红外线计算机导航下全膝关节置换的应用研究

徐永胜，魏宝刚，吕龙，王伟

内蒙古自治区人民医院 骨关节科，内蒙古 呼和浩特 010017

0 前言

全膝关节置换术（Total Knee Arthroplasty, TKA）是用人工假体替代患者已经损坏的不可修复的膝关节从而达到根治膝关节疾病的一种手段。要想获得长期优良的临床效果，必须尽可能将关节假体的位置精确地安放，恢复下肢力线及软组织平衡。近年来，TKA在手术技术方面主要的进步之一，就是影像导航技术在关节外科的成功应用[1]。影像技术与临床治疗相结合，开创了计算机导航辅助骨科导航手术（Computer Assisted Orthopedics Surgery，CAOS）[2]，如今 CAOS已经涉及脊柱外科、关节外科、创伤外科、骨肿瘤和矫形外科，近几年来，欧美国家计算机辅助导航技术（CAS）越来越广泛地被应用于膝关节外科[3]，国内也有部分医院和医生开始采用，本文通过比较计算机导航辅助TKA与传统TKA病例，从而探讨CAS下TKA是否值得临床推广。

1 资料与方法

1.1 一般资料

病例选自2006年1月～2011年1月，所有病例均为初次置换，术前内外翻畸形均<15°。导航组（CAS Group）：采用红外线计算机导航完成全膝关节置换的病例，共计47例61膝，其中，男10例12膝，女37例49膝；年龄52～80岁，平均67岁；骨性关节炎41例49膝，类风湿性关节炎6例12膝。术前KSS评分平均（36±6）分。术前OXFORD评分平均（21±8）分。膝关节活动度为0～100°，平均48°；对照组为传统组（Traditional Group）：同时间段随机抽取的60例82膝传统手术患者，其中，男15例18膝，女45例64膝；年龄51～78岁，平均65岁；骨性关节炎50例66膝，类风湿性关节炎10例16膝。术前KSS评分平均（34±6）分。术前OXFORD评分平均（20±8）分。膝关节活动度为0～105°，平均46°。

1.2 手术方法

1.2.1 导航组

患者平卧于手术台，导航系统放置于对侧，调整camera启动导航系统，输入患者资料并按步骤进行激活、注册股骨和胫骨追踪器（tracker）、pointer及定位校准。采用膝关节正中切口，依次切开皮肤、皮下、关节囊及滑膜，显露膝关节。固定锚钉于股骨远端及胫骨近端，正确连接tracker，下肢机械轴线（髋膝踝垂直经线）注册：通过髋关节旋转中心，膝关节中心点，踝关节中心点确认。导航手术所需解剖标记点或面的注册：包括股骨远端前方骨皮质，股骨内、外上髁，股骨髁中点，股骨内外髁关节面，股骨滑车中轴线胫骨髁间棘中点胫骨内外侧平台关节面，胫骨前后线，内、外踝，踝关节中心。手术前，术者要大致估计导航系统得到的参数是否正确。股骨远端及胫骨截骨后，用带示踪器的截骨平面探测器进一步确认截骨是否正确，截骨厚度可精确到1 mm，角度控制精确到0.5～1°。通过比较截骨前与截骨后下肢力线和运行轨迹、内外侧张力曲线，可进一步行截骨或软组织松解以获得最佳的下肢力线和运行轨迹。截骨完成后安装假体，植入胫骨及股骨假体部件、垫片，纵向加压，通过监视器显示下肢力线，待骨水泥凝固后测定并记录最终的下肢力线和运行轨迹、内外侧张力曲线。

1.2.2 传统组

采用标准全膝关节置换技术，患者平卧于手术台，行膝关节正中切口，内侧入路显露膝关节。股骨侧采用髓内定位法进行股骨远端截骨。胫骨侧采用髓外定位法进行与胫骨机械轴垂直的胫骨近端截骨。安装假体后在完全伸膝位和屈膝90°位评估内、外侧软组织稳定性，并进行针对性软组织松解以平衡膝关节屈、伸间隙。

1.3 术后评价

临床评价包括：手术时间、术后24 h引流量、术后6个月膝关节活动度、KSS评分和OXFORD评分以及并发症情况。影像学评价包括：软组织平衡角度变量、软组织平衡分离变量、髋膝踝经线（Mechanical Femoral Axis to Tibial Axis Angle, mFTA），常规膝关节X线正、侧位片上进行测量假体位置角度（见图1），包括α、β、γ、δ及Q角。在膝关节前后位上，α角为术后股骨髁假体两髁切线与股骨解剖轴线相交内侧所成的角；β角为胫骨平台假体平面与胫骨解剖轴线所成的夹角。在侧位X线片上，γ角为股骨髁假体前方平面垂线与股骨轴线所成的夹角；δ角为股骨平台假体平面与胫骨解剖轴线相交后方的夹角；Q角又叫股胫角，由股骨中轴和从髌骨中点延伸到胫骨结节间形成的角[4]。

图1 前后位和侧位X线片上角度测量

1.4 统计学处理

数据分析采用SPSS13.0软件，两组样本差异比较选用成组t检验，α值取0.05。

2 结果

两组术中均无神经、血管损伤，手术切口均一期甲级愈合。手术时间：导航组为80～120 min；传统组为65～100 min，有统计学差异（P<0.05）。术后24 h引流量：导航组为600～850 mL，传统组为550～800 mL，无显著差异（P>0.05）。术后随访时间6～72个月，平均34个月，两组均无感染及假体周围骨折发生，住院期间术后2 w内，导航组7例、传统组11例出现患肢肿胀，经下肢静脉彩超、血D二聚体检测，导航组发生DVT （深静脉血栓）2例，传统组发生DVT 3例，发展为PE 1例，均经积极治疗痊愈出院，无死亡病例。术后6个月并发症发生率：导航组（4.2%）、传统组（5.0%）；膝关节活动度：导航组69～110°（平均95°）、传统组65～108°（平均93°）；KSS评分导航组平均（80±9）分、传统组平均（78±9）分；OXFORD评分导航组平均（37±9）分、传统组平均（36±9）分；以上数据两组比较均无显著差异（P>0.05）。

导航组和对照组mFTA：导航组为（0.94±0.96）°，传统组（1.76±1.53）°，有统计学差异（P<0.05）。两组α、β、γ、δ及Q角（见表1），无显著差异（P＞0.05），但导航组分布类似于标准正态分布，取值较为集中，极值范围小。软组织平衡角度变量：导航组为2°以内；传统组为2～4°，有统计学差异（P<0.05）。软组织平衡分离变量：导航组为2～4 mm；传统组为5～7 mm，有统计学差异（P<0.05）。

表1 术后内置物角度和Q角（股胫角）比较及分布

3 讨论

3.1 膝关节导航的硬件及软件系统

美国纽约州布法罗总医院骨科Kenneth A.Krachow教授与W.M.M教授于1995年开始合作，从事开发计算机辅助全膝关节置换系统项目，采用Optitrack红外跟踪设备，于1997年8月在TKA手术中应用了导航，并发展为膝关节跟踪模块，目前已在多个国家广应用。现今国内应用的膝关节导航系统除了Stryker公司的 Navigation Systerm以外，还有德国Brainlab公司Vector Vision系统和Aesculap公司Orhto-Pilot系统。所有的系统都有坚固的身体标记物，也称为tracker，通过锚钉或固定针固定于患者的股骨、胫骨和骨盆上，信号接收器（camera）使tracker视觉化，并跟踪其在手术空间内的运动形成图像，安装有特殊软件程序的计算机系统进行识别和计算各参数，从而精确地指导手术。除硬件外，软件的更新对于提高全膝关节假体部件定位和下肢轴线精确性也起着很重要的作用[6]。据Ryan G[7]报道，采用传统手术方法和计算机辅助导航技术对315例患者行单侧全膝置换，结果显示：术前及术后X线片测量，应用2.0版软件，导航组（93%）与传统组（82%）相比，下肢力线的精确性可显著提高（下肢中立位±3°，P＜0.02），应用3.1版软件提高更为明显（99%，P＜0.03）；使用止血带时间传统组平均74 min，2.0版软件平均90 min，3.1版软件平均73 min，应用Stryker 2.0版软件在止血带使用时间上明显长于传统手术方式或应用3.1版软件（P＜0.001）。但这些因素能否影响患者功能以及术后假体生存率，需要进一步和更多样本资料的随访研究。

3.2 下肢轴线

人工全膝关节置换手术疗效的好坏取决于多种因素，如医生的手术技术的精确性、假体安放角度、下肢轴线和软组织平衡的恢复以及良好的骨水泥技术。其中，术后下肢轴线是影响术后假体寿命的最重要因素之一，根据力线正确安装假体是手术成功的关键。大量研究表明，全膝关节置换术后下肢力线超过3°与早期手术失败及临床结果密切相关，轴线不良是非感染松动的重要原因已成为共识[6,8-12]。导航系统可以精确地计算髋、膝、踝关节中心，截骨时分别指示出股骨和胫骨机械轴线角度，相当于在直视下进行截骨，大大降低了整体下肢机械轴偏差的可能性。有关下肢机械轴线偏差在±3°范围内的比例，据Bathis[13]报道，导航组为96%，传统组为78%；据Stulberg[14]报道，导航组为88%，传统组为72%。以上结果均显示利用计算机辅助导航技术可以大大提高术后下肢轴线的精确性，与本文研究结果相一致。

3.3 软组织平衡

除下肢轴线外，全膝关节置换时还需考虑软组织连接情况、韧带张力等因素，以获得关节的稳定和最大的活动范围，软组织平衡是膝关节置换术成功与否的关键因素之一[15-16]。软组织平衡不佳可能导致聚乙烯衬垫内、外侧压力不均衡，从而加速磨损影响长期疗效。对于进行关节置换的患者来说，传统全膝关节置换手术中软组织平衡主观性较强，主要是术者进行主观判断，在伸直位和屈曲90°位进行评估的，目前导航系统对术中软组织平衡依然没有专门的应用软件，其调控依然要依靠术者的经验与机械撑开等方法，有学者报道[17]，计算机导航系统可以从膝关节伸屈0～120°的过程中动态监测软组织平衡及运动曲线，得出的数据可以作为判断侧副韧带和后方关节囊张力的参考依据，但可靠性尚有待进一步研究和证实。因此，有待开发专用的软组织平衡测量软件，根据测量的数值调控关节间隙和内外侧软组织张力的平衡，检测安装假体前后软组织张力和关节假体稳定性，以最终获得最佳的软组织平衡。

3.4 假体位置调整

假体位置的好坏是保障手术成功的一个关键因素[7]，假体对位不良会引起髌骨活动轨迹不良、髌骨脱位等许多问题，长期以往会导致假体部件的磨损增加，进而导致假体松动[18]。本研究术后前后位X线片上测量α角、β角和Q角，结果发现导航组与传统组α角与β角较为接近，且两组结果无明显差异，比较两组Q角，差异无统计学意义（P＞0.05），二者均接近正常值，证明了两组手术方式均可以较好的确定股骨和胫骨冠状面的力线，减少股骨远端和胫骨截骨所致的内、外翻畸形[19-21]。术后侧位X线片上测量股骨端γ角和胫骨端δ角，结果发现γ角在导航组均值为3.10°（-3～7°），传统组为3.52°（-3～8.6°）；δ角导航组为85.14°（79～89°），传统组为85.89°（78～92°）；两组结果无明显差异，但导航组的取值比较集中，且分布区间更小，证明了导航手术较传统手术更加精确[21-23]。

4 结论

红外计算机导航辅助下全膝关节置换能够提高截骨精确性，使假体位置安装更精确、软组织平衡更佳，同时降低假体位置和下肢轴线偏差的风险，值得临床推广应用。

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