計算機導航技術在全膝關節置換術中的應用進展

馬崇文 ，李睿 ，閻亮 ，張小輝 ，楊信信 ，夏亞一

1.蘭州大學第二醫院關節外科，甘肅蘭州730000；2.甘肅省骨關節疾病研究重點實驗室，甘肅蘭州730000

前言

隨著關節疾病的發病率不斷增加，越來越多的人將接受全膝關節置換術（Total Knee Arthroplasty，TKA）［1］，TKA的目標是通過使股骨和脛骨假體垂直于股骨和脛骨的機械軸來恢復下肢的機械對準。有許多研究表明機械軸冠狀位的準確對齊對于TKA的成功是至關重要的［2-4］，因此許多術者的目標就是在術中實現冠狀面中性點（0°）的機械對準［5］，因為脛骨的機械對齊等同于肢體的機械對齊，且脛骨機械解剖學角度是0°，但是傳統的髓內/髓外定位切割并不能很精準的實現這一目標［6］。有META分析顯示，計算機輔助外科（Computer-AssistedSurgical navigation，CAS）導航技術對于控制TKA中的機械軸線對齊更加可靠［7］。Mason 等［8］證明，與使用傳統TKA相比，CAS導航下TKA中90.4%的股骨和95.2%的脛骨精確到垂直于機械軸的2°內，這與傳統TKA中的79.7%和65.9%相比有很大的提升。

1 傳統CAS導航在TKA中的應用

CAS導航現在根據定義分為兩大類：①傳統的基于大型控制臺的導航系統，有圖像或無圖像：有圖像即術前用MRI和/或CT成像來提供關節面的立體定位配準和整體對準；無圖像則需術中標記髖關節和踝關節中心、關節面以及膝關節周圍的各種其他標志，以創建一個虛擬坐標系統，根據所需要的對線標準進行股骨和脛骨的切除。②新式的手持式導航系統是一種最新研發的、不需要大的控制臺監視器或計算機平臺的導航系統。目前應用最廣泛的還是傳統的CAS導航，即基于大型控制臺的計算機導航系統。

盡管對于TKA的最佳標準現在仍無準確定論，但有許多研究表明，CAS導航與傳統的髓內外定位技術相比，在定位準確度方面表現出更加理想的結果。Anderson等［9］比較了116例使用傳統CAS導航的TKA與51例常規TKA，結果顯示95%使用CAS導航的TKA的機械軸距中性軸的距離在3°之內，與傳統TKA組的84%相比有顯著差異。Keyes等［10］比較了72名使用無影像CAS導航系統和傳統TKA髓內組件定位患者的術后假體定位、肢體對齊、活動范圍后發現，65%的CAS導航TKA機械軸距中性軸為0～3°（4°～7°定義為外翻），相比之下，只有39%的傳統TKA達到此對線標準。上述研究結果表明，使用CAS導航可縮小TKA假體對齊的范圍并減少異常值的數量，大大提升精準度，但未表明患者報告的結果測量方面是否有明顯改進。

在另一項研究中，De Steiger等［11］通過收集澳大利亞骨科協會全國關節置換登記處（Australian Orthopaedic Association NationalJointReplacementRegistry,AOANJRR）數據，比較了44 473例CAS導航TKA與270 545例常規TKA在9年隨訪期內的表現，在＜65歲的患者亞組中，發現使用CAS導航的TKA的翻修率既無菌性松動導致的翻修率（6.3%,95%CI=5.5%～7.3%）與傳統TKA組（7.8%,95%CI=7.5%～8.2%）相比有著顯著的降低。在此之前，Berend等［2］在一項超過10年的隨訪中發現，傳統TKA在10年后的翻修率有明顯的上升，而隨著隨訪時間的延長使用CAS導航的TKA因對線精準度的提升，使得翻修率得到大幅度的降低。

2 新式手持式CAS導航在TKA中的應用

傳統CAS導航的缺點包括手術成本高、時間長等問題，使用CAS導航常使手術過程復雜化，還需額外增加對外科醫生的培訓。在股骨和/或脛骨中使用經皮/經骨定位針的系統會引起穿刺部位并發癥，包括疼痛，傷口引流，感染以及很少但破壞性嚴重的骨折［12］。為了解決這些問題，一種新興的手持式CAS導航系統流行起來。Nam等［13］第一次用手持導航系統進行系統的臨床試驗，通過研究42例手持式CAS導航輔助的TKA后發現，95%的脛骨假體定位在目標矢狀斜面2°以內，96%位于冠狀位對位3°以內。Nam等［14］使用OrthAlign?的手持式CAS導航系統進行臨床試驗后發現，使用該技術提供的術中測量結果在預測術后脛骨假體對齊是準確的，因為95.2%的冠狀面植入物和92.6%的矢狀面植入物與術中所提供的讀數相差在2°以內，X片顯示脛骨組件的平均術后對線為外翻-0.6°±0.9°，其中97.6%的脛骨假體放置在機械軸90°±2°內，100%的脛骨假體與機械軸放置角度為90°±3°內，且該系統對于患有嚴重脛骨畸形的患者更加有用。Bugbee等［15］的研究顯示手持式導航系統在冠狀位對準中達到了93.3%的準確性，只有6.7%的患者脛骨假體冠狀位對準在±3°以外。Huang等［16］為了研究TKA術中機械軸的修復與改善放置假體成功率之間的關系，使用了手持式CAS導航系統來評估對線精準度和手術時間，X片顯示股骨對齊是0.29°±2.2°內翻，脛骨對齊是0.09°±1.4°外翻，術后機械軸為0.2°±2.1°內翻。股骨、脛骨和機械軸的錯位率分別為13%、3.8%和17%，固定和導航的平均時間為股骨3.6 min、脛骨2.6 min，平均止血帶時間為62 min，研究結果表明手持式CAS導航系統可以在不增加手術時間的情況下精確地重建機械軸。

之前的大部分研究都是針對傳統TKA有無使用手持式 CAS 導航，Thiengwittayaporn 等［17］的一項Meta分析對比了微創入路的TKA有或無使用手持式CAS導航后發現，使用手持式CAS導航可以減少所有對齊中的異常值（＞±3°即未對齊）：髖-膝-踝關節，股骨假體和脛骨假體。研究結果表明在微創入路的TKA中，通過手持式CAS導航可以更好地實現脛骨后傾斜角度的控制，可以提高假體的機械對準和定位精度，且無需額外的手術時間。

目前有一種最新的基于iPod的無影像手持式導航系統（DASH導航系統），Koenen等［18］使用該系統進行TKA，與傳統TKA相比，該系統在肢體機械對準方面具有良好的精確度；在另一項研究中，Mullaji等［19］對比了DASH導航系統與傳統CAS導航系統的TKA，結果顯示，與傳統CAS導航系統的平均定位時間（2.0±0.1）min相比，DASH導航系統的平均定位時間（1.2±0.2）min有著顯著的縮短。兩種導航系統在術前冠狀位、術前矢狀面畸形、股骨切口矢狀面、術后矢狀位對齊以及術后膝關節屈曲之間具有極好的相關性。同樣的，在脛骨和股骨遠端的切削厚度，股骨切面的冠狀面和兩個系統之間的術后冠狀位對準亦具有良好的相關性，但是兩個系統在脛骨切口、脛骨斜面和股骨假體旋轉的冠狀面的相關性并不顯著。

手持式CAS導航與大型控制臺CAS導航在TKA中的準確度和精度水平無明顯差異，這兩種方法比使用髓內/髓外儀器的常規技術更準確。與傳統技術相比，手持式CAS導航的優勢包括最少的附加手術時間，相對較低的成本，不會侵犯股骨/脛骨管（減少失血，減少脂肪栓塞的風險），并且不需要額外的操作區外的控制臺，在未來有更加廣闊的應用前景。

3 CAS導航下的對線精度提升的意義

一直以來，TKA的原則即為恢復機械軸可以提升術后假體的耐用性和以及功能的改善，但Parratte［20］進行的一項為期15年的研究發現，若以3個指標分析膝關節置換的存活率，則機械對齊0°～±3°組和＞3°組之間的生存率沒有差異：（1）因任何原因進行翻修，包括膿毒性和無菌性并發癥；（2）由于機械性失效、無菌性松動，影像學磨損或髕骨并發癥而翻修;（3）由于機械性失效，無菌性松動或影像學磨損而排除髕骨并發癥，但是他們并沒有斷言對線精度與TKA預后是完全不相關的，而是它可能不像以前想象的那樣是一個十分重要的因素。Kim等［21］在一項長達12年的研究比較中發現，CAS導航TKA與傳統TKA相比，在患者滿意度、軸對準以及無菌性松動的發生率方面并無明顯差異。與之相反的是，來自多個臨床試驗的觀察數據表明，如果TKA在內翻位置機械對齊，則會導致假體的磨損增加和過早失效［22-29］，計算機導航下的TKA進一步實現了最理想狀態下的冠狀面對齊，大大提高了膝關節置換成功率和假體的使用壽命。研究上述結果可發現，Parratte［15］和 Kim［21］等進行的研究隨訪時間均大于 10年，隨著隨訪時間的延長，機械軸對線精度的提升對患者并無明顯的影響，倒是在短中期研究中（小于10年），CAS導航下精準對線提高了TKA成功率及假體使用壽命，且對患者術后的恢復及運動狀況也有一定的促進作用。

4 當前發展CAS導航所面臨的問題

雖然CAS導航已被證明可以降低對線不準的風險［8］，但傳統CAS導航仍面臨許多問題，包括增加的資金成本和操作時間、手術步驟的變化、以及需要時間來學習CAS導航手術等［10,28］，目前應用新式手持式CAS導航系統可以相當程度的避免上述問題，其與傳統TKA定位裝置類似以及擁有適用于多種假體的開放式平臺軟件，但手持式CAS導航依然存在局限性，包括單次使用組件的成本、缺乏關于股骨和脛骨旋轉的信息以及無法定量評估軟組織平衡和關節穩定性等［29］。

現在還有一派學者對“應用CAS導航提升機械軸對準對TKA預后的正面影響”仍存在質疑。Bellemans等［30］研究了20歲～27歲之間的無癥狀成年志愿者發現，32%的男性和17%的女性存在＞3°的膝關節內翻，他們認為恢復這些患者的中性機械對線可能并不理想。Ritter等［31］證實股骨外翻≥8°和脛骨內翻＜9°導致的TKA失敗率為8.7%，而股骨外翻＜8°和脛骨內翻≥9°導致失敗率為0.2%，他們還發現如果患者BMI＞41，失敗風險也會增加，這與先前的研究證明的中性機械軸±3°對齊的臨床重要性相矛盾，Parratte等［20］也提出質疑，認為中性機械軸對齊大于3°與TKA早期失敗并無因果關系。這些學者認為機械軸對齊理論在TKA中仍然是合理的，但如果存在其他定位目標，則應該綜合考慮而不單單是追求精準對線。

5 小結

CAS導航系統可以提高TKA中假體對齊的準確性和精度，但如文中所述，有學者的研究顯示CAS導航下的提升機械對準對于TKA預后并無很明顯的改善，這與傳統觀點并不符合。因此，盡管TKA以及CAS導航已經發展多年，但仍存在3個根本問題：TKA的最佳對齊標準是什么；實現這一對齊目標的最精準的方法是什么；根據臨床研究得到的結局指標及成功率來說，對齊和實現對齊的方法是否會影響TKA的結果？想要弄清楚這些問題，在分析個體患者的最佳膝關節對線以及其余可能影響假體存活以及功能的方面，還應進行更大范圍及更長隨訪時間的臨床研究。另一方面，因為CAS導航的使用會增加病人額外的經濟負擔，目前國內只有很少的幾家醫院在使用此技術，但隨著低成本手持式CAS導航系統快速發展，使得TKA導航系統向更加緊湊、用戶友好、時間和成本效益更加優化的方向發展，因此這項技術展示出令人期待的前景。