计算机导航辅助全膝关节置换定位与软组织平衡

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.09.013

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

计算机导航辅助系统：是基于医学影像技术、计算机技术以及三维空间定位追踪技术而发展起来的一种计算机辅助骨科手术。该定位系统的运用能够有效的弥补传统机械定位手术中存在的不足，降低了基于医师主观判断而产生的失误，且该定位系统具有专属性，能够根据每一位患者的实际情况制定个性化定位方法。

膝关节置换软组织平衡：膝关节周围软组织松弛、张力失衡是人工膝关节置换后脱位的主要原因。适当的膝周软组织松解及保持膝周软组织张力平衡可以降低置换后脱位的发生率。

背景：目前计算机导航辅助在全膝关节置换中得到应用，可以使得患者置入假体时位置更加准确，能够发挥良好的导航作用，提高膝关节假体旋转力线的精确度。国内计算机辅助导航系统起步较晚，在人工全膝关节置换定位以及软组织平衡中的应用报道较少。

目的：探讨计算机导航辅助在人工全膝关节置换定位以及软组织平衡中的应用效果。

方法：选取晋城市人民医院骨外科2015年1至9月收治的人工全膝关节置换患者40例(49膝)，采用随机数字表法分为传统手术组(20例24膝)和导航组(20例25膝)。传统手术组采用股骨髓内定位杆以及胫骨髓外定位杆进行定位，导航组在计算机辅助下完成人工全膝关节置换。两组患者选择的修复切口以及入路均完全相同，分析计算机导航辅助在人工全膝关节置换中的定位效果以及对软组织平衡的影响。

结果与结论：①导航组手术时间显著长于传统手术组(P < 0.05)；导航组出血量、24 h引流量显著少于传统手术组(P < 0.05)。②置换后导航组膝关节活动度、美国特种外科医院评分均显著高于传统手术组(P < 0.05)；置换后导航组力线误差、软组织平衡角度变量以及软组织平衡分离变量均显著小于传统手术组(P < 0.05)。③提示计算机导航辅助在人工全膝关节置换中应用效果理想，假体置入更加准确，下肢力线更好，能够保证软组织平衡。但是计算机导航辅助的应用会增加手术时间，应用时应该综合考虑其利弊。

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: 0000-0003-3037-8330 (张永战)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 计算机导航, 全膝关节置换, 定位, 软组织平衡, 膝关节活动度, 美国特种外科医院评分, 力线误差

Abstract:

BACKGROUND: Computer assisted navigation has been applied in total knee arthroplasty, can make the prosthesis more accurately implanted, play a good role in navigation, and enhance accuracy of knee prosthesis rotation power lines. Computer-assisted navigation system appears lately in China, so few studies concern the location of total knee arthroplasty and its application in soft tissue balance.
OBJECTIVE: To investigate the application of computer navigation aids located in artificial total knee arthroplasty and soft tissue balance.
METHODS: A total of 40 patients (49 knees) who received total knee arthroplasty in Department of Orthopeadic Surgery of Jincheng People’s Hospital from January to September 2015 were analyzed. The patients were divided into conventional surgery group (20 cases, 24 knees) and navigation group (20 cases, 25 knees). The patients in the conventional surgery group were positioned with intramedullary femoral alignment bar and extramedullary tibial alignment bar. In the navigation group, total knee arthroplasty was performed in accordance with computer. Repair of incision and approach in both groups were identical. Positioning effect and effect of computer assisted navigation on soft tissue balance in total knee arthroplasty were analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Operation time was longer significantly in the navigation group than in the conventional surgery group (P < 0.05). Blood loss and 24-hour drainage volume were significantly less in the navigation group than in the conventional surgery group (P < 0.05). (2) Range of motion of the knee and Hospital for Special Surgery score were significantly higher in the navigation group than in the conventional surgery group (P < 0.05). Power line error, soft tissue balance angle variable and soft tissue balance separation variables were significantly less in the navigation group than in the conventional surgery group (P < 0.05). (3) These results confirmed that computer navigation aids in total knee arthroplasty obtained ideal effect, ensured more accurate prosthesis implantation, better limb alignment, and ensured soft tissue balance. However, the computer-assisted navigation will increase operation time. For its application, we should consider the pros and cons.

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张永战. 计算机导航辅助全膝关节置换定位与软组织平衡[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(9): 1302-1308.

Zhang Yong-zhan . Computer assisted navigation in total knee arthroplasty: location and soft tissue balance[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(9): 1302-1308.

图/表（结果） 5

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引言

全膝关节置换是近年来使用较多的一种修复方案，该方法已经成为治疗晚期膝关节患者相对比较成熟的技术^[1-2]。随着医疗技术的飞速发展，机械定位的应用使得假体置入准确性得到显著提高^[3-4]。但是部分患者在手术时容易产生假体置入对线不良。同时机械定位方法对于医师的专业技能要求相对较高，导致该方法在基层医院难以推广^[5-6]。

目前人工全膝关节置换定位中使用的导航追踪方法主要包括4大类：①红外光学定位法。②电磁定位法。③超声信号定位法。④机械定位法^[7-8]。这些定位方法各有优缺点，但是部分方法限于专业设备的影响，未能在基层医院得到推广。近年来，随着国内医学影像技术的飞速发展，人工全膝关节置换过程中以实时、动态数字化技术为基础的计算机导航辅助系统得到进一步发展，该系统是基于医学影像技术、计算机技术以及三维空间定位追踪技术而发展起来的一种计算机辅助骨科手术(CAOS)^[9-10]。该定位系统的运用能够有效的弥补传统机械定位手术中存在的不足，降低了基于医师主观判断而产生的失误，且该定位系统具有专属性，能够根据每一位患者的实际情况制定个性化定位方法。通过计算机能够同步记录并且显示患者手术过程中的膝关节活动内、外侧踝间隙以及股骨与胫骨相对位置的变化，能够有效的调节软组织平衡。该系统不但具备普遍性^[11-12]，同时还具备特殊性，能够显著提高全膝关节置换定位的准确性以及可重复性，有效的改善患者术中、术后下肢力学对线，调节软组织平衡，改善患者置换后关节活动范围，从而为人工全膝关节置换提供更加精确的定位方法^[13-14]。

文章选取晋城市人民医院骨外科2015年1至9月收治的40例(49膝)人工全膝关节置换患者的病历资料进行分析，探讨计算机导航辅助在人工全膝关节置换中定位以及软组织平衡中应用效果。

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

材料方法

1.1 设计随机对照试验。

1.2 时间及地点于2015年1至9月在郑州大学第一附属医院晋城教学医院完成。

1.3 材料入选的40例人工全膝关节置换患者均采用美国Zimmer公司的NexGen后稳定型假体，国药管械(进)字2000第0702号。该假体材料为碳纤维强化聚醚醚酮树脂，假体由上海华子新材料科技有限公司订制、提供，碳纤维强化聚醚醚酮树脂(CR-PEEK)。将碳纤维添加入聚醚醚酮树脂所产生材料的杨氏模量与人体皮质骨十分接近，能够制造出相对较薄的髋臼假体，已被用于制造新型的薄的马蹄铁形的髋臼假体，能够保留骨量的同时还能有效地屈曲，避免出现应力遮挡，目前主要用于临时性的髋臼假体。

导航系统及Navigation System，美国史塞克公司；常规手术器械，上海医疗器械厂。

1.4 对象选取郑州大学第一附属医院晋城教学医院2015年1至9月收治的人工全膝关节置换患者40例(49膝)，采用随机数字表法分为传统手术组(20例24膝)和导航组(20例25膝)。两组患者性别、年龄、体质量等一般资料差异无显著性意义(P > 0.05)，具有可比性。

纳入标准：①入选者均为膝关节原发性骨关节炎，均符合人工全膝关节置换的适应证。②无严重膝关节内、屈曲以及畸形等。③患者髌骨未发生脱位，无明显退变。④对治疗及试验方案知情同意，且得到医院伦理委员会批准^[15-16]。

排除标准：①膝关节畸形超过30°，且存在大量骨丢失者。②有骨切除手术或开放性膝关节手术史者。③严重心、肝、肾功能异常者，或拒绝参加本次研究者或其他炎性反应性关节炎者^[17]。

1.5 方法传统手术组采用股骨髓内定位杆以及胫骨髓外定位杆进行定位，方法如下：待麻醉生效后，患者保持仰卧姿势，对患膝进行常规消毒，铺巾，取膝正中入路，做一个长为12 cm的切口，切开相关组织，充分暴露胫骨平台，并对内软组织进行松懈，切除患肢部位的交叉韧带、半月板等，采用髓外定位对胫骨平台进行截骨，后倾3°，厚度10 mm，采用髓内定位对股骨远端骨折进行截骨，并且选择同型号的平台试模、安装衬垫，试关节活动度，直到患者膝关节能够完全伸直。手术时模拟屈伸膝髌骨轨迹，保证0°，90°位置内外侧韧带平衡^[18-19]。

导航组在计算机辅助下完成人工全膝关节置换，方法如下：待麻醉生效后，患者保持仰卧姿势，对患膝进行常规消毒，铺巾，取膝正中入路，做一个长为23 cm的切口，切开相关组织，充分暴露胫骨平台，并对内软组织进行松懈，打开计算机导航装置：①注册。利用患肢机械轴线的注册，根据患者髋关节旋转中心、膝关节中心以及踝关节中心点确定患者下肢机械轴线。②系统初始化调整，对患者膝关节运动进行分析。在完成注册后，导航系统对机体膝关节初始运动状态进行特性评估。医师在手术前对系统提供的参数进行确认。在计算机导航辅助下对胫骨平台进行股骨远端截骨，完成截骨后，置入平台试模以及衬垫试模，对骨折部位进行复位，并利用导航装置检测膝关节伸直情况，确定膝关节内翻度数以及胫骨平台旋转中心，取出试模，完成手术^[20-21]。

置换后处理：两组患者置换后均采用抗生素预防感染，口服利伐沙班预防血栓，并根据患者恢复情况进行功能锻炼，置换后定期复查^[22-23]。

1.6 主要观察指标观察两组患者手术情况，如手术时间、出血量、24 h引流量。

观察两组患者置换前、置换后4周膝关节活动度以及美国特种外科医院(Hospital for special surgery，HSS) 评分情况。满分为100分，其中疼痛30分，功能22分，活动范围18分，肌力10分，屈曲畸形10分，关节稳定性10分。

观察两组患者治疗后力线误差、软组织平衡角度变量以及软组织平衡分离变量。

观察两组置换后不良反应发生情况。

1.7 统计学分析采用SPSS 18.0软件对采集到的数据进行分析，其中符合正态分布的数据进行单因素方差分析，存在统计学意义予以LSD法两两比较。P < 0.05提示经比较两组数据间差异有显著性意义。

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

讨论

人工全膝关节置换是临床上使用较多的治疗方法，该方法治疗是否成功对临床疗效的影响因素一直是医学界研究的焦点，为了取得理想的临床远期疗效，对于其适应证选择、假体选定、手术技巧以及患者治疗过程中的管理均有较高的要求。而在手术技巧方面，不但需要在三维空间准确的截骨、安装假体，还应该注意屈伸膝关节时间隙以及韧带等软组织平衡、稳定，尽可能保证股骨、胫骨以及髌骨假体部位位置的准确，保证机体治疗后能够获得理想的生物力学性能。文献报道显示，全膝关节置换患者除了感染、脂肪栓塞以及其他并发症外，5%-8%患者失败率与假体的松动关系密切，导致患者难以取得理想的预期治疗效果。

传统的全膝关节置换过程中更多的通过术前X射线片检查为主，医师凭借自己的肉眼、手感以及临床经验等进行定位解剖标志，并采用手工划线、截骨等保证软组织的平衡。该方法虽然能满足手术需要，但是对于对位、对线等存在较大的主观性，从而在一定程度上能影响手术的可靠性和手术的定位精度，严重者甚至会引起手术的失败。近年来，计算机导航辅助在人工全膝关节置换定位中得到应用，且效果理想，该系统和其他系统相比优势较多^[24]：①患者置换过程中采用该系统时在计算机上输入相关信息注册完成后，导航系统能够获得膝关节初始状态，从而能够更加准确的确定患肢的初始力线以及屈曲活动度，并对骨性畸形以及软组织平衡做动态评估，为临床确定手术治疗方案提供指导^[25-26]。同时，通过计算机能够自动分析、筛选出与评估结果相匹配的的膝关节假体，提高手术成功率^[27-28]。此次研究中，两组患者治疗前膝关节活动度以及HSS评分差异无显著性意义(P > 0.05)；导航组治疗后膝关节活动度、HSS评分，显著高于传统手术组(P < 0.05)。由此看出：计算机导航辅助能够提高手术预后，促进关节恢复，避免患者治疗过程中并发症的发生，能减轻患者痛苦，提高患者治疗依从性。②人工全膝关节置换传统的定位方法更多的以髓内钉定位为主，该定位方法受到的影响因素较多，并且更多的依赖于医师的临床经验，手术过程中容易造成髓内钉定位杆无法插入，且误差较大^[29-30]。同时，传统的定位方法对于矢状位力线的垂直难以做出准确的判断。而计算机导航辅助定位的应用能够避免传统定位过程中存在的弊端，提高截骨的精度和准确性，减少了患者手术创伤^[31-32]。此次研究中，导航组手术时间，显著长于传统手术组(P < 0.05)；导航组出血量、24 h引流量，显著少于传统手术组(P < 0.05)。③计算机导航辅助定位的运用能获得平衡软组织信息，并对内、外侧间隙进行评估和分析，并且手术过程中能够对软组织的松解进行动态调整，避免传统手术中不必要的软组织松解^[33-34]。此次研究中，导航组治疗后力线误差、软组织平衡角度变量以及软组织平衡分离变量，显著小于传统手术组(P < 0.05)。由此看出，计算机辅助导航能够提高定位精度，维持软组织平衡。虽然人们不断探索准确截骨方法和经验判断其解剖标志，并延伸出假体旋转对线新技术等，设计出“侧方”截骨期限，但是置换过程中主观因素相对手术效果影响依旧较大。

计算机辅助导航作为一种新型的定位导航技术，临床上使用时也存在一些不足和偏倚性，通过计算机辅助导航能够明显延长了手术时间，从而增加了患者围手术期感染发生率^[35-36]；同时，计算机辅助导航的运用容易增加手术过程中骨折风险尤其是对于骨质疏松患者^[37]。手术过程中必须一次性固定到位，避免患者重复固定^[38-39]。此外，计算机导航辅助定位时受到的影响因素也相对较多，修复过程中应该必须器械之间碰撞，保证患者注册信息的准确，并且患者采用计算机导航辅助时必须根据每一位患者情况选择，必须严格遵循相关适应证^[40-45]。

综上所述，计算机导航辅助在人工全膝关节置换中应用效果理想，能够保证假体置入更加准确，下肢力线更好，能够保证软组织平衡。但是计算机导航辅助的应用会增加手术时间，应用时应该综合考虑其利弊。

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