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文章来源:中华骨科杂志,2015,35(10): 1048-1054 作者：刘扬德 赵宇驰 王维光 张树栋
目的 通过计算机导航技术分析下肢动态力线的变化形式及其影响因素。 方法 回顾性分析2013年7月至2013年8月接受计算机导航辅助下初次单侧人工全膝关节置换手术的76例膝关节骨关节炎患者病历资料，男46例，女30例；年龄64~78岁，平均71岁。手术均由同一名熟练掌握计算机导航技术的关节外科医生主刀完成。术中应用后稳定型旋转平台膝关节假体（RP，Depuy，强生公司，美国）；计算机导航系统应用美国Stryker? Navigation System Ⅱ- Cart。术前运用CT扫描测量股骨远端髁间轴线（intraoperative transepicondylar axis，TEA）与后髁线（posterior condyle axis，PCA）间的夹角，即外旋角（external rotation angle，ERA）；术中参考CT测量的ERA、计算机导航系统测量的TEA及Whiteside线进行股骨远端外旋截骨，假体骨水泥固定后记录膝关节在被动、无张力情况下屈曲活动过程中的髋-膝-踝（hip-knee-ankle，HKA）变化，即下肢动态力线的变化数据，并利用回归分析评价其影响因素。 结果
与术前CT测量的ERA比较，术中分别以胫骨的前后轴线（股骨滑车最低点与髁间窝最高点之间的连线，AP线）、TEA及AP线与TEA均值（分别以TEA及AP线为参考进行股骨远端外旋截骨所得到ERA的平均值）为参考，由导航系统测量的ERA分别为5.54°±2.86°，5.21°±2.60 °，5.34°±2.38 °；几种测量方法得到的结果并无统计学差异。TKA术中膝关节由伸直0°至屈曲90°的过程中下肢动态力线的变化与股骨远端外旋截骨密切相关。根据股骨远端外旋截骨角度的不同，下肢动态力线呈现出内翻、外翻及中立位波动三种变化趋势。 结论 膝关节在屈伸过程中下肢力线发生变化；TKA术中股骨远端外旋截骨影响下肢动态力线的变化，其数学模型为反正弦三角函数。
在我国社会逐步迈入老龄化的背景下，膝关节疾病（如风湿关节炎、类风湿关节炎、骨关节炎）的发病率也逐年攀高。由于病痛导致的蹲起及行走活动受限，严重影响了老年人的日常起居，致越来越多的人选择了全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA）。据中国骨科年会（COA）会议报道，2014年约数十万患者接受TKA手术。而术后力线的好坏一直是业内关注的焦点。目前，TKA术后通常采用静态站立位下肢全长X线片测量下肢机械轴线来评价手术的成败[1,2,3,4,5,6,7,8]；即使是经验丰富的医生，也难以避免主观因素影响手术及测量的精确性[9]。此外，对膝关节畸形患者，尤其严重的膝内翻或膝外翻，均导致术前计划变得困难，术中机械系统固有的局限性也导致胫、股假体对线误差超过3°的概率在10%以上[10]，所以即使术后复查X线片提示良好仍对患者正常的康复训练抱有忧虑[11]。但是采用计算机导航辅助下的TKA手术可以获得更高的精确度[12,13,14,15]。B?this等[3]在对80例随机分组接受TKA手术的对照研究中发现导航组有96%的下肢力线偏差< 3°，其误差较小；而常规组近78%="">3°，误差明显偏大。Hasegawa等[16]的研究证明计算机导航系统对术中截骨和假体安装时均有很大的指导意义，结果表明应用计算机导航系统后力线角度的差异仅为0.5°~1.0°。既往文献中对TKA术后膝关节由伸直（0°）至屈曲（90°）过程中的动态力线很少被提及，虽然国内有TKA术后关于股胫关节运动轨迹的研究，但是其需要患者接受X射线且存在一定误差[17,18]。通过普通的X线片、CT等检测手段，也很难对下肢力线进行动态测量。因此，本研究采用计算机导航系统辅助下行TKA手术，术中采用股骨远端外旋截骨（即股骨远端前后髁截骨，因截骨轴线与股骨后髁轴线呈一定的外旋角度，故称为外旋截骨，以便与股骨远端截骨相区别），术中实时测量膝关节屈伸过程的运动轨迹，并加以测量、整合及记录，可以得到膝关节运动过程的力线数据[19]，目的在于：（1）分析膝关节在屈伸过程中下肢动态力线的变化形式；（2）探讨股骨远端外旋截骨对下肢动态力线的影响；（3）探讨软组织平衡对下肢动态力线的影响。
资料与方法 一、纳入及排除标准 纳入标准：（1）术前骨关节炎确诊标准依据中华医学会骨科学分会骨关节炎诊断标准[20]；（2）Kellgren-Lawrerence骨关节炎X线分级Ⅳ级[21]；（3）初次全膝关节置换，术中未应用垫块、延长杆及植骨；（4）采用后稳定型旋转平台膝关节假体（RP，Depuy，美国）。
排除标准：（1）既往有膝关节感染或手术史；（2）既往有伸膝装置功能障碍；（3）膝关节内翻或外翻畸形> 20°；（4）严重骨质缺损患者。
二、一般资料 回顾性分析2013年7至8月因膝关节骨关节炎在我院行计算机导航系统辅助下初次单侧人工全膝关节置换术患者的病历资料，按照上述的纳入及排除标准，共76例纳入本研究。男28例，女48例；年龄64~78岁，平均（71.6±6.8）岁；左侧38例，右侧38例。
所有患者患侧膝关节均有疼痛和内翻畸形，术前疼痛视觉模拟评分（visual analogue scale，VAS）为3~10分，平均（8.67±2.13）分；内翻畸形10°~28°，平均为18.6°±3.8°。
影像学均表现为单纯的膝关节骨性关节炎，增生明显，未进行严格分级。CT检查只是测量股骨远端的外旋角度。
三、动态力线的定义 下肢动态力线定义为膝关节在任意屈曲角度时的下肢力线角度，即此时的髋-膝-踝角度（hip-knee-ankle，HKA），即胫骨解剖轴与人体矢状面所形成的夹角（图1）。 
图1 下肢动态力线定义为膝关节在任意屈曲角度时的下肢力线角度，即髋-膝-踝（HKA）角度，即胫骨机械轴线与人体矢状面所呈的夹角
四、手术方法 手术均由同一名熟练掌握计算机导航技术的关节外科医生（本文通讯作者）主刀完成。
所有患者均采用Depuy PFC Sigma RP假体（强生公司，美国）。计算机导航系统应用Stryker? Navigation System Ⅱ- Cart（Stryker公司,美国）。
均采用全身麻醉，患者均取仰卧位。采用膝前正中切口，髌旁内侧入路切开关节囊，显露关节腔，向外翻转髌骨。去除关节边缘骨赘并进行周围软组织松解，安装股骨、胫骨示踪器，进行截骨前注册，在导航系统辅助下进行胫骨、股骨截骨。安放试模，至膝关节屈伸活动，满意后充气止血带，常规放置后稳定型旋转平台假体，骨水泥固定。术中不置换髌骨，只清除髌骨骨赘，修整髌骨关节面。骨水泥固化后松止血带。在导航系统辅助下屈伸活动膝关节，收集膝关节活动时下肢力线和软组织平衡的数据。放置引流管，关闭切口。
五、术中股骨远端外旋截骨角度的选择 术前股骨远端外旋截骨角度的测量应用飞利浦64排CT，扫描厚度2 mm。患膝股骨远端髁间轴线（transepicondylar axis，TEA）与后髁轴线（posterior condyle axis，PCA）的夹角，即外旋角（external rotation angle，ERA，图2）。 
图2 股骨远端外旋角（ERA）指股骨后髁连线与股骨髁间轴线的夹角
计算机导航系统需要在截骨前分别注册股骨远髁AP线（即Whiteside线）与TEA轴线。术中股骨远端外旋截骨角度的选择是综合参考术前CT扫描测量结果与术中导航注册结果（图3）。若术中导航系统测得的外旋角与术前CT扫描的结果不一致，则按照术前CT测得的外旋角进行截骨。 
图3 术中所用的0°、3°、5°、7°截骨板。因为手术器械中并无外旋2°、4°和6°的截骨板，所以若测得外旋角为2°、4°或6°时只能选择外旋角度为3°、5°或7°的截骨板
六、观察指标 记录截骨前膝关节屈曲0°、30°、45°、60°、90°时的下肢力线数据。记录股骨前、后髁截骨完成后截骨外旋角度与计算机导航系统注册股骨实际外旋角度的差异。假体骨水泥固定后松开止血带，记录膝关节在被动无张力状态下屈曲0°、30°、45°、60°、90°时的下肢力线和软组织平衡数据。
七、统计学处理 采用SPSS 13.0（SPSS公司，美国）统计软件包进行统计分析。不同外旋角测量方法的比较采用配对t检验；股骨远端截骨、胫骨近端截骨与标准截骨面的比较采用t检验；动态力线的变化采用线性回归分析；膝关节屈伸过程中下肢动态力线的变化及其影响因素采用线性回归模型分析，检验水准α值取0.05。
结果 一、术前与术中ERA角的比较 术前CT扫描测量的ERA平均为5.70°±1.55°，其分布如图4所示。只有10%的骨性关节炎患者其股骨远端的外旋角度为3°。 
图4 术前CT测量的ERA角分布图，仅有10%的患者ERA角为3°，64%的患者ERA为5°~7°
术中对骨性标志进行注册后，分别以AP线、TEA、AP线与TEA平均值为参考，由导航系统测量的ERA分别为5.54°±2.86°，5.21°±2.60°，5.34°±2.38 °。与术前CT测量的ERA比较，几种测量方法结果的差异均无统计学意义（图5）。 
图5 四种不同方法测量所得ERA的比较，CT与计算机导航系统测量所得ERA值的差异无统计学意义。ERA-CT为术前CT扫描测量的股骨远端外旋角；ERA-Whiteside line为以AP线为参考导航系统测量的股骨远端外旋角；ERA-TEA为以TEA为参考导航系统测量的股骨远端外旋角；ERA-Mean为综合AP线与TEA导航系统测量的股骨远端外旋角的平均值
二、截骨对动态力线的影响
截骨前膝关节从0 °到90°屈曲过程中HKA角的变异为4.21°±4.31°。安装假体后HKA角的变异为1.01°±2.49°。下肢动态力线的变化得到了明显的改善（P<>P=0.198，P=0.126）。
术中进行股骨远端外旋截骨时，33例患者（43%）使用了3°外旋截骨板，29例患者（38%）使用了5°外旋截骨板，14例患者（18%）使用7°外旋截骨板。以AP线与TEA平均值为标准，有10例患者（13%）的股骨远端外旋截骨为过度外旋（外旋组，较平均值有超过1°的外旋），有38例患者（50%）为中立位（中立组，较平均值有小于1°的外旋或内旋），有28例患者（37%）为内旋（内旋组，较平均值有1°以上的内旋）。外旋组中，在膝关节屈曲至90°过程中，下肢力线呈逐渐内翻的变化趋势（r2=0.992，P=0.0003）；内旋组中，在膝关节屈曲至90°过程中，下肢力线呈逐渐外翻的变化趋势（r2=0.964，P=0.008）；中立组中，膝关节屈曲至90°过程中，下肢力线围绕着0°线波动（r2=0.101，P=0.601，图6）。 
图6 膝关节由0°到90°的屈曲活动过程中，下肢动态力线的变化呈三种变化趋势，表明膝关节屈伸变化过程中力线变化是不同的
内旋组的线性回归方程为Y=0.0488X-0.9965，中立位组的线性回归方程为Y=0.0016X-0.4955，外旋组的线性回归方程为Y=-0.0268X-1.1425。
三、术中软组织平衡及其对下肢力线的影响 膝关节内、外侧软组织平衡对下肢力线的影响也随膝关节屈伸活动呈动态变化。假体安装后内、外侧软组织平衡的变化趋势分为两类：21%（16/76）的患者在膝关节由伸直0°到屈曲90°的过程中，内、外侧软组织张力均呈对称平衡状态；79%（60/76）的患者内侧软组织张力在膝关节伸直时紧张，在屈曲至90°的过程中逐渐松弛（图7，图8）。 
图7 全膝关节置换术中截骨前内、外侧软组织平衡示意图，显示膝关节在接近伸直位时内侧软组织紧张，随着膝关节屈曲角度增加，内侧软组织逐渐变松弛。蓝色实心圆点表示外侧软组织张力，黑圈白点表示内侧软组织张力
图8 女，59岁，左膝骨关节炎，行左侧人工全膝关节置换术 A 股骨远端截骨面内、外翻对线为0° B 胫骨近端截骨面内、外翻对线为0.5° C 股骨远端外旋截骨为过度外旋1.5° D 截骨前内、外侧软组织平衡示意图示伸直位内侧软组织松弛、外侧软组织紧张，随着屈曲角度增加，外侧软组织逐渐松弛、内侧软组织逐渐紧张 E 下肢动态力线趋势图示受股骨外旋截骨的作用，下肢力线由伸直到屈曲的过程中应为逐渐内翻，但因软组织平衡的影响，其内翻趋势超出了外旋截骨的影响
讨论 一、膝关节在伸屈活动过程中下肢力线呈动态变化 完美的术后站立位下肢力线不代表良好的动态力线。本研究结果表明膝关节由完全伸直位到屈曲90°的过程中，下肢力线存在以下三种变化趋势：（1）如果外旋截骨角度超过股骨本身的外旋角度，膝关节由伸直至屈曲的过程中下肢力线呈逐渐内翻的趋势；（2）如果外旋截骨角度小于股骨本身的外旋角度，膝关节由伸直至屈曲的过程中下肢力线呈逐渐外翻的趋势；（3）如果外旋截骨角度恰好与股骨本身的外旋角度一致，膝关节由伸直至屈曲的过程中下肢力线则在0°附近波动。若不考虑股骨远端与胫骨近端的内翻或外翻畸形因素，下肢力线的动态变化是由股骨外旋截骨角度所决定。因此，通过术前CT测量股骨远端ERA，以此为参考制定术前计划，术中实时结合导航系统的数据指导截骨，可以得到更好的结果。
二、截骨影响下肢力线的变化 术后假体旋转对位不良会导致髌骨轨迹异常、髌骨弹响、内（外）翻畸形、屈曲不稳及股骨前方骨皮质的损伤（notching）等问题[22,23,24,25,26]。需要补充的是，股骨远端的旋转力线并不总是准确无误，因为实际手术假体安装完毕后经常会出现下肢内、外翻畸形和膝关节曲屈位的不稳[27]。虽然旋转假体允许一定程度的旋转对线不良，但是其必然导致聚乙烯衬垫与膝关节周围结构的撞击[28]。在本研究之前，我们进行股骨远端外旋截骨时也常规选择外旋3°截骨[26]。
但是，也有一些专家认为不能完全信任计算机导航系统，因为计算机导航系统的可重复性差，受到术者对骨性标志注册的影响[29,30]。目前，术前CT测量ERA被认为是比较准确的方法[31]。对此，本研究将术前CT测得的ERA作为标准参考，以此来校正导航系统可能产生的误差。本研究结果显示，ERA平均值为5.70°，只有10%的患者为3°。Winemaker[32]认为对所有患者均选用3°外旋截骨，可能会导致部分患者外旋截骨角度过小，术后出现膝关节曲屈位的不稳定。
三、软组织平衡对下肢动态力线的影响 在TKA手术中除了股骨外旋截骨会影响下肢动态力线外，软组织平衡也会影响其变化。良好的软组织平衡与标准的截骨技术同样重要[33]。软组织平衡不良可导致假体使用寿命缩短及早期假体失败等问题[34,35]。根据术中导航记录结果显示伴有内翻畸形的骨关节炎患者，在大多数情况下均存在内侧软组织在伸膝时紧张、屈膝时松弛的情况（图7）。因此，术中软组织的松解应该遵守循序渐进的原则，才能避免因软组织平衡不良导致的膝关节不稳、下肢力线变异过大等问题（图8）。
四、本研究的局限性 （1）正常人下肢动态力线情况尚不清楚，缺少参照标准；（2）术前ERA结果为重度骨关节炎的膝关节测量所得，此测量结果并不代表正常成年人；（3）除股骨远端外旋截骨外，股骨内（外）翻截骨、胫骨内（外）翻截骨、软组织平衡、胫骨与股骨的轴向旋转活动等还有待于我们进一步研究；（4）不同变化形式的下肢动态力线对手术疗效及假体远期寿命的影响目前，尚不清楚，还有待于进一步的随访。
人工全膝关节置换术后下肢力线在膝关节屈伸活动过程中呈动态变化，其动态变化的趋势受股骨远端外旋截骨角度的影响。
参考文献（略）
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