵向受力更大。
https://orcid.org/0000-0002-9355-8526 (张羽)

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: 骨, 假体, 关节, 置换, 髋关节发育不良, 高髋关节中心, 三维步态, 关节重建

Abstract: BACKGROUND: For patients with Crowe II and III developmental dysplasia of hip combined with severe hip osteoarthritis, total hip arthroplasty is still controversial whether to choose acetabular anatomical reconstruction or high hip rotation center reconstruction.
OBJECTIVE: To compare the differences in gait characteristics between the reconstruction technique of the high hip center and the anatomical hip center during total hip arthroplasty.
METHODS: Forty patients with Crowe II-III developmental dysplasia of hip with unilateral hip disease from January 2014 to July 2017 were selected. All patients received total hip arthroplasty, of which 20 cases underwent acetabular anatomical reconstruction, and another 20 patients underwent high hip center reconstruction. The patients were followed up for more than 2 years after arthroplasty for gait analysis. The study was approved by Ethics Committee of Affiliated Hospital of Xuzhou Medical University.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Spatiotemporal parameters: The pace, stride frequency, step length, single leg support time, single leg swing time, and double leg support time of the two groups of surgical side and non-surgical side were similar. There was no significant difference in pace, stride frequency, step length, one-leg support time, one-leg swing time, and two-leg support time between the two groups (P > 0.05). (2) Kinematic parameters: The maximum extension of the hip joint on the surgical side of the high reconstruction group was lower than that on the non-surgical side (P < 0.01). The maximum hip flexion and hip flexion and extension range of the two groups on the surgical side were lower than those on the non-surgical side (P=0.01). The maximum extension of the hip joint and hip flexion and extension range in the high reconstruction group were lower than those in the anatomical reconstruction group (P < 0.05). The maximum flexion of the hip joint, maximum knee flexion, knee flexion and extension range, and maximum dorsiflexion of the ankle, the maximum plantar flexion of the ankle, and the range of ankle dorsiflexion were not significantly different between the two groups (P > 0.05). (3) Kinetic parameters: The longitudinal peak of the plantar reaction force on the surgical side of the high reconstruction group was higher than that of the anatomical reconstruction group (P < 0.05). There was no significant difference between the internal and external peaks of the plantar reaction force and the front and back peaks of the two groups on the surgical side (P > 0.05). (4) The results show that in patients with developmental dysplasia of hip, total hip arthroplasty using high hip center reconstruction can obtain gait parameters similar to anatomical hip center reconstruction. However, compared with patients undergoing anatomical hip rotation center reconstruction, patients with high hip center reconstruction had limited hip flexion and extension range movement and greater longitudinal force on the hip.

Key words: bone, prosthesis, joint, arthroplasty, developmental dysplasia of the hip, high hip center, three-dimensional gait, joint reconstruction

中图分类号:

张羽, 冯硕, 杨志, 张野, 孙健宁, 安伦, 陈向阳. 高位髋关节中心全髋关节置换治疗发育性髋关节发育不良后的三维步态评价[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 350-355.

Zhang Yu, Feng Shuo, Yang Zhi, Zhang Ye, Sun Jianning, An Lun, Chen Xiangyang. Three-dimensional gait of patients with developmental dysplasia of hip undergoing total hip arthroplasty with high hip center[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(3): 350-355.

图/表（结果） 7

2.1 参与者数量分析 40例患者均进入结果分析。
2.2 试验流程见图4。

2.3 患者基本情况所有患者均为女性。两组年龄、体质量指数、术后双下肢长度差和随访时间等资料比较差异无显著性意义(P > 0.05)，见表2。两组患者术后均无跛行，Trendelenburg 征均为阴性。两组患者术前和术后Harris评分比较差异无显著性意义(P > 0.05)，说明两组术前和术后的功能状态相似，从而将影响步态分析的功能限制降至最低。

2.4 时空参数评估结果在步态分析期间，两组手术侧和非手术侧记录的平均时空参数(步速、步频、步长、单腿支撑时间、单腿摆动时间、双腿支撑时间)相似，两组手术侧各时空参数值比较差异无显著性意义(P > 0.05)。两组组内手术侧与非手术侧各时空参数值比较差异无显著性意义(P > 0.05)，见表3。

2.5 运动学评估结果两组手术侧髋关节最大屈曲度、膝关节最大屈曲度、膝关节屈伸范围、踝关节最大背屈度、踝关节最大跖屈度、踝关节背跖屈范围比较差异无显著性意义(P > 0.05)；高位重建组手术侧髋关节最大伸展度、髋关节屈伸范围低于解剖重建组(P < 0.05)，见图5；与非手术侧相比，两组手术侧的髋关节最大伸展度均减小，然而仅在高位重建组中这一差异有显著性意义(P < 0.01)；两组手术侧髋关节最大屈曲度和髋关节屈伸范围均较非手术侧明显降低(P=0.01)，见表4。

2.6 动力学评估结果高位重建组手术侧的足底反作用力纵向峰值明显高于解剖重建组(P < 0.05)，见图6；两组手术侧足底反作用力内外峰值、前后峰值参数比较差异无显著性意义(P > 0.05)，见表5。

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引言

由于髋臼区畸形和骨缺损，全髋关节置换治疗发育性髋关节发育不良在技术上是困难的，尤其在髋臼重建阶段更是如此。与原发性退行性骨关节炎的关节成形术相比，发育性髋关节发育不良行全髋关节置换的并发症发生率更高，临床结果更不可靠[1]。对于Crowe Ⅱ、Ⅲ型发育性髋关节发育不良合并重度髋关节骨性关节炎的患者行全髋关节置换，是选择髋臼解剖重建还是高位髋关节旋转中心重建目前仍存在争议[2]。解剖髋关节中心的重建是为了提供更好的功能，因为它易于获得下肢等长，并且可以恢复正常的髋关节生物力学模式[3]。然而，通常髋臼上方缺少骨性覆盖，臼杯不易获得初始稳定性，这可能需要额外的手术，如臼杯外上方进行大块植骨等，所有这些都会增加手术时间、围术期和术后出血及麻醉药物暴露时间[4]。高髋关节中心技术在文献中经常被报道为一种有价值的替代技术，可用于原发性或翻修中髋臼周围骨缺损的病例[5]，其显著优点包括减少麻醉和手术时间，不需要植骨和缩短截骨术，并确保为可能的翻修保留骨储备[6]。但是，非髋关节解剖旋转中心对髋关节生物力学有一定影响，可能会导致臀中肌效能减低、跛行、关节内应力增加、磨损增加及早期人工关节松动[2]。
步态分析越来越多地被用于定量分析患者的功能恢复情况，如不同髋关节手术入路或不同假体类型等对患者术后步态恢复的影响[7]。患者步态生物力学的差异被认为对患者满意度、跌倒风险和假体存活(如聚乙烯磨损和假体松动)有许多影响，文献中缺乏关于髋关节中心位置对患者步态特性影响的信息。此次研究的目的是比较高位髋关节中心和解剖髋关节中心重建技术在步态特征方面的差异，以确定在步态生物力学方面可能存在的优缺点。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

材料方法

1.1 设计回顾性队列研究。
1.2 时间及地点试验于2019年7至12月在徐州医科大学附属医院骨科完成。
1.3 对象选择2014年1月至2017年7月Crowe Ⅱ-Ⅲ型发育性髋关节发育不良继发单侧髋关节病变女性患者40例，均接受全髋关节置换治疗，其中20例术中进行解剖型髋关节中心重建(解剖重建组)，另20例进行高位髋关节中心重建(高位重建组)。研究获得徐州医科大学附属医院伦理委员会批准。
纳入标准：①在徐州医科大学附属医院骨科接受初次全髋关节置换的单侧发育性髋关节发育不良患者；②分型为Crowe Ⅱ、Ⅲ型的发育性髋关节发育不良患者；③Harris评分>85；④随访时间>2年；⑤双下肢长度差异< 2 cm。
排除标准：①使用助行器(如手杖、助行器)；②既往行髋臼周围截骨等保髋治疗者；③并发症(假体周围骨折、感染、不稳定、松动、种植体磨损等)；④短距离行走时疼痛(500 m)；⑤存在膝关节畸形或膝关节严重关节炎；⑥合并有脑梗死后遗症等神经系统疾病影响肢体肌力。
根据Crowe分级对患者术前X射线片进行分级[8]，术后X射线片显示髋关节是否处于正常的髋关节旋转中心或高位髋关节中心位置。采用PAGNANO等[9]描述的方法，确定髋关节的正常旋转中心：①通过放射学泪滴的下缘画一条水平线；②平行于第一条线上方，距离骨盆正位片骨盆高度的20%，标记第二条水平线；③Kohler线和泪滴连线交叉点的外侧5 mm处为真正髋臼的内下角，过该点标记一条垂直线；④在垂直线和下水平线交叉点的45°角处向上画一条对角线，与上水平线相交。由这些线包围的三角形区域定义了真正的髋臼区域。三角形斜边的中点被定义为近似股骨头中心(O0)。测量近似股骨头中心和假体股骨头中心(O1)之间的水平和垂直距离(图1)。高髋关节旋转中心被PAGNANO等[9]描述为髋关节中心位置超过近似股骨头中心15 mm。为了能够分析仅仅由于髋关节中心位置引起的行走特征的差异，所有其他可能影响行走模式的变量都尽量被标准化。通过这样可以尝试在体内生物力学环境下分析髋关节中心定位对步态特征的影响。研究表明，全髋关节置换术后1年患者的行走步态接近正常人步态，患者术后髋关节功能恢复趋于稳定。对至少随访2年的患者进行了术后步态测量，对所有可能影响步态参数的变量进行标准化，使其具有相似的特征。完成至少2年随访且临床效果良好(Harris髋关节评分>85)、且术后腿长差异不显著(< 2 cm)的患者被纳入研究；有研究表明术后腿长差异不大于20 mm不会影响步态参数[10]。

1.4 材料假体材料见表1。

1.5 手术方法所有病例均由同一组医生完成手术，患者全身麻醉、侧卧位，采用髋关节后外侧入路。髋臼以标准的方式制备，髋臼假体于前倾15°、外展45°固定，并用螺钉增强髋臼稳定性。所有病例均使用生物型髋臼假体，并且髋臼周围均未植骨。股骨根据术前计划及术中探查情况装入合适型号的生物型股骨假体。髋关节中心上移的病例，通过增大股骨柄型号或使用加长股骨头，从而增加肢体长度，重建适当的股骨偏心距使外展肌得到适当的张力。两组病例均使用同一厂家生物型股骨假体。
所有患者均采用相同的营养干预、抗生素、血栓预防、围手术期疼痛管理、以及相同的护理与康复锻炼治疗方案。术后立即开始进行股四头肌等长收缩和踝关节屈伸活动锻炼，引流管术后常规夹闭4 h后开放，术后48 h拔除引流管。常规换药均由同一医师负责，拔管后指导患者利用助步器下床行走，同时告知患者术后的相关注意事项。术后所有患者开始皮下注射低分子肝素，出院后继续口服利伐沙班，抗凝至少35 d，预防下肢深静脉血栓形成。术后约14 d拆线。估计完全能独立安全行走出院。
1.6 主要观察指标术后随访2年以上，在步态实验室中对患者进行步态分析，应用英国Vicon MX光学运动捕捉系统(该系统硬件主要包括红外线反光球、10台MX红外线摄像头、信息转换控制器、计算机等)和2个三维测力板采集，处理、运算测试数据。测量被测试者身高、体质量、下肢长度(即髂前上棘至内踝的长度)、膝宽(即膝内外侧的宽度)、踝宽(内外踝之间的宽度)，将参数输入计算机建立三维模型。然后使用直径14 mm反射标记球进行体表标记(图2)。借助于放置在特定解剖区域(骨盆、髋部、膝盖、脚踝等)上的26个标记点。在步行平台周围放置了摄像头，并在平台中嵌入了两个测力板。嘱患者在放松状况下沿指定方向行走一个来回，包括转身都必须在指定范围内，否则不能测得数据。使用10台摄像机运动分析系统收集标记物的三维轨迹(图3)。地面反作用力使用嵌入步行平台的两个测力板进行记录。比较了行走过程中的时空参数(步频、步长、步速等)、运动学参数(关节运动角度变化等)、力学参数(足底反作用力纵向峰值、内外峰值、前后峰值)，并研究了测量参数之间是否存在显著差异。

1.7 统计学分析数据与图表的分析制作采用IBM SPSS Statistics 19.0统计学软件进行处理，服从或近似服从正态分布计量资料以x±s表示, 两组之间计量资料的比较采用独立样本t 检验，同一组手术侧与非手术侧比较比较采用配对样本t 检验，用Leven检验进行方差齐性检验，方差不齐时采用t’检验，计数资料采用卡方检验或Fisher确切概率法。检验水准α值取双侧0.05，以P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

与行解剖髋关节中心重建的患者相比，CroweⅡ-Ⅲ型单侧发育性髋关节发育不良行高位髋关节中心重建全髋关节置换的患者具有更受限的髋关节屈伸范围和更高的髋关节纵向力。
人工全髋关节置换后的临床效果和行走生物力学受假体位置的影响。在一些实验研究中，作者发现高位髋关节中心技术会增加髋关节上的受力，并导致外展肌缺陷[3，11-12]。此外一些临床研究表明，高位髋关节中心重建与增加髋关节负荷而增加松动和磨损率有关[9]。PAGNANO等[9]认为发育性髋关节发育不良患者行高位髋关节重建术后，位于股骨头中心以上15 mm处的髋臼部件松动和翻修率增加。相比之下，一些长期的临床研究获得了与解剖髋关节中心重建相似的临床结果[13-15]。CHRISTODOULOU等[13]报道了采用高髋关节中心技术的髋臼聚乙烯内衬磨损率和髋臼组件存活率与解剖髋关节中心相似，他们的结论是：当达到合适的头/颈长度、合适的假体位置和充分的臀中肌张力时，高位髋关节中心产生的临床结果与解剖性髋关节旋转中心相似。KANEUJI等[15]报道了30例高位髋臼中心患者平均随访15年未发生髋臼松动，临床效果良好。在此次研究中没有比较这两种技术的临床效果或假体存活率。为了分析髋关节旋转中心位置的单一影响因素，选择了临床效果良好且未发现假体松动或磨损的患者。
尽管有许多研究报告了这些外科技术临床结果之间的差异，但它们无法通过步态分析检测出细微的影响。步态分析是评估运动能力、跌倒风险和治疗效果的重要工具，并提供重要信息[7]。最近，步态分析在研究髋关节置换手术技术对步态参数的影响方面越来越受欢迎。运用步态分析技术，一些研究考察了髋关节置换术中不同手术入路和假体类型对步态参数的影响[16-19]，还有一些研究则考察了肢体长度差异对术后步态的影响[10，20-21]。然而，髋关节位置对术后步态参数影响的临床证据缺乏。ARDESTANI等[22]最近的一项研究表明，步态参数是预测金属-聚乙烯假体磨损率比髋关节位置更重要的变量，但是他们没有研究髋关节中心位置对步态参数的影响。FOUCHER等[23]在对髋关节接触力的步态分析研究中认为，步态参数是影响髋关节受力和假体松动的重要因素。此次研究表明，高位髋关节中心足底反作用力纵向峰值增高导致髋关节力增加，可能是聚乙烯磨损和植入物松动的一个因素。
有学者提出高位髋关节中心是否会存在生物力学上的弊端并导致臀中肌无力、步态异常、跛行或者早期松动。研究表明髋关节后外侧入路对臀中肌的损伤最小，术后步态各项参数更接近于正常水平[17]。此次研究所有患者均采用髋关节后外侧入路，避免术中对臀中肌造成医源性损伤，减少对术后恢复的影响。臀中肌作为髋关节外展肌的主要动力肌，是维持关节稳定性以及决定步态行走的主要因素，外展肌力的恢复对关节周围的软组织平衡、防止脱位和半脱位、恢复近似正常的关节功能及维持长期疗效至关重要。臀中肌损伤会引起臀中肌步态，造成站立时下肢外旋位，不能完全靠拢，行走常有骨盆向患侧移位形成摇摆步态[24]。这种步态是由于患者在支撑相早期和中期骨盆向患侧下移，髋关节凸向患侧，以增加骨盆稳定度；髋关节侧方稳定受到影响，表现为行走中患肢负重支撑时躯干向患侧侧弯，使重力线经过髋关节外侧，以便依靠内收肌的力量来维持髋关节稳定。从此次研究结果中并没有发现因为外展肌效力不足导致的跛行或Trendelenburg征阳性。
有一些研究报道步态异常与跌倒风险增加有关[25-26]。在KISS等[19]的一项研究中，髋关节最大伸展度的减少是与跌倒风险增加相关的唯一参数。在正常步态生物力学中，在支撑阶段结束时髋关节平均出现10°的峰值过度伸展[27]。此次研究中两组都显示了髋关节最大伸展度的减少。与此次研究相类似，CHEN 等[20]的研究发现，与健康受试者相比，因发育性发育性髋关节发育不良而接受全髋关节置换患者的髋关节动态伸展减少。此次研究中，高位重建组患者的髋关节最大伸展度明显低于解剖重建组，这种情况可能导致高位重建组的患者更容易跌倒。跌倒风险的增加会增加术后并发症，如假体周围骨折或假体松动，并降低假体存活率。
以往的步态分析研究表明，在单侧全髋关节置换后的前6-12个月步态参数变化最大[28]。尽管这些参数在1年内可能恢复正常，但异常可能持续长达10年，也可能完全恢复正常以后不会进展[24，29]。此次研究中至少2年的随访病例被纳入，对所有可能影响步态参数的变量进行标准化，使其具有相似的特征(髋关节旋转中心位置除外)，这样可以清楚地观察到髋关节旋转中心位置对步行参数的影响。
此次研究有一些局限性：首先，回顾性设计是研究的主要缺点，且样本量较小，随访时间相对较短，仍需要前瞻性大样本试验进行进一步论证；此外，接受高位髋关节中心置换患者的随访时间比解剖重建髋关节中心的患者长，这种差异可能会影响结果的可靠性，因为在全髋关节置换术后步行参数的改善可能会持续很多年，然而尽管随访时间较长，但是高位髋关节中心组的步行参数较差；另一个不足是缺乏对假体放置角度(外展角、前倾角)和股骨偏心距的分析；此外，这项研究没有包括一组健康的个体，这缺少了与正常行走参数的比较；最后，高位重建组的下肢长度差异略高于解剖重建组，尽管差异无统计学意义。
在发育性髋关节发育不良患者中，应用高位髋关节中心重建进行全髋关节置换能获得与解剖髋关节中心重建相似的步态参数，但是与接受解剖髋关节旋转中心重建术的患者相比，采用高位髋关节中心重建的患者髋关节屈伸范围运动受限，髋关节纵向受力更大。这些发现表明与接受解剖髋关节重建的患者相比，高位髋关节重建可能导致较高的跌倒风险和髋关节负荷。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

高位髋关节中心全髋关节置换治疗发育性髋关节发育不良后的三维步态评价

Three-dimensional gait of patients with developmental dysplasia of hip undergoing total hip arthroplasty with high hip center

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