紅外線計算機導航下全膝關節(jié)置換的應用研究

徐永勝，魏寶剛，呂龍，王偉

內(nèi)蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院 骨關節(jié)科，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010017

0 前言

全膝關節(jié)置換術(shù)（Total Knee Arthroplasty, TKA）是用人工假體替代患者已經(jīng)損壞的不可修復的膝關節(jié)從而達到根治膝關節(jié)疾病的一種手段。要想獲得長期優(yōu)良的臨床效果，必須盡可能將關節(jié)假體的位置精確地安放，恢復下肢力線及軟組織平衡。近年來，TKA在手術(shù)技術(shù)方面主要的進步之一，就是影像導航技術(shù)在關節(jié)外科的成功應用[1]。影像技術(shù)與臨床治療相結(jié)合，開創(chuàng)了計算機導航輔助骨科導航手術(shù)（Computer Assisted Orthopedics Surgery，CAOS）[2]，如今 CAOS已經(jīng)涉及脊柱外科、關節(jié)外科、創(chuàng)傷外科、骨腫瘤和矯形外科，近幾年來，歐美國家計算機輔助導航技術(shù)（CAS）越來越廣泛地被應用于膝關節(jié)外科[3]，國內(nèi)也有部分醫(yī)院和醫(yī)生開始采用，本文通過比較計算機導航輔助TKA與傳統(tǒng)TKA病例，從而探討CAS下TKA是否值得臨床推廣。

1 資料與方法

1.1 一般資料

病例選自2006年1月～2011年1月，所有病例均為初次置換，術(shù)前內(nèi)外翻畸形均<15°。導航組（CAS Group）：采用紅外線計算機導航完成全膝關節(jié)置換的病例，共計47例61膝，其中，男10例12膝，女37例49膝；年齡52～80歲，平均67歲；骨性關節(jié)炎41例49膝，類風濕性關節(jié)炎6例12膝。術(shù)前KSS評分平均（36±6）分。術(shù)前OXFORD評分平均（21±8）分。膝關節(jié)活動度為0～100°，平均48°；對照組為傳統(tǒng)組（Traditional Group）：同時間段隨機抽取的60例82膝傳統(tǒng)手術(shù)患者，其中，男15例18膝，女45例64膝；年齡51～78歲，平均65歲；骨性關節(jié)炎50例66膝，類風濕性關節(jié)炎10例16膝。術(shù)前KSS評分平均（34±6）分。術(shù)前OXFORD評分平均（20±8）分。膝關節(jié)活動度為0～105°，平均46°。

1.2 手術(shù)方法

1.2.1 導航組

患者平臥于手術(shù)臺，導航系統(tǒng)放置于對側(cè)，調(diào)整camera啟動導航系統(tǒng)，輸入患者資料并按步驟進行激活、注冊股骨和脛骨追蹤器（tracker）、pointer及定位校準。采用膝關節(jié)正中切口，依次切開皮膚、皮下、關節(jié)囊及滑膜，顯露膝關節(jié)。固定錨釘于股骨遠端及脛骨近端，正確連接tracker，下肢機械軸線（髖膝踝垂直經(jīng)線）注冊：通過髖關節(jié)旋轉(zhuǎn)中心，膝關節(jié)中心點，踝關節(jié)中心點確認。導航手術(shù)所需解剖標記點或面的注冊：包括股骨遠端前方骨皮質(zhì)，股骨內(nèi)、外上髁，股骨髁中點，股骨內(nèi)外髁關節(jié)面，股骨滑車中軸線脛骨髁間棘中點脛骨內(nèi)外側(cè)平臺關節(jié)面，脛骨前后線，內(nèi)、外踝，踝關節(jié)中心。手術(shù)前，術(shù)者要大致估計導航系統(tǒng)得到的參數(shù)是否正確。股骨遠端及脛骨截骨后，用帶示蹤器的截骨平面探測器進一步確認截骨是否正確，截骨厚度可精確到1 mm，角度控制精確到0.5～1°。通過比較截骨前與截骨后下肢力線和運行軌跡、內(nèi)外側(cè)張力曲線，可進一步行截骨或軟組織松解以獲得最佳的下肢力線和運行軌跡。截骨完成后安裝假體，植入脛骨及股骨假體部件、墊片，縱向加壓，通過監(jiān)視器顯示下肢力線，待骨水泥凝固后測定并記錄最終的下肢力線和運行軌跡、內(nèi)外側(cè)張力曲線。

1.2.2 傳統(tǒng)組

采用標準全膝關節(jié)置換技術(shù)，患者平臥于手術(shù)臺，行膝關節(jié)正中切口，內(nèi)側(cè)入路顯露膝關節(jié)。股骨側(cè)采用髓內(nèi)定位法進行股骨遠端截骨。脛骨側(cè)采用髓外定位法進行與脛骨機械軸垂直的脛骨近端截骨。安裝假體后在完全伸膝位和屈膝90°位評估內(nèi)、外側(cè)軟組織穩(wěn)定性，并進行針對性軟組織松解以平衡膝關節(jié)屈、伸間隙。

1.3 術(shù)后評價

臨床評價包括：手術(shù)時間、術(shù)后24 h引流量、術(shù)后6個月膝關節(jié)活動度、KSS評分和OXFORD評分以及并發(fā)癥情況。影像學評價包括：軟組織平衡角度變量、軟組織平衡分離變量、髖膝踝經(jīng)線（Mechanical Femoral Axis to Tibial Axis Angle, mFTA），常規(guī)膝關節(jié)X線正、側(cè)位片上進行測量假體位置角度（見圖1），包括α、β、γ、δ及Q角。在膝關節(jié)前后位上，α角為術(shù)后股骨髁假體兩髁切線與股骨解剖軸線相交內(nèi)側(cè)所成的角；β角為脛骨平臺假體平面與脛骨解剖軸線所成的夾角。在側(cè)位X線片上，γ角為股骨髁假體前方平面垂線與股骨軸線所成的夾角；δ角為股骨平臺假體平面與脛骨解剖軸線相交后方的夾角；Q角又叫股脛角，由股骨中軸和從髕骨中點延伸到脛骨結(jié)節(jié)間形成的角[4]。

圖1 前后位和側(cè)位X線片上角度測量

1.4 統(tǒng)計學處理

數(shù)據(jù)分析采用SPSS13.0軟件，兩組樣本差異比較選用成組t檢驗，α值取0.05。

2 結(jié)果

兩組術(shù)中均無神經(jīng)、血管損傷，手術(shù)切口均一期甲級愈合。手術(shù)時間：導航組為80～120 min；傳統(tǒng)組為65～100 min，有統(tǒng)計學差異（P<0.05）。術(shù)后24 h引流量：導航組為600～850 mL，傳統(tǒng)組為550～800 mL，無顯著差異（P>0.05）。術(shù)后隨訪時間6～72個月，平均34個月，兩組均無感染及假體周圍骨折發(fā)生，住院期間術(shù)后2 w內(nèi)，導航組7例、傳統(tǒng)組11例出現(xiàn)患肢腫脹，經(jīng)下肢靜脈彩超、血D二聚體檢測，導航組發(fā)生DVT （深靜脈血栓）2例，傳統(tǒng)組發(fā)生DVT 3例，發(fā)展為PE 1例，均經(jīng)積極治療痊愈出院，無死亡病例。術(shù)后6個月并發(fā)癥發(fā)生率：導航組（4.2%）、傳統(tǒng)組（5.0%）；膝關節(jié)活動度：導航組69～110°（平均95°）、傳統(tǒng)組65～108°（平均93°）；KSS評分導航組平均（80±9）分、傳統(tǒng)組平均（78±9）分；OXFORD評分導航組平均（37±9）分、傳統(tǒng)組平均（36±9）分；以上數(shù)據(jù)兩組比較均無顯著差異（P>0.05）。

導航組和對照組mFTA：導航組為（0.94±0.96）°，傳統(tǒng)組（1.76±1.53）°，有統(tǒng)計學差異（P<0.05）。兩組α、β、γ、δ及Q角（見表1），無顯著差異（P＞0.05），但導航組分布類似于標準正態(tài)分布，取值較為集中，極值范圍小。軟組織平衡角度變量：導航組為2°以內(nèi)；傳統(tǒng)組為2～4°，有統(tǒng)計學差異（P<0.05）。軟組織平衡分離變量：導航組為2～4 mm；傳統(tǒng)組為5～7 mm，有統(tǒng)計學差異（P<0.05）。

表1 術(shù)后內(nèi)置物角度和Q角（股脛角）比較及分布

3 討論

3.1 膝關節(jié)導航的硬件及軟件系統(tǒng)

美國紐約州布法羅總醫(yī)院骨科Kenneth A.Krachow教授與W.M.M教授于1995年開始合作，從事開發(fā)計算機輔助全膝關節(jié)置換系統(tǒng)項目，采用Optitrack紅外跟蹤設備，于1997年8月在TKA手術(shù)中應用了導航，并發(fā)展為膝關節(jié)跟蹤模塊，目前已在多個國家廣應用。現(xiàn)今國內(nèi)應用的膝關節(jié)導航系統(tǒng)除了Stryker公司的 Navigation Systerm以外，還有德國Brainlab公司Vector Vision系統(tǒng)和Aesculap公司Orhto-Pilot系統(tǒng)。所有的系統(tǒng)都有堅固的身體標記物，也稱為tracker，通過錨釘或固定針固定于患者的股骨、脛骨和骨盆上，信號接收器（camera）使tracker視覺化，并跟蹤其在手術(shù)空間內(nèi)的運動形成圖像，安裝有特殊軟件程序的計算機系統(tǒng)進行識別和計算各參數(shù)，從而精確地指導手術(shù)。除硬件外，軟件的更新對于提高全膝關節(jié)假體部件定位和下肢軸線精確性也起著很重要的作用[6]。據(jù)Ryan G[7]報道，采用傳統(tǒng)手術(shù)方法和計算機輔助導航技術(shù)對315例患者行單側(cè)全膝置換，結(jié)果顯示：術(shù)前及術(shù)后X線片測量，應用2.0版軟件，導航組（93%）與傳統(tǒng)組（82%）相比，下肢力線的精確性可顯著提高（下肢中立位±3°，P＜0.02），應用3.1版軟件提高更為明顯（99%，P＜0.03）；使用止血帶時間傳統(tǒng)組平均74 min，2.0版軟件平均90 min，3.1版軟件平均73 min，應用Stryker 2.0版軟件在止血帶使用時間上明顯長于傳統(tǒng)手術(shù)方式或應用3.1版軟件（P＜0.001）。但這些因素能否影響患者功能以及術(shù)后假體生存率，需要進一步和更多樣本資料的隨訪研究。

3.2 下肢軸線

人工全膝關節(jié)置換手術(shù)療效的好壞取決于多種因素，如醫(yī)生的手術(shù)技術(shù)的精確性、假體安放角度、下肢軸線和軟組織平衡的恢復以及良好的骨水泥技術(shù)。其中，術(shù)后下肢軸線是影響術(shù)后假體壽命的最重要因素之一，根據(jù)力線正確安裝假體是手術(shù)成功的關鍵。大量研究表明，全膝關節(jié)置換術(shù)后下肢力線超過3°與早期手術(shù)失敗及臨床結(jié)果密切相關，軸線不良是非感染松動的重要原因已成為共識[6,8-12]。導航系統(tǒng)可以精確地計算髖、膝、踝關節(jié)中心，截骨時分別指示出股骨和脛骨機械軸線角度，相當于在直視下進行截骨，大大降低了整體下肢機械軸偏差的可能性。有關下肢機械軸線偏差在±3°范圍內(nèi)的比例，據(jù)Bathis[13]報道，導航組為96%，傳統(tǒng)組為78%；據(jù)Stulberg[14]報道，導航組為88%，傳統(tǒng)組為72%。以上結(jié)果均顯示利用計算機輔助導航技術(shù)可以大大提高術(shù)后下肢軸線的精確性，與本文研究結(jié)果相一致。

3.3 軟組織平衡

除下肢軸線外，全膝關節(jié)置換時還需考慮軟組織連接情況、韌帶張力等因素，以獲得關節(jié)的穩(wěn)定和最大的活動范圍，軟組織平衡是膝關節(jié)置換術(shù)成功與否的關鍵因素之一[15-16]。軟組織平衡不佳可能導致聚乙烯襯墊內(nèi)、外側(cè)壓力不均衡，從而加速磨損影響長期療效。對于進行關節(jié)置換的患者來說，傳統(tǒng)全膝關節(jié)置換手術(shù)中軟組織平衡主觀性較強，主要是術(shù)者進行主觀判斷，在伸直位和屈曲90°位進行評估的，目前導航系統(tǒng)對術(shù)中軟組織平衡依然沒有專門的應用軟件，其調(diào)控依然要依靠術(shù)者的經(jīng)驗與機械撐開等方法，有學者報道[17]，計算機導航系統(tǒng)可以從膝關節(jié)伸屈0～120°的過程中動態(tài)監(jiān)測軟組織平衡及運動曲線，得出的數(shù)據(jù)可以作為判斷側(cè)副韌帶和后方關節(jié)囊張力的參考依據(jù)，但可靠性尚有待進一步研究和證實。因此，有待開發(fā)專用的軟組織平衡測量軟件，根據(jù)測量的數(shù)值調(diào)控關節(jié)間隙和內(nèi)外側(cè)軟組織張力的平衡，檢測安裝假體前后軟組織張力和關節(jié)假體穩(wěn)定性，以最終獲得最佳的軟組織平衡。

3.4 假體位置調(diào)整

假體位置的好壞是保障手術(shù)成功的一個關鍵因素[7]，假體對位不良會引起髕骨活動軌跡不良、髕骨脫位等許多問題，長期以往會導致假體部件的磨損增加，進而導致假體松動[18]。本研究術(shù)后前后位X線片上測量α角、β角和Q角，結(jié)果發(fā)現(xiàn)導航組與傳統(tǒng)組α角與β角較為接近，且兩組結(jié)果無明顯差異，比較兩組Q角，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），二者均接近正常值，證明了兩組手術(shù)方式均可以較好的確定股骨和脛骨冠狀面的力線，減少股骨遠端和脛骨截骨所致的內(nèi)、外翻畸形[19-21]。術(shù)后側(cè)位X線片上測量股骨端γ角和脛骨端δ角，結(jié)果發(fā)現(xiàn)γ角在導航組均值為3.10°（-3～7°），傳統(tǒng)組為3.52°（-3～8.6°）；δ角導航組為85.14°（79～89°），傳統(tǒng)組為85.89°（78～92°）；兩組結(jié)果無明顯差異，但導航組的取值比較集中，且分布區(qū)間更小，證明了導航手術(shù)較傳統(tǒng)手術(shù)更加精確[21-23]。

4 結(jié)論

紅外計算機導航輔助下全膝關節(jié)置換能夠提高截骨精確性，使假體位置安裝更精確、軟組織平衡更佳，同時降低假體位置和下肢軸線偏差的風險，值得臨床推廣應用。

[1]Klein GR,Parvizi J,Rapuri VR,et al.The effect of tibial polyethylene insert design on range of motion:evaluation of in vivo knee kinematics by a computerized navigation system during total knee arthroplasty[J].J Arthroplasty,2004,19(8):986-991.

[2]Kim YH,Kim JS,Hong KS,et al.Prevalence of fat embolism after total knee arthroplasty performed with or without computer navigation[J].J Bone Joint Surg Am,2008,90(1):123-128.

[3]Saragaglia D,Picard F,Chaussard C,et al.Computer assisted knee arthroplasty:comparison with a conventional procedure.Results of 50 cases in a propective tandomized study[J].Rev Chir Orthop Reparatrice Mot[J].2001,87(1):18-28.

[4]Kaper BP,Woolfrey M,Bourne RB,The effect of built-in external femoral rotation on patellofemoral tracking in the genesisⅡ total knee arthroplasty[J].J Arthroplasty,2000,15(8):964-969.

[5]Moon YW,Ha CW,Do KH,et al.Comparison of robot-assisted and conventional total knee arthroplasty:a controlled cadaver study using multiparameter quantitative three-dimensional CT assessment of alignment[J].Comput Aided Surg,2012,17(2):86-95.

[6]Dutton AQ,Yeo SJ,Yang KY,et al.Computer-assisted minimally invasive total knee arthroplasty compared with standard total knee arthroplasty.A prospective,randomized study[J].J Bone Joint Surg Am,2008,90(1):2-9.

[7]Molli RG,Anderson KC,Buehler KC,et.al.Computer-Assisted Navigation Software Advancements Improve the Accuracy of Total Knee Arthroplasty[J].J throplasty,2011,26(3):432-438.

[8]Kim YH,Kim JS,Choi Y,et al.Computer-assisted surgical lnavigation does not improve the alignment and orientation of the components in total knee arthroplasty[J].J Bone Joint Surg Am,2009,91(1):14-19.

[9]Park SE,Lee CT.Comparison of robotic-assisted and conventional manual implantation of a primary total knee arthroplasty[J].J Arthroplasty,2007,22(7):1054-1059.

[10]Matziolis G,Krocker D,Weiss U,et al.A prospective,randomized study of computer-assisted and conventional total knee arthroplasty.Threedimensional evaluation of implant alignment and rotation[J].J Bone Joint Surg Am,2007,89(2):236-243.

[11]Sharkey PF,Hozack WJ,Rothman RH,et al.Insall Award paper.Why are total knee arthroplasties failing today?[J].Clin Orthop Relat Res,2002,404(11):7-13.

[12]Barrett WP,Mason JB,Moskal JT,et al.Comparison of radiographic alignment of imageless computer-assisted surgery vs conventional instrumentation in primary total knee arthroplasty[J].J Arthroplasty,2011,26(8):1273-1284.

[13]Bathis H,Perlick L,Tingart M,et al.Alignment in total knee arthroplasty.A Comparison of computer-assisted surgery with the conventional technique[J].J Bone Joint Surg(Br),2004,86(5):682-687.

[14]Stulberg SD,Loan P,Sarin V.Computer-assisted navigation in total knee replacement:results of an initial experience in thirtyfive patients[J].J Bone Joint,Surg(Am),2002,84(Suppl2):90-98.

[15]Kalairajah Y,Cossey AJ,Verrall GM,et al.Are systemic emboli reduced in computer-assisted knee surgery?A prospective,randomised,clinical trial[J].J Bone Joint Surg Br,2006,88(2):198-202.

[16]Labraca NS,Castro-Sanchez AM,Mataran-Penarrocha GA,et al.Benefits of starting rehabilitation within 24 hours of primary total knee arthroplasty:randomized clinical trial[J].Clin Rehabil,2011,25(6):557-566.

[17]Stindel E,Briard JL,Merloz P,et al.Bone morphing:3D morphological data for total knee arthroplasty[J].Comput Aided Surg,2002,7(3):156-168.

[18]Kaper BP,Woolfrey M,Bourne RB.The effect of builtin external femoral rotation on patellofemoral tracking in the genesis Ⅱ total knee arthroplasty[J].J Arthroplasty 2000,15(8):964-969.

[19]Bottros J,Klika AK,Lee HH,et al.The use of navigation in total knee arthroplasty for patients with extra articular deformity[J].J Arthroplasty,2008,23(1):74-78.

[20]Bauwens K,Matthes G,Wich M,et al.Navigated total knee replacement.A meta-analysis[J].J Bone Joint Surg Am,2007,89(2):261-269.

[21]王偉,呂龍.計算機輔助導航系統(tǒng)在骨科手術(shù)中的臨床應用[J].內(nèi)蒙古醫(yī)學雜志,2007,39(7):842-844.

[22]彭紅芬,劉海濱,李華玲.等.股四頭肌肌腱及髕韌帶損傷的MRI診斷[J].中國醫(yī)療設備,2011,26(8):156-157.

[23]Rudolf W,Poolman MD,Peter AA,et al.Reporting of Outcomes in Orthopaedic Randomized Trials:Does Blinding of Outcome Assessors Matter?[J].J Bone Joint Surg Am,2007,89(3):550-558.