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
作者：储小兵 吴海山 徐长明 祝云利 王新宇 陶坤
【关键词】 膝关节成形术
摘要：［目的］探讨全膝置换术中改变胫骨假体的旋转对线技术对髌股关节生物力学的潜在影响，指导术中进行正确的胫股旋转对线，以减少术后髌股关节并发症的发生。［方法］取9个新鲜冷冻人膝关节做实验，自行设计膝关节实验架，与Instron 8501生物力学测试仪共同搭建实验平台，模拟生理状态下膝关节自站立位屈膝下蹲的动作。人工膝关节采用LPS全膝系统，手术由同一位有经验的术者实施以控制实验误差，比较以胫骨结节内、中1／3交界为标志(胫骨结节对线技术)和以股骨假体位置(ROM对线技术)确定胫骨假体旋转的2种技术所获得的髌股关节的生物力学指标，选择30°、60°、90°、120°为实验的观察角度进行各组实验，应用日本富士公司生产的超低敏感型压敏片、低敏感型压敏片测定髌股关节的接触面积和接触压，最后用FPD305E、FPD306E压力测定仪和电脑软件处理后得到数字化结果。［结果］人工膝关节置换术中胫骨结节对线技术组与ROM对线技术组所获得的髌股关节的平均峰值接触压、平均接触面积等指标无统计学差异(P＞010)。［结论］全膝置换术中股骨假体参照经股骨上髁轴确定旋转方位后，采用胫骨结节对线技术抑或ROM对线技术来确定胫骨假体的旋转对线对髌股关节的生物力学未见显著差异。对于旋转限制性较高的假体，ROM技术能够在正确的胫股旋转对线和良好的髌骨轨迹之间作出平衡。
关键词：膝关节成形术；经股骨上髁轴；髌股关节；实验研究；生物力学
Biomechanical effect of axial rotational alignment technique of tibial component on patellofemoral in total knee arthroplasty
Abstract：［Objective］To study the biomechanical effect of two different rotational alignment techniques of the tibial component on patellofemoral in total knee arthroplasty demonstrated on autopsy specimens［Method］Nine fresh frozen autopsy knee specimens without gross deformities or instabilities were mounted on a patellofemoral joint testing jig connecting to a Model 8501 Instron machine (Instron Corporation,Canton,MA)and simulated the action of squatting from the standing oppositionStandard TKA was performed in each specimen by the same senior surgeon by using the LPS total knee systems (Zimmer Corporation)Alter rotational alignment of the tibial component was referred on the medialmiddle 1/3 part of the tibial tuberosity and on the rotational alignment of the femoral component which was determined by the transepicondylar axis separatelyThe biomechanics of the patellofemoral joints was studied when the knee flexion pressure of 30,60,90,120 were measured respectively by using Fuji pressure sensitive filmThe digital values were obtained by the handheld pressure measurement systems (FPD305E,FPD306E)and special software［Result］There was no significant difference in patellofemoral biomechanics between the group referring on the tibial tuberosity and the group referring on the femoral component in total knee arthroplasty demonstrated on autopsy specimens (P＞010)［Conclusion］After determining the rotational alignment of the femoral component referring on the transepicondylar axis,there is no significant difference on the patellofemoral biomechanics,whether using the ROM technique or the tibial tuberosity technique to determine the rotational alignment of the tibial component in TKAEspecially for the highrestrictively rotational designed prosthesis,this technique could get the satisfactory results both on the tibialfemoral match and on the patellofemoral biomechanics
Key words：Arthroplasty; Transepicondylar axis; Patellofemorel joint; Experimental study;Biomechanics
近年来，伴随全膝置换术(TKA)数量的快速增长，翻修病例也急剧增加。其中因髌股关节并发症而需要翻修的病例占到人工膝关节翻修总数的第1位〔1~3〕。TKA术后影响髌骨轨迹的因素除了假体设计和病人的因素以外，术中的胫股旋转对线技术也对结果产生直接影响。Insall提倡使用的以胫骨结节内、中1／3交界处确定胫骨假体的旋转对线技术使用至今，临床报告褒贬不一。因其对线原则是与伸膝装置相联系的，所以在术后髌骨轨迹方面有着良好的表现。但这种方法可能产生胫股旋转对线不良，使聚乙烯磨损增加。随后，又出现了一些新的胫骨假体的旋转对线技术，其中应用比较广泛的是ROM技术，即依据股骨假体的旋转方向来确定胫骨假体的旋转对线，术中先安装好股骨假体试件，然后插入胫骨假体试件，屈伸膝关节数次，找到胫股旋转对线的合适位置，此法对于减少聚乙烯磨损较为满意，但也有医生认为可能会产生髌骨轨迹不良〔4、5〕。作者设计本实验，以新鲜冷冻的人膝关节标本模拟人的下蹲动作，比较2种方法对全膝置换术后髌股关节生物力学的影响。
1 材料与方法
11标本准备
取7具正常国人新鲜冷冻尸体的9个膝关节，5个左膝，4个右膝，其中4个膝来自2具尸体；死者年龄：18～64岁，平均48岁；男4例，女3例；所有关节无肉眼所见畸形，关节软骨完整，膝关节被动屈伸活动无限制，关节稳定性良好。室温下解冻后，切除所有皮肤、皮下脂肪，保留关节囊、侧副韧带、髌旁支持带组织、股四头肌腱及髌腱，去除胫骨、股骨后方的所有肌性组织。股四头肌自股骨后侧起点处(股骨粗线)掀起下翻，下翻至股骨前侧近髌上水平，保留股四头肌腱性部分供钳夹牵引用。股骨干于关节线水平上方20～30 cm处离断，胫骨在胫骨结节下方15～25 cm处离断，邻近胫腓上关节水平截断腓骨于以保护外侧副韧带，胫腓骨以1枚35 mm×24 mm皮质骨螺钉固定。标本准备完毕后安装在实验架上。
12 膝关节实验平台的架构
膝关节实验架能够提供股骨2个自由度（1个水平移动自由度，1个矢状面的旋转自由度)、胫骨3个自由度(3个平面的旋转自由度)，分别模拟人体的髋关节和踝关节。将膝关节实验架的上、下髓内固定杆分别插入胫骨和股骨的髓腔内(已经扩髓准备)，用锁钉旋紧固定，髓内固定杆置于胫骨和股骨的髓腔中央，因此在矢状面上作者可以用髓内固定杆的长轴替代骨性解剖轴，使用大的量角器(精确至05°)直接测量2个髓内杆之间的夹角，这个夹角即为膝关节的屈曲角度。每个标本的股骨侧长度控制在45 cm(髓内固定杆外露部分与股骨的总长)，每个标本的胫骨侧长度控制在30 cm(髓内固定杆外露部分与胫骨的总长)。然后将此带标本的实验架通过其两端的带螺纹的突出部固定安装在Instron材料测试仪(model 8501，Instron Corporation，Canton，MA)上构建实验平台，在实验架的上端横杆上安装一滑轮，滑轮可以水平移动以适应各标本不同的Q角。本实验，作者规定Q角为伸膝位无外加负荷时髌腱长轴与股骨解剖轴在额状面上的夹角，股四头肌腱用一夹持装置钳夹后通过一金属线缆连接至Instron材料测试仪的液压负荷加载装置。实验时，lnstron仪通过与实验架的连接部施加30 kg的垂直向下的负荷以模拟人体单侧下肢承受的正常体重负荷，膝关节自伸直位开始屈曲，选择30°、60°、90°、120°为观察角度，在上述角度膝关节获得力学平衡，进行各组实验。
13 髌股接触面积与髌股接触压的测定
采用超低敏感型压敏片(05～25 MPa)测定接触面积，低敏感型压敏片(25～10 MPa)测定接触压(Fuji Photo Film Company,Tokyo,Japan)。压敏片(50 cm×50 cm)密封于聚乙烯薄膜袋内，压敏片和聚乙烯袋的总厚度为250 μm。步骤是：先加载负荷(模拟体重、股四头肌牵引力)，在膝关节到达所需的角度并平衡后卸载负荷，维持角度不变，一助手将压敏片经髌旁内侧切口插入髌股关节之间，严密缝合切开的髌内侧支持带，然后加载原平衡时的负荷，持续2 min后卸载取出压敏片。作者测量2次以确定实验的重复性，另外，如压敏片有起皱则弃用。所获得的压敏片图像经FPD305E、FPD306E压力测定仪读取后转换成数字结果，压敏片图像扫描输入电脑后应用Autocad软件测量接触面积。分析髌股接触面积(cm2)、峰值接触压(MPa)，通过预试验将测定误差控制在1％范围内。
14 人工膝关节置换术
采用LPS全膝系统(Zimmer公司，不保留后交叉韧带型设计，固定衬垫型假体)。手术由同一位有经验的术者实施以控制实验误差。股骨侧参照经股骨上髁轴进行前后髁截骨确定股骨假体的轴向旋转，按照操作手册完成其余截骨，以骨水泥固定股骨假体。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的旋转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。本实验不置换髌骨，以消除髌骨置换技术差异带来的实验误差。
15 统计学处理
实验数据以均数±标准差(x-±s)形式表示，采刚SAS软件对数据进行t检验，检验水准为010。
2 结果
在实验观察角度下测得的髌股接触面积大致在03 cm×03 cm～20 cm× 20 cm范围。膝关节屈曲30°、60°时，8个标本的髌股接触区呈连续的带状，只有1个标本在屈膝60°时，髌股内、外侧接触区接近分离。当膝关节屈曲90°、120°时，全部标本的髌股接触区已分离成内、外2部分，且外侧接触面积逐渐减小。实验测得的髌股关节峰值接触压力大致在05～8 MPa范围，随屈膝角度增大而显著升高，外侧接触区的峰值接触压升高更明显(图1)。经检验，胫骨结节技术组与ROM技术组所测得的髌股关节的平均峰值接触压、平均接触面积等指标无统计学差异(P＞010)(图2～5)。
3 讨 论
人类胫股关节的相对旋转运动受骨、半月板、软组织等多种结构限制和制约，TKA手术后，膝关节的骨性限制结构被假体的内在旋转限制性所替代，软组织限制结构虽然也被改变，但仍对旋转稳定起着作用。假体的旋转限制程度与假体的胫股接触面设计和聚乙烯衬垫的可活动性有关，胫股关节的旋转对线是否合适直接影响TKA术后的临床结果，若胫股旋转对线不良，术后可出现聚乙烯衬垫磨损和髌骨轨迹不良两大主要并发症〔6、7〕。
目前的研究表明：TKA手术时很难找到一个理想的胫股旋转对线以达到上述两方面的最优化结果；并且，膝关节屈伸过程中胫股关节的旋转关系是变化的，因此，临床上只能选择合适的胫股旋转对线技术尽可能减少上述2种并发症〔8、9〕。
的人工膝关节均适度增加胫骨聚乙烯衬垫与股骨假体的匹配性，以加大接触面积，减少聚乙烯磨损，胫股关节面在侧面和正面观呈圆弧――圆弧的接触设计，所以假体均有一定的旋转限制度，若术后出现髌骨轨迹不良，很难通过假体的旋转来调整。Insall以胫骨结节内、中1／3交界处确定胫骨假体的旋转对线技术使用至今，其对线原则是与伸膝装置相联系的，所以在术后髌骨轨迹方面有着良好的表现，但这种方法可能产生胫股旋转对线不良,使聚乙烯磨损增加。所以，有人提出了一些新的胫骨假体的对线技术，其中应用较广泛的是ROM技术，即依据股骨假体的旋转方位来确定股骨假体的旋转对线，术中先安装好股骨假体试件，然后插入胫骨假体试件，屈伸膝关节数次，找到胫股旋转对线的合适位置〔4〕。
实验时，股骨假体在额状面上的旋转方向是与经股骨上髁轴(股骨内、外上髁的连线)相平行的。经股骨上髁轴接近于膝关节的理想屈伸轴，受股骨发育和关节病变的影响较小，且在翻修手术时也能使用，解剖学和影像学研究均支持其为股骨远端前、后髁截骨的理想参照。
髌股关节的峰值接触压是影响人工关节术后临床结果的重要力学指标，其意义大于平均接触压。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。由于本实验未置换髌骨，各标本的髌骨关节面形态不同，因此测得的髌股接触面积变化范围较大。通过建立模拟人膝关节下蹲动作的生物力学模型以及高检验水准的统计学分析，作者的实验结果表明：股骨假体参照经股骨上髁轴确定旋转对线后，无论采用胫骨结节对线技术还是ROM对线技术，TKA手术后的髌股关节生物力学指标(峰值接触压、接触面积)无统计学差异。对于目前使用仍较广泛的有一定胫股旋转限制度的假体，ROM技术能够在正确的胫股旋转对线和良好的髌骨轨迹之间作出平衡。
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